Een postoperatieve evaluatierichtlijn voor computerondersteunde wederopbouw van de onderkaak
Summary
Hier stellen we een praktische, haalbare en reproduceerbare evaluatierichtlijn voor computerondersteunde reconstructie van de onderkaak voor om uniformiteit te creëren tussen studies met betrekking tot postoperatieve nauwkeurigheidsevaluatie. Dit protocol gaat verder en specificeert een eerdere publicatie van deze evaluatierichtlijn.
Abstract
Geldige vergelijkingen van postoperatieve nauwkeurigheid resulteert in computerondersteunde reconstructie van de onderkaak zijn moeilijk als gevolg van heterogeniteit in beeldvormingsmodaliteiten, gedenkstoornissen en evaluatiemethoden tussen studies. Deze richtlijn maakt gebruik van een stapsgewijze aanpak die het proces van beeldvorming, classificatie van manibulaire defecten en volumebeoordeling van driedimensionale (3D)-modellen begeleidt, waarna een gelegitimeerde kwantitatieve nauwkeurigheidsevaluatiemethode kan worden uitgevoerd tussen de postoperatieve klinische situatie en het preoperatieve virtuele plan. De condyles en de verticale en horizontale hoeken van de onderkaak worden gebruikt als benige oriëntatiepunten om virtuele lijnen te definiëren in de computer-ondersteunde chirurgie (CAS) software. Tussen deze lijnen worden de axiale, coronale en beide sagittale mandibulaire hoeken berekend op zowel pre- als postoperatieve 3D-modellen van de (neo)onderkaak en vervolgens worden de afwijkingen berekend. Door het postoperatieve 3D-model op het preoperatieve vrijwel geplande 3D-model te plaatsen, dat is bevestigd aan de XYZ-as, kan de afwijking tussen pre- en postoperatieve vrijwel geplande tandheelkundige implantaatposities worden berekend. Dit protocol gaat verder en specificeert een eerdere publicatie van deze evaluatierichtlijn.
Introduction
Computer-assisted surgery (CAS) in reconstructieve chirurgie omvat vier opeenvolgende fasen: een virtuele planningsfase, een driedimensionale (3D) modelleringsfase, een chirurgische fase en een postoperatieve evaluatiefase1. De planningsfase begint met het verkrijgen van een craniofaciale computertomografie (CT) scan, en een donorsite CT of CT angiografie (CTA) scan. Diverse weefseltypes komen overeen met een hoeveelheid röntgendemping, wat leidt tot scanvoxels met een specifieke grijze waarde die varieerde volgens Hounsfield-eenheden (HU) (menselijk bot [+1000 HU], water [0 HU], en lucht [-1000 HU]). Deze afbeeldingen worden opgeslagen in het bestandsformaat Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM). Door de interessegebieden (ROI’s) in segmentatiesoftware te selecteren, kunnen 3D-modellen worden gegenereerd2. De meest populaire en haalbare segmentatietechniek is drempeling: voxels boven een geselecteerde HU-drempelwaarde zijn ingesloten in de ROI. Deze voxels worden vervolgens omgezet in 3D-modellen in het Standard Tessellation Language (STL) bestandsformaat3,en geüpload naar CAS-software om de osteotomies te plannen en 3D-apparaten te ontwerpen4. Tijdens de modelleringsfase worden de ontworpen apparaten 3D geprint en gesteriliseerd, gevolgd door de chirurgische fase. De eindevaluatiefase bestaat uit een postoperatieve CT-scan van de schedel van de patiënt, gevolgd door een nauwkeurigheidsanalyse die het postoperatieve resultaat vergelijkt met het preoperatieve virtuele plan.
Onze onlangs gepubliceerde systematische beoordeling met betrekking tot de nauwkeurigheid van computer-ondersteunde manibulaire reconstructies toonde heterogeniteit in beeldverwerving, classificatie van manibulaire gebreken, en evaluatie methodologieën. Deze heterogeniteit beperkt geldige vergelijkingen van postoperatieve harde weefselnauwkeurigheidsresultaten tussen studies5. Standaardisatie van CAS-fasen in het proces van de maiculaire wederopbouw is belangrijk vanwege de nieuwe verordening inzake medische hulpmiddelen van de Europese Unie (MDR), die een Conformité Européenne (CE)-certificering vereist voor alle verschillende CAS-processen en die vanaf het voorjaar van 2020 operationeel zalzijn. Hier presenteren we een praktische, haalbare en reproduceerbare evaluatierichtlijn voor computerondersteunde reconstructies van de onderkaak om uniformiteit te creëren tussen studies met betrekking tot postoperatieve nauwkeurigheidsevaluatie. Dit protocol gaat verder en specificeert een eerdere publicatie van deze evaluatie richtlijn7, die momenteel wordt getest in een grote multicenter cohort studie waarin alle verschillende soorten van demandslagader reconstructies zullen worden geanalyseerd voor hun nauwkeurigheid gericht op aanvaardbare uitkomst bereiken met betrekking tot functionaliteit te ontdekken.
Protocol
Representative Results
Discussion
Deze postoperatieve evaluatierichtlijn heeft tot doel een grotere uniformiteit van de nauwkeurigheidsanalyse van computerondersteunde mandibulaire reconstructies te vergemakkelijken. De focus ligt op vier componenten die het succes van de mandibulaire reconstructie bepalen: (1) de positie van beide condyles, (2) de hoeken van de osteotomievlakken, (3) de grootte, positie en fixatie van de bottransplantatensegmenten, en (4) de positie van de geleide tandheelkunde implantaten (indien onmiddellijk uitgevoerd en opgenomen in de virtuele planning).
In de eerste stap van ons voorgestelde protocol raden we MDCT-scanning aan voor zowel pre- als postoperatieve beeldvorming, omdat de kwaliteit van CT-beelden de volumenauwkeurigheid van gesegmenteerde STL-modellen beïnvloedt. De grootste volumeafwijkingen zijn te vinden in STL-modellen gesegmenteerd uit cone beam computed tomografie (CBCT) scanner DICOM data11. Deze volumeafwijkingen beïnvloeden de nauwkeurigheid en montage van 3D-geprinte sjablonen en hulplijnen en beïnvloeden dus ook postoperatieve nauwkeurigheidsmetingen tussen pre- en postoperatieve STL-modellen. Daarom raden we het gebruik van MDCT-scanners in zowel pre- als postoperatieve beeldvorming voor mandibulaire reconstructie met behulp van CAS. Slice dikte is de meest beïnvloedende factor in STL volume nauwkeurigheid en moet worden ingesteld <1,25 mm. Een hogere snijdikte levert op tot verlies van detail in de STL-modellen en beïnvloedt nauwkeurigheidsmetingen12,13. Een onlangs gepubliceerde systematische beoordeling van de nauwkeurigheid in de mandibulaire reconstructie met behulp van CAS toonde een slechte beschrijving in de materialen en methoden sectie van CT-scanner parameters gebruikt door auteurs5. Naar onze mening moeten CAS-studies altijd het type en de parameters van pre- en postoperatieve beeldvormingsmodaliteiten in de sectie materialen en methoden specificeren. Om veranderingen op lange termijn in het volume, de vorm en de positie van de segmenten van het bottransplantaat te voorkomen, moet de postoperatieve MDCT-scan binnen zes weken na de reconstructie14worden uitgevoerd . In het geval van adjuvante radiotherapie, gebruik maken van de eerste postoperatieve MDCT scan voorafgaand aan de therapie om straling gerelateerde pathologie in de mandibulaire bot15te voorkomen .
Classificatie van mandibulaire gebreken is nodig om reconstructies te vergelijken met vergelijkbare complexiteit. In 2016 stelden Brown et al.8 een mandibulaire defectclassificatie voor waarin vier klassen worden beschreven, met een relatie tussen het klassenummer en de complexiteit van de reconstructie. De uitlijning van pre- en postoperatieve STL-modellen in de CAS-software om de nauwkeurigheid van de reconstructie te evalueren, brengt enkele problemen met zich mee. De superpositie software tool verplaatst een geselecteerd deel van een STL-model (de bron) het beste overeenkomen met een vast deel van een STL-model (de referentie) met behulp van een iteratieve dichtstbijzijnde-punt algoritme. De superpositie van de gehele (neo)onderkaak is echter onjuist als gevolg van verstrooiing van de reconstructieplaat(en) die zal leiden tot verschuivingen van de gehele reconstructie, die niet de postoperatieve klinische positie van de onderkaak16vertegenwoordigen . Hetzelfde probleem wordt geïntroduceerd bij het overplaatsen van geïsoleerde delen van de reconstructie17. Superpositie van de onderkaak inclusief de maxilla en cranium is onjuist omdat het openen van de mond altijd anders zal zijn tijdens het pre- en postoperatieve scannen. Om de postoperatieve positie van de (neo)onderkaak te evalueren, hebben we daarom besloten om mandibulaire hoeken (gepionierd door De Maesschalck et al.18)op zowel pre-als postoperatieve STL-modellen afzonderlijk te creëren om de superpositieproblemen te omzeilen. Echter, om de tandheelkundige implantaat posities die we noodzakelijkerwijs nodig om beide modellen uit te lijnen, met behulp van de superpositie software tool te evalueren. Om pre- en postoperatieve STL-modellen af te stemmen op de dichtstbijzijnde benadering van de klinische postoperatieve intermaxillaire relatie, geloven we dat superpositie van alleen beide condylarprocessen de meest haalbare, gestandaardiseerde en reproduceerbare methode is. Hoewel de postoperatieve positie van beide condyles kan worden beïnvloed door onnauwkeurige neomandible wederopbouw, zal de intermaxillaire relatie geschikt zijn voor de middellijn en dus gemiddeld de positie van beide condyles rond het midsagittale vlak19. In ons protocol wordt alleen het preoperatieve STL-model snel aan de XYZ-as bevestigd met behulp van een vlaklijnpuntgereedschap in de CAS-software, waarmee een benchmark wordt voorgesteld waaruit de postoperatieve afwijkingen van de tandheelkundige implantaten kunnen worden bepaald. De vaste schedelpositie op de XYZ-as kan leiden tot kleine koppotige verschillen tussen de gevallen. Dit heeft echter geen invloed op de metingen van het tandimplantaat, omdat het geen gevolgen heeft voor de afstand XYZ in mm tussen de posities van het tandimplantaat wanneer het postoperatieve 3D-model wordt bovenop het vaste preoperatieve 3D-model geplaatst, waarbij alleen beide condyles zijn geselecteerd voor het iteratieve dichtstbijzijnde puntalgoritme.
Zoals hierboven beschreven, hebben De Maesschalck et al.18 een evaluatiemethode ontwikkeld voor de nauwkeurigheid van de mandoriculaire reconstructie met behulp van CAS, door de noodzaak van osteotomievlakbepaling te omzeilen en het gebruik van een superpositiegereedschap te omzeilen. Het ernstigste nadeel van deze methode is dat het niet de methode heeft opgegeven die wordt gebruikt om het midsagittale vlak te bepalen, dat moet worden gestandaardiseerd en reproduceerbaar. Ook zijn er geen vrijwel geplande tandheelkundige implantaten opgenomen en ontbreekt een differentiatie tussen de complexiteit van de mandibulaire reconstructies. We hebben de evaluatie van postoperatieve posities van vrijwel geplande tandheelkundige implantaten in ons protocol opgenomen, omdat het aantal auteurs dat in de toekomst geleide tandheelkundige implantaten toepast, waarschijnlijk zal toenemen. In 2016 stelden Schepers et al.20 een uitstekende postoperatieve evaluatiemethode voor voor vrijwel geplande tandheelkundige implantaten in mandibulaire reconstructie met CAS door de afwijking van het middelpunt (mm) en hoekafwijking (°) per tandimplantaat te meten. De belangrijkste beperking van deze methode is de hoeveelheid metingen per implantaat die de haalbaarheid vermindert en resulteert in verlies van overzicht van de nauwkeurigheid van de gehele reconstructie. Wij stellen een meer vereenvoudigde methode voor door één samenvattend getal per tandheelkundig implantaat te bepalen door de afstand XYZ (dXYZ in mm) te meten. Met betrekking tot tandheelkundige revalidatie is de positie van de hals van het tandimplantaat bepalend voor toekomstige protheses. Daarom beveelt ons evaluatieprotocol aan om virtuele punten op de hals van de tandheelkundige implantaten te maken in de pre- en postoperatieve STL-modellen. Om de evaluatie van de tandheelkundige implantaten haalbaar te houden hebben we besloten om hoekafwijkingsmetingen over te slaan, omdat hoekafwijkingen tot 15° kunnen worden gecorrigeerd met schuine implantaatabutments.
Onze voorgestelde richtlijn is van toepassing op alle soorten donorsites en maakt verschillende bottransplantatuurmogelijkheden mogelijk. Ook ct-verstrooiing van metalen fixatie onderdelen in de postoperatieve beeldvorming zal geen invloed hebben op de metingen van de richtlijn5. In deze evaluatierichtlijn gebruikten we Mimics inPrint 3.0 en GOM Inspect Professional 2019. Het protocol beschrijft echter softwaretools die beschikbaar zijn in alle CAS-softwarepakketten. Deze richtlijn heeft tot doel bij te dragen aan een veel meer gestandaardiseerde en uniforme aanpak om relaties tussen nauwkeurigheid en alle verschillende benaderingen tijdens de CAS-fasen te objectiveren. Er is volop ruimte voor verdere vooruitgang bij het bepalen van aanvaardbare mandibulaire hoekafwijkingen per Brown-klasse, hun relatie met de postoperatieve posities van vrijwel geplande tandheelkundige implantaten en aanvaardbare afwijkingen van tandheelkundige implantaten (dXYZ) voor toekomstige protheses. Momenteel voert onze afdeling een multicenterstudie uit om deze richtlijn te valideren in een groot cohort, waarbij ook rekening wordt gehouden met alle bovengenoemde variabelen.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit onderzoek heeft geen specifieke subsidie ontvangen van financieringsinstellingen in de sectoren publieke, commerciële of niet-winstoogmerk.
Materials
| GOM Inspect Professional 2019 | GOM | Evaluation software | |
| Mimics inPrint 3.0 | Materialise | Image-based 3D medical software |
References
- Rodby, K. A., et al. Advances in oncologic head and neck reconstruction: systematic review and future considerations of virtual surgical planning and computer aided design/computer aided modeling. Journal of Plastic, Reconstructive & Aesthetic Surgery. 67 (9), 1171-1185 (2014).
- Rengier, F., et al. 3D printing based on imaging data: review of medical applications. International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery. 5 (4), 335-341 (2010).
- Marro, A., Bandukwala, T., Mak, W. Three-Dimensional Printing and Medical Imaging: A Review of the Methods and Applications. Current Problems in Diagnostic Radiology. 45 (1), 2-9 (2016).
- Mitsouras, D., et al. Medical 3D Printing for the Radiologist. Radiographics. 35 (7), 1965-1988 (2015).
- van Baar, G. J. C., Forouzanfar, T., Liberton, N., Winters, H. A. H., Leusink, F. K. J. Accuracy of computer-assisted surgery in mandibular reconstruction: A systematic review. Oral Oncology. 84, 52-60 (2018).
- European Union Medical Device Regulation. Regulation (EU) 2017/745 of the European Parliament and of the Council of 5 April 2017 on medical devices, amending Directive 2001/83/EC, Regulation (EC) No 178/2002 and Regulation (EC) No 1223/2009 and repealing Council Directives 90/385/EEC and 93/42/EEC. Official Journal of the European Union. 60 (117), (2017).
- van Baar, G. J. C., Liberton, N., Forouzanfar, T., Winters, H. A. H., Leusink, F. K. J. Accuracy of computer-assisted surgery in mandibular reconstruction: A postoperative evaluation guideline. Oral Oncology. 88, 1-8 (2019).
- Brown, J. S., Barry, C., Ho, M., Shaw, R. A new classification for mandibular defects after oncological resection. Lancet Oncology. 17 (1), e23-e30 (2016).
- Pittayapat, P., et al. Three-dimensional Frankfort horizontal plane for 3D cephalometry: a comparative assessment of conventional versus novel landmarks and horizontal planes. European Journal of Orthodontics. 40 (3), 239-248 (2018).
- Green, M. N., Bloom, J. M., Kulbersh, R. A simple and accurate craniofacial midsagittal plane definition. American Journal of Orthodontics and Dentofacial Orthopedics. 152 (3), 355-363 (2017).
- van Eijnatten, M. B. F., de Graaf, P., Koivisto, J., Forouzanfar, T., Wolff, J. Influence of ct parameters on stl model accuracy. Rapid Prototyping Journal. 24 (4), 679-685 (2017).
- Whyms, B. J., et al. The effect of computed tomographic scanner parameters and 3-dimensional volume rendering techniques on the accuracy of linear, angular, and volumetric measurements of the mandible. Oral Surgery, Oral Medicine, Oral Pathology, and Oral Radiology. 115 (5), 682-691 (2013).
- Taft, R. M., Kondor, S., Grant, G. T. Accuracy of rapid prototype models for head and neck reconstruction. Journal of Prosthetic Dentistry. 106 (6), 399-408 (2011).
- Disa, J. J., Winters, R. M., Hidalgo, D. A. Long-term evaluation of bone mass in free fibula flap mandible reconstruction. The American Journal of Surgery. 174 (5), 503-506 (1997).
- Jereczek-Fossa, B. A., Orecchia, R. Radiotherapy-induced mandibular bone complications. Cancer Treatments Reviews. 28 (1), 65-74 (2002).
- Tarsitano, A., et al. Accuracy of CAD/CAM mandibular reconstruction: A three-dimensional, fully virtual outcome evaluation method. Journal of Cranio-Maxillofacial Surgery. 46 (7), 1121-1125 (2018).
- Roser, S. M., et al. The accuracy of virtual surgical planning in free fibula mandibular reconstruction: comparison of planned and final results. Journal of Oral and Maxillofacial Surgery. 68 (11), 2824-2832 (2010).
- De Maesschalck, T., Courvoisier, D. S., Scolozzi, P. Computer-assisted versus traditional freehand technique in fibular free flap mandibular reconstruction: a morphological comparative study. European Archives of Oto-Rhino-Laryngology. 274 (1), 517-526 (2017).
- Hidalgo, D. A., Pusic, A. L. Free-flap mandibular reconstruction: a 10-year follow-up study. Plastic and Reconstructive Surgery. 110 (2), 438-451 (2002).
- Schepers, R. H., et al. Accuracy of secondary maxillofacial reconstruction with prefabricated fibula grafts using 3D planning and guided reconstruction. Journal of Cranio-Maxillofacial Surgery. 44 (4), 392-399 (2016).
