Digitaaliset mallit ortodontiassa ja suu- ja leukakirurgiassa

Digitaaliset hammasmallit

Amerikkalainen OrthoCAD-yritys toi digitaaliset hammasmallit (kuva «»1) markkinoille viime vuosituhannen vaihteessa. Ensimmäiset digitaalisia hammasmalleja käsittelevät julkaisut keskittyivät validoimaan menetelmän käytön vertaamalla virtuaalisten mallien ja kipsimallien mittaustuloksia; jälkimmäisiä käytettiin edelleen standardina. Digitaalisten mallien ja kipsimallien mittausten luotettavuuden ja toistettavuuden arvioinnin perusteella päädyttiin siihen, että digitaalisia malleja voidaan suositella vaihtoehdoksi kipsimalleille hoitosuunnitelman teossa (1–3). Myöhemmin monet tutkimukset ovat osoittaneet, että digitaalisilla malleilla mittaustulosten toistettavuus – sekä saman tutkijan sisäinen että eri tutkijoiden välinen – oli merkittävästi parempi kuin perinteisillä kipsimalleilla (4–6).

Virtuaalisten mallien käyttöönoton jälkeen mallien säilyttämiseen ei enää tarvittu tilaa hoidon aikana eikä sen jälkeen. Lisäetuna oli, etteivät mallit enää olleet vaarassa vahingoittua tai kulua jatkuvassa käytössä (esim. opetuksessa). Lopulta alettiin nähdä etuna myös se, että digitaalisia malleja voitiin "jakaa" usealle hoitavalle henkilölle moniammatillisten hoitojen yhteydessä (5, 7, 8). Digitaaliset mallit tarjoavat myös mahdollisuuden tehdä monia sellaisia analyyseja, jotka eivät onnistu perinteisillä malleilla. Hoidon aiheuttamat muutokset voidaan visualisoida leuoista otettuihin kerroskuviin (kuva «»2). Kun nämä mallit "viipaloidaan" eri tasoille, on mahdollista tarkastella etuhampaiden bukkolinguaalista kallistumista ja päättää tämän perusteella, mitkä suunnitelluista muutoksista ovat realistisia. Tällöin menetelmävirheet jäävät huomattavasti pienemmiksi kuin käytettäessä kallolateraalikuvista saatuja mittaustuloksia (9, 10) (kuva «»3). Virtuaaliset mallit voivat siis suurelta osin korvata kefalometriset tutkimukset, joissa monet päätökset perustuvat etuhampaiden kallistuskulmiin ja pehmytkudos-profiiliin. Tutkimuksessa digitaaliset mallit ovat arvokasta materiaalia, jotka monissa ongelmanratkaisutilanteissa päihittävät kallolateraaliröntgenkuvat ja perinteiset hammasmallit.

Myös nuorten aikuisten hoitoon digitaaliset hammasmallit tuovat uusia mahdollisuuksia, koska niitä tutkimalla ortodonttisia hoitoonvalintakriteereitä voidaan arvioida entistä paremmin. Hammasmallien skannaus on yhä paras menetelmä, mutta intraoraalinen skannaus kaikkine mahdollisuuksineen korvannee ajan myötä perinteiset jäljennökset.

Toistaiseksi ei ole kiinnitetty kovin laajalti huomiota siihen, että digitaalisia malleja on mahdollista hyödyntää myös hoidonjälkeisiin tutkimuksiin kuuluvissa analyyseissa. Virtuaaliset mallit, joihin on simuloitu hoidon lopputulos, voitaisiin toimittaa potilaalle ja hoitavalle hammaslääkärille. Koska ortodonttisen hoidon tuloksen ei koskaan voida olettaa olevan stabiili, ja koska purenta myös ilman toimenpiteitä muuttuu jatkuvasti – eikä pelkästään lapsilla, vaan myös aikuisilla (11, 12) – pitäisi hoidolla saavutetun purennan stabiliteetti ajatella ylläpitohoidon tavoitteeksi. Useimmat hoidot edellyttävätkin saavutettujen tulosten ylläpitohoitoa – toisin sanoen hampaiden ja parodontiumin ylläpitohoitoa –, mutta tämän lisäksi tarvitaan monesti myös mekaanista retentiota. Kun hoidon tulokset esitetään potilaalle ja hoitavalle hammaslääkärille digitaalisena mallina, voidaan vastuu ylläpitohoidosta siirtää heille, ja heillä on mahdollisuus ryhtyä sopiviin toimenpiteisiin.

Kuva 1. Digitaalisten mallien valmistus.

Kuva 2. Päällekkäin asetetut digitaaliset mallit osoittavat purennan ja hammaskaaret ennen ortodonttista toimenpidettä (violetti) ja sen jälkeen (keltainen).

Kuva 3. Etuhampaiden kallistuskulman mittaus digitaalisessa mallissa.

3D-kuvat

2D-kuvia käytetään yleisesti kasvojen morfologian arviointiin. Kuvat ovat tärkeä kliinisen tiedon lähde sekä ortodonttisten ja ortognaattiskirurgisten hoitojen suunnittelussa että näiden alojen tutkimuksessa (13, 14). Viimeisen vuosikymmenen aikana on kehitetty erilaisia 3D-sovelluksia pinnanmuotojen kuvaamiseen. Myös näiden sovellusten tarkoituksena on kasvojen muodon ja morfologian arviointi, mutta paljon realistisemmalla tasolla kuin ennen (15, 16). Kaksi nykyisin eniten käytettyä tekniikkaa ovat 3D-laserskannaus ja 3D-kuvaus. Viimeksi mainittu on usein paras valinta tarkkuutensa ja nopeutensa ansiosta sekä siksi, että se näyttää pehmytkudosrakenteet todenmukaisesti (17). Toisin kuin kuvaamisessa, laserskannauksessa käytetään lasersädettä, joka kulkee kasvojen koko pinnan yli, mikä on suhteellisen hidas prosessi; näin ollen sen riskinä ovat liikkumisesta johtuvat artefaktat. Lasersäteet saattavat myös vahingoittaa potilaan silmiä. 3D-kuvaustekniikka hyödyntää kahta tai useampaa yhdistettyä kameraa, jotka on konfiguroitu pareittain. Niissä on strukturoitu valaistus, joka mahdollistaa nopean 3D-koordinaattien kartoittamisen (2 millisekuntia) ja pintarakenteen tarkan kuvaamisen (18).

Ortognaattiskirurgisen toimenpiteen virtuaalinen suunnittelu

Ortognaattiskirurginen hoito, jossa on tarkoituksena siirtää joko vain toista tai molempia leukoja, suunnitellaan perinteisesti artikulaattorissa ylä- ja alaleuoista otettujen jäljennösten avulla. Hampaiston kipsimallit asetetaan artikulaattoriin, jossa toteutetaan leukojen siirto ja valmistetaan kirurginen ohjain. On tärkeää, että mallit asetetaan tarkasti suhteessa Frankfurt-horisontaalitasoon ja leukaniveliin ja että ylä- ja alaleuan välinen suhde on oikea. Yläleuan mallin asettelussa artikulaattoriin käytetään apuna kasvokaarirekisteröintiä, johon kuitenkin liittyy monia tarkkuuteen vaikuttavia virhelähteitä (19) – varsinkin jos potilaan kasvot ovat selvästi epäsymmetriset.

Alun perin 3D-suunnittelu perustui tietokonetomografia (TT) -skannaukseen, johon liittyy korkea säteilyannos. Kartiokeilatietokonetomografian (KKTT) kehittämisen myötä sekä säteilyannoksia että kuvantamistutkimusten kustannuksia on pystytty pienentämään huomattavasti. KKTT-kuvauksessa hampaat eivät kuitenkaan näy riittävän tarkasti. Suurin haaste luotettavan 3D-järjestelmän kehittämisessä ortognaattiskirurgisen suunnittelun tarpeisiin onkin ollut saada hampaiden ääriviivat näkymään niin selkeinä, että kuvantamistutkimuksen perusteella voidaan valmistaa kirurginen ohjain ohjaamaan leukaluiden siirtoa toimenpiteessä. Gateno ja kumppanit (20) ovat kuitenkin osoittaneet, ettei SLA-tekniikalla (stereolitografialla) valmistettua kirurgista ohjainta kliinisesti voinut erottaa perinteisesti valmistetusta ohjaimesta.

Tarkat purentajäljennökset saadaan yhdistämällä kolmiulotteinen virtuaalinen kallomalli tiedostoon, joka esittää hampaat hyvin tarkasti. Tällainen tiedosto saadaan joko tekemällä korkearesoluutioinen KKTT-skannaus hammaskaarista otetuista jäljennöksistä (21) tai käyttämällä digitaalisia hammasmalleja (22). Lopputuloksena on 3D-malli, joka yhdistää kallon ja digitaalisesti mallinnetut hammaskaaret. Tätä yhdistelmää luotaessa pystytään hyödyntämään yhtäältä digitaalisen mallinnuksen korkeaa resoluutiota ja toisaalta KKTT-skannauksen matalaa röntgensäteilytasoa siten, että kirurgista toimenpidettä varten saadaan mahdollisimman tarkka tieto anatomisista yksityiskohdista ja olosuhteista (21, 23). Lisäksi tämä toistettavuudeltaan erinomainen menetelmä on selkeästi luotettavampi kuin artikulaattoriin asetetun kipsijäljennöksen käyttö, johon liittyy menetelmävirheiden mahdollisuus (24). 3D-menetelmää käytettäessä saadaan myös enemmän tietoa erityisesti luusegmenttien liikkumisesta ja niiden asentojen muutoksista, ja 3D-menetelmässä myös interferenssit ja luusegmenttien liian suuret etäisyydet näkyvät selkeästi. Näin leukojen siirron realistisuus varmistetaan entistä luotettavammin jo suunnitteluvaiheessa.

Tiettyyn rajaan asti virtuaaliset 3D-mallit vastaavat fyysisiä 3D-malleja, joita on käytetty yli kymmenen vuoden ajan Aarhusin yliopistollisen sairaalan leukakirurgian klinikalla rekonstruktiivisissa toimenpiteissä.

Ortognaattisen kirurgian virtuaalinen suunnittelu edellyttää muutoksia perinteiseen tapaan suunnitella toimenpide, ja on hyvin tärkeää, että tehtyjen muutosten validiteetti voidaan osoittaa. Useissa tapauksissa virtuaalisen suunnittelun hyödyt ovat kuitenkin selkeästi suuret, koska monet virhelähteet poistuvat, kun artikulaattorissa tehty suunnittelu ja 2D-kefalometria eivät enää ole tarpeen.

Aarhusin yliopistollisen sairaalan leukakirurgian klinikka ja Aarhusin yliopiston ortodontian osasto ovat muutaman vuoden ajan tehneet yhteistyötä kehittääkseen järjestelmän, jonka avulla voidaan laatia virtuaalinen suunnitelma ja valmistaa stereolitografiaan perustuva kirurginen ohjain. Järjestelmä perustuu KKTT-skannaukseen ja virtuaalisiin malleihin, ja se hyödyntää Ortolabin (Czestochowa, Puola) O3DM Surgical Planning -ohjelmaa. Tämä kirurginen suunnitelma sisältää kuusi vaihetta (kuva «»4).

Virtuaaliset hammasmallit luodaan järjestelmässä ylä- ja alaleuan hammaskaarista otettujen alginaattijäljennösten avulla. Purentaindeksi otetaan kondyylit sijoitettuna oikeisiin kohtiin leukanivelissä; indeksi on juuri sen verran paksu, että hampaiden väliin jää aavistuksen verran rakoa ja leukaniveliin luonnollista kiertoa. Tällöin vältetään hampaat yhteen purtaessa tapahtuva asennon muutos, joka on indeksiä otettaessa mahdollista, koska purenta ei ennen toimenpidettä ole selkeä; lisäksi näin virtuaaliset ylä- ja alaleukamallit on mahdollista erottaa toisistaan. KKTT-skannaus tehdään purentaindeksin ollessa paikoillaan, jotta kondyylien asema olisi sama kuin kliinisesti vahvistettu asema. Tämän jälkeen tehdään alustava hoitosuunnitelma, joka noudattaa toimenpidettä edeltävässä kokouksessa vahvistettuja suuntaviivoja.

Valmis 3D-kallomalli yhdistetään virtuaalisiin hammaskaariin tietokoneen näytöllä (kuva «»5). Tämä tapahtuu siten, että sekä kallon 3D-mallista että digitaalisista hammasmalleista valitaan ohjelmassa viidestä kahdeksaan helposti tunnistettavaa kohtaa, joiden avulla niitä voidaan pyörittää ja siirtää samanaikaisesti tarpeen mukaan. Näin kallon 3D-mallista ja ylä- sekä alaleuan digitaalisesta hammasmallista saadaan yhdistetty 3D-malli.

Seuraavaksi määritetään osteotomialinjat ja jaetaan 3D-malli sopiviin osiin. Jos ortognaattiskirurgiseen hoitosuunnitelmaan kuuluu alaleuan ja yläleuan osteotomia, objekteja tulee kolme: alaleuka, yläleuka ja kallo. Monessa tapauksessa yläleuan malli saattaa olla tarpeen jakaa edelleen useampaan osaan, jolloin objekteja muodostuu esimerkiksi viisi: alaleuka, kolme yläleukasegmenttiä ja kallo (kuva «»6).

Toisistaan irrotettuja segmenttejä voidaan nyt siirtää näytöllä alustavan suunnitelman mukaisesti, ja kirurgi voi tarkistaa, aiheuttavatko siirrot interferenssejä ja tarkastella, millaisia tiloja segmenttien välille syntyy. Tämän jälkeen hoitosuunnitelman kokonaistavoitteita voidaan arvioida yhdessä ortodontin kanssa. Ohjelmaan on rakennettu sisään leukanivelten rotaatioliike, joten siinä voidaan tarpeen mukaan tehdä alaleuan autorotaatio. Tämä on tarpeen valmistettaessa kirurginen ohjain, jossa alaleuka kiertyy helposti posteriorisesti. Tällöin voidaan määrittää hammaskaarten välinen tila, mikäli ohjelma ilmoittaa kirurgisen ohjaimen muodon (kuva «»7).

Järjestelmä on käytössä ja sitä hyödynnetään suurimmassa osassa leukakirurgisen osaston potilaille tehtävistä ortognaattiskirurgisista hoidoista. Kehitteillä on myös mahdollisuus lisätä virtuaalisiin suunnitelmiin 3D-kuvia; niiden avulla saataisiin myös pehmytkudosprofiili esille ja voitaisiin kehittää algoritmeja pehmytkudosmuutosten ennakointia varten. Virtuaalista suunnittelujärjestelmää voisi myös mahdollisesti kehittää niin, että se muodostaisi mallipohjia, jotka ilmoittaisivat siirtymät luutasolla sekä osoittaisivat ruuvien ja muiden osteosynteesimateriaalien tarkan sijainnin.¹

Kuva 4. Virtuaalisen ortognaattiskirurgisen suunnitelman kuusi vaihetta.

Kuva 5. Digitaalisten mallien yhdistäminen yhdeksi, koko kalloa kuvaavaksi 3D-kohteeksi. Ylä- ja alaleuan mallien limittämisessä hyödynnetään helposti tunnistettavia kohtia (5–8 kappaletta) – esimerkiksi kulmahampaiden kärkiä, jotka on tässä merkitty punaisella.

Kuva 6. Ylä- ja alaleukojen kirurgian eri vaiheet. A) Tilanne ennen kirurgiaa. B) Tilanne alaleuan sagittaalisen katkaisun ja siirron jälkeen. C) Kirurgisen ohjaimen asetus. D) Yläleukamallin jakaminen kolmeen osaan. E) Tilanne yläleuan segmenttien siirron ja alaleuan autorotaation jälkeen. F) Lopullisen kirurgisen ohjaimen asetus.

Kuva 7. A) Lateraalinen näkymä lopputuloksesta ylä- ja alaleukojen kirurgian jälkeen; alaleuka on kokonaan purennassa. B) Kirurgisen ohjaimen asettamista varten alaleukaa kierretään posteriorisesti 0,5 astetta, jotta hampaiden väliin saadaan tilaa. (Huomioi, että ohjain on kuvassa läpinäkyvä).

Rekonstruktiivinen kirurgia

Kolmiulotteinen kasvojen luupuutosten korjaus, jota tarvitaan kasvojen vaikeiden epäsymmetrioiden sekä traumojen korjaamiseksi ja hyvän- tai pahanlaatuisen kasvaimen poiston jälkeen, on suuri haaste. 3D-teknologian käyttö on lisännyt mahdollisuuksia suunnitella siirteitä ja valmistaa yksilöllisiä implantteja esimerkiksi polyeetterieetteriketonista (PEEK). PEEK on termoplastinen biomateriaali, joka säilyttää muotonsa hyvin ja on biologisesti reagoimaton. Lisäksi materiaali on radiolusentti eikä aiheuta artefaktoja röntgen- tai magneettikuvaustutkimuksessa. Siihen ei myöskään vaikuta sädehoito, esimerkiksi gammasäteily. Materiaalia käytetään traumakirurgiassa ja ortopedisessa kirurgiassa (25).

Kasvainkirurgian jälkeinen rekonstruktiivinen hoito tapahtuu onkologien, plastiikkakirurgien, korva-, nenä- ja kurkkutautien erikoislääkärien sekä suu- ja leukakirurgien moniammatillisena yhteistyönä, ja kirurgisen hoitosuunnitelman tekoa voidaan helpottaa virtuaalisella kirurgialla. Virtuaalisessa kirurgiassa TT- tai KKTT-kuvat muunnetaan 3D-objekteiksi, jotka visualisoivat kirurgisen toimenpidesuunnitelman asianosaisille spesialisteille.

Esimerkiksi kasvainkirurgian jälkeisessä alaleuan rekonstruktiossa käytetään usein mikrovaskulaarista fibulasiirrettä. Oikeaoppisen fibulan osteotomian tekeminen ja fibulan sovittaminen siirteenä kolmiulotteisesti ja tiukasti luuhun niin, että kondyylien asennosta tulee oikea, on vaikeaa. Virtuaalisessa suunnitteluohjelmassa voidaan valmistaa kirurginen ohjain, joka osoittaa alaleuan osteotomialinjat sekä toimii fibulasiirteen "poraohjaimena" osoittaen siirteen tarkan pituuden ja kallistuskulman. Resektio- ja osteotomialinjat voidaan suunnitella ja rekonstruktiolevyjä sovittaa ennen varsinaista kirurgiaa. Kuvassa «»8 esitetään vuokaavio siitä, miten virtuaalisesti suunniteltu rekonstruktiivinen kirurginen toimenpide, esimerkiksi fibulasiirteen asettaminen, etenee (26).

Virtuaalisen kirurgian etuna on myös, että siinä voidaan määrittää fibulasiirteen tarkka koko, jolloin potilas säästyy laajamittaiselta kirurgialta fibulan poiston yhteydessä. Sen lisäksi osteotomialinjojen välille saadaan parempi luukontakti, koska siirre on hyvin tarkasti leikattu. Niin ikään siirteen irrotuskohdassa ilmenevät oireet vähenevät, koska iskemia-aika lyhenee, ja kirurgisten ohjainten sekä esitaitettujen osteosynteesilevyjen käyttö lyhentää kirurgisen toimenpiteen kokonaisaikaa (26–28). Vastaavasti lyhenevät myös sairaalassaolo- ja toipilasaika.

Kun kasvojen epäsymmetria on merkittävä, virtuaalista 3D-mallia voidaan käyttää arvioitaessa yksilöllisesti valmistetun implantin tarvittavaa kokoa tai heijastaa kasvojen operoitava, epäsymmetrinen puoli symmetrisen, intaktin puolen päälle. Kun kasvojen eri puolet on taas erotettu mallissa toisistaan, jää epäsymmetria näkyviin kokoerona. Kokoeron perusteella tietokoneohjelmistossa voidaan muovata potilaalle sopiva, yksilöllinen PEEK-implantti, joka on mahdollista asettaa suoraan luuhun korjaamaan epäsymmetria. Tätä tekniikkaa voidaan käyttää myös valmistettaessa yksilöllistä osteosynteesimateriaalia titaanista – esimerkiksi vakavan silmäkuopan sysäysmurtuman korjausleikkausta varten.

Tulevaisuudessa jatkuva tietokoneohjelmistojen kehitys mahdollistaa todennäköisesti ortodonttisiin siirtoihin käytettävien laitteiden suunnittelun sekä erilaisten kirurgisissa toimenpiteissä tarvittavien apuvälineiden kehittämisen. Tulevaisuudessa lienee mahdollista esimerkiksi luoda mallipohja, joka osoittaa ruuvien oikean sijainnin osteosynteesissä; tällaisen mallin avulla ruuvit voidaan asentaa paikoilleen turvallisesti, ilman riskiä viereisten anatomisten rakenteiden vahingoittumisesta. Jonain päivänä myös osteosynteesimateriaalit voidaan todennäköisesti valmistaa yksilöllisesti, jolloin ne toimisivat paitsi korjaavana materiaalina, myös osoittaisivat yksiselitteisesti luusegmenttien ja esimerkiksi leukanivelten oikean asennon.²

Kuva 8. Vuokaavio fibulasiirteen avulla tehtävästä rekonstruktiosta.

Lisäselvitys

Kirurginen O3DM Surgical Planning -suunnitteluohjelma on kehitetty Aarhusin yliopiston ortodontian osaston, Aarhusin yliopistollisen sairaalan leukakirurgian klinikan ja Puolan Czestochowassa sijaitsevan Ortolabin yhteistyönä.

¹ Toim. huom. Jo nykyään on mahdollista luoda 3D-suunnittelun avulla kirurgisia ohjaimia, joihin on määritelty siirron jälkeisten kiinnitysruuvien paikat valmiiksi. Myös kiinnityslevyjä pystytään valmistamaan yksilöllisesti. Näitä tekniikoita käytetään esimerkiksi HUSissa.

² Toim. huom. Myös rekonstruktiivisen kirurgian alalla pystytään tekemään osa mainituista asioista jo nyt. 3D-suunnittelun avulla voidaan luoda leikkausohjaimia ja yksilöllisiä kiinnityslevyjä, jolloin ei ole riskiä siitä, että kiinnitysruuvit vahingoittaisivat viereisiä anatomisia rakenteita – esim. hampaiden juuria. Lisäksi pystytään valmistamaan yksilöllisiä implantteja korvaamaan luudefektejä. Ortognaattisessa kirurgiassa taas voidaan valmistaa 3D-mallinnuksella yksilöllisiä leuankärjen implantteja, joilla korjataan leuankärjen muotoa tai alaleuan asymmetriaa.

Digital dental and 3 D -models in orthodontics, orthognathic surgery and reconstructive facial treatment

Detailed planning in relation to extensive and difficult orthodontics, orthognathic surgery and facial reconstructive treatment involves complicated workflow, attempting to merge heterogenous registrations such as dental plaster casts, 2-dimensional radio graphs and conventional photos into a common realistic treatment goal for the involved specialities.

Performed by a team of different specialists, treatment planning is essential for the course of treatment and must reach standards related to communication of the end result and details in treatment execution, training in intervention and prediction of the final outcome. Treatment planning has traditionally been based on analysis of plaster study casts, radiographs and photos. Attempts have been made to merge these different types of registrations into a VTO (visual treatment objectives) rendering a three-dimensional image of the treatment result but with limited information on the changes needed to obtain the final goals. Introduction of the cone beam CT scanner, development of computer software and virtual study casts combined with three-dimensional photos have made it possible to create a true digital VTO, improving not only the visualization of the treatment goal, making it possible to develop algorithms morphing three-dimensional photodata on skeletal modifications, but also to establish the principles for achieving the result, interventional training, prediction of the effect on soft tissue and record the outcome for further evaluation and quality assessment. Further development will result in the design of an appliance for orthodontic purposes, templates and guide splints for planned skeletal movements and for support during surgical procedures, resulting in correct positioning of material for osteosyntesis in relation to the anatomy and the bony segments, i.e. the temporomandibular condyle. In addition, fabrication of implants for reconstruction of missing bone and adjustments of bone transplants is an additional use for the digital three-dimensional technique.