Public Domain Computer-Aided Surgery (CAS) in Orthodontic and Maxillofacial Surgery

Abstract

Background: Computer-aided virtual three-dimensional (3D) surgical simulation assists the necessary visual understanding of complex pathological situations but has so far been dependent on expensive hardware and software.

Method: For the first time a non-commercial, user-orientated application for orthognathic and craniofacial surgical simulation has been introduced, based on freeware NIH Image 1.62 provided by the National Institute of Mental Health (NIMH). Use and limitations are demonstrated here by the example of hypertelorism surgery. The osteotomy lines and the amount of resection for outward positioning of the orbits were determined by the surgeon on a workstation using CT data. Possible movement patterns of the osteotomy fragments were rotations, sagittal and transversal movements or combinations of these. The program then allows the calculation of anatomical distances on the screen in a 1 : 1 relation. Normative values according to age and pathological anatomy determine the degree of displacement. The program calculates the new position of the osteotomy fragments and transfers the data of the segment movement to the original CT data.

Results: 3D visualization of bone and soft tissue contours have bee produced with an acceptable quality on a workstation for the demonstration and visual understanding of the surgical plan. Evaluation of a postoperative CT showed that the amount of movement and size of bone resection in the simulation was slightly overestimated rather than underestimated. This was also dependent on the complexity of the pathological anatomy and on how experienced the surgeon was.

Conclusion: The use of 3D simulation programs allows a better understanding of the pathological anatomy in all dimensions, and in many cases enables limitations to be recognized in advance. The public domain program makes a major contribution to the quality of orthognathic and craniofacial surgical planning through cost-free usability, and supports continuous development and exchange of experience.

Zusammenfassung

Hintergrund: Computergestützte virtuelle dreidimensionale Operationssimulationen fördern das bei einer Planung erforderliche räumliche Verständnis für komplexe pathologische Situationen und waren bisher an kostenintensiver Logistik gekoppelt.

Methode: Es wird erstmals eine nicht kommerzielle, benutzerorientierte Applikation für die orthognathe und kraniofaziale Operationssimulation vorgestellt, die auf der Freeware NIH-Image 1.62 des US National Institute of Mental Health (NIMH) beruht. Am Beispiel einer Hypertelorismusoperation werden Anwendbarkeit und Grenzen des Systems aufgezeigt. Auf der Basis von CT-Daten wurden im Computer die Osteotomiegrenzen und Resektionsausmaße zur Neupositionierung der nach außen verlagerten Orbitae vom Chirurgen festgelegt. Mögliche Bewegungsmuster der osteotomierten Fragmente, die isoliert oder kombiniert angewendet werden können, sind Rotationen, Sagittal- und Transversalbewegungen. Das Programm erlaubt die Berechnung anatomischer Distanzen auf dem Bildschirm in einer 1 : 1-Relation. Altersentsprechene Normwerde sowie die pathologische Anatomie bestimmten dabei das Ausmaß der Verlagerungen. Das Programm errechnet die neue Raumposition der osteotomierten Fragmente und überträgt die Daten der Segmentbewegung auf den ursprünglichen CT-Datensatz.

Ergebnisse: Dreidimensionale Darstellungen der Knochen- und Weichgewebskonturen wurden isoliert und kombiniert in akzeptabler Qualität zum visuellen Verständnis der bei der Planung beteiligten Personen dargestellt. Eine Reevaluation anhand eines postoperativen CT zeigte, dass das Bewegungsausmaß und die Größe der Knochenresektionen in der Simulation eher überschätzt als unterschätzt wird. Dies war abhängig von der Kompliziertheit der pathologischen Anatomie und von der Erfahrung des Operateurs.

Schlussfolgerung: Die Anwendung von dreidimensionalen Simulationsprogrammen ermöglicht ein besseres Verständnis für die pathologische Anatomie in allen Raumebenen und lässt in vielen Fällen operationstechnische Limitationen im Vorfeld erkenne. Public-Domain-Programme tragen durch eine kostenfreie Nutzung, die Möglichkeit der Weiterentwicklung und den damit verbundenen Erfahrungsaustausch entscheidend zur Verbesserung der Prozessqualität in der Planung orthognather und kraniofazialer Eingriffe bei.