Development of repositioning method of maxillomandibular complex under movable head position using robot with 3D position recognizing function and navigation system in orthognathic surgery

Abstract

Background

For a long time, oral and maxillofacial surgeons conducted a study on how to accurately establish the surgical treatment objectives (STO) and move the maxilla in accordance with the STO

Recently, advances in CAD/CAM and 3D printing technologies have developed ways to overcome many errors. Real-time navigation systems were also designed to verify that the maxillomandibular complex was positioned as planned during surgery. However, even with navigation equipment, repositioning the maxilla is not accurate and time consuming due to hand tremors. In order to overcome these limitations, several researchers had been attempted with the aid of a robot arm in conjunction with a navigation system.

In this study, we developed a method to reposition a maxillomandibular complex under a head movement condition using the 3D position recognizing function of the robot and a navigation system. In addition, we designed and fabricated an osteotomy guide template that can remove the predicted interference during LeFort I osteotomy for robot and navigation assisted orthognathic surgery.

Materials and methods

Total 12 phantom skull models with four different surgical plans were used and each surgical plan was conducted three times.

I. Using the simulation program, interferences when the osteotomized maxilla is repositioned to the planned location are confirmed in advance. In order to remove the interference area at the time of osteotomy, a 3D modeling program is used to design the osteotomy guide and then it was printed using 3D printer. The osteotomy guide was fixed to the actual phantom skull, and then LeFort I osteotomy was performed along the osteotomy line designed. After surgery, the CBCT data of the skull model is acquired after surgery (T1) and the accuracy of the osteotomy line is evaluated by superimposing the final 3D CBCT (T1) image and the 3D skull image that underwent virtual surgery preoperatively (T0). Subsequently, guide template is fitted to the skull model using sticky wax and the image is acquired with a laser model scanner before and after screw fixation of the template on the maxilla surface. The accuracy of the guide positioning is evaluated by superimposing the laser scanned image and the pre-operative (T0) virtual guide image in a 3D analysis program.

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II. A new method of repositioning the osteotomized maxilla to planned position using a 3D position recognizing function of robot and a navigation system under movable head position is developed. This system is consisted of a robot-arm with seven degree of freedom (LBR iiwa, KUKA, Germany), head registration zig, image-guided navigation system including optical tracking camera and tracking tool, display and PC. The navigation system uses an optical tracking system (POLARIS SPECTRA, Northern Digital Inc., Ontario, Canada) and simultaneously tracks the reflection body of skull head and the wafer for maxilla. First, head registration zig that can be gripped by robot end-effector is made using CAD / CAM technology and the zig attached to the upper side of the right supraorbital ridge. The preoperative head position was registered when the robot end effector is connected to the head registration zig. The conventional LeFort type 1 osteotomy was performed along the osteotomy line of guide template. After separation of the upper and lower part, the skull was moved to the preoperative original position using the head registration zig and stored position of the robot. The accuracy of returning process of the head position to the preoperative location was evaluated by intraoperative navigation system. After registration of head position, the robot arm is connected to the wafer for the maxillary repositioning, and the robot arm is moved by the surgeon's hand as close to the planned position as possible while watching the real-time navigation images on the display. Then, we moved the maxillomandibular complex to the final position in the sub-millimeter scale by smart pad. To evaluate the accuracy of the system, navigation and postoperative computed tomography images were used, and at the end, the planned position and actual surgical results were compared and analyzed.

Results

I. The deviation of the osteotomy guide was evaluated by comparing the 8 landmarks on the sawing guide of 3D virtual model and the laser scanned data of the actual 3D printed guide. The RMSD (Root mean square deviation) was 0.85 ± 0.24 mm before fixation and 0.64 ± 0.19 mm after fixation.

The positional difference between planned and actual 4 osteotomy lines were calculated using wall thickness analysis function in 3D CAD program. The mean difference was 0.49 ± 0.33 mm in upper line, 0.56 ± 0.23 mm in lower line and 0.48 ± 0.23 mm in all lines.

II. Discrepancy between original position and returned position of the phantom skull head was evaluated using the intraoperative navigation system. The RMSD was 0.37 ± 0.44 mm between original – and returned position in 12 experiments.

Mean absolute deviations on all landmarks in manual repositioning to planned position were 0.59 ± 0.36 mm in mesio-lateral direction, 0.89 ± 0.62 mm in antero-posterior direction, and 0.53± 0.36 mm in supero-inferior direction, and when using smart pad mean absolute deviations were 0.35 ± 0.27 mm in mesio-lateral direction, 0.48 ± 0.24 mm in antero-posterior direction, and 0.42 ± 0.40 mm in supero-inferior direction. The RMSD was 1.34 ± 0.50 mm by manual mode and 0.84 ± 0.48 mm by smart pad.

During the stabilization of the maxilla with L-shape plates, maxillary segment was moved slightly to 0.32 ± 0.21 mm in medio-lateral direction 0.27 ± 0.25 mm in antero-posterior direction, 0.42 ± 0.32 mm in supero-inferior direction compared with before the stabilization of the maxilla.

At the end, we compared the planned location of virtual maxilla with the actual post-operative 3D CBCT image. The RMSD was 1.22 ± 0.47 mm between planned – and actual postoperative maxillary position.

Conclusions

We developed a new methods for maxillomandibular complex repositioning to planned position under movable head condition using robot with the 3D position recognizing function and navigation system, and the results confirm that this system show clinically satisfactory level of maxillary repositioning even in a patient's head moving environment. We also designed the new osteotomy guide for robot-assisted orthognathic surgery.

연구 목적

본 연구에서는 7 자유도 (degree of freedom) 로봇의 3차원 위치 인식 기능과, 네비게이션 시스템을 사용하여 두부가 수술 중에 움직이는 조건 하에서 상하악 복합체를 수술 전 가상수술을 이용하여 결정한 계획대로 재위치 시키는 로봇 수술 방법을 개발하고 이에 대한 정확성을 평가 하고자 하였다.

또한, 르포트 1형 절골된 상악을 계획된 위치로 이동시킬 때 발생할 수 있는 충돌을 시물레이션 프로그램으로 미리 예측하여, 절골시 간섭 부분이 같이 삭제가 가능하도록 가이드를 제작하고, 그 정확성을 평가하였다.

연구 방법

총 12개의 skull 모형을 사용하였고, 4가지의 수술 계획에 따라 각각 3번의 실험을 반복하였다. 상하악 복합체의 재위치 및 절골가이드의 정확성을 평가하기 위해 3차원 CBCT, 레이저 스캐너, 네비게이션 시스템 그리고 3차원 CAD 프로그램을 사용하였다.

I. 절단된 상악골을 수술계획대로 재위치시킬 때 상악 기저골과 간섭되는 부분을 가상수술 프로그램을 통해 미리 확인하고, 골절단 과정에 간섭 부위를 같이 제거할 수 있도록, 3D 프로그램을 이용하여 골절단가이드를 디자인 후 3D 프린터로 출력하여 skull 모델에 적합시키고, 가이드를 나사로 고정하기 전과 후의 3차원 이미지를 레이저 스캐너로 채득하였다. 스캔한 상악 및 절골가이드 이미지와 수술 전 디자인한 가상의 절골 가이드 이미지를 3D 프로그램으로 중첩하여 가이드의 위치 정확성을 평가하였다.

상하악 복합체를 수술 계획에 따라 로봇으로 이동한 후 재위치 및 고정 하여 skull 모델의 CBCT를 촬영하고, 가상 수술을 진행한 3D skull 이미지와 중첩하여 골절단선의 정확성을 평가하였다.

II. 두부 움직임 조건에서, 7축 자유도 로봇의 3차원 위치 인식 기능과 내비게이션시스템을 이용하여 상악을 재위치 시키는 방법을 개발하였다.이를 위해 로봇팔과 두부 초기 위치 인식(registration) 지그(zig), 광학 추적 네비게이션 시스템이 사용되었으며, 두부와 상악골 상부자(splint)에 부착된 피추적 반사체(registration body)를 동시 추적하였다.

우선 두부 위치 인식 지그를 CAD/CAM 으로 제작하고 우측 상안와 부위에 고정한 뒤, 로봇 최종 작용체(end effector)를 결합하여 수술 전 두부의 위치를 기록하였다. 골절단가이드를 이용하여 르포트 1형 절골을 시행하고, 로봇에 저장된 위치정보와 머리 위치 인지 지그를 이용하여 두부를 수술 전 위치로 이동시켰다. 악골 수술 전 후 두부의 위치 차이를 네비게이션 시스템을 이용하여 확인하였고, 두부 재위치의 정확성을 평가하였다. 이후 로봇 팔을 상하악복합체 재위치용 스플린트와 연결하고, 실시간 네비게이션 영상을 보면서 술자 손으로 로봇 팔을 움직여 계획된 위치에 최대한 가까이 이동시켰다. 이후 스마트 패드를 이용하여 로봇팔과 연결된 상악을 최종 위치로 밀리미터 이하 단위로 이동시켰다. 이동 중 충돌이 발생하면, 위치정보를 기록 후 분리시켜 간섭을 제거하고, 저장된 위치로 자동으로 되돌아가서 최종 위치를 맞추는 작업을 반복하였다. 시스템의 정확성을 평가하기위하여 술 중 내비게이션 및 술 후 전산화 단층 촬영 영상을 이용하였고, 최종적으로 수술 계획과 실제 수술 결과를 비교•분석하였다.

연구 결과

I. 3D 프린팅된 골절단 가이드의 상악골표면 적합 정확도는, 나사 고정 전, 계획된 위치와 비교하여 내외측으로 0.17 ± 0.12 mm, 전후방으로 0.71 ± 0.28 mm, 상하방으로 0.32 ± 0.23 mm 의 위치 변위를 보였으며, 나사 고정 후 내외측으로 026 ± 0.20 mm, 전후방으로 0.41 ± 0.20 mm, 상하방으로 0.30 ± 0.20 mm 의 위치 변화를 보였다. RMSD는 고정 전에 0.85 ± 0.24 mm, 고정 후에 0.64 ± 0.19 mm 를 보였다.

실제 골절단된 상악골 골편과, 가상 수술 한 3D 모델을 비교하였을 때, 절골선 위치의 정확도는, 상방 골절단선에서 0.49 ± 0.33 mm , 하방 골절단선에서 0.56 ± 0.23 mm의 평균 위치차이를 보였으며, 전체 골절단선 에서는 평균 0.48 ± 0.23 mm 의 차이를 보였다.

II. 두부 움직임조건하에서, 7축 로봇의 3차원 위치 인식 기능과 내비게이션 위치 추적 시스템을 이용하여 상하악 복합체를 계획대로 재위치시키는 방법을 개발하였다. 로봇 팔과 두부 위치 인식 지그를 이용하여 수술 전 skull의 두부 위치를 로봇에 저장하고, 저장된 정보를 이용하여 수술 후 skull의 두부 위치를 자동으로 수술 전과 같은 위치로 이동 시켰을때, 정확도는 내외측으로 019 ± 0.27 mm, 전후방으로 0.14 ± 0.22 mm, 상하방으로 0.24 ± 0.30 mm, yawing 0.016 ± 0.132 deg, pitching 0.0025 ± 0.002 deg, rolling 0.0174 ± 0.019 deg의 변위를 보였다. RMSD 는 0.37 ± 0.44 mm 의 차이를 보였다.

술 중 내비게이션을 이용한 상악 재위치 정확도 평가에서 로봇을 술자가 네비게이션을 보면서 직접 손으로 이동 시켰을때는, 재위치된 상악골골편은 계획된 위치와 비교하여 0.59 ± 0.36 mm의 내외측 변위, 0.89 ± 0.62 mm의 전후방 변위, 0.53 ± 0.36 mm의 상하방 변위를 보였다. 로봇을 스마트 패드를 이용하여 밀리미터 이하 단위로 미세 조정 하는 방법으로 재위치된 상악골은 계획된 위치와 비교하여 0.35 ± 0.27 mm의 내외측 변위, 0.48 ± 0.24 mm의 전후방 변위, 0.42 ± 0.40 mm의 상하방 변위를 보였으며, RMSD는 손으로 직접 움직였을때는 1.34 ± 0.50 mm 스마트 패드를 사용하였을 때는 0.84 ± 0.48 mm의 변위를 보였다.

재위치된 상악골 골편을 고정할 때, 상악골은 내외측으로 0.32 ± 0.21 mm, 전후방으로 0.27 ± 0.26 mm, 상하방으로 0.42 ± 032 mm 의 위치 변위를 보였다.

술 후 정확도 평가는 수술 후 콘빔 전산화 단층 촬영을 하여 3차원 가상수술 모델과 비교를 통해 분석하였으며 상악골의 계획된 위치와 비교하여 내외측 변위 0.45 ± 0.36 mm, 전후방 변위 0.87 ± 0.50 mm, 상하방 변위 0.46 ± 0.38 mm가 발생하였다. RMSD 는 1.22 ±0.47 mm 의 차이를 보였다.

결론

본 연구를 통해 두부 움직임 조건 하에서도 7축 로봇 팔의 3차원 위치인식 기능과 네비게이션 시스템의 도움으로 절골된 상악을 계획대로 위치시킬 수 있었으며, 그 정확도 또한 임상적으로 이용할만 가치가 확인되었다. 또한 시물레이션 프로그램 상에서 충돌 부분을 예측하여 골절단 시 간섭부위를 한번에 제거할 수 있도록 디자인 한 골절단 가이드를 3D 프린팅 기술로 제작하여 사용하였고, 높은 정확성을 확인할 수 있었다.