× ABONNEREN

Serie: Innovaties in de tandheelkunde. Het effect van printoriëntatie op de pasvorm van een 3D-geprinte occlusale wafer

  • Inleiding
  • Materiaal en methode
  • Resultaten
  • Discussie
  • Conclusie
  • Literatuur
  • Reacties (0)

Samenvatting

Een 3D-virtuele operatieplanning optimaliseert de voorspelbaarheid van een orthognatische chirurgische behandeling. De planning wordt gemaakt op basis van een conebeamcomputertomogram van zowel patiënt als gipsmodel en wordt overgebracht met een 3D-geprinte occlusale wafer. Bij 3D-printen heeft de printoriëntatie invloed op onder andere de nauwkeurigheid (in eerder onderzoek aangetoond bij kronen), productietijd en -capaciteit. In een onderzoek met 10 gipsmodellen werden 3 verschillende printoriëntaties (0º, 30º en 90º) van de wafer vergeleken. De pasvorm van de wafers werd getest op het gipsmodel door 2 artsen. Op basis van deze kleine serie bleek dat een goede pasvorm van de wafer onafhankelijk is van de printoriëntatie. Als er werd gekeken naar productietijd en -capaciteit dan heeft de 90º-wafer de voorkeur, omdat deze de productiecapaciteit verhoogde en de productietijd per wafer verlaagde.

 

 
Wat weten we?
Bij orthognatische chirurgie wordt vooraf een virtuele 3D-planning gemaakt. Hierbij worden de translaties en rotaties van de maxilla of mandibula uitgerekend op basis van de ingestelde eindocclusie en het verwachte gezichtsprofiel na de behandeling. Deze virtuele planning wordt overbracht naar de patiënt met behulp van een 3D-geprinte occlusale wafer. De wafer kan lokaal worden geproduceerd met een 3D-printer.
Wat is nieuw?
Dit onderzoek geeft nieuwe inzichten betreffende de invloed van de printoriëntatie op de nauwkeurigheid van een geprint 3D-model.
Praktijktoepassing
De pasvorm van een wafer lijkt klinisch gezien niet significant afhankelijk te zijn van de printoriëntatie. Dit betekent dat er bij het bepalen van de printoriëntatie van een 3D-model vooral rekening zou kunnen worden gehouden met de productietijd en productiecapaciteit. Een verticale printoriëntatie wordt op basis van dit onderzoek aanbevolen voor het 3D-printen van wafers. Deze printoriëntatie leidde ook tot een hogere productiecapaciteit.

Inleiding

Succesvolle orthognatische chirurgie omvat het bereiken van een goede occlusie en een harmonieus wekedelenprofiel van het aangezicht. De implementatie van een driediemensionale (3D) virtuele operatieplanning heeft de afgelopen decennia bijgedragen aan het optimaliseren van de voorspelbaarheid van het eindresultaat (Van Hemelen et al, 2015). Om een dergelijke preoperatieve operatieplanning over te brengen naar de patiënt worden 3D-geprinte occlusale wafers gebruikt (Shaheen et al, 2017).

Deze wafers worden geprint met behulp van een 3D-printer, bijvoorbeeld een Digital Light Processing (DLP)-printer. Bij 3D-printen met een DLP-printer hangt het printplatform in een transparante container met lichthardende vloeistof (resin). Onder de container is een projector aanwezig die een afbeelding van de uit te harden lagen op de onderzijde van de transparante container projecteert. Hierdoor wordt selectief een dunne laag van de kunststof uitgehard die vervolgens door het printplatform van de bodem van de container omhoog wordt bewogen. Hierna wordt een volgende laag uitgehard, die hecht aan de eerste laag. Op deze wijze worden zeer dunne, vaste lagen uitgehard de uiteindelijk een 3D-model vormen (afb. 1 en zie video in intermezzo 1) (Brown et al, 2018).

Afb. 1. Productie van wafers met een 3D-printer. (Illustrator: Frans Hessels)

 
Intermezzo 1. Video over productieproces
Klik hier voor de video (Bron: Metaux Precieux GmbH).
 

De beperking in nauwkeurigheid van de printer wordt enerzijds bepaald door de resolutie van de projector en anderzijds door de laagdikte die telkens wordt uitgehard. Door de hoek van het 3D-model van de wafer ten opzichte van het printplatform (de oriëntatie) te veranderen zal de printhoogte van het model veranderen en daarmee ook het aantal laagjes dat nodig is om het model te vormen. Derhalve verandert ook de tijd die nodig is om het model te printen. De printoriëntatie heeft echter ook effect op andere factoren, zoals nauwkeurigheid, verdeling van de ondersteuningsstructuur (support) en totale kosten van het productieproces (Oropallo en Piegl, 2016; Osman et al, 2017). Het bepalen van de juiste printoriëntatie en het creëren van supports zijn 2 stappen die bij moderne 3D-printers automatisch kunnen geschieden vanuit de software van de printer.

Tot op heden is er weinig onderzoek verricht naar het effect van de printoriëntatie op een 3D-geprinte occlusale wafer. Het doel van het hier beschreven onderzoek was het effect van de printoriëntatie op de pasvorm van een 3D-geprinte occlusale wafer te onderzoeken.

Materiaal en methode

Een experimenteel in vitro-onderzoek werd opgezet met 10 reeds gebruikte, maar vrijwel onbeschadigde, gipsmodellen uit de collectie van de afdeling Mond-, Kaak- en Aangezichtschirurgie van het Radboudumc in Nijmegen. Deze gipsmodellen werden vervaardigd ter voorbereiding op orthognatische chirurgie. Voor elk van deze gipsmodellen was reeds een virtuele 3D-planning in IPS CaseDesigner® aanwezig zodat de occlusale wafers op basis hiervan vervaardigd konden worden (Swennen, 2017). De occlusale wafer werd geëxporteerd in een surface tessellation language (STL)-bestand. In 3ds Max™ (software voor het vervaardigen van 3D-modellen) werd een balk tussen de wafer gezet met het gecodeerde studienummer. Het STL-bestand werd ingeladen in 3D-Sprint™(software voor het positioneren van 3D-modellen) en gepositioneerd op het printplatform onder een hoek van 0°, 30° of 90° ten opzichte van het platform (afb. 2-4).

Afb. 2. Printopstelling bij wafers met een oriëntatie in een hoek van 0º. De capaciteit is 3 wafers.

Afb 3. Printopstelling bij wafers met een oriëntatie in een hoek van 30º. De capaciteit is 4 wafers.

Afb. 4. Printopstelling bij wafers met een oriëntatie in een hoek van 90°. De capaciteit is 10 wafers.

Voor het printen van de wafers werd de printer Nextdent 5100 Beta™-versie gebruikt met als printmateriaal NextDent SG class I resin™. De 3D-printer en het printmateriaal werden gebruikt volgens het protocol van de fabrikant. Het printmateriaal werd 5 minuten geschud voordat de 3D-printer ermee werd gevuld. Hierna kon de 3D-printer worden gestart en dienden de instructies op het scherm van de printer te worden opgevolgd. Nadat het printen klaar was kon het printplatform met modellen van de wafers worden verwijderd. Vervolgens werden de wafers van het printplatform verwijderd en ontdaan van support. De wafers werden nabehandeld volgens protocol van de fabrikant: het overschot aan printmateriaal werd verwijderd met een alcoholoplossing van 96%. De wafers werden 3 minuten gereinigd in een alcoholbad, gevolgd door een nieuw alcoholbad gedurende 2 minuten. De wafers werden gedroogd en gedurende 10 minuten nabehandeld met uv-licht in een lichtkamer (Blue UV-A 315-400nm en UV-Blue 400-550, 108W). Afbeelding 5 laat het eindresultaat zien.

 Afb. 5. Eindresultaat: 3D-geprinte wafer met balk.

De occlusale wafers met verschillende printoriëntaties werden daarna gepast op gipsmodellen (n = 10) om de pasvorm te beoordelen. Deze beoordeling werd 3 keer verricht, 1 keer door een mka-chirurg en 2 keer (op een verschillend moment) door een arts-in-opleiding tot mka-chirurg. De positie van de stabilisatiebalk werd gekozen op basis van ervaring en zodanig dat deze niet interfereerde met het occlusale vlak. Bij elke wafer werd aangegeven of de pasvorm geschikt was voor gebruik bij een eventuele operatie of niet. Voor de statistische bewerking werden een exacte chikwadraattoets, Fisher’s exacttoets en Cohen’s kappa berekend met behulp van SPSS.

Resultaten

Voor dit onderzoek werden 10 gipsmodellen gebruikt. Voor elk gipsmodel werden 3 wafers geprint, één in elke printoriëntatie (in een hoek van 0°, 30° en 90°). In totaal werden er 30 wafers geprint. De productietijd en productiecapaciteit behorend bij de verschillende printoriëntaties staan vermeld tabel 1. De productietijd per printoriëntatie van de wafers in een hoek van 0°, 30° en 90° bedroeg respectievelijk 18,7, 17,8 en 9,0 minuten.

Tabel 1. Per printoriëntatie, de duur van de verschillende stappen in het proces, met de berekende totale productietijd (in min/wafer).

De inter- en intrabeoordelaarsovereenkomst (Cohen’s kappa) voor de pasvorm waren beide 0,50 (24 van de 30 beoordelingen waren overeenkomstig). De betrouwbaarheid van de beoordelingen tussen en binnen onderzoekers ligt in de categorie ‘redelijk’ volgens Landis en Koch (1977). De pasvorm van wafers uitgeprint in de 90°-oriëntatie leek de voorkeur te hebben bij beide beoordelaars (afb. 6). Het verschil in pasvorm tussen de 3 onderzochte printoriëntaties was echter statistisch niet significant (tab. 2). De resultaten toonden verder een verschil in de 2 beoordelingen van pasvorm van de 0º-wafers door beoordelaar B (afb. 6). Ook dit verschil bleek niet statistisch significant te zijn (Fisher exacttoets, p = 0,141).

Tabel 2. Per beoordeling de pasvorm van de drie verschillende printoriëntaties met exacte chikwadraattoets.

 Afb. 6. Staafdiagram van het percentage wafers met een goede of slechte pasvorm per printoriëntatie voor elke beoordeling.

Discussie

Het doel van dit onderzoek was het beoordelen van het effect van printoriëntatie op de pasvorm van een 3D-geprinte occlusale wafer. Uit de resultaten bleek dat pasvorm van een wafer niet afhankelijk was van de printoriëntatie hoewel beide beoordelaars aangaven dat de wafers met een 90º-printoriëntatie de beste pasvorm hadden. Dit resultaat is niet geheel in overeenstemming met de resultaten uit eerdere onderzoeken (Osman et al, 2017; Vasques en Laganá, 2018). Vasques en Laganá (2018) vonden een verschil in pasvorm bij de verschillende printoriëntaties. Een verschil met het huidige onderzoek is dat de wafers in het onderzoek van Vasques en Laganá werden vervaardigd met behulp van stereolithografie. Daarnaast onderzochten zij alleen de pasvorm van de bovendentitie op slechts 2 modellen (n = 2). Osman et al (2017) onderzochten de pasvorm van 9 kronen met waren vervaardig met verschillende printoriëntaties. De kronen werden geproduceerd met een DLP-printer. De evaluatie vond plaats door een optische 3D-oppervlaktescan van de 3D-geprinte kroon te vergelijken met het originele ontwerp. Er werd een voorkeur uitgesproken voor een 45º-oriëntatie. Deze oriëntatie geeft de meeste zelfondersteuning. De tegenstrijdigheid met de door Osman et al gepresenteerde resultaten kan mogelijk worden verklaard doordat bij de 3D-geprinte kroon in het onderzoek van Osman et al een positief model vervaardigd werd. Bij de occlusale wafer werd een negatief model geprint. Dat de vorm van een model belangrijk is, blijkt wel uit de vele algoritmes die de jaren 1990 zijn ontwikkeld voor het bepalen van de optimale printoriëntatie. In elk van deze algoritmes speelt de vorm van het te printen model een prominente rol (Allen en Dutta, 1994; Wodziak et al, 1994; Cheng et al, 1995; Frank en Fadel, 1995; Lin et al, 2001).

Theoretisch gezien zou de printoriëntatie van invloed kunnen zijn op de printnauwkeurigheid. Ieder geprint model bestaat uit een aantal printlagen en een bepaald printvolume. Bij iedere laag die wordt opgebouwd is er een kans op introductie van een onnauwkeurigheid. Wanneer er meer lagen nodig zijn voor het vervaardigen van een 3D-model neemt de kans op onnauwkeurigheden toe (EnvisionTEC, 2017). Bij de gebruikte DLP-techniek heeft een groter printvolume eveneens nadelige gevolgen op de resolutie. Hierdoor kan er lichtverstrooiing optreden met als gevolg een minder goed gefocuste lichtbundel die zorgt voor een toename van onnauwkeurigheden in het geprinte model. Bij een 0º-printoriëntatie wordt de wafer opgebouwd uit het minst aantal lagen. Het printvolume is echter bij de 0º-printoriëntatie het grootst. De 90º-printoriëntatie heeft het kleinste printvolume, maar is opgebouwd uit het grootste aantal lagen. De 30º-printoriëntatie is een compromis tussen het aantal printlagen en het printvolume. Op basis van de in het hier beschreven onderzoek gevonden resultaten kan worden geconcludeerd dat voor relatief kleine en dunne modellen, zoals een wafer of occlusale splint, de invloed van het aantal printlagen en het printvolume een minimaal effect lijkt te hebben op de uiteindelijke pasvorm.

Opvallend aan dit onderzoek was dat een gedeelte van de wafers slecht bleek te passen. Aangezien een goede pasvorm van de occlusale wafer van belang is voor een nauwkeurige positionering van de kaak tijdens de operatie, is de printnauwkeurigheid bepalend voor het verkrijgen van een voorspelbaar chirurgisch resultaat. Een slechte pasvorm heeft vanuit dit oogpunt duidelijke klinische consequenties. Ondanks dat er geen statistisch significant verschil was tussen de verschillende printoriëntaties, blijkt de 30°-wafer over het algemeen de slechtst passende te zijn. Op basis van deze kleine serie wordt het printen van wafers in 30°-oriëntatie afgeraden om zo het aantal slecht passende wafers te minimaliseren.

Een ander opmerkelijk fenomeen was dat beoordelaar B de 0º-wafers tijdens de tweede beoordeling vaker als ‘goed’ kwalificeerde vergeleken met de eerste beoordeling. Deze gesuggereerde verbetering kan verklaard worden door de intensieve beoordeling waarbij de wafer mogelijk iets werd vervormd of het gipsmodel iets was versleten of beschadigd. Het snel beschadigen van een gipsmodel is een bekend en onoverkomelijk probleem (Fleming et al, 2011). Deze beschadigingen kunnen zowel een positief of negatief resultaat opleveren, in de vorm van een betere of slechtere pasvorm. Er is echter geen duidelijke verklaring waarom dit vooral bij de 0º-wafer van toepassing lijkt te zijn.

Voor de beoordeling van de pasvorm werd in het huidige onderzoek gebruikgemaakt van gipsmodellen. Het gipsmodel wordt vooralsnog beschouwd als de gouden standaard (Ender en Mehl, 2011). Daarnaast wordt op basis van de gipsmodellen de virtuele 3D-planning van orthognatische chirurgie gemaakt. Voor de kliniek is het vooral relevant of de wafer tijdens de chirurgie op de tandbogen past en stabiel ligt.

Aangezien de printoriëntatie in dit onderzoek geen statistisch significant effect had op de pasvorm, kon bij het bepalen van de optimale printoriëntatie ook de productietijd en productiecapaciteit in overweging worden genomen. Bij de productie van 3D-geprinte wafers zijn de productietijd en -capaciteit van essentieel belang omdat deze invloed hebben op de productiekosten. De printoriëntatie heeft invloed op de productietijd omdat het aantal benodigde printlagen hier direct aan gecorreleerd is (Cheng et al, 1995; Oropallo en Piegl, 2016). De productiecapaciteit is ook afhankelijk van de printoriëntatie want de oriëntatie bepaalt het door het model bezette oppervlak van het printplatform (afb. 2-4).

Uit de resultaten van dit onderzoek bleek dat indien de maximale productiecapaciteit van respectievelijk 3, 4 en 10 wafers met een oriëntatie van 0°, 30° en 90° werd behaald, de productietijd van een 0º- en 30º-wafer 2 keer zo lang was als de productietijd van een 90º-wafer. Deze kortere productietijd van een 90°-wafer kan worden verklaard door de grotere productiecapaciteit. De duur van de voor- en nabewerking is namelijk niet afhankelijk van de printoriëntatie en dus voor elk model hetzelfde. Kortom, voor de productietijd is het beter om 1 partij van 10 wafers te printen in plaats van meerdere partijen met 3 á 4 wafers. Wanneer er een hoge productiecapaciteit (≥ 5 wafers) wordt gevraagd, heeft de 90º-oriëntatie de voorkeur. Indien er een snelle, maar beperkte productie gewenst is, heeft een 0º-oriëntatie de voorkeur.

Een andere belangrijke factor voor zowel de productietijd als de pasvorm is het gebruik van supports. Minimalisering daarvan heeft de voorkeur vanwege de kortere productietijd doordat er tijdens de nabehandeling minder supports verwijderd hoeven te worden (Allen en Dutta, 1994; Frank en Fadel, 1995; Alharbi et al, 2016). Daarnaast is er bij het gebruik van meer supports ook meer kans op buigen of breken van de wafer tijdens de nabehandeling (Oropallo en Piegl, 2016). Een verbuiging van de wafer heeft een direct effect op de pasvorm. Daarnaast moet de plaatsing van de supports op het occlusale vlak worden vermeden aangezien dit mogelijk leidt tot een verminderde pasvorm (Allen en Dutta, 1994; Alharbi, 2016). Bij de 90°-wafer was het minst aantal supports nodig en komen de supports niet op het occlusale vlak te liggen.

Een beperking van het huidige onderzoek is dat er slechts 3 verschillende printoriëntaties werden onderzocht op 1 specifieke 3D-printer. Het aantal proefpersonen in het huidige onderzoek was daarnaast eveneens gering. Dit kan een mogelijke verklaring zijn voor de afwezigheid van een significant verschil in pasvorm tussen de drie verschillende print-oriëntaties. Om daar uitsluitsel over te kunnen geven adviseren wij vervolgonderzoek met een grote onderzoekspopulatie. Daarnaast kan dit vervolgonderzoek worden uitgevoerd met verschillende 3D-printers en met meerdere printoriëntaties. In dit onderzoek was daarnaast gebruikgemaakt van een subjectieve beoordeling met behulp van een gipsmodel. Bij vervolgonderzoek zou er naast de subjectieve beoordeling gekozen kunnen worden om een objectievere beoordeling aan de methodologie toe te voegen, bijvoorbeeld door de 3D-geprinte wafer in te scannen en deze te vergelijken met het originele STL-bestand als referentie (Osman et al, 2017). Daarnaast zou een de perioperatieve beoordeling van de stabiliteit van de wafer een waardevolle toevoeging zijn.

Conclusie

De resultaten van dit onderzoek toonden aan dat de pasvorm van een occlusale wafer niet afhankelijk is van de printoriëntatie voor de in dit onderzoek gebruikte werkwijze en 3D-printer en dat deze over het algemeen slecht was. Wordt alleen gefocust op de productietijd en -capaciteit, dan kan geconcludeerd worden dat de 90°-oriëntatie de voorkeur verdiend gezien de hoge productiecapaciteit en de lage productietijd per wafer. Voor een beperkte oplage blijkt het voordeliger te zijn om te kiezen voor de 0º-oriëntatie. Nader en groter onderzoek naar de printoriëntatie en pasvorm is van groot belang voor de klinische toepasbaarheid van lokaal geprinte 3D-wafers in de orthognatische chirurgie.

Literatuur

  • Alharbi N, Osman RB, Wismeijer D. Factors influencing the dimensional accuracy of 3d-printed full-coverage dental restorations using stereolithography technology. Int J Prosthodont 2016; 29: 503-510.
  • Allen S, Dutta D. On the computation of part orientation using support structures in layered manufacturing; Proceedings of the International Solid Freeform Fabrication Symposium. Austin: University of Texas at Austin, 1994: 259-269.
  • Brown GB, Currier GF, Kadioglu O, Kierl JP. Accuracy of 3-dimensional printed dental models reconstructed from digital intraoral impressions. Am J Orthod Dentofacial Orthop 2018; 154.5: 733-739. 
  • Cheng W, Fuh JYH, Nee AYC, Wong YS, Loh HT, Miyazawa T. Multi-objective optimization of part-building orientation in stereolithography. Rapid Prototyp J 1995; 1: 12-23.
  • Ender A, Mehl A. Full arch scans: conventional versus digital impressions -- an in-vitro study. Int J Comput Dent 2011; 14: 11-21.
  • EnvisionTEC. Understanding 3d printer accuracy: cutting through the smoke and mirrors (2017). https://envisiontec.com/understanding-3d-printer-accuracy/ (geraadpleegd op 20-03-2019).
  • Fleming PS, Marinho V, Johal A. Orthodontic measurements on digital study models compared with plaster models: a systematic review. Orthod Craniofac Res 2011; 14: 1-16.
  • Frank D, Fadel G. Expert system-based selection of the preferred direction of build for rapid prototyping processes. J Intell Manuf 1995; 6: 339-345.
  • Landis JR, Koch GG. The measurement of observer agreement for categorical data. Biometrics 1977; 33: 159-174.
  • Lin F, Sun W, Yan Y. Optimization with minimum process error for layered manufacturing fabrication. Rapid Prototyp J 2001; 7: 73-82.
  • Oropallo W, Piegl LA. Ten challenges in 3D printing. Engin Comput 2016; 32: 135-148.
  • Osman RB, Alharbi N, Wismeijer D. Build angle: does it influence the accuracy of 3D-printed dental restorations using digital light-processing technology?. Int J Prosthodont 2017; 30: 182-188.
  • Shaheen E, Sun Y, Jacobs R, Politis C. Three-dimensional printed final occlusal splint for orthognathic surgery: design and validation. Int J Oral Maxillofac Surg 2017; 46.1: 67-71.
  • Swennen G. 3D virtual treatment planning of orthognathic surgery: a step-by-step approach for orthodontists and surgeons. Berlijn/Heidelberg: Springer, 2017.
  • Van Hemelen G, Van Genechten M, Renier L, Desmedt M, Verbruggen E, Nadjmi N. Three-dimensional virtual planning in orthognathic surgery enhances the accuracy of soft tissue prediction. J Craniomaxillofac Surg 2015; 43: 918-925.
  • Vasques MT, Laganá, DC. Accuracy and internal fit of 3D printed occlusal splint, according to the printing position. Clinical and Laboratorial Research in Dentistry 2018; 4 oktober.
  • Wodziak JR, Fadel GM, Kirschman C. A genetic algorithm for optimizing multiple part placement to reduce build time. Proceedings of the Fifth International Conference on Rapid Prototyping 1994; 12: 201-210.

Meer lezen? Log in of word abonnee

Auteursinformatie

  • L.G.J.M. Zwerink1, T. Xi2, A.C. Verhulst3, J.W.H. Tellman3, F. Baan3, T.J.J. Maal 2,3
  • Uit 1de faculteit Geneeskunde (masterstudent) van de Radboud Universiteit Nijmegen en 2de afdeling Mond-, Kaak- en Aangezichtschirurgie en 3het 3D Lab van het Radboudumc in Nijmegen
  • Datum van acceptatie: 10 december 2019
  • Adres: dr. T. Xi, Radboudumc, Geert Grooteplein Zuid 10, 6525 GA Nijmegen
  • tong.xi@radboudumc.nl

Reacties

Om ook te reageren moet u eerst inloggen (alleen voor abonnees).

Nog geen abonnee? Registreer vandaag nog