Virtual Jawbone Reduction Planning based on Dental Occlusion for Mandibular Fracture Surgery

Abstract

This paper deals with the method of jawbone reduction for computer-aided surgical planning of mandibular fracture surgery. Mandibular fracture is mainly caused by violence or accidents. The goal of treatment is to restore the jawbone to the pre-fractured condition. Recently, with the computer-aided surgical planning, patient-specific mini-plates are being manufactured after jawbone reduction in a virtual environment. Since the mini-plates are affected by aligned jawbone relationship, it is important to align the fractured jawbone segments in the correct position. The important criteria for the jawbone reduction are dental occlusion and the fracture gap. In particular, dental occlusion is a factor that is sensitive to error and causes the patient to feel heterogeneous after surgery, it must be considered in the jawbone reduction planning. However, current popular CBCT image cannot obtain the accuracy for the tooth part by artifact effects. In addition, each fractured lower segment moves independently. So, it is difficult to determine dental occlusion in virtual jawbone reduction process. By those reasons, the conventional surgical planning was manually aligned the jawbone by using the jawbone contour, without considering dental occlusion. In this paper, we propose a virtual jawbone reduction method using both the jawbone of CBCT image and intraoral scan data. The included patients of our research are assumed intact maxillary and no malocclusion before fracture. The proposed method provides an optimal fracture gap with maintaining dental arch relationship between lower segments. It inspired by the upper and lower feature points, which consist dental arches, have occlusal contacts each other. To verify the proposed method, an experimental model was prepared by generating virtual fractures at four locations from intact jawbone model. We compared the model aligned by the proposed method with the root mean square error (RMSE) for all corresponding points of the intact jawbone. Experimental result shows the high accuracy of proposed jawbone reduction method, overcoming the problem that conventional method cannot consider the dental occlusion. Moreover, since the proposed method is a semi-automatic process, it is expected to rely less on the sense of the physician. In the future, the proposed method needs to be validated using real mandibular fracture patients’ data and develop that can be applied even if the mandible is fractured into more than two pieces. Keywords: Mandibular fracture, Dental occlusion, Jawbone reduction, Computer-aided surgery

본 논문은 하악골 골절 수술의 컴퓨터 보조 수술 계획을 위한 턱뼈 정복 방법에 관하여 다룬다. 하악골 골절 수술의 목표는 골절 전에 환자가 가지고 있던 상태로 턱뼈를 복원시키는 것이다. 최근에는 컴퓨터 보조 수술이 발전함에 따라, 가상 환경에서 턱뼈 조각들을 정렬한 후 환자 맞춤형 미니 플레이트를 제작하는 방식으로 수술이 계획되고 있다. 환자 맞춤형 미니 플레이트는 정렬된 턱뼈 관계에 영향을 받기 때문에, 골절된 턱뼈 조각을 올바른 위치에 정렬하는 것이 중요하다. 턱뼈를 복원하기 위한 두 가지 변수는 상악과 하악 사이 치아 교합과 하악 조각들 사이의 골절 간격이다. 그 중에서 특히 치아 교합은 오차에 민감하여 수술 후 환자가 가장 이질감을 느끼게 되는 요소이므로 수술에서 반드시 고려되어야 한다. 하지만 현재 진행되고 있는 하악골 골절 수술 계획에서는 골절 간격만을 고려해 수동으로 턱뼈를 정렬함으로 인해 치아 교합의 정확도를 보장하지 못한다. 따라서 현재 진행되는 수술에서는 의사가 수술 계획을 신뢰하기 어려워, 수술 중 의사의 경험에 의존하여 치아 교합이 고려되고 있다. 본 논문에서는 턱뼈 정렬의 정확도를 향상시키기 위해 치아 교합과 골절 간격을 모두 고려한 턱뼈 재구성 방법을 제안한다. 제안된 방법은 상악과 하악의 치아가 이루는 아치형의 교합 접촉점을 이용하여, 상악과 하악의 교합 접촉점이 일치하도록 골절된 하악 조각을 정렬한다. 골절된 하악 조각은 초기 위치에서 시작하여 아치라인을 따라 조금씩 멀어지면서 골절 간격의 허용 범위까지 이동한다. 이 과정에서 교합 접촉점들의 오차가 최소가 되는 위치가 최적의 위치로 정의된다. 제안된 방법을 검증하기 위해 정상 턱뼈 모델의 하악으로부터 선정된 네 가지 위치에서 가상 골절을 발생시켜 실험 모델을 구성했다. 기존의 방법과 제안된 방법으로 정렬된 턱뼈는 정상 턱뼈 모델의 모든 대응점에 대한 평균 제곱근 오차 (RMSE)로 평가되었다. 실험 결과는 제안된 방법의 턱뼈 재구성 정확도가 기존의 방법보다 향상되었음을 보여주며, 이는 기존의 하악골 골절 수술 계획이 치아 교합을 고려하지 못한다는 문제점을 극복했음을 의미한다. 제안된 방법은 향후 하악이 세 조각으로 골절된 경우에도 적용할 수 있도록 개발되어 실제 환자 데이터에 대해서도 검증될 필요가 있다.