患者の作成効率の最適化

Scientific Reports volume 13、記事番号: 12082 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

フィールド駆動設計は、暗黙的なボディとして知られる幾何学的エンティティを方程式を通じて定義できる新しいアプローチです。 この技術は、ポリゴンやエッジなどの従来の幾何学サブユニットに依存せず、幾何学的フィールド内の数学関数を通じて空間形状を表現します。 計算速度と自動化の点での利点は顕著であり、エンジニアリング、特に格子構造の分野でよく知られています。 さらに、フィールド駆動デザインはジェネレーティブ デザインの可能性を拡大し、ユーザー定義の制約に基づいてソフトウェアによって生成される形状の作成を容易にします。 このような可能性を考慮して、この論文では、顎顔面手術における患者固有のインプラント作成の文脈において、現在フィールド駆動型ジェネレーティブ デザイン用の唯一のソフトウェアであるソフトウェア nTopology を使用する可能性を提案しています。 外傷や両顎手術などの適用可能な臨床シナリオについて説明するとともに、この新しいテクノロジーと仮想手術計画の現在のワークフローとの統合について説明します。 この論文は、顎顔面外科におけるフィールド駆動設計の最初の応用を表しており、その結果は、再建された解剖学的構造の特定の点から精緻化された距離フィールドのみを考慮することに限定されているため、非常に予備的なものであるが、顎顔面外科手術におけるこの新しい技術の重要性を紹介している。外科手術におけるパーソナライズされたインプラント設計の未来。

現代の口腔および顎顔面手術では、患者の解剖学的構造をガイドテンプレートとして使用して作成されたカスタマイズされたデバイスがますます組み込まれています。 したがって、カスタマイズされたデバイスは骨に自然かつ正確にフィットし、配置の容易さ、手術時間の短縮、手術精度の向上という点で利点をもたらします1、2、3。

ヘルスケア分野における積層造形 (AM) の出現は、設計された形状を 3D プリントされたインプラントに即座に変換するという強い推進力をもたらし、パーソナライゼーションの概念をますます多くの手術シナリオに拡張しました。 パーソナライズされた 3D プリント インプラントの設計は、顎顔面手術装置にとって依然として未解決の問題であり、AM に特化した新しい戦略を模索する主な理由の 1 つです。 さらに、有限要素解析 (FEA) を含むコンピューターによるシミュレーションの進歩により、個別化されたインプラントの信頼性が向上しました。インプラントは、定義された力、境界、および材料特性を適用することで仮想生体力学試験を受け、影響を受ける可能性のある臨界ひずみ領域を予測できます。インプラントの形状を製造前に改善できるようになります4、5、6。

これらのデバイスの設計には通常、コンピュータ支援設計 (CAD) ソフトウェアを使用して、空の形状から開始し、基礎となる解剖学的構造を参照として使用して、3D モデリング操作の順序付けられたシーケンスで最終オブジェクトをモデル化することが含まれます。 このプロセスは、従来「明示的モデリング」と呼ばれています。 これは工学製図プロセスに似ており、ユーザーが定義したテッセレーションとトポロジー、および実装された一連の設計操作を備えたメッシュが生成されます。

最近、新しいソフトウェア パッケージには、暗黙的なジオメトリを表現するための高度なアルゴリズムが実装されています。 数学的には、暗黙的なサーフェスは、無限の詳細レベルでの連続ボリューム関数 F(x, y, z) = 0 によって定義されます。これは、サーフェスが数学関数内に存在することを意味します。 x、y、z について方程式が解けない場合、曲面は陰的であると言われます。 方程式を解くとジオメトリが明確になり、その表面の近似が三角形のワイヤフレーム (メッシュ) として表されます。 インプリシット モデリングはボリューム関数のみに依存するため、頂点、エッジ、面の複雑なポリゴン ネットワークを直接レンダリングすることなく、3D ジオメトリを定義、変更、表現するための強力なツールになります。 したがって、インプリシット ボディは幾何学的サブユニットに離散化されていないため、計算が大幅に軽くなり、計算量が多くなり、表面の連続性を正確に表現できなくなります。 暗黙的なボディは、3D 空間の各点内の値に関連するエンティティと考えることができます。 これは、温度、電磁気、流れなどの量の連続変化を定義するために物理学で場が使用される方法に似ています。 設計目的で、スカラー フィールドは暗黙的なボディ、つまり 3D ジオメトリの勾配を定義します。 現在、nTopology (nTopology Inc.、米国ニューヨーク州ニューヨーク) は、フィールド駆動設計アプローチを可能にする唯一の工学設計ソフトウェアであり、計算要求の高いジェネレーティブ デザインや格子構造など、さまざまな複雑なアプリケーションに高い柔軟性を提供します7。 フィールド駆動型ジェネレーティブ デザインは工学文献でさまざまな範囲で使用されていますが、医療分野での応用についてはほとんど知られていません 8、9、10。 現在までのところ、外科的応用の可能性に関する報告はなく、このアプローチは特に口腔および顎顔面の外科手術には導入されていません。