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SCIENCE WISSENSCHAFT
Matthias Krause, Hans Martin Dörfler, Daniel Kruber, Heike Hümpfner-Hierl, Thomas Hierl,
Bernd Lethaus
Use of a digitally designed surgical template for minimally invasive
temporomandibular joint surgery
Einsatz einer digital erstellten Pilotschablone für die
minimalinvasive Chirurgie des Kiefergelenkes
Zusammenfassung Abstract
Minimally invasive procedures such as arthroscopy and
Die minimalinvasive Kiefergelenkchirurgie (minimal invasi- arthrocentesis are therapeutic options for internal derange-
ve temporomandibular joint surgery - MITMJS) ist eine ment (ID) of the temporomandibular joint (TMJ). This article
Therapiealternative für Patienten mit einer Diskusverlage- describes the results of a pilot study of a digital surgical tem-
rung. Zur Erleichterung des Kiefergelenkzugangs wird eine plate designed to facilitate these procedures.
digital entwickelte Pilotschablone vorgestellt. Materials and methods: Divisible, patient-specific digital
Material und Methode: Eine teilbare, patientenspezifische templates were designed using cone beam computed
Schablone auf der Basis von einem DVT-Datensatz und tomography (CBCT) and optical facial scan data, then 3D
einem optischen Gesichtsscan wird vorgestellt. In einem printed and tested in a first clinical trial on three patients who
ersten klinischen Versuch wurden drei Patienten (sechs underwent template-guided minimally invasive temporo-
Gelenke) mithilfe einer schablonengeführten, minimalin- mandibular joint surgery (MITMJS) consisting of arthroscopy
vasiven Kiefergelenkchirurgie behandelt (drei Arthroskopi- (three TMJs) or arthrocentesis (three TMJs).
en, drei Arthrozentesen). Results: The template design and clinical use proceeded as
Ergebnisse: Die Gestaltung und klinische Anwendung der planned. All templates showed excellent fit and provided
Pilotschablonen erfolgte wie geplant. Alle Schablonen zeig- direct access to the upper joint space. No complications were
ten eine perfekte Passung und vermittelten einen unmittel- observed for any of the surgeries.
baren Zugang zum oberen Kiefergelenkspalt. Alle Eingriffe Conclusions: Template guidance can facilitate MITMJS. Divis-
konnten ohne Komplikationen durchgeführt werden. ibility is an important design feature, making it possible to
Schlussfolgerung: Schablonenführung kann die Durch- remove or reposition the template during surgery, if neces-
führung der minimalinvasiven Kiefergelenkchirurgie sary. The proposed inhouse workflow results in low-cost pro-
erleichtern. Ein wichtiger Aspekt ist die Teilbarkeit zur Ent- duction.
fernung und Replatzierung währender des chirurgischen
Vorgehens. Durch die vorgestellte „Inhouse Produktion“ Keywords: surgical template, computer-assisted surgery, mini-
ergeben sich geringe Kosten. mally invasive temporomandibular joint surgery
Indizes: Chirurgische Schablone, Computergeführte Chirur-
gie, minimalinvasive Kiefergelenkchirurgie Introduction
Minimally invasive temporomandibular joint surgery (MITM-
Einleitung JS) involves the use of arthroscopic procedures such as
arthrocentesis and arthroscopy to treat temporomandibular
Minimalinvasive Therapieansätze am Kiefergelenk (mini- joint (TMJ) disorders. This promising approach, first described
mally invasive TMG surgery – MITMJS) wie Arthozentese by Onishi1 and Murakami and Hoshino2 in the 1970s and
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Science Krause et al Use of a digitally designed surgical template for minimally invasive temporomandibular joint surgery
1980s, respectively, has since become an established option oder Athroskopie, sind erfolgsversprechende Verfahren
for treating internal derangement (ID) of the TMJ. The compli- und haben sich, seit erstmaliger Beschreibung durch Onis-
cation rate associated with MITMJS is generally relatively low hi1 und Muracami2, in der Behandlung innerer pathologi-
(less than 1.5%)3. Bleeding in the upper joint space is an scher Strukturveränderungen (Diskusverlagerung; internal
exception, however, and may occur at a somewhat higher derangement - ID) des Kiefergelenkes bewährt. Hinzu
rate of 8.5%4. kommt eine relativ geringe Komplikationsrate mit weniger
The surgery can be challenging due to the complex anat- als 1,5 %3, ausgenommen Blutungen im oberen Gelenk-
omy of the TMJ, the small size of the upper joint space, and spalt, die mit 8,5%4 etwas häufiger auftreten.
issues culminating in the need for surgery, which is indicated Die Probleme in der Durchführung liegen in der kom-
in only about 10% of TMJ patients5. Figure 1 illustrates the plexen Anatomie, einem kleinen, oberen Gelenkspalt und
complex anatomy of the joint. Indikationen, die sich nur bei etwa 10 % der Patienten mit
This situation led the present authors to the question of Kiefergelenkbeschwerden ergeben5. Abbildung 1 zeigt die
whether modern capabilities for splint-guided surgical navi- komplexe Anatomie.
gation – specifically, digital surgical templates – could facili- Es stellte sich für die Autoren die Frage, ob moderne
tate minimally invasive access to the TMJ. Möglichkeiten der schienengeführten Navigation in Form
Although the use of computer-assisted, navigated TMJ einer digital erstellten Pilotschablone die minimalinvasi-
arthroscopy approaches to avoid complications and to ven Zugänge zum Kiefergelenk erleichtern.
reduce the duration of surgery has been previously Bereits früher wurden computerassistierte, navigierte Kie-
described6, these strategies have not been widely adopted fergelenkarthoskopien beschrieben6, um Komplikationen
due to high costs and lengthy planning. zu vermeiden und Operationszeiten zu senken. Diese
Computer-assisted design/computer-assisted manufac- haben sich jedoch aufgrund der hohen Kosten und der
turing (CAD/CAM), in combination with three-dimensionally aufwendigen Vorbereitung bisher nicht durchsetzen kön-
printed surgical guides and planning templates, is well nen.
known and widely described today as an extension of navi- Als Erweiterung der navigierten Chirurgie sind CAD/
gated surgery for dentistry as well as oral and maxillofacial CAM-Technologien in Verbindung mit dem dreidimensio-
surgery7-10, but not for TMJ surgery. nalen Druck von Pilot- oder Planungsschablonen mittler-
Therefore, the results of a first clinical study of digital sur- weile in der Zahnheilkunde und der Mund-Kiefer-Gesichts
gical templates for guided access to the TMJ are presented in chirurgie gut bekannt und vielfältig beschrieben7-10, nicht
this article. The templates were digitally designed and print- jedoch für Eingriffe am Kiefergelenk.
ed using a new CAD/CAM-based workflow. To the authors’ Aus diesem Grunde möchten wir einen neuen, durch
knowledge, the present report is the first one that describes a CAD/CAM gestützten Workflow zur Gestaltung und Erstel-
template-guided, minimally invasive surgical approach to the lung einer Pilotschablone für den Zugang zum Kieferge-
TMJ, barring studies describing surgical templates for condy- lenk und erste klinische Ergebnisse vorstellen. Dies ist die
lar head tumor resection11, TMJ prostheses or ankylosis, or erste Beschreibung über einen schablonengeführten,
reconstruction of the anterior cruciate ligament of the knee minimalinvasiven Zugang zum Kiefergelenk, abgesehen
joint12. etwa von Resektionsschablonen bei Kieferköpfchentumo-
ren11, Kiefergelenkprothesen/Ankylosen oder Bohrschab-
lonen für die vordere Kreuzbandrekonstruktion im Kniege-
Materials and methods lenk12.
Template design and manufacturing
The surgical templates were produced using a fully digital Material und Ergebnisse
CAD/CAM workflow.
Schablonenerstellung
In a nutshell, datasets from the cone beam computed
tomography (CBCT) scans of the patient’s skull (Kodak Der Workflow mithilfe der CAD/CAM-Technologie ist aus-
9500 3D; Carestream Health, Toulouse, France) and optical schließlich digital.
surface scans of the patient’s face and ear region (Vectra M3; Es werden die aus der Diagnostik vorhandenen
Canfield Scientific Inc, Fairfield, NJ, USA), which were already DVT-Datensätze des Patientenschädels (Kodak 9500 3D,
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Krause et al Digital erstellte Pilotschablone bei minimalinvasiver Chirurgie beim Kiefergelenk Wissenschaft
Carestream Health, Toulouse, Frankreich) mit optischen
Oberflächenscans der Gesichtsregion einschließlich des
Ohres (Vectra® M3, Canfield Scientific Inc., Fairfield, USA)
benutzt, um eine digitale Schablone mit Führungshülsen
im Stereolithographie (STL Format im Facial Analyses Tool
(FAT)13,14 zu erstellen. Somit ergeben sich vier Arbeits-
schritte:
1. DVT: Sie liefert Volumendatensätze der knöchernen
anatomischen Strukturen des Patientenschädels. Alter-
nativ können aber auch CT- oder MRT-Daten verwen-
det werden.
2. Optischer Oberflächenscan des Gesichts. Er erlaubt
eine schnelle, strahlungsfreie und präzise Abbildung
der dreidimensionalen Oberfläche des Gesichts. Er lie-
fert der DVT zusätzliche Daten wie beispielsweise
behaarte Areale, die in die Schablone nicht mit einbe-
zogen werden können und eine sehr realistische Textur
der Hautoberfläche. Fig 1 Illustration showing the complex anatomy of the temporo-
3. Im nächsten Schritt werden DVT-Daten mit den opti- mandibular joint (TMJ).
schen Oberflächendaten des Gesichts unter Verwen- Abb. 1 Darstellung der komplexen Anatomie beim Zugang zum
dung des Iterative Closest Point Algorithm der Analyse Kiefergelenk.
Software FAT gematched. Nun ist es möglich, zwei
Hülsen, einmal zur Aufnahme des Endoskops und eine
zweite als Arbeitskanal zur Aufnahme der Instrumen- acquired during the diagnostic stage, were used to create a
te, in Abhängigkeit von der gegebenen Anatomie, digital template with working channels in stereolithography
Pathologie und der Instrumentenabmessungen zu (STL) format using Facial Analysis Tool (FAT) software13,14. The
planen. Die Platzierung folgt hierbei den Mitteilungen workflow consists of the following four steps:
von Muracami und Hoshino2. Die Länge der Hülsen 1. CBCT: Provides three-dimensional (3D) volumetric data on
richtet sich nach der Arbeitslänge des Endoskops und the bony anatomy of the patient’s skull (CT or magnetic
der Instrumente, womit eine Überinstrumentierung resonance imaging [MRI] data can be used instead).
vermieden werden kann. Sobald die Pilotkanäle plat- 2. Optical facial surface scan: Provides quick, radiation-free,
ziert sind, kann nun die Schablone im FAT gestaltet and precise 3D images of the facial surfaces; augments
werden. Die Schablone umfasst zwei Ausläufer in die CBCT with supplemental information such as areas with
Stirn- und Wangenregion und einen zentralen Propfen hair (which cannot be included in the template), and ren-
in den äußeren Gehörgang um eine exakte, unver- ders a very realistic skin surface texture.
schiebliche Position zu garantieren (Abb. 2 und 3). 3. Matching of CBCT and optical facial surface data using FAT
Somit wirkt die Schablone als eine Punktionshilfe software’s iterative closest point algorithm. Next, two
durch die Haut und führt das Endoskop und die Instru- working channels are designed that take into account the
mente direkt an den gewünschten Ort im oberen specific anatomy, pathology, and instrument dimensions.
Gelenkspalt des Kiefergelenks. An dieser Stelle sollte The endoscope is inserted through one channel while the
der chirurgische Plan in der Gestaltung der Schablone other serves as a working channel for the surgical instru-
berücksichtigt werden und somit Zugänge zum obe- ments. Access is planned as described by Murakami and
ren Gelenkspalt von anterior bis posterior möglich Hoshino2. The length of the channels can be varied to
machen. Weiterhin haben wir es als notwendig erach- accommodate the working length of the endoscope and
tet, die Schablone entlang der Hülsen teilbar zu gestal- instruments to be used during the specific procedure in
ten. Somit ergibt sich die Möglichkeit, jederzeit vom order to prevent over-instrumentation. After positioning
pilothülsengeführten Zugang zum Kiefergelenk auf the working channels, the template can be designed in
das konventionelle Vorgehen umzuschwenken um FAT. The template has two arms extending to the fore-
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Science Krause et al Use of a digitally designed surgical template for minimally invasive temporomandibular joint surgery
Fig 2 Planning the working channel to the TMJ using Facial Fig 3 xRough template planning before it is separated into two
Analysis Tool (FAT) software. parts. Note the arms extending frontally and to the external
auditory canal for secure seating and the working channels.
Abb. 2 Darstellung der Planung der Pilotkanäle zum Kiefergelenk
in der FAT-Software. Abb. 3 Eine grobe Schablonenplanung vor Separation in zwei
Teile: Die Ausläufer nach frontal und in den äußeren Gehörgang
zur Sicherung der Passung sowie die Pilotkanäle sind erkennbar.
Fig 4 Final planning image showing the line along the working
channels area where the template can be separated into two
parts and removed during surgery, if necessary. The two notched
posts anterior and posterior to the working channels can be used
to attach rubber bands or ligature wires for fixation of the two
parts.
Abb. 4 Darstellung der finalen Planung mit Spaltung der
Schablone entlang der Pilotkanäle, die eine intraoperative
Entfernung ermöglicht. Anterior und posterior der Kanäle
erkennt man die Pfosten mit Unterschnitten zur Aufnahme von
Gummiringen oder Drahtligaturen, die feste Fixation beider Teile
ermöglichen.
head and cheek region and a central plug that is inserted gegebenenfalls störende Einflussnahmen der Pilot-
into the external auditory canal to immovably and pre- schablone zu vermeiden (Abb. 4 und 5).
cisely secure the template place (Figs 2 and 3). Therefore, 4. Der abschließende Schritt liegt im dreidimensionalen
the template serves as a skin puncture aid and guides the Druck der Pilotschablone im 3-D-Drucker (Formlab 2,
endoscope and surgical instruments directly to the target Formlab Inc., Somerville, USA) unter Verwendung eines
area in the upper joint space of the TMJ. Surgical planning CE-zertifizierten, klaren, biokompatiblen Photopoly-
must be taken into account during this stage of template mer-Harzes (Dental SG Resin, ein sterilisationsfähiger
design so as to enable anterior-to-posterior access to the transparenter Kunststoff; Abb. 5).
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Krause et al Digital erstellte Pilotschablone bei minimalinvasiver Chirurgie beim Kiefergelenk Wissenschaft
Chirurgische Vorgehensweise
Präoperativ wird die Passgenauigkeit der Schablone am
wachen Patienten geprüft. Der minimalinvasive Eingriff
am Kiefergelenk erfolgt jedoch in Allgemein- oder Neuro-
leptanalgesie. Die Pilotschablone wird nun wie geplant
positioniert und ein Trokar in die Führungshülsen einge-
bracht, um die Insertionspunkte zu markieren. Der nächste
Schritt ist, nach temporärer Entfernung der Schablone, die
scharfe Inzision der Markierungspunkte der Haut und das
vorsichtige Spreizen des Subcutangewebes mit einer fei-
nen Schere. Es folgt die Reposition der Pilotschablone, das
Einbringen eines scharfen Trokars und behutsames Vor-
schieben bis die Gelenkkapsel erreicht und durchdrungen
wird mit anschließendem Wechsel auf einen stumpfen Tro-
kar und Einführen in den oberen Gelenkspalt. Die Trokar-
hülse kann nun das Endoskop aufnehmen und sicher in
den oberen Gelenkspalt führen. Dieses Vorgehen wieder-
holt sich für den Arbeitskanal zur Aufnahme einer Spülka-
nüle, eines Shavers oder anderer intraartikulärer Instru-
mente wie beispielweise Haken, Schere oder Laserspitzen.
Folgend kann nun die Arthrozentese oder Arthoskopie
durchgeführt werden. Falls nötig ermöglicht die Teilbar- Fig 5 View of the 3D-printed template assembled (top) and
divided into two parts (bottom). It is made of clear resin so that
keit der Pilotschablone die Entfernung oder auch Repositi- inaccuracies of fit or bleeding can be identified.
on unter Belassung des Endoskops und der Instrumente
Abb. 5 Die gedruckte, teilbare Schablone: Sie ist klar, um
im Kiefergelenk. Abbildung 6 und 7 zeigen den intraopera-
Passungenauigkeiten oder Blutungen zu erkennen.
tiven Situs einer Arthroskopie und einer Arthrozentese.
upper joint space. In the opinion of the present authors,
Patienten und Prozeduren
divisibility is an essential design feature. For this reason,
Vom Juli 2017 bis April 2018 wurden drei Patienten insge- we made it possible to separately divide the template into
samt dreimal arthroskopisch-chirurgisch und dreimal two parts along a dividing line in the channel area (Fig 4).
durch Arthrozentese mithilfe der beschriebenen digital This gives the surgeon the option of detaching and
erstellen Pilotschablone behandelt. Tabelle 1 zeigt die removing the components in order to switch from tem-
relevanten Patientendaten. plate-guided to conventional TMJ surgery if the template
Zwei Frauen und ein Mann mit einem mittleren Alter von proves to be a hindrance.
57,3 Jahren (44 bis 77 Jahre) litten unter chronischen Kief- 4. 3D printing: The fourth and final step is template fabrica-
ergelenksbeschwerden im Sinne einer Diskusverlagerung tion using a suitable 3D printer and surgical guide resin
(internal derangement, ID) nach erfolgloser konservativer (Fig 5). For this study, a Formlabs Form 2 3D printer and
Vorbehandlung. Entsprechend der ID-Klassifikation nach den Dental SG Resin (a CE-certified, clear biocompatible pho-
Empfehlungen von Wilkes15, handelte es sich hierbei in zwei topolymer resin that is transparent and sterilizable) (both
Fällen um ein Wilkes-Stadium V und einmal um ein Stadium Formlabs, Somerville, MA, USA) were used.
IV. Die minimalinvasiven Kiefergelenkseingriffe umfassten
insgesamt drei Arthroskopien bei zwei Patienten und drei
Surgical procedure
Arthrozentesen bei einem Patient. Dreimal erfolgte der ther-
apeutische Eingriff im linken und dreimal im rechten Kief- Before starting the surgery, the surgeon checks for proper fit
ergelenk mittels insgesamt sechs Kiefergelenkspülungen, of the surgical guide on the awake patient. General anesthe-
gefolgt von sechs Injektionen (10 mg Triamcinolonacetonid, sia or neurolept analgesia is then induced and MITMJS per-
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Science Krause et al Use of a digitally designed surgical template for minimally invasive temporomandibular joint surgery
Fig 6 Intraoperative view after trocar and endoscope insertion Fig 7 Intraoperative view after trocar and endoscope insertion
during arthroscopy of the TMJ. during arthrocentesis of the TMJ.
Abb. 6 Die intraoperative Ansicht nach Insertion der Trokare und Abb. 7 Die intraoperative Ansicht nach Insertion der Trokare und
des Endoskops bei einer Arthroskopie des Kiefergelenks. des Endoskops bei einer Arthrozentese des Kiefergelenks.
Table 1 Summary of characteristics of patients (n = 3) treated for internal derangement (ID) of the temporomandibular joint (TMJ)
# Gender Age Diagnosis Date of surgery Treatment Complications
1 Female 53 Wilkes stage V ID, 27 Mar 2017 Arthroscopy, lavage, shaving, None
left TMJ 10 mg TriamHEXAL (Hexal)
13 Oct 2017 Arthroscopy, lavage, shaving, None
10 mg TriamHEXAL (Hexal)
2 Female 44 Wilkes stage V ID, 27 Apr 2018 Arthroscopy, lavage, shaving, None
right TMJ 10 mg TriamHEXAL (Hexal)
3 Male 75 Wilkes stage IV 27 Apr 2017 Arthrocentesis, lavage, None
ID, right TMJ 1.5 ml Hya Ject (ORMED)
11 May 2017 Arthrocentesis, lavage, None
1.5 ml Hya Ject (ORMED)
12 Jun 2017 Arthrocentesis, lavage, None
1.5 ml Hya Ject (ORMED)
Average: 57.3
formed. First, position the surgical template and insert a tro- TriamHEXAL®, HEXAL AG, Holzkirchen, oder Hyaluronsäure,
car into the working channels to mark the insertion points on Hya Ject®, ORMED GmbH, Freiburg).
the skin according to preoperative planning. Next, briefly
remove the template and, at the points marked on the skin,
cut and gently spread the subcutaneous tissue with fine scis- Ergebnisse
sors. Put the surgical template back in place and insert a
sharp trocar in the working channel. Carefully advance the Alle Schablonen konnten entsprechend der Planung im
sharp trocar up to and through the joint capsule and remove. eigenen Hause gestaltet und produziert werden. Die digi-
Now insert a blunt trocar and guide it to the upper joint tale Planungszeit sank von drei auch zwei Stunden im letz-
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Krause et al Digital erstellte Pilotschablone bei minimalinvasiver Chirurgie beim Kiefergelenk Wissenschaft
Tab. 1 Die Behandlung der Patienten (n = 3).
Nr. Geschl. Alter Diagnose OP-Datum Therapie Komplikationen
(Jahre)
1 w 53 ID, Ws V, KG L 27/03/2017 ASK, Lavage, Shaving, 10 mg TriamHEXAL® keine
(HEXAL AG)
13/10/2017 ASK, Lavage, Shaving, 10 mg TriamHEXAL® keine
(HEXAL AG)
2 w 44 ID, Ws V, KG R 27/04/2018 ASK, Lavage, Shaving, 10 mg TriamHEXAL® keine
(HEXAL AG)
3 m 75 ID, Ws IV, KG R 27/04/2017 AZ, Lavage, 1,5ml Hya Ject® (ORMED keine
GmbH)
11/05/2017 AZ, Lavage, 1,5ml Hya Ject® (ORMED keine
GmbH)
12/06/2017 AZ, Lavage, 1,5ml Hya Ject® (ORMED keine
GmbH)
mitl. Alter: 57,333
ten Fall. Die Druckzeit betrug zuletzt ca. sieben Stunden space. The endoscope can now be inserted and safely guided
und die Kosten des CE-zertifizierten Harzes betrugen zwi- up into the upper joint space via the trocar sleeve. Repeat for
schen fünf und sechs Euro pro Schablone. Die Passung insertion of rinsing devices, shavers, and other intraarticular
aller Schablonen wurde für exzellent befunden. Sie unter- instruments such as hooks, scissors or laser tips through the
stützten sehr gut die Kiefergelenkseingriffe. Die Platzie- working channel. Next, perform the actual arthrocentesis or
rung der Instrumente konnte schneller als beim konventi- arthroscopy procedure. The divisible surgical template can be
onellen Vorgehen erfolgen. Alle Eingriffe verliefen taken apart and removed or repositioned, if necessary, with-
komplikationslos (keinerlei Blutung, Entzündung oder out removing the endoscope and surgical instruments from
Nervschädigung). Die durchschnittliche Arthrozentese the TMJ. Intraoperative photographs of the arthroscopy and
erforderte 10 bis 15 Minuten, Arthoskopien benötigten arthrocentesis procedures are shown in Figures 6 and 7.
zwischen 70 und 105 Minuten. Die Nachkontrollzeit belief
sich auf drei bis sechs Monaten mit einer Schmerzredukti-
Patients and procedures
on von präoperativ sechs bis acht auf postoperativ zwei
bis drei auf einer visuellen 10-Punkte-Skala (10 = maxima- In the period from July 2017 to April 2018, the proposed digi-
ler Schmerz, 0 = kein Schmerz). tal surgical templates were used to perform guided arthros-
copy on three TMJs, and arthrocentesis on three TMJs in a
total of three patients. Patient characteristics and treatment
Diskussion details are summarized in Table 1. The population consisted
of one male and two females (mean age: 57.3 years; range: 44
Eine schablonengeführte Navigation hat sich für verschie- to 77 years) with chronic problems stemming from ID of the
dene Indikationen in der Zahnmedizin und MKG-Chirurgie TMJ, who had all undergone unsuccessful prior conservative
bewährt und reicht von Bohrschablonen für die dentale treatment. One case was diagnosed as Stage IV and two as
Implantatinsertion über Cutting Guides bei mikrovaskulä- Stage V ID according to the Wilkes classification system15. Two
ren Knochentransplantaten bis zu Osteotomieschablonen patients underwent three arthroscopy procedures and one
in der kieferorthopädischen Chirurgie. underwent three arthrocentesis procedures for a total of six
Dieser Bericht ist ein neuer Mosaikstein in verschiede- MITMJSs. The left TMJ was treated in three cases, and the
ner Hinsicht. Er führt eine Pilotschablone in die minimalin- right TMJ in three cases. Treatment consisted of TMJ lavage
Zeitschrift für Kraniomandibuläre Funktion 2020;12(1):1–11 7Science Krause et al Use of a digitally designed surgical template for minimally invasive temporomandibular joint surgery
followed by injection of 10 mg triamcinolone acetonide (Tri- vasive Kiefergelenkchirurgie ein, die im Kontrast zu den
amHEXAL; Hexal AG, Holzkirchen, Germany) or hyaluronic meisten Schablonen während desselben Eingriffs teilungs-
acid (Hya Ject, ORMED GmbH, Freiburg, Germany). fähig und somit entfern- und replantierbar ist. Dies unter-
scheidet sie beispielweise von einer Implantatschablone
für die Insertion dentaler Implantate, bei der Bohrer und
Results Implantat durch eine fixierte Schablone platziert werden,
die, solange Instrument oder Implantat eingeführt sind,
Inhouse digital template design and production was carried nicht entfernt werden kann.
out according to planning in all cases. The authors were able In Bezug auf die minimalinvasive Kiefergelenkchirurgie
to cut the digital planning time from 3 to 2 h in the last case. erlaubt diese neue Methode die exakte Planung und Plat-
The final printing time was approximately 7 h and the cost of zierung des Endoskops, der Instrumente und Kanülen und
the CE-certified surgical guide resin ranged from 5 to 6 euros ermöglicht ein leichteres und sichereres Vorgehen für
per template. All templates were found to have excellent fit. neue Anwendungen in diesem Bereich. Die vorgestellte
They proved to be very useful guides for TMJ surgery. Tem- Schablone kann den Chirurgen in verschiedener Hinsicht
plate guidance resulted in faster instrument placement than unterstützen: Zuerst erlaubt sie eine einfachere Punktions-
that of the conventional unguided procedure. None of the technik exakt am Ort des gewünschten oberen Kieferge-
surgeries led to complications (such as bleeding, inflamma- lenkspalts. Zudem kann sie während des Eingriffs entfernt
tion or nerve damage). The average surgical time was 10 to und ebenso replatziert werden, falls sich Unsicherheiten
15 min for arthrocentesis, and 70 to 105 min for arthroscopy. über die korrekte Lage des Endoskopes oder der Instru-
At the 3- to 6-month postsurgery follow-up, baseline pain mente ergeben. Somit bietet sie eine wichtige Hilfe in der
scores of 6 to 8 decreased to 2 to 3 on a 10-point visual schwierigen triangulären Orientierung während des ope-
analog scale (VAS), ranging from 0 (no pain) to 10 (maximum rativen Vorgehens.
pain). Diese Pilotschablone zeigt erstmalig die Machbarkeit
und erste Ergebnisse einer schablonengeführten Navigati-
on mit dem Ziel, den Zugang zum Kiefergelenk zu erleich-
Discussion tern. Weiterhin berücksichtigt das Design Manipulationen
und Bewegungen des Unterkiefers während der Arthros-
Template guidance has proved useful for various dental and kopie. Der therapeutische Wert ist somit größer, da durch
oral surgical applications. The wide range of uses for tem- ein modulares Design unterschiedliche Angulationen und
plate guidance includes drill guides for implant dentistry, cut- durchaus auch mehr als nur zwei Führungskanäle für
ting guides for microvascular bone grafts, and osteotomy besondere Fragestellungen (vorderer, medialer, hinterer
guides for orthodontic surgery. Gelenkspalt, Mundöffnung, Mundschluss) planbar und
This study report adds several new pieces to the mosaic. It umsetzbar sind. Durch geringe Erstellungskosten ist es
describes a novel divisible template for MITMJS. Unlike most auch denkbar, mehrere Schablonen für unterschiedliche
surgical guides, this template can be dismantled during sur- Fragestellungen zu erstellen.
gery and removed or replaced as needed. This distinguishes Die Schablone berücksichtigt zwar nicht die zur Punk-
it from other surgical guides, eg, templates for guided tion des Kiefergelenkes empfohlenen verschiedenen Kie-
implant insertion, which are generally fixed templates that ferköpfchenpositionen: Mediotrusion mit leichter Distrak-
cannot be removed while implants, drills, and other instru- tion für die erste Punktion und Neutralposition mit
ments are inserted in them. Distraktion für die zweite Punktion, beides mit dem Ansatz
This new method allows for accurate planning of MITMJS mehr Raum im oberen Gelenkspalt am Punktionsort zu
and for the precise placement of endoscopes, instruments, schaffen. Allerdings wäre es denkbar, durch die zusätzliche
and cannulas, paving the way for easier and safer new appli- Erstellung von protrudierenden und/oder distrahierenen,
cations in this field. The proposed template can facilitate var- okklusalen Splinten, aus strahlenhygienischen Gründen
ious aspects of TMJ surgery. First, it facilitates the puncture jedoch ohne zusätzliche DVT- oder CT-Datensätze, diesen
procedure and ensures that incisions are placed exactly over Raum zu schaffen bzw. diesen durch manuelle Führung
the site of the upper TMJ space according to the planning. während der OP zu gewährleisten. Die Schablone biete
Second, divisibility means that during the actual surgery the jedoch den Vorteil, eine räumlich orientierte Punktion
8 Journal of Craniomandibular Function 2020;12(1):1–11Krause et al Digital erstellte Pilotschablone bei minimalinvasiver Chirurgie beim Kiefergelenk Wissenschaft
unter Nutzung der durch die Bildgebung definierten Land- template can be opened and removed or opened and repos-
marken von Fossa (erste Punktion) und Eminentia articula- itioned in, for instance, the case of doubt about whether an
ris (zweite Punktion) durchzuführen. endoscope or instrument is correctly positioned. This is an
Allerdings ist uns bewusst, dass weitere Studien nötig important aid when performing the complex triangulation
sind um die Wertigkeit dieser Pilotschablone zu untermau- tasks involved in TMJ surgery.
ern. Hierbei gilt es zu untersuchen, welche weiteren Pla- This is the first pilot study to demonstrate the feasibility of
nungen berücksichtigt werden können. Ebenso sind using a surgical guide for template-guided navigation to
Zeitersparnis und die erhöhte Sicherheit Fragen zukünfti- facilitate surgical access to the TMJ. When designing the tem-
ger Untersuchungen. Diese Untersuchung kombinierte plate, manipulation and movement of the mandible during
Volumentomografiedaten mit optischen Scans der arthroscopy was taken into account. Thanks to the modular
Gesichtsoberfläche. Denkbar ist auch die Verwendung von design, flexible angulation or the incorporation of more than
MRT-Daten, die unser Workflow durchaus zulässt. Die Ver- two guide channels for special applications (anterior, medial
wendung optischer Scans ist nicht unerlässlich, erhöht or posterior joint space, mouth opening, and mouth closure)
jedoch die Sicherheit für eine gute Passgenauigkeit durch is predictable and feasible, increasing the therapeutic value
Indentifikation und Aussparen behaarter Areale, die zu of the template. The low production costs make it feasible to
Interferenzen und Passungenauigkeiten führen können. fabricate multiple templates for different surgical needs.
Auch hier wäre die Verbindung der extraoralen Schablone The template does not take into account the various rec-
mit einem okklusalen Splint unter Verwendung eines intra- ommended jaw condylar positions necessary for TMJ punc-
oralen Scans der Oberkieferzähne, der über den DVT-Da- ture: mediotrusion with slight distraction for the first punc-
tensatz angepasst und registriert wird, denkbar. ture, and a neutral position with distraction for the second
Ein wichtiger Aspekt sind die Kosten, Arbeitszeit und puncture; the aim of both is to create more room in the upper
die juristische Bewertung von Inhouse-Produkten als joint space via the puncture site. However, it would be feasi-
Medizinprodukt. Mit unserem Inhouse-Workflow ist der ble to create the desired space using additionally fabricated
Preis akzeptabel, allerdings erfordert die Planung einen protrusion and/or distraction splints (which must be designed
hohen Zeitaufwand, der mit zunehmender Routine gerin- without additional CBCT or CT datasets for radiation safety
ger werden wird. Nach den Mitteilungen von Otero et al.16 reasons) or by manual guidance during surgery. Still, the
erlaubt die europäische Gesetzgebung Inhouse-Produkte, advantage of using the template is that the landmarks
sofern zertifizierte Materialien, wie in unserem Fall, ver- defined by imaging – the fossa (first puncture) and the articu-
wendet wurden. Ob dies auch für Länder gilt, die nicht der lar eminence (second puncture) – serve as spatial references
Europäischen Gemeinschaft angehören, ist den Autoren for puncture.
nicht bekannt. Bei Verwendung der von uns beschriebe- Further studies are needed to confirm the value of the
nen Schablone belaufen sich die Kosten auf durchschnitt- proposed surgical template. Future studies should address
lich fünf bis sechs Euro. In Bezug auf die Zeit, die zum Ent- the question of which additional planning aspects should be
werfen der Schablone nötig wird, sind die benötigte considered. Time savings and increased safety are other
Planungssoftware und die Erfahrung des Chirurgen kriti- important research issues. The template used in the present
sche Aspekte. In unseren ersten Fällen benötigten wir zwei study was designed based on combined CBCT and optical
bis drei Stunden für die Planung der Pilotschablone. Weite- facial surface scan data. Theoretically, MRI data could also be
re Studien werden zeigen, ob die Planungszeit zu verkür- used, and the workflow described here certainly permits this.
zen ist. Eine Stunde erscheint mit unserem Workflow rea- Though not absolutely essential, optical surface scan data
listisch. Darüber hinaus sollten Softwareverbesserungen increases the certainty of producing a template with accurate
einen zusätzlichen Zeitgewinn ermöglichen. Schließlich fit because it helps the operator to identify and exclude hairy
sind die Kosten für die Erlangung der radiologischen Volu- areas of the face, which can lead to interferences and inaccu-
men-Datensätze zu berücksichtigen. Die von uns verwen- racies of fit. It would also be conceivable to connect the
deten Datensätze ergaben sich aus der üblich notwendi- extraoral surgical template to an occlusal splint; this could be
gen, präoperativen Diagnostik der Kiefergelenke, somit done by adapting and merging an intraoral scan of the max-
entstanden keine zusätzlichen Kosten. Die Schablonenpla- illary teeth with the CBCT dataset.
nung auf dritte, auswärtige Anbieter auszulagern um Zeit Costs, time requirements, and jurisprudence regarding
zu sparen, erscheint fraglich, da es sich hierbei um ein inhouse products as medicinal products are important issues
Zeitschrift für Kraniomandibuläre Funktion 2020;12(1):1–11 9Science Krause et al Use of a digitally designed surgical template for minimally invasive temporomandibular joint surgery
to consider. With the in-house workflow described in this kompliziertes Konstrukt für eine komplizierte Operation
report, the divisible templates can be produced at an accept- handelt und somit die Planung durchaus von dem Chirur-
able price. Planning takes a long time initially, but this gen gesteuert werden sollte. Hinzu kommen sehr wahr-
decreases over time with experience. According to Otero et scheinlich steigende Planungs- und Fertigungskosten.
al16, inhouse products are allowed under European legisla- Unsere gewonnenen Erkenntnisse lassen den vorsichti-
tion, provided they are made of certified materials, as is the gen Schluss zu, dass die minimalinvasive Kiefergelenkchi
case in the present study. The authors cannot say whether rurgie durchaus von einer Pilotschablone profitieren könn-
this also applies to countries that are not part of the European te. Sie kann für den weniger erfahrenen Kollegen eine Hilfe
Community. Material costs for the surgical template darstellen und für den erfahrenen gegebenenfalls in
described in this study typically range from an average of 5 to schwierigen Situationen (z. B. voroperierte Gelenke) eine
6 euros. The required planning software and operator exper- zusätzliche Sicherheit liefern und somit dabei helfen, dass
ience are critical variables that determine the amount of time sich mehr Chirurgen an eine Arthrozenthese oder Arthros-
required to design the template. In the present study, tem- kopie des Kiefergelenkes wagen.
plate planning time was 2 to 3 h in the initial cases. Future Die vorgestellte Pilotschablone könnte sich auch
studies will show whether the planning time can be reduced. durchaus allgemein als Punktions- oder Führungschablo-
With the workflow described here, 1 h seems like a realistic ne in der MKG- und Neurochirurgie einsetzen lassen.
target. Future software improvements should bring addition-
al time savings.
Lastly, CBCT data acquisition costs are another factor to Schlussfolgerung
consider. In this study, CBCT scanning was part of the routine
diagnostic workup before TMJ surgery, so the use of these Unsere Machbarkeitsstudie der schablonengeführten,
datasets did not add any additional costs. The value of out- minimalinvasiven Chirurgie des Kiefergelenks zeigt eine
sourcing template planning to third parties (ie, external pro- vielversprechende neue Methode einer Pilotschablone im
viders) to save time seems questionable for two reasons: First, Bereich der Medizin. Dies ist nach dem Ermessen der Auto-
this is a complicated construct for a complicated surgical pro- ren der erste Bericht einer Pilotschablone zur Unterstüt-
cedure, so all aspects of surgical planning should be con- zung und Erleichterung von Arthroskopien oder endosko-
trolled by the surgeon. Second, this would probably result in pisch unterstützten Gelenkeingriffen. Unter Verwendung
higher planning and manufacturing costs. eines Inhouse-Workflows erscheint die Schablonengestal-
The findings of the present pilot study suggest that there tung kostengünstig, zeigt jedoch noch einen hohen Pla-
may be distinct advantages to using the proposed surgical nungszeitaufwand. Weitere Untersuchungen werden zei-
template in MITMJS. Template guidance is a useful aid for gen, ob die Verwendung dieser Pilotschablone bessere
less-experienced surgeons and can even give experienced chirurgische Ergebnisse ermöglichen.
surgeons the additional confidence needed to perform diffi- Das teilbare Design ermöglicht ein leichtes Umschwen-
cult surgeries (eg, in previously operated joints). This added ken auf die konventionelle Vorgehensweise, und somit ist
safety will make more surgeons feel sufficiently confident to zumindest kein nachteiliger Effekt in der Anwendung zu
perform arthroscopy or arthroscopy of the TMJ. erwarten.
The proposed surgical template could also find general
use as a puncture or surgical guide in maxillofacial surgery
Hinweis
and neurosurgery.
Die Studie folgte der Deklaration von Helsinki und wurde von
der Ethikkommission der Ärztekammer Berlin ohne
Conclusions berufsethische oder berufsrechtliche Bedenken positiv votiert
(Ärztekammer Berlin, Eth-30/17).
This pilot study of the feasibility of template-guided MITMJS
shows it to be a promising new method in the field of medi-
cine. To the authors’ knowledge, this is the first study of a sur-
gical template designed to support and facilitate arthroscop-
ic or endoscopic TMJ surgery. Digital template design and
10 Journal of Craniomandibular Function 2020;12(1):1–11Krause et al Digital erstellte Pilotschablone bei minimalinvasiver Chirurgie beim Kiefergelenk Wissenschaft
manufacture using an inhouse workflow appears to be cost 6. Wagner A, Undt G, Walschitz F, et al. Principles of computer-assisted
arthroscopy of the temporomandibular joint with optoelectronic
effective, whereas the planning seems to take a relatively
tracking technology. Oral Surg Oral Med Oral Pathol Oral Radiol
long time. Future studies will show whether the use of this Endod 2001;92:30–37.
surgical template improves the results of MITMJS. 7. Abou-ElFetouh A, Barakat A, Abdel-Ghany K. Computer-guided rap-
The template has a divisible design. If the surgeon wishes id-prototyped templates for segmental mandibular osteotomies: a
preliminary report. Int J Med Robot 2011;7:187–192.
to switch from guided to conventional surgery, it can be
8. Hirsch DL, Garfein ES, Christensen AM, Weimer KA, Saddeh PB, Levine
taken apart in situ, so using the template would not be a dis- JP. Use of computer-aided design and computer-aided manufactur-
advantage. ing to produce orthognathically ideal surgical outcomes: a paradigm
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This study was conducted in accordance with the Declaration of iofac Surg 2011;22:1791–1792.
Helsinki and was approved by the Ethics Committee of the Berlin 10. Naziri E, Schramm A, Wilde F. Accuracy of computer-assisted implant
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Matthias Krause, Dr. med. Dr. med. dent. M.Sc Heike Hümpfner-Hierl, Titel ergänzen
Praxis für Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie Department of Oral & Maxillofacial Plastic Surgery
Berlin Leipzig University
Hans Martin Dörfler, Titel ergänzen Thomas Hierl, Titel ergänzen
Faculty of Mechanical and Energy Department of Oral and Maxillofacial Plastic
Engineering, University of Applied Sciences Surgery, Helios Vogtlandklinikum Plauen
(HTWK
Bernd Lethaus, Prof. Dr. med. Dr. med. dent.
Daniel Kruber, Titel ergänzen Department of Oral & Maxillofacial Plastic Surgery
Department of Oral & Maxillofacial Plastic Surgery Leipzig University
Leipzig University
Matthias Krause
Adresse/Adress
Dr. Dr. Matthias Krause, Damerowstraße 6-7, 13187 Berlin, Tel: +49 (0) 30 47534381, E-Mail: mkrause@gesichtschirurgie-berlin.de
Zeitschrift für Kraniomandibuläre Funktion 2020;12(1):1–11 11Sie können auch lesen
