下颌角缩小术是一种非常流行、有效、并广泛用于修饰脸部轮廓的手术方式。手术中所用到的主要工具有往复锯和圆头磨钻，这两种手术工具工作时有一个共同的特点：通过其高速运转去除骨质。缺乏经验的医生通常需要较长周期的训练，来学习和熟悉如何操作这两种手术工具，并在操作过程中避免由于无法控制好工具与骨骼的触碰以及工具运转时的在骨骼上的移动所造成的危险。具有视觉和触觉反馈的虚拟手术模拟系统为医生们练习手术技巧提供了一种可行并且安全的方式。然而，创建高速运转的手术工具与坚硬的骨骼之间的真实触觉交互模型是一个非常有挑战性的任务。 / 这篇论文设计并实现了虚拟下颌角缩小手术模拟系统，并且创建高保真度的视觉和触觉反馈来增强虚拟手术环境的真实性。文章提出了基于冲量理论的力反馈模型用来模拟作用在工具上的碰撞力和力矩。在不同的往复速率或者旋转速度的情况下，所提出的模型都可以为医生提供可信真实的力感反馈。并且针对磨钻在磨骨是震动明显对磨骨操作有较大影响的特点，论文还提出了一个三维震动模型来模拟磨骨时作用在钻轴上的橫向震动和轴向震动。同时，论文还提出了用于模拟手术中骨质去除以及重建的实时绘制方法。为了验证力模型的真实性，我们还创建了机械平台，采集磨骨和截骨过程中产生的真实力数据，从而用来与虚拟手术中产生的力数据进行比较。最后，还引入真实病人的CT扫描数据来对虚拟手术系统进行实证研究，评估创建的系统是否可以用于训练具有不同手术经验的医生。实证研究的结果也验证了所提出的虚拟手术系统的有效性。 / Mandibular angle reduction is a popular and efficient procedure widely used to alter the facial contour. The primary surgical instruments, the reciprocating saw and the round burr, employed in the surgery have a common feature: operating at a high-speed. Generally, inexperienced surgeons need a longtime practice to learn how to minimize the risks caused by the uncontrolled contacts and cutting motions in manipulation of instruments with high-speed reciprocation or rotation. Virtual reality (VR)-based surgical simulations with both visual and haptic feedbacks provide novice surgeons with a feasible and safe way to practise their surgical skill. However, creating realistic haptic interactions between a high-speed rotary or reciprocating instrument and stiff bone is a challenging task. In this work, a virtual reality-based surgical simulator for the mandibular angle reduction was designed and implemented. High-fidelity visual and haptic feedbacks are provided to enhance the perception in a realistic virtual surgical environment. The impulse-based haptic model was proposed to simulate the contact forces and torques on the instruments. It provides convincing haptic sensation for surgeons to control the instruments under different reciprocation or rotation velocities. Also, in order to mimic the lateral and axial burring vibration forces, a three dimensional vibration model has been developed. The real-time methods for bone removal and reconstruction during surgical procedures have been proposed to support realistic visual feedbacks. The simulated contact forces were verified by comparing against the actual force data measured through the constructed mechanical platform. An empirical study based on the patient-specific data was conducted to evaluate the ability of the proposed system in training surgeons with various experiences. The results confirm the validity of our simulator. / Detailed summary in vernacular field only. / Detailed summary in vernacular field only. / Wang, Qiong. / Thesis (Ph.D.)--Chinese University of Hong Kong, 2012. / Includes bibliographical references (leaves 100-114). / Electronic reproduction. Hong Kong : Chinese University of Hong Kong, [2012] System requirements: Adobe Acrobat Reader. Available via World Wide Web. / Abstract also in Chinese. / Abstract --- p.i / Acknowledgement --- p.v / Chapter 1 --- Introduction --- p.1 / Chapter 1.1 --- Contributions of the Thesis --- p.5 / Chapter 1.2 --- Thesis Roadmap --- p.7 / Chapter 2 --- Related Work --- p.9 / Chapter 2.1 --- Virtual Orthopaedic Surgical Simulator --- p.9 / Chapter 2.2 --- Haptic Rendering for Virtual Surgery --- p.11 / Chapter 2.3 --- Evaluation of the Virtual System --- p.14 / Chapter 3 --- System Design --- p.17 / Chapter 3.1 --- Overall System Framework --- p.17 / Chapter 4 --- Bone-burring Surgical Simulation --- p.21 / Chapter 4.1 --- Impulse-Based Modeling of Haptic Simulation of Bone-Burring --- p.22 / Chapter 4.1.1 --- Basic Assumptions --- p.22 / Chapter 4.1.2 --- Bone-Burring Contact Description --- p.25 / Chapter 4.1.3 --- Burring Force Modeling --- p.29 / Chapter 4.2 --- Simulation of Bone Removal --- p.41 / Chapter 4.2.1 --- Bone Removal model --- p.41 / Chapter 4.2.2 --- Adaptive Subdividing Removal Surface --- p.42 / Chapter 4.3 --- Implementation and Experimental Results --- p.52 / Chapter 4.3.1 --- Force Evaluation --- p.53 / Chapter 4.3.2 --- Task-based Evaluation --- p.57 / Chapter 4.3.3 --- Time Performance --- p.61 / Chapter 5 --- Bone-sawing Surgical Simulation --- p.64 / Chapter 5.1 --- Impulse-Based Modeling of Haptic Simulation of Bone-Sawing --- p.65 / Chapter 5.1.1 --- Haptic Saw Instruments Description --- p.65 / Chapter 5.1.2 --- Sawing Force Modeling --- p.67 / Chapter 5.1.3 --- Sawing Torque Constraint --- p.70 / Chapter 5.2 --- Real-time Bone Mesh Reconstruction --- p.74 / Chapter 6 --- Evaluation --- p.78 / Chapter 6.1 --- Haptic Feedback Evaluation --- p.79 / Chapter 6.1.1 --- Mechanical Platform Setup --- p.79 / Chapter 6.1.2 --- Comparison of The Measured and Simulated forces --- p.81 / Chapter 6.2 --- Empirical Study --- p.85 / Chapter 6.2.1 --- Patient Specific Data --- p.87 / Chapter 6.2.2 --- Objective Performance Metrics --- p.89 / Chapter 6.2.3 --- Evaluation Results --- p.90 / Chapter 7 --- Conclusion --- p.94 / Publication List --- p.98 / Bibliography --- p.100

INTRODUÇÃO: A redução cirúrgica e fixação rígida por meio do acesso retromandibular transparotídeo vem se difundindo como uma das opções para o controverso tratamento das fraturas de côndilo mandibular. OBJETIVOS: Avaliar o tratamento cirúrgico pela via retromandibular transparotídea das fraturas extracapsulares de côndilo mandibular em adultos. MÉTODOS: Foram avaliados retrospectivamente dez pacientes consecutivos operados pelo autor no Hospital das Clínicas da Faculdade de Medicina da Universidade de São Paulo. Todos eram adultos com fraturas extracapsulares de côndilo mandibular causando encurtamento maior que 2 mm ou desvio maior que 10 graus. Os pacientes foram operados por meio do acesso retromandibular transparotídeo e tiveram suas tomografias pré e pós-operatórias avaliadas por meio de reconstrução tridimensional. A qualidade da redução quanto ao posicionamento no foco de fratura foi classificada como ideal, satisfatória ou pobre. Em sete pacientes com fraturas unilaterais, os lados não fraturados serviram como controles em uma avaliação quantitativa do posicionamento da cabeça condilar. As variáveis altura condilar e inclinações sagital, coronal e axial foram medidas nas tomografias pré e pós-operatórias para os lados fraturados e não fraturados. As diferentes medidas foram comparadas entre si. Quanto à morbidade do acesso, foram avaliadas: assimetrias na mímica facial, incidência de fístulas salivares ou infecções e qualidade das cicatriz. Com pelo menos 18 meses após a cirurgia, os pacientes foram convocados para uma avaliação do pós-operatório tardio. Foram questionados quanto a presença de estalidos articulares, limitação da abertura oral, dor facial e mastigação insatisfatória. A situação referida no pós-operatório tardio foi comparada referida para o período anterior ao trauma. Os pacientes foram examinados em busca de estalidos ou dor à palpação facial, intercuspidação não corrigida, desvio à abertura oral, limitação à protrusão ou à lateralidade. A abertura oral máxima foi quantificada. RESULTADOS: No foco de fratura, a redução foi classificada como satisfatória ou ideal em nove pacientes. Quanto ao posicionamento da cabeça condilar, para as variáveis altura condilar e inclinação coronal, no pré-operatório, houve diferença estatística entre os lados fraturados e os lados normais. No pós-operatório, não houve diferença para nenhuma das variáveis na comparação entre os lados fraturados e os não fraturados. Não foram observadas assimetrias na motricidade da mímica, fístulas salivares ou infecção desde o pós-operatório imediato. Uma paciente apresentou cicatriz hipertrófica. No pós-operatório tardio, encontraram-se abertura oral máxima entre 39 e 55 mm, desvio à abertura oral em um paciente e surgimento de estalidos em dois, o que não se mostrou estatisticamente diferente do período anterior ao trauma. CONCLUSÕES: O tratamento aberto por via retromandibular com redução e fixação rígida de fraturas extracapsulares de côndilo mandibular com desvio ou encurtamento em adultos é capaz de prover correção da anatomia condilar com baixa morbidade relacionada ao acesso e com evolução funcional satisfatória. / INTRODUCTION: Open reduction and rigid internal fixation through retromandibular transparotid approach has been increasingly accepted as one of the options for treatment of fractures of the mandibular condyle, which is still a controversial subject. OBJECTIVES: To evaluate surgical treatment through retromandibular transparotid approach for extracapsular fractures of mandibular condyle in adults. METHODS: Ten consecutive patients operated on by the author at University of São Paulo Medical School Hospital were retrospectively evaluated. All of them were adults with extracapsular fractures of mandibular condyle causing shortening greater than 2 mm or deviation greater than 10 degrees. Patients were operated through retromandibular transparotid approach and had their pre and postoperative CT scans assessed with tridimensional reconstruction. Quality of reduction at fracture site was classified as optimal, satisfactory or poor. In seven patients with unilateral fractures, non-fractured sides served as controls in quantitative assessment condylar head positioning. Variables condylar height and sagittal, axial and coronal inclinations were measured in preoperative and postoperative CT scans, on fractured and not fractured sides. The different measures were compared. On morbidity of the approach, were evaluated: facial animation asymmetry, incidence of salivary fistula or infection and quality of scar. At least 18 months after surgery, patients were called for an assessment of postoperative period. They were asked about the presence of clicking joints, limitation on mouth opening, facial pain and poor mastication. Situation at postoperative period was compared with the one previous to trauma. Patients were examined for clicking or pain on palpation, uncorrected intercuspation, chin deviation on mouth opening and limitation on protrusion or laterality. The maximum mouth opening was measured. RESULTS: At the fracture site, reduction was rated as satisfactory or ideal in nine patients. As for the positioning of the condylar head, for the variables height and coronal condylar inclination, preoperatively, there was statistical difference between fractured and normal sides. Postoperatively, there was no difference for any variable when comparing fractured and normal sides. There were no asymmetries in facial animation, salivary fistula or infection since immediate postoperative period. One patient had hypertrophic scar. In the late postoperative period, were found: maximum mouth opening between 39 and 55 mm, chin deviation at oral opening in one patient and the emergence of clicking in two, data that was not statistically different from the period before the trauma. CONCLUSIONS: Treatment of shortened or deviated extracapsular fractures of the mandibular condyle in adults by open reduction and rigid internal fixation through retromandibular transparotid approach can provide correction of condylar anatomy with low morbidity and satisfactory functional outcome

Objetivo: O presente estudo teve como objetivo verificar os efeitos do tratamento com altas e baixas doses de metotrexato (MTX) na reparação de fraturas mandibulares, num modelo experimental com ratos. Métodos: O modelo experimental empregado consiste na criação de um defeito ósseo na mandíbula do rato, semelhante a uma fratura. Oitenta ratos foram distribuídos em 4 grupos de 20 animais que receberam, por via intraperitoneal: soro fisiológico (controle) (1 ml, após a cirurgia); dexametasona (DX) (0,15 mg / kg, dose única após a cirurgia); alta dose MTX (1,6 mg / kg, semanalmente); baixa dose MTX, (0,25 mg / kg, semanalmente). Os animais foram sacrificados no dia 1º, 7º, 15º e 30º dia após a cirurgia. As mandíbulas foram submetidas à análise radiográfica para medir a distância entre os cotos ósseos e a área de osteotomia. Avaliação histomorfométrica foi realizada usando um software analisador de imagens digitalizadas para verificar a formação de cartilagem e óssea. Resultados: Os resultados revelaram não haver alterações significantes entre os tratamentos nos parâmetros avaliados nos 10 e 70 dias após a cirurgia. Animais do grupo controle sacrificados no 15º dia após a cirurgia tiveram uma redução da distância entre as extremidades ósseas e na área da osteotomia, bem como um grande aumento na formação de cartilagem. O padrão desses parâmetros nos animais tratados com baixas doses de MTX e DX não foram significativamente diferentes do grupo controle neste período. No entanto, os animais tratados com alta dose de MTX tiveram aumento da distância entre os cotos ósseos e da área da osteotomia, bem como foi praticamente nulo o aumento da formação de cartilagem. Sobre o 30º dia após a cirurgia, os animais do grupo controle tinham praticamente recuperado a região da fratura, bem como aqueles tratados com doses baixas de MTX. Os grupos tratados com a alta dose de MTX e DX mantiveram abertos os defeitos ósseos. Conclusões: Este estudo mostra claramente que a baixa dose de MTX não afetou a reparação óssea de fraturas mandibulares em ratos, em contraste com a alta dose de MTX, que afeta desfavoravelmente a regeneração óssea. / Purpose: The present study aims to verify the effect of high and low dose of methotrexate (MTX) treatment on bone repair of mandibular fractures in rats. Methods: The experimental model employed consists in creating a defect in rat mandible, similar to a fracture. Eighty rats were distributed in 4 groups of 20 animals that received, intraperitoneally: saline (1 ml, after surgery); dexametazone (DX, 0.15 mg/Kg, one dose at surgery); high dose MTX (1.6 mg/Kg, weekly); low dose MTX, (0.25 mg/Kg, weekly). Groups of five animals were sacrificed on the 1st, 7th, 15th and 30th day after surgery. Mandibles were submitted to radiographic analysis to measure the distance between bony edges and the area of osteotomy. Histopathological evaluation was performed in digitalized images using an analyzer software to examine cartilage and bone formation. Results: The treatments did not alter any evaluated parameters on days 1 and 7 after surgery. Control animals sacrificed on the 15th day after surgery had a reduction of the distance between bony ends and in the area of osteotomy, as well as a great increase in cartilage formation. The pattern of these parameters in animals treated with low dose MTX and DX did not differ from control group. However, animals treated with higher dose of MTX kept increasing the distance between bony ends and the area of osteotomy, and the increase in cartilage formation was practically inexistent. On the 30th day after surgery, control animals had pratically recovered the fracture region, as well as those treated with low dose MTX. The group treated with higher dose MTX and DX still had an open bone defect. Conclusions: This study clearly shows that low dose MTX did not affect bone healing of mandibular fractures in rats, in contrast to a higher dose, which promotes impairment of bone regeneration.

Objetivo: O presente estudo teve como objetivo verificar os efeitos do tratamento com altas e baixas doses de metotrexato (MTX) na reparação de fraturas mandibulares, num modelo experimental com ratos. Métodos: O modelo experimental empregado consiste na criação de um defeito ósseo na mandíbula do rato, semelhante a uma fratura. Oitenta ratos foram distribuídos em 4 grupos de 20 animais que receberam, por via intraperitoneal: soro fisiológico (controle) (1 ml, após a cirurgia); dexametasona (DX) (0,15 mg / kg, dose única após a cirurgia); alta dose MTX (1,6 mg / kg, semanalmente); baixa dose MTX, (0,25 mg / kg, semanalmente). Os animais foram sacrificados no dia 1º, 7º, 15º e 30º dia após a cirurgia. As mandíbulas foram submetidas à análise radiográfica para medir a distância entre os cotos ósseos e a área de osteotomia. Avaliação histomorfométrica foi realizada usando um software analisador de imagens digitalizadas para verificar a formação de cartilagem e óssea. Resultados: Os resultados revelaram não haver alterações significantes entre os tratamentos nos parâmetros avaliados nos 10 e 70 dias após a cirurgia. Animais do grupo controle sacrificados no 15º dia após a cirurgia tiveram uma redução da distância entre as extremidades ósseas e na área da osteotomia, bem como um grande aumento na formação de cartilagem. O padrão desses parâmetros nos animais tratados com baixas doses de MTX e DX não foram significativamente diferentes do grupo controle neste período. No entanto, os animais tratados com alta dose de MTX tiveram aumento da distância entre os cotos ósseos e da área da osteotomia, bem como foi praticamente nulo o aumento da formação de cartilagem. Sobre o 30º dia após a cirurgia, os animais do grupo controle tinham praticamente recuperado a região da fratura, bem como aqueles tratados com doses baixas de MTX. Os grupos tratados com a alta dose de MTX e DX mantiveram abertos os defeitos ósseos. Conclusões: Este estudo mostra claramente que a baixa dose de MTX não afetou a reparação óssea de fraturas mandibulares em ratos, em contraste com a alta dose de MTX, que afeta desfavoravelmente a regeneração óssea. / Purpose: The present study aims to verify the effect of high and low dose of methotrexate (MTX) treatment on bone repair of mandibular fractures in rats. Methods: The experimental model employed consists in creating a defect in rat mandible, similar to a fracture. Eighty rats were distributed in 4 groups of 20 animals that received, intraperitoneally: saline (1 ml, after surgery); dexametazone (DX, 0.15 mg/Kg, one dose at surgery); high dose MTX (1.6 mg/Kg, weekly); low dose MTX, (0.25 mg/Kg, weekly). Groups of five animals were sacrificed on the 1st, 7th, 15th and 30th day after surgery. Mandibles were submitted to radiographic analysis to measure the distance between bony edges and the area of osteotomy. Histopathological evaluation was performed in digitalized images using an analyzer software to examine cartilage and bone formation. Results: The treatments did not alter any evaluated parameters on days 1 and 7 after surgery. Control animals sacrificed on the 15th day after surgery had a reduction of the distance between bony ends and in the area of osteotomy, as well as a great increase in cartilage formation. The pattern of these parameters in animals treated with low dose MTX and DX did not differ from control group. However, animals treated with higher dose of MTX kept increasing the distance between bony ends and the area of osteotomy, and the increase in cartilage formation was practically inexistent. On the 30th day after surgery, control animals had pratically recovered the fracture region, as well as those treated with low dose MTX. The group treated with higher dose MTX and DX still had an open bone defect. Conclusions: This study clearly shows that low dose MTX did not affect bone healing of mandibular fractures in rats, in contrast to a higher dose, which promotes impairment of bone regeneration.

INTRODUÇÃO: A redução cirúrgica e fixação rígida por meio do acesso retromandibular transparotídeo vem se difundindo como uma das opções para o controverso tratamento das fraturas de côndilo mandibular. OBJETIVOS: Avaliar o tratamento cirúrgico pela via retromandibular transparotídea das fraturas extracapsulares de côndilo mandibular em adultos. MÉTODOS: Foram avaliados retrospectivamente dez pacientes consecutivos operados pelo autor no Hospital das Clínicas da Faculdade de Medicina da Universidade de São Paulo. Todos eram adultos com fraturas extracapsulares de côndilo mandibular causando encurtamento maior que 2 mm ou desvio maior que 10 graus. Os pacientes foram operados por meio do acesso retromandibular transparotídeo e tiveram suas tomografias pré e pós-operatórias avaliadas por meio de reconstrução tridimensional. A qualidade da redução quanto ao posicionamento no foco de fratura foi classificada como ideal, satisfatória ou pobre. Em sete pacientes com fraturas unilaterais, os lados não fraturados serviram como controles em uma avaliação quantitativa do posicionamento da cabeça condilar. As variáveis altura condilar e inclinações sagital, coronal e axial foram medidas nas tomografias pré e pós-operatórias para os lados fraturados e não fraturados. As diferentes medidas foram comparadas entre si. Quanto à morbidade do acesso, foram avaliadas: assimetrias na mímica facial, incidência de fístulas salivares ou infecções e qualidade das cicatriz. Com pelo menos 18 meses após a cirurgia, os pacientes foram convocados para uma avaliação do pós-operatório tardio. Foram questionados quanto a presença de estalidos articulares, limitação da abertura oral, dor facial e mastigação insatisfatória. A situação referida no pós-operatório tardio foi comparada referida para o período anterior ao trauma. Os pacientes foram examinados em busca de estalidos ou dor à palpação facial, intercuspidação não corrigida, desvio à abertura oral, limitação à protrusão ou à lateralidade. A abertura oral máxima foi quantificada. RESULTADOS: No foco de fratura, a redução foi classificada como satisfatória ou ideal em nove pacientes. Quanto ao posicionamento da cabeça condilar, para as variáveis altura condilar e inclinação coronal, no pré-operatório, houve diferença estatística entre os lados fraturados e os lados normais. No pós-operatório, não houve diferença para nenhuma das variáveis na comparação entre os lados fraturados e os não fraturados. Não foram observadas assimetrias na motricidade da mímica, fístulas salivares ou infecção desde o pós-operatório imediato. Uma paciente apresentou cicatriz hipertrófica. No pós-operatório tardio, encontraram-se abertura oral máxima entre 39 e 55 mm, desvio à abertura oral em um paciente e surgimento de estalidos em dois, o que não se mostrou estatisticamente diferente do período anterior ao trauma. CONCLUSÕES: O tratamento aberto por via retromandibular com redução e fixação rígida de fraturas extracapsulares de côndilo mandibular com desvio ou encurtamento em adultos é capaz de prover correção da anatomia condilar com baixa morbidade relacionada ao acesso e com evolução funcional satisfatória. / INTRODUCTION: Open reduction and rigid internal fixation through retromandibular transparotid approach has been increasingly accepted as one of the options for treatment of fractures of the mandibular condyle, which is still a controversial subject. OBJECTIVES: To evaluate surgical treatment through retromandibular transparotid approach for extracapsular fractures of mandibular condyle in adults. METHODS: Ten consecutive patients operated on by the author at University of São Paulo Medical School Hospital were retrospectively evaluated. All of them were adults with extracapsular fractures of mandibular condyle causing shortening greater than 2 mm or deviation greater than 10 degrees. Patients were operated through retromandibular transparotid approach and had their pre and postoperative CT scans assessed with tridimensional reconstruction. Quality of reduction at fracture site was classified as optimal, satisfactory or poor. In seven patients with unilateral fractures, non-fractured sides served as controls in quantitative assessment condylar head positioning. Variables condylar height and sagittal, axial and coronal inclinations were measured in preoperative and postoperative CT scans, on fractured and not fractured sides. The different measures were compared. On morbidity of the approach, were evaluated: facial animation asymmetry, incidence of salivary fistula or infection and quality of scar. At least 18 months after surgery, patients were called for an assessment of postoperative period. They were asked about the presence of clicking joints, limitation on mouth opening, facial pain and poor mastication. Situation at postoperative period was compared with the one previous to trauma. Patients were examined for clicking or pain on palpation, uncorrected intercuspation, chin deviation on mouth opening and limitation on protrusion or laterality. The maximum mouth opening was measured. RESULTS: At the fracture site, reduction was rated as satisfactory or ideal in nine patients. As for the positioning of the condylar head, for the variables height and coronal condylar inclination, preoperatively, there was statistical difference between fractured and normal sides. Postoperatively, there was no difference for any variable when comparing fractured and normal sides. There were no asymmetries in facial animation, salivary fistula or infection since immediate postoperative period. One patient had hypertrophic scar. In the late postoperative period, were found: maximum mouth opening between 39 and 55 mm, chin deviation at oral opening in one patient and the emergence of clicking in two, data that was not statistically different from the period before the trauma. CONCLUSIONS: Treatment of shortened or deviated extracapsular fractures of the mandibular condyle in adults by open reduction and rigid internal fixation through retromandibular transparotid approach can provide correction of condylar anatomy with low morbidity and satisfactory functional outcome