Застосування безконтактного лазерного сканування при плануванні лікування

Відео: технологія 3D друку і операція Laterjet при вивиху плеча

Застосування безконтактного лазерного сканування при плануванні лікування з використанням дентальних імплантатів

В даний час проблема побудови оптимальної протезної конструкції з опорою на імплантати і раніше залишається актуальною. Використання імплантатів часто пов`язано з ризиком виникнення різних ускладнень (активна резорбція кортикальної кістки, перелом імплантату в області шийки, перелом гвинта, відторгнення імплантату). Однією з основних причин виникнення ускладнень є порушення біомеханіки взаємодії ортопедичних конструкцій і імплантатів.

біомедичне конструювання (Застосування інженерних принципів до живих систем) відкрило нові можливості в діагностиці, плануванні лікування і реабілітації хворих. Вивчення біомеханічного поведінки кісткової тканини після імплантації проводиться за кількома напрямками: досліджуються взаємозв`язки структури і механічних властивостей, оцінюються процеси росту, розвитку та перебудови, аналізуються процеси деформування і руйнування при різних напружених станах.

Для проведення біомеханічного аналізу необхідна об`єктивна інформація про анатомо-топографічних особливостях порожнини рота пацієнта. Спочатку для діагностики використовувалися в основному двомірні зображення структур порожнини рота, проте з розвитком імплантології ці методи стали недостатніми, щоб прогнозувати результати лікування. В даний час у розвитку діагностичних методів реалізується можливість отримання тривимірної візуалізації, що пов`язано з прагненням привести діагностичну інформацію до більш зручній формі сприйняття.

Здійснити тривимірну реконструкцію анатомічних структур пацієнта дозволяє комп`ютерна томографія. Отримані за допомогою спеціального програмного забезпечення віртуальні моделі щелеп дозволяють лікарю-стоматологу точно виміряти довжину, висоту і ширину альвеолярного відростка, оцінити щільність кістки і співвідношення анатомічних орієнтирів, визначити товщину слизової оболонки і т.д.

Разом з тим, комп`ютерна томографія як метод отримання вихідних даних про об`єкт, що вивчається має ряд недоліків. По-перше, якість моделей біологічних об`єктів визначається роздільною здатністю використовуваного томографа. По-друге, металеві пломби і мостовидні протези, наявні у пацієнтів, викликають розсіяні артефакти, які заважають ідентифікації анатомічних структур. До недоліків комп`ютерної томографії відноситься і відносно високий опромінення кісткового мозку, щитовидної і слинних залоз, очей і шкіри, а також висока собівартість цієї методики.

В останні роки, завдяки інтенсивному розвитку комп`ютерних технологій і їх активному впровадженню в усі сфери людської діяльності, в тому числі і в стоматологію, з`явилися нові можливості в розвитку об`єктивних методів дослідження. У різних областях науки і техніки швидкими темпами розвиваються оптико-електронні методи отримання і обробки тривимірних зображень об`єктів, такі, як стереоскопічний метод, метод структурованого освітлення, метод тріангуляції і інші. Ці технології знайшли застосування і в стоматології.

У нашому дослідженні для побудови тривимірних моделей щелеп використовували метод безконтактного лазерного сканування. Робота складалася з декількох етапів.

Для побудови математичної моделі виготовляли гіпсові моделі нижньої і верхньої щелеп. Потім проводили сканування цих моделей за допомогою безконтактного тривимірного лазерного сканера «Hawk 222» (Nextec) зі скануючої головкою «WIZprobe».

Після сканування гіпсових моделей нами були отримані масиви координат точок поверхні у вигляді хмари точок. На отримані точки були натягнуті поверхні. Потім з поверхонь отримували обсяги. Внутрішній і зовнішній обсяги експозіціоніровалі по 3 загальним точкам. В результаті отримували тривимірні віртуальні моделі щелеп пацієнта. Завдяки лазерному скануванню була досягнута дуже висока точність кожної моделі, яка містить понад 50 тис. Вузлів і в сумі 270 тис. Елементів. Отримані дані записувалися в файл з розширенням imw.

Далі здійснювали моделювання близькою до реальної форму протеза і прогнозували критичні навантаження, яким буде піддаватися протезна конструкція під час функціонування.

Для цього файл з результатами сканування переводили в IGES формат, який зчитується програмою ANSYS 8.0 для подальших розрахунків. Дана програма проводить розрахунки, грунтуючись на методі скінченних елементів (МСЕ).

У МСЕ реалізується ідея дослідження реакцій системи на основі відомої інформації про закони поведінки окремих її частин, які називаються кінцевими елементами. З математичної точки зору МСЕ слід класифікувати як варіаційно-сітковий метод, що поєднує в собі переваги варіаційних підходів побудови рішення з ідеєю дискретизації, властивою сітковим методам.

Дослідження моделі за допомогою МСЕ грунтувалося на чисельному визначенні напружень, що виникають в кісткових тканинах, і подальшому зіставленні знайдених напружень з допустимими значеннями. З цією метою об`ємна модель розбивалася на кінцеві елементи.

На віртуальній моделі щелепи планували розміщення імплантатів і протезів, до них прикладали навантаження і потім проводили розрахунок оптимальної конструкції. При цьому зубощелепної апарат людини, імплантати та протез розглядалися в єдності як комплексний тривимірний біомеханічний об`єкт. Зміщуючи модель в віртуальному просторі, змінюючи при цьому кількість і розташування імплантатів, вибирали, таким чином, оптимальне просторове розташування конструкції з точки зору її стабільності.

В результаті розрахунків отримували значення напруг в опорних тканинах і порівнювали їх з гранично допустимими. Якщо значення напружено-деформованого стану кістки перевищували гранично допустимі, то варіювали геометричні параметри імплантатів і протеза.

Після оптимізації всіх параметрів отримували розрахункову схему протезної конструкції, яка виготовлялася пацієнтові. Пропоновані розрахунки дозволяють рівномірно навантажити кісткове ложе, а також сконструювати протез з оптимальними властивостями міцності основних елементів з урахуванням необхідної кількості імплантатів для кожного конкретного випадку.

Таким чином, запропонована методика може бути основою для аналізу і проектування високоякісних сучасних протезних конструкцій, що включають в якості опори внутрішньокісткові імплантати. Безконтактне лазерне сканування являє собою новітню технологію, що дозволяє не тільки звести до мінімуму дискомфортні відчуття пацієнтів при обстеженні, заощадити час і витрати сил, але і знайти підхід до завдань, вирішення яких іншими методами утруднене або просто неможливо.


Р.Ш. Гветадзе, А.А. Красаков
ФДМ «ЦНДІЗ і ЧЛХ»