Цифровые данные компьютерной томографии как фундамент развития цифровых методов реконструкции костной ткани человека Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1 Comparisonofminiplateversuslag-screwosteosynthesisoffracturesofmandibularangle / Н. Schaaf, S. Kaubruegee, P. Streckbein [etal] // OralSurg. OralMed. OralPathol. OralRadiol. &Endod. - 2010. - Vol. 104, No 3. - P. 113-118.

2 Campbell A., Lin Y. Complication of rigid internal fixation. Craniomaxillofac. Trauma Reconstr. 2009; 2(1): 41-7.

3 Bergh B., Heymans M.W., Duvekot F., Forouzanfar T. Treatment and complications of mandibular fractures: a10-year analysis. J. CranioMaxillofac. Surg. 2012; 10(4):108-11.

4 Feller K.U., Schneider M., Hlawitschka M. et al. Analysis of complications in fractures of the mandibular angle - a study with finite element computation and evaluation of data of 277 patients. J. CranioMaxillofac. Surg. 2003; 31(5): 290-5.

5 Singh R.K., Pal U.S., Agrawal A., Singh G. Single miniplate osteosynthesis in angle fracture Natl. J. Maxillofac. Surg. 2011; 2(1): 47-50.

6 Schneider, J. Schulze, U. Eckelt, M. Laniado // Oral Surg. Oral Med. Oral Pathol. Oral Radiol. & Endod. - 2005. -Vol. 99, No 2. - P. 142-147.

7 Madsen M.J. А biomechanical evaluation of plating techniques used for reconstructing mandibular sym-phis/parasymphis fractures / M.J. Madsen, C.A. McDaniel, R.H. Heug // J. Oral &Maxillofac. Surg. - 2008. -Vol. 66, No 10. - P. 2012-2019.

8 Tiwana P.S. Lag screw fixation of anterior mandibular fractures: retrospective analysis of intraoperative and posrop-erative complication / P.S. Tiwana, G.M. Kushner, B. Alpert // J. Oral & Maxillofac. Surg. - 2007. - Vol. 65, No 6. - P. 1180-1185.

9 Wang K. Treatment of mandibular fractures with combined interdental ligation and minimally invasive expansive compression screws / K. Wang, L.Y. Fang // Shangai Kou Oiang Yi Xue. - 2007. - Vol. 16, No 6. - P. 657-659.

Рукопись получена: 19 апреля 2019 г. Принята к публикации: 30 апреля 2019 г.

УДК 616-073.756.8

ЦИФРОВЫЕ ДАННЫЕ КОМПЬЮТЕРНОЙ ТОМОГРАФИИ

КАК ФУНДАМЕНТ РАЗВИТИЯ ЦИФРОВЫХ МЕТОДОВ РЕКОНСТРУКЦИИ

КОСТНОЙ ТКАНИ ЧЕЛОВЕКА

© 2019 Н.В. Попов1, Е.А. Ищенко2, Е.В. Новикова2, Л.В. Лиманова3

1ФГБОУ ВО «Самарский государственный медицинский университет» Министерства здравоохранения Российской Федерации, Самара

2Институт инновационного развития ФГБОУ ВО СамГМУ Министерства здравоохранения Российской Федерации, Самара

3ФГБОУ ВО «Самарский государственный технический университет», Самара

Статья посвящена рассмотрению значения цифровых данных компьютерной томографии как фундамента развития цифровых методов реконструкции костной ткани человека.

Ключевые слова: компьютерная томография, костно-реконструктивная техника.

Введение. В точной диагностике и планировании костно-реконструктивных операций в челюстно-лицевой области основополагающую роль играют современные высокотехнологичные методы лучевой диагностики - конусно-лучевой компьютерной томографии, муль-тиспиральной компьютерной томографии [1, 2].

Диагностические возможности компьютерной томографии трудно переоценить. Метод позволяет не только провести измерения высоты и ширины альвеолярных отростков (частей) челюстей, но и оценку состояния костной ткани в области предстоящего вмешательства, ее плотности, объемную визуализацию анатомических образований (нижнечелюстной канал, верхнечелюстной синус), выявление сопутствующих заболеваний.

Цель исследования: провести анализ научной литературы и изучить значение цифровых данных компьютерной томографии как фундамент развития цифровых методов реконструкции костной ткани человека.

Данные компьютерной томографии представляют собой серию срезов исследуемой области в виде DICOM-файлов (англ. Digital Imaging and Communications in Medicine - отраслевой стандарт создания, хранения, передачи и визуализации медицинских изображений и документов обследованных пациентов).

Изображение DICOM-формата находится обычно в отдельном каталоге в виде файла с расширением .dcm, поскольку в отличие от элементарных изображений, имеет множество компонентов: кривые, задающие исследуемые области; наложения растровых текстов с параметрами исследования и другой текстовой информацией; таблицы преобразования пикселов изображения при его визуализации и т.д. Эти данные особенно важны в клинических ситуациях, сопровождающихся дефектами альвеолярной кости челюстей, в том числе и при атрофии костной ткани, и при планировании реконструктивных операций при дентальной имплантации, а также в постоперационном периоде при анализе эффективности проведенного лечения.

Кроме диагностической ценности, цифровые данные томографического исследования пациента все шире используют в построении и получении 3D-моделей челюстей, идентичных индивидуальным параметрам пациента в целях изучения индивидуальных анатомических особенностей, планирования будущей костно-пластической операции и дентальной имплантации, формирования системы навигации в виде хирургических шаблонов для точного позиционирования дентальных имплантатов.

Полиэтиологичность и разнообразие форм дефектов альвеолярной кости челюстей существенно затрудняют выбор оперативной тактики и не позволяют добиться индивидуального восстановления утраченной геометрии альвеолярного гребня, поскольку используемые для этого различные остеозамещающие материалы ограничены стандартизированными формами выпуска (порошки, чипсы, гранулы, блоки).

Поскольку успех реконструктивной операции зависит как от способности материала держать заданный объем, так и от конгруэнтности трансплантата реципиентному ложу, и как следствие - от плотности прилегания к нему - очевидно, что назрела необходимость использования не просто костнопластических материалов, а создания технологии построения индивидуальных костных имплантатов, персонально реконструирующих 3D-геометрию утраченного объема костной ткани.

Создание методики цифровой реконструкции, предполагающей построение виртуальных цифровых 3D-моделей на основании обработки данных КТ, создаст предпосылки для изготовления индивидуальных костных эндоимплантатов, что обеспечит достижение высоких анатомо-функциональных и эстетических результатов реконструктивного лечения.

На основании созданной виртуальной цифровой модели изготовить индивидуальный имплантат можно либо по технологии фрезерования на станках с числовым программным управлением (ЧПУ), либо при помощи технологий аддитивного производства. Среди по-

следних наибольшее развитие получили лазерная стереолитография, лазерное спекание, послойное наплавление, струйное моделирование, склеивание порошков.

Поскольку приоритетной задачей реконструктивной костной имплантологии является ее прецизионность, особое внимание следует уделять точности и достоверности диагностической аппаратуры. По мнению ряда авторов, конусно-лучевая компьютерная томография имеет ряд преимуществ перед спиральной: меньшую лучевую нагрузку (45-60 мкЗв в отличие от 400 мкЗв на спиральном), срез тканей объекта 0,125 мм (на спиральном - шаг 0,5 мм), менее выраженные артефакты от металлических структур, имеющихся в полости рта [3, 4].

Используя специальное программное обеспечение, DICOM-файлы можно преобразовать в цифровую геометрическую модель челюстей, алгоритм получения которой недостаточно освещен в современной литературе. Отсутствуют экспериментальные данные о точности полученных цифровых моделей в сравнении с физиологическим объектом. Это подтверждается в работах Н.А. Цаликовой [5], где при разработке методов компьютерного моделирования трехмерных твердых тел челюстно-лицевой области, а именно челюстей, пришлось столкнуться с проблемой расчета систем, имеющих сложную геометрическую конфигурацию, что может являться причиной неточности моделирования цифровых костных структур челюстей.

Между тем, точность соответствия созданной моделлером виртуальной цифровой модели челюсти (костного дефекта, индивидуального имплантата) истинным параметрам костных структур конкретного пациента является залогом успешного дальнейшего реконструктивно-восстановительного лечения. Такая вычислительная задача может быть решена с помощью последовательного использования специализированных программных продуктов и разработки программно-информационного алгоритма построения виртуальной 3D-модели дефекта костной структуры и цифровой модели будущего индивидуального реконструктивного им-плантата [6].

Очевидно, что дальнейшие исследования и разработки в области цифрового прототипи-рования и 3D-моделирования должны быть направлены на повышение точности соответствия цифровых моделей истинным размерам челюстно-лицевых костных образований.

Проведенный нами анализ литературы показал возрастающий интерес стоматологического сообщества к индивидуальному реконструктивному прецизионному подходу в восстановлении утраченных костных структур черепно-лицевого скелета.

Так, большинство работ касаются использования данных компьютерной томографии с целью трехмерной визуализации костной структуры черепа (диагностики) и планирования костнозамещающих операций или дентальной имплантации.

По полигональной 3D-модели, которая является «позитивом» костного дефекта, повторяющим его форму, можно отфрезеровать на трехкоординатном станке с ЧПУ индивидуальную поверхность имплантата, форма которого будет в точности повторять трехмерную модель костного дефекта [7].

Много работ посвящено изготовлению индивидуальных имплантатов аддитивными методами:

1) 3D-печати: на основе кальциевофосфатных композитов с полимерной матрицей, из гибридных полимеров (из поли-3-оксибутирата и альгината натрия) [8];

2) лазерной стереолитографии: из керамики, из пластика [9];

3) лазерного спекания: из стеклокерамики, из никелида титана.

Некоторые авторы на основании полученных данных 3D-модели черепа создают цифровую 3D-модель индивидуального имплантата, а затем получают его путем фрезерования на

станках с ЧПУ из блоков синтетических биосовместимых материалов: политетрафторэтилена, углерод-углеродного композита, биокомпозиционного материала - «Остеоматрикс», циркония, гидроксиапатита, кальциево-фосфатных композитов [10].

Заключение. Анализ изученной нами литературы не выявил разработок, касающихся изготовления индивидуальных имплантатов из биологических костно-замещающих материалов для восстановления дефектов альвеолярной кости челюстей на основании метода цифровой реконструкции (цифровое прототипирования и моделирование). По нашему мнению, это обусловлено отчасти биологическими свойствами материала (невозможностью его принтин-га или спекания), отчасти биомеханическими и техническими трудностями, возникающими в процессе механической обработки.

Эта проблема имеет общемировой характер, что отражено во многих публикациях, дискуссиях и оригинальных научных разработках новых методик костно-реконструктивных техник и материалов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1 Рогацкин Д.В. Радиодиагностика челюстно-лицевой области. Конусно-лучевая компьютерная томография. Основы визуализации / Д.В. Рогацкин. - Львов: ГалДент, 2010. - 235 с.

2 Кулаков А.А. Экспертиза качества оказания стоматологической помощи (клинические аспекты) / А.А. Кулаков. - М., 2012. - 398 с.

3 Ушаков А.И. Лучевая диагностика при дентальной имплантации в условиях дефицита костной ткани / А.И. Ушаков, Н.С. Серова, А.А. Ушаков [и др.] // Russian electronic journal of radiology. - 2014. - Т. 4. - № 2. -С. 86-96.

4 Архипов А.В. Эффективность современных методов рентгенологического обследования в условиях стоматологической поликлиники / А.В. Архипов, В.Д. Архипов, С.И. Вырмаскин [и др.] // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. - 2014. Т. 16, № 5 (4).- С. 1364-1367.

5 Цаликова Н.А. Современные компьютерные технологии в стоматологии // Вестник новых медицинских технологий. - 2013. - № 1.

6 Наумович С.С. Построение трехмерной модели зубочелюстной системы на основе компьютерной томографии / С.С. Наумович, С.А. Наумович, В.Г. Гончаренко // Современная стоматология. - 2011. - № 2. - С. 64-67.

7 Лукина Ю.С. Получение индивидуальных 3d-имплантатов для костной пластики на основе кальциймагний-фосфатных материалов / Ю.С. Лукина, Н.В. Свентская, Д.В. Андреев // Международный научно-исследовательский журнал. - 2017. - № 04(58), ч. 1. - С. 121-127.

8 Muraev, A.A. A novel approach to alveolar bone complex defects 3D reconstruction / A.A. Muraev, Y.V. Gazhva, S.G. Ivashkevich [et al.] // Sovremennye tehnologii v medicine. - 2017. - Vol. 9(2). - Р. 38-45.

9 Шумков, А.А. Применение технологии быстрого прототипирования в изготовлении медицинских импланта-тов / А.А. Шумков // Современные проблемы науки и образования. - 2015. - № 2-2.

10 Mangano, F.G. Custom-Made Computer-Aided-Design/Computer-Aided-Manufacturing Biphasic Calcium-Phosphate Scaffold for Augmentation of an Atrophic Mandibular Anterior Ridge / F.G. Mangano, P.A. Zecca, R. van Noort [et al.] // Case Rep Dent. - 2015. - Р. 941265.

Рукопись получена: 30 апреля 2019 г. Принята к публикации: 13 мая 2019 г.