BACKGROUND: Patients with facial defects require urgent rehabilitation. In addition to the annual increase in the number of patients with cancer of the maxillofacial region, in recent years, the number of people with shrapnel and gunshot wounds to the face has increased as a result of local wars and conflicts.
Traditional methods of orthopedic rehabilitation of patients and the manufacture of facial epitheses are quite complex and lengthy. Postoperatively, the quality of life of these patients sharply decreases, basic body functions necessary for vital activity are impaired, and patients have poor social adaptation.
Direct application of facial prosthetics in the postoperative period is impossible owing to the lack of appropriate digital modeling technologies and structural materials for additive or subtractive production methods. Thus, the production of immediate facial epitheses using digital technologies is an urgent task to improve the social and functional living conditions of patients.
AIM: To develop three-dimensional (3D) modeling technology for additive manufacturing of immediate facial prostheses.
METHODS: The first task was to develop specialized 3D software for modeling defects in the facial area. The functionality of the program should allow virtual simulation of the missing parts of the face (ear, eye, nose, and orbit). Together with IT specialists, a digital platform was created using the following programming languages: C++ (for writing the software core and UI/UX interaction modules and interacting with the Windows operating system), C# (a complex assembly of the entire project), Python (for the automated assembly of virtual library modules), OpenGL HSLS (a shader language for graphical visualization of objects), and C ( creation of functions for interacting with shaders that require high speed).
RESULTS: A specialized computer program was developed for the 3D modeling of prostheses for patients with midface defects using combined facial scanning and computed tomography data (Computer program. Apresyan SV, Stepanov AG. A program for 3D modeling of facial epitheses. Registration number (certificate) 2023663490, Registration date: 07/04/2023).
Instead of obtaining analog impressions with plaster or silicone material, the developed technology uses a special 3D facial scanner, which greatly eases the suffering of patients. A virtual 3D database of ears, noses, orbits, and zygomatic bones of patients of various ages and sexes was integrated into the developed program. This allowed the specialist to select the most adaptive part of the face to make up for the defect. Built-in modeling tools allowed for the personalization of a 3D model of a part of the face based on the structural features of the maxillofacial region of a person. The finished 3D model of a part of the face can be exported in various formats.
CONCLUSION: The developed 3D program for modeling defects helps avoid invasive prosthetics approaches to coordinate the shape of future structures with the patient. The built-in library of structures with a database provides remote manufacturing of the prosthesis without the presence of the patient if replacement is needed. Among the undeniable advantages of the technology, prostheses can be made directly on the day of surgery for the removed part of the face, completely restoring lost functions and providing rapid social adaptation.
Обоснование. Помимо ежегодного роста числа пациентов с онкологическими заболеваниями челюстно-лицевой области в последние годы увеличилось количество людей с осколочными и огнестрельными ранениями лица в результате локальных войн и конфликтов. В связи с этим вопрос реабилитации таких пациентов стоит крайне остро.
Традиционные методы ортопедической реабилитации пациентов и изготовление эпитезов лица — довольно сложный и длительный процесс. В постоперационный период наблюдаются резкое снижение качества жизни данной категории пациентов, нарушение основных необходимых для жизнедеятельности функций организма и плохая социальная адаптация.
Непосредственное протезирование лица в постоперационном периоде ранее было невозможным ввиду отсутствия необходимых цифровых технологий моделирования и конструкционных материалов для аддитивных или субтрактивных методов производства. Изготовление непосредственных (иммедиат) эпитезов лица с использованием цифровых технологий является актуальной задачей, способной улучшить социальные и функциональные условия жизни пациентов.
Цель исследования — разработка технологии 3D-моделирования для аддитивного производства иммедиат-эпитезов лица.
Методы. Была поставлена задача разработки специализированного трёхмерного программного обеспечения для моделирования дефектов лицевой области. Функциональные возможности программы должны позволять виртуально моделировать недостающие части лица (ухо, глаз, нос, орбита). Для создание цифровой платформы совместно со IT-специалистами было принято решение использовать следующие языки программирования: С++ — написание ядра программного обеспечения, написание модулей взаимодействия UI/UX, взаимодействие с операционной системой Windows; C# — комплексная сборка всего проекта; Python — автоматизированная сборка модулей виртуальных библиотек; OpenGL HSLS — язык шейдеров для графической визуализации объектов; С — создание функций для взаимодействия с шейдерами, требующих высокой скорости.
Результаты. Разработана специализированная компьютерная программа для 3D-моделирования протезов у пациентов с дефектами средней зоны лица по совмещённым данным лицевого сканирования и компьютерной томографии (Программа ЭВМ. Апресян С.В., Степанов А.Г. Программа для 3D-моделирования эпитезов лица. Номер регистрации (свидетельства) 2023663490, дата регистрации: 04.07.2023).
Вместо получения аналоговых оттисков из гипса или силиконового материала в разработанной технологии используется лицевой 3D-сканер или данные компьютерной томографии головы, что в значительной степени облегчает страдания пациентов. В разработанную программу интегрирована виртуальная трёхмерная база ушей, носов, орбит, скуловых костей пациентов различных возрастов и гендерной принадлежности. Это даёт возможности специалисту подобрать максимально адаптивную часть лица для восполнения дефекта. Встроенные инструменты моделирования позволяют персонализировать 3D-модель части лица исходя из особенностей строения челюстно-лицевой области человека. Готовую трёхмерную модель части лица возможно экспортировать в различных форматах или отправить непосредственно на производство методом аддитивных технологий.
Заключение. Разработанная 3D-программа для моделирования дефектов лица позволяет избежать инвазивных подходов протезирования, согласовать форму будущих конструкций с пациентом. Встроенная библиотека конструкций с базой данных обеспечивает дистанционное изготовление протеза без присутствия пациента в случае необходимости замены. К неоспоримым преимуществам технологии можно отнести тот факт, что протезы могут изготавливаться непосредственно в день операции по удалению части лица, полностью восстанавливая утраченные функции и обеспечивая быструю социальную адаптацию.