Email this article 
COMPUTER PRODUCTION OF FACIAL EPITHETS
- Authors: Apresyan S.V.1, Stepanov A.G.1, Zrazhevskaya A.P.1, Suonio V.K.1
-
Affiliations:
- Peoples' Friendship University of Russia named after Patrice Lumumba
- Section: Digital Dentistry
- Submitted: 13.04.2024
- Accepted: 28.06.2024
- Published: 14.04.2024
- URL: https://rjdentistry.com/1728-2802/article/view/630292
- DOI: https://doi.org/10.17816/dent630292
- ID: 630292
Cite item
Open Access
Access granted
Subscription or Fee Access
Abstract
BACKGROUND: The issue of rehabilitation of patients with facial defects is extremely acute. 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 a complex and lengthy process. In the postoperative period, there is a sharp decrease in the quality of life of this category of patients, a violation of the basic body functions necessary for vital activity and poor social adaptation.
Direct prosthetics of the face in the postoperative period was impossible due to the lack of necessary digital modeling technologies and structural materials for additive or subtractive production methods. The production of temporary or permanent facial epitheses using digital technologies is an urgent task that can improve the social and functional living conditions of patients.
AIMS: Development of 3D modeling technology for additive manufacturing of facial epithets.
METHODS: To achieve this goal, the first task was to develop specialized three-dimensional software for modeling defects in the facial area. The functionality of the program should allow you to virtually simulate the missing parts of the face (ear, eye, nose, orbit). To create a digital platform together with IT specialists, it was decided to use the following programming languages: C++ - Writing the software core, writing UI/UX interaction modules, interacting with the Windows operating system; C# - Complex assembly of the entire project; Python is an automated assembly of virtual library modules; OpenGL HSLS is a shader language for graphical visualization of objects; C is the creation of functions for interacting with shaders that require high speed.
RESULTS: A specialized computer program has been developed for 3D modeling of prostheses in patients with defects in the middle zone of the face using combined facial scanning and computed tomography data (Computer program. Apresyan S.V., Stepanov A.G. "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 three-dimensional database of ears, noses, orbits, and zygomatic bones of patients of various ages and gender is integrated into the developed program. This allows the specialist to select the most adaptive part of the face to make up for the defect. Built-in modeling tools allow you to personalize a 3D model of a part of the face, based on the structural features of the maxillofacial region of a person. The finished three-dimensional model of a part of the face can be exported in various formats CONCLUSIONS: The developed 3D program for modeling defects allows to 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, in case of a need to replace it. Among the undeniable advantages of the technology, it is important to include the fact that prostheses can be made directly on the day of surgery to remove part of the face, completely restoring lost functions and providing rapid social adaptation.
Full Text
Обоснование
Люди с дефектами лица – это особая категория пациентов, для комплексной реабилитации которых требуются сложные технологичные этапы лечения и дальнейшая психоэмоциональная адаптация [1, 2]. Онкологические заболевания, врожденные дефекты, огнестрельные ранения, специфичные поражения челюстно-лицевой области и суицидальные попытки – все это приводит к утрате части лица [3]. По мимо прочего, по статистике Всемирной Организации Здравоохранения, каждые 3 минуты на свет рождается ребенок с дефектом лица.
В результате хирургических вмешательств в челюстно-лицевой области зачастую у пациентов происходит нарушение жизненно важных функций организма, таких как дыхание, пищеварение, речеобразование и др., что безусловно снижает общее качество жизни и отягощает психосоматический статус. В результате этого у пациентов снижается социальная адаптация и теряется трудоспособность [4, 5, 6, 7].
Основным этапом реабилитации таких пациентов является челюстно-лицевое протезирование. Изготовление лицевого эпитеза способствует замещению дефектов лица и восстановлению жизненно важных функций организма. Улучшение внешнего облика приводит к социальной адаптации пациента и нормализации качество его жизни [8].
Сложный технологический процесс изготовления эпитезов лица включает в себя несколько хирургических, ортопедических и зуботехнических этапов. Для достижения успешного и гарантированного результата лечения необходима слаженная работа всех участников процесса и комплексное планирование всего лечения [9, 10].
В настоящее время изготовление эпитезов лица происходит по аналоговым алгоритмам. В начале ортопедического этапа реабилитации, с раневой поверхности получают силиконовые оттиски, что уже вызывает в крайней степени дискомфорт у пациента. Последующие этапы изготовления гипсовой модели дефекта, создание и индивидуализация окончательного протеза занимает несколько недель [11, 12].
При традиционных методах изготовления эпитеза используются силиконы на основе платины. При смешивании двух компонентов происходит полимеризация силикона, который по итогу должен представлять собой эластичную и прочную конструкцию, с твердостью по Шору А 10-30 [13, 14].
При цифровых методах производства эпитезов лица в литературе описаны три способа их применения. При первом методе изготавливается прототип будущего эпитеза из стандартных фотополимерных материалов методом 3D-печати, из которого, после примерки, изготавливается форма для литья постоянной конструкции по традиционной технологии. Второй метод заключается в изготовлении специальной кюветы методом аддитивных технологий по смоделированной негативной форме прототипа протеза. И третий метод, который находится в стадии активной разработке у ученых из разных стран, заключается в прямой печати окончательного протеза. Однако оптимального материала для изготовления временных и постоянных эпитезов лица методом аддитивных технологий, который бы соответствовал необходимым физико-механическими и эстетическими свойствами, пока не разработано [15].
Применение цифровых технологий для изготовления лицевых протезов всегда было ограниченно, ввиду отсутствия программного обеспечения для 3D-моделирования дефектов и материла, из которого можно было бы изготовить эпитез с необходимыми физико-механическими свойствами. Известные по данным литературных источников методы аддитивного производства эпитезов лица являются невостребованными и малодоступными ввиду сложности самого технологичного процесса и экономической недоступности оборудования для повседневной стоматологической практике [16, 17].
Таким образом, в постоперационный период, пациент вынужден жить с обезображенным лицом до момента изготовления эпитеза. Не выдерживая психоэмоциональной нагрузки известны случаи суицидальных попыток таких пациентов. Быстрое и качественное изготовление иммедиат-протезов лица на период ожидания пациентом окончательной конструкции является не до конца изученным вопросом.
Решение всех указанных задач и разработка комплексного решения вопроса реабилитации пациентов с дефектами лица с применением цифровых технологий, сформировало цель нашего исследования.
Цель: Разработка технологии 3D-моделирования для аддитивного производства эпитезов лица.
Методы: Для достижения поставленной цели первой задачей стояла разработка специализированного трехмерного 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.
В разрабатываемое программное обеспечение предполагалась интеграция 3D-моделей частей лица (ухо, нос, глаз, орбита) различных форм и размеров для последующей автоматической адаптации виртуальных эпитезов к раневой поверхности с возможностью мануальной коррекции конечной виртуальной модели. Для этого были проанализированы 287 компьютерных томографий размером 15х15 см, из которых отобраны 50 исследований пациентов различных возрастов, мужского и женского пола, с интактными частями лица, разных форм и размеров.
Основной идеологией разрабатываемой технологией являлась возможность изготовления лицевых эпитезов без предварительного получения силиконовых оттисков с раневой поверхности. Написание программного кода должна была давать возможность автоматического преобразования компьютерной томографии головы пациента из формата. dicom в формат .stl для последующей возможности моделирования виртуальных эпитезов.
Результаты:
Исходя заданных функциональных требований, нами было разработано трехмерное программное обеспечение «Феникс 3D».
Разработанная 3D-программа для моделирования дефектов 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 возникшей необходимости его замены. К неоспоримым преимуществам технологии, важно отнести, то, что протезы могут изготавливаться непосредственно в день операции по удалению части лица, полностью восстанавливая утраченные функции и обеспечивая быструю социальную адаптацию.
Уникальность разработки состоит в полной автоматизации всех процессов, необходимых для изготовления эпитезов лица. Исключается необходимость получения силиконовых оттисков с раневой поверхности лица. Для обеспечения процесса моделирования эпитеза достаточно произвести экспорт компьютерной томографии головы пациента в формате. dicom. Далее происходит процесс автоматического преобразования трехмерной модели в формат. stl. (рис.1).
Рисунок 1 – Преобразование данных компьютерной томографии в формат .stl, в разработанной программе.
Figure 1 – Conversion of computed tomography data into .stl format in the developed program.
В разработанную программу интегрирована виртуальная трехмерная база ушей, носов, орбит, скуловых костей пациентов различных возрастов и гендерной принадлежности. Это дает возможности специалисту подобрать максимально адаптивную часть лица для восполнения дефекта. В результате анализа 50 компьютерных томографий пациентов с интактными частями лица были выделены отдельно уши, глаза, нос и орбиты для создания виртуальной цифровой библиотеки и дальнейшей интеграцию в программное обеспечение «Феникс 3D» (рис.2).
Рисунок 2 – Виртуальная библиотека моделей носа программы «Феникс 3D».
Figure 2 – Virtual library of nose models of the Phoenix 3D program.
Первым этапом после преобразование компьютерной томографии в формат .stl необходимо обозначить границу дефекта при помощи встроенных инструментов редактирования и выбрать из виртуальной библиотеки нужную модель лица. Программа «Феникс 3D» автоматически располагает виртуальную модель эпитеза в зоне дефекта с учетом наличия поднутрений и топографии тканей протезного ложа (рис.3).
Рисунок 3 – Автоматическая адаптация виртуальной модели носа к тканям протезного ложа в программе «Феникс 3D».
Figure 3 – Automatic adaptation of the virtual nose model to the tissues of the prosthetic bed in the Phoenix 3D program.
После расположения модели эпитеза в зоне дефекта у специалистов имеется возможность вносить коррекции в конструкцию в ручном режиме при помощи встроенных инструментов редактирования. Далее производится экспорт трехмерной виртуальной модели части лица с формате .stl или .obj, с последующим производством методом аддитивных или субтрактивных технологий (рис. 4).
Рисунок 4 – Внешний вид пациента с дефектом носа онкологического генеза до и после протезирования временным эпитезом изготовленным методом 3D-печати по предложенной технологии. Figure 4 – Appearance of a patient with a nose defect of oncological origin before and after prosthetics with a temporary epithesis made by 3D printing using the proposed technology | |
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Вопрос реабилитации пациентов с дефектами лица стоит крайне остро. 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.
Традиционные методы ортопедической реабилитации пациентов и изготовление эпитезов лица довольно сложный и длительный процесс. В постоперационный период наблюдается резкое снижение качества жизни данной категории пациентов, нарушение основных функций организма, необходимых для жизнедеятельности и плохая социальная адаптация.
Непосредственное протезирование лица в постоперационном периоде было невозможным ввиду отсутствия необходимых цифровых технологий моделирования и конструкционных материалов для аддитивных или субтрактивных методов производства. Изготовление временных или постоянных эпитезов лица с использованием цифровых технологий является актуальной задачей, способной улучшить социальные и функциональные условия жизни пациентов.
Разработана специализированная компьютерной программы для 3D-моделирования протезов у пациентов с дефектами средней зоны лица по совмещенным 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 гипсом или силиконовым материалом, в разработанной технологии используется специальный лицевой 3D-сканер, что в значительной степени облегчает страдания пациентов. В разработанную программу интегрирована виртуальная трехмерная база ушей, носов, орбит, скуловых костей пациентов различных возрастов и гендерной принадлежности. Это дает 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 трехмерную модель части лица возможно экспортировать в различных форматах или отправить непосредственно на производство методом аддитивных технологий.
Разработанная технология 3D-моделирования для аддитивного производства эпитезов лица позволят изготовить протез лица непосредственно в день хирургической операции.
About the authors
Samvel Vladislavovich Apresyan
Peoples' Friendship University of Russia named after Patrice Lumumba
Email: dr.apresyan@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-3281-707X
SPIN-code: 6317-9002
MD, Associate Professor, Director of the Institute of Digital Dentistry of the Moscow State Medical University
Russian Federation, 6 Miklukho-Maklaya Str., Moscow, 117198, RussiaAlexander Gennadievich Stepanov
Peoples' Friendship University of Russia named after Patrice Lumumba
Email: stepanovmd@list.ru
ORCID iD: 0000-0002-6543-0998
SPIN-code: 5848-6077
Doctor of Medical Sciences, Associate Professor, Head of the Department of Dentistry of the FMO, Professor of the Institute of Digital Dentistry of the Moscow State Medical University
Russian Federation, 6 Miklukho-Maklaya St, Moscow, 117198, Russian FederationAnastasia Pavlovna Zrazhevskaya
Peoples' Friendship University of Russia named after Patrice Lumumba
Email: dr.azrazhevskaya@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-1210-5841
SPIN-code: 2449-2914
Postgraduate student of the Institute of Digital Dentistry of the Moscow State Medical University
Russian Federation, 6 Miklukho-Maklaya Str., Moscow, 117198, RussiaValeria Konstantinovna Suonio
Peoples' Friendship University of Russia named after Patrice Lumumba
Author for correspondence.
Email: valerijasuonio@ya.ru
ORCID iD: 0000-0002-4642-6758
SPIN-code: 6079-4490
Assistant at the Institute of Digital Dentistry of the Moscow State Medical University
Russian Federation, 6 Miklukho-Maklaya str., Moscow, 117198, RussiaReferences
- Medvedev, Yu. A. Combined injuries of the middle zone of the facial skeleton. Statistics. Anatomical and clinical classification / Yu. A. Medvedev // Klinich. dentistry. 2012. No. 6. pp. 12-19.
- Stuchilov V. A., Sipkin A.M., Ryabov A. Yu., Nikitin D. A., Khodorov A.V., Zausova O. V., Troyansky I. V., Clinic, diagnosis and treatment of patients with consequences and complications of trauma of the middle zone of the face, Urgent conditions in maxillofacial surgery, 2002, pp. 109-118
- Zhidovinov A.V., Mikhalchenko D. V. Retrospective analysis of statistical data on the incidence of malignant neoplasms of maxillofacial localization // Modern problems of science and education. – 2016. – No. 6.; URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=25731 (date of application: 04/23/2023).
- Federspil P.A. Auricular Prostheses in Microtia // Facial plastic surgery clinics of North America. – 2018. – Vol. 26, No. 1. – P. 97–104.
- Prevalence and patterns of combat sport related maxillofacial injuries / G. Shirani [et al.] // J. Emerg. Trauma Shock. 2010. Vol. 3, № 4. Р. 314–317.
- Reverse facial artery flap from the submental region/ M. Yamauchi, T. Yotsuyanagi, K. Ezoe, T. Saito et al. // J Plast Reconstr Aesthet Surg. – 2010. – Vol. 63, №4. – Р. 583-8.
- Patent RUS № 2427344/ 27.08.2011 Byul. № 24. Arutjunov SD, Lebedenko IJu, Stepanov AG, Kravcov DV, Sanodze DO, Arutjunov AS. Sposob izgotovlenija razobshhajushhego posleoperacionnogo cheljustnogo proteza dlja verhnej cheljusti. Available from: https://www1.fips.ru/registers-doc-view/fips_servlet.
- Arutjunov SD, Poljakov DI, Stepanov AG, Muslov SA. Cifrovoe issledovanie kachestva zhizni pacientov s vremennym jepitezom ushnoj rakoviny na period osteointegracii kranial'nyh implantatov. Sovremennaja stomatologija. 2020; 81 (4): 76-82. (In Russ)
- Prevalence and patterns of combat sport related maxillofacial injuries / G. Shirani [et al.] // J. Emerg. Trauma Shock. 2010. Vol. 3, N 4. Р. 314–317. doi: 10.4103/0974-2700.70744
- M. Yamauchi, T. Yotsuyanagi, K. Ezoe, T. Saito et al., Reverse facial artery flap from the submental region. // J Plast Reconstr Aesthet Surg. 2010. Vol. 63, N 4. Р. 583-8. doi: 10.1016/j.bjps.2009.01.035
- Cabin J.A., Bassiri-Tehrani M., Sclafani A.P. и др. Microtia reconstruction: autologous rib and alloplast techniques // Facial plastic surgery clinics of North America. – 2014. – Vol. 22, No. 4. – P. 623–638.
- Apresyan SV, Stepanov AG, Vardanyan BA. Digital protocol for comprehensive planning of dental treatment. Clinical case analysis. Stomatologiya. 2021;100(3):65‑71. (In Russ.) https://doi.org/10.17116/stomat202110003165
- Butler D.F., Gion G.G., Rapini R.P. Silicone auricular prosthesis // Journal of the American Academy of Dermatology. 2000. Vol. 43, N 4. P. 687–690. doi: 10.1067/mjd.2000.107503
- Ariani N., Vissink A., van Oort R.P. и др. Microbial biofilms on facial prostheses // Biofouling. ‒ 2012. ‒ Vol. 28, No. 6. ‒ P. 583–591.
- Apresyan S.V., Stepanov A.G., Suonio V.K., Kanzerova L.R., Vartapetov A.G., Matelo S.K. Development and evaluation of the physico-mechanical properties of a structural material used in the production technology of facial epitheses by volumetric printing. Dentistry. 2023;102(3):23 27. https://doi.org/10.17116/stomat202310203123.
- Apresyan SV, Stepanov AG, Retinskaya MV, Suonio VK. Development of complex of digital planning of dental treatment and assessment of its clinical effectiveness. Russian Journal of Dentistry. 2020;24(3):135–140. doi: 10.17816/1728-2802-2020-24-3-135-140
- Apresyan SV, Suonio VK, Stepanov AG, Kovalskaya TV. Evaluation of functional potential of CAD-programs in integrated digital planning of dental treatment. Russian Journal of Dentistry. - 2020. - Vol. 24. - N. 3. - P. 131-134. doi: 10.17816/1728-2802-2020-24-3-131-134
Supplementary files
