Разработка технологии компьютерного производства эпитезов лица

Полный текст

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, врождённые дефекты, огнестрельные ранения, специфичные поражения челюстно-лицевой области и суицидальные попытки — всё это приводит к утрате части лица [3]. Помимо прочего, по статистике Всемирной организации здравоохранения, каждые 3 мин на свет рождается ребёнок с дефектом лица.

В результате хирургических вмешательств в челюстно-лицевой области 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 ухудшается социальная адаптация и теряется трудоспособность [4–7].

Основным методом 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 качества 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 необходимы слаженная работа всех участников процесса и комплексное планирование лечения [5, 6].

В настоящее время изготовление эпитезов лица происходит по аналоговым алгоритмам. В начале ортопедического этапа реабилитации с раневой поверхности получают силиконовые оттиски, что уже вызывает у пациента дискомфорт в крайней степени. Последующие этапы изготовления гипсовой модели дефекта, создание и индивидуализация окончательного протеза занимают несколько недель [9, 10].

При традиционных методах изготовления эпитеза используют силиконы на основе платины. При смешивании двух компонентов происходит полимеризация силикона, который по итогу должен представлять собой эластичную и прочную конструкцию с твёрдостью по Шору А 10–30 [11–13].

Применение цифровых технологий при изготовлении лицевых протезов всегда было ограничено ввиду отсутствия программного обеспечения для 3D-моделирования дефектов и материала, 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 практики [14, 15].

Таким образом, в постоперационный период пациент вынужден жить с обезображенным лицом до момента изготовления эпитеза. Известны случаи суицидальных попыток у таких пациентов, не выдерживающих психоэмоциональной нагрузки. Проблема быстрого и качественного изготовления иммедиат-протезов лица на период ожидания пациентом окончательной конструкции изучена не до конца. Необходимость в настоящем исследовании обусловлена поиском способа непосредственной реабилитации пациентов с дефектами лица с использованием цифровых технологий моделирования и производства эпитезов.

Цель исследования — разработать технологию 3D-моделирования для аддитивного производства иммедиат-эпитезов лица.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Для достижения поставленной цели основной задачей стала разработка специализированного трёхмерного программного обеспечения для моделирования эпитезов лица. 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 компьютерно-томографических (КТ) изображений размером 15×15 см, из которых отобраны 50 изображений пациентов различных возрастов, мужского и женского пола, с интактными частями лица, разных форм и размеров.

Основной идеологией разрабатываемой технологии являлась возможность изготовления непосредственных лицевых эпитезов без предварительного получения силиконовых оттисков с раневой поверхности. Написание программного кода должно давать возможность автоматического преобразования КТ-изображения головы пациента из формата .dicom в формат .stl для последующей возможности виртуального моделирования эпитезов.

РЕЗУЛЬТАТЫ

С учётом заданных функциональных требований нами было разработано трёхмерное 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 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.

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 КТ-изображения головы пациента в формате .dicom. Далее происходит процесс автоматического преобразования трёхмерной модели в формат .stl (рис. 1).

 

Рис. 1. Преобразование данных компьютерной томографии в формат .stl с использованием разработанной программы.

Fig. 1. Conversion of computed tomography data into .stl format in the developed program.

 

В разработанную программу интегрирована виртуальная трёхмерная база ушей, носов, орбит, скуловых костей пациентов различных возрастов и гендерной принадлежности. Это даёт возможность специалисту подобрать максимально адаптивную часть лица для восполнения дефекта. В результате анализа 50 КТ-изображений пациентов с интактными частями лица были выделены отдельно уши, глаза, нос и орбиты для создания виртуальной цифровой библиотеки и дальнейшей интеграции в программное обеспечение «Феникс 3D» (рис. 2).

 

Рис. 2. Виртуальная библиотека моделей носа программы «Феникс 3D».

Fig. 2. Virtual library of nose models of the Phoenix 3D program.

 

Первым этапом после преобразования КТ-изображений 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 учётом наличия поднутрений и топографии тканей протезного ложа (рис. 3).

 

Рис. 3. Автоматическая адаптация виртуальной модели носа к тканям протезного ложа в программе «Феникс 3D».

Fig. 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 исправления в конструкцию в ручном режиме при помощи встроенных инструментов редактирования. Далее производится экспорт трёхмерной виртуальной модели части лица с формате .stl или .obj с последующим производством методом аддитивных или субтрактивных технологий (рис. 4).

 

Рис. 4. Внешний вид пациента с дефектом носа онкологического генеза до и после протезирования временным эпитезом, изготовленным методом 3D-печати по предложенной технологии.

Fig. 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.

 

ОБСУЖДЕНИЕ

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, поэтому 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 временных или постоянных эпитезов лица с использованием цифровых технологий является актуальной задачей, способной улучшить социальные и функциональные условия жизни пациентов.

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 с использованием гипса или силиконового материала в нашей технологии используется специальный лицевой 3D-сканер, 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 возможность специалисту подобрать максимально адаптивную часть лица для восполнения дефекта. Встроенные инструменты моделирования позволяют персонализировать 3D-модель части лица с учётом 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 технология 3D-моделирования для аддитивного производства временных эпитезов лица позволит изготовить протез лица непосредственно в день хирургической операции. Клиническая апробация разработанной технологии подтвердила её эффективность, однако для дальнейшего внедрения в клиническую практику требуется проведение ряда клинических рандомизированных исследований.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Источник финансирования. Авторы заявляют об отсутствии внешнего финансирования при проведении исследования и подготовке публикации.

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с проведённым исследованием и публикацией настоящей статьи.

Вклад авторов. С.В. Апресян — курация исследования, разработка программы для моделирования эпитезов лица, подготовка и написание текста статьи; А.Г. Степанов — обзор литературы, сбор и анализ литературных источников, разработка программы для моделирования эпитезов лица, подготовка и проведение клинических исследований, написание текста и редактирование статьи; А.П. Зражевская — обзор литературы, сбор и анализ литературных источников, формирование базы виртуальных данных, статистическая обработка данных; В.К. Суонио — обзор литературы, сбор и анализ литературных источников, формирование базы виртуальных данных, статистическая обработка данных. Все авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией).

Об авторах

Самвел Владиславович Апресян

Российский университет дружбы народов имени Патриса Лумумбы

Email: dr.apresyan@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-3281-707X
SPIN-код: 6317-9002

д-р мед. наук, доцент

Россия, Москва

Александр Геннадьевич Степанов

Российский университет дружбы народов имени Патриса Лумумбы

Автор, ответственный за переписку.
Email: stepanovmd@list.ru
ORCID iD: 0000-0002-6543-0998
SPIN-код: 5848-6077

д-р мед. наук, доцент

Россия, Москва

Анастасия Павловна Зражевская

Российский университет дружбы народов имени Патриса Лумумбы

Email: dr.azrazhevskaya@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-1210-5841
SPIN-код: 2449-2914
Россия, Москва

Валерия Константиновна Суонио

Российский университет дружбы народов имени Патриса Лумумбы

Email: valerijasuonio@ya.ru
ORCID iD: 0000-0002-4642-6758
SPIN-код: 6079-4490
Россия, Москва

Список литературы

Дополнительные файлы