КОМПЬЮТЕРНОЕ ПРОИЗВОДСТВО 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, 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.

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

доктор медицинских наук, доцент, директор института цифровой стоматологии МИ ФГАОУ ВО РУДН

Россия, Россия, 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, 6

Александр Геннадьевич Степанов

Российский университет дружбы народов имени Патриса Лумумбы

Email: stepanovmd@list.ru
ORCID iD: 0000-0002-6543-0998
SPIN-код: 5848-6077

Доктор медицинских наук, доцент, заведующий кафедрой стоматологии ФНМО, профессор института цифровой стоматологии МИ ФГАОУ ВО РУДН

Россия, Россия, 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, 6

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

аспирант института цифровой стоматологии МИ ФГАОУ ВО РУДН

Россия, Россия, 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, 6

Валерия Константиновна Суонио

Российский университет дружбы народов имени Патриса Лумумбы

Автор, ответственный за переписку.
Email: valerijasuonio@ya.ru
ORCID iD: 0000-0002-4642-6758
SPIN-код: 6079-4490

ассистент института цифровой стоматологии МИ ФГАОУ ВО РУДН

Россия, Россия, 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, 6

Список литературы

Дополнительные файлы