Применение бесконтактного лазерного сканирования при планировании лечения

Применение бесконтактного лазерного сканирования при планировании лечения с использованием дентальных имплантатов

В настоящее время проблема построения оптимальной протезной конструкции с опорой на имплантаты по-прежнему остается актуальной. Использование имплантатов часто связано с риском возникновения различных осложнений (активная резорбция кортикальной кости, перелом имплантата в области шейки, перелом винта, отторжение имплантата). Одной из основных причин возникновения осложнений является нарушение биомеханики взаимодействия ортопедических конструкций и имплантатов.

Биомедицинское конструирование (применение инженерных принципов к живым системам) открыло новые возможности в диагностике, планировании лечения и реабилитации больных. Изучение биомеханического поведения костной ткани после имплантации проводится по нескольким направлениям: исследуются взаимосвязи структуры и механических свойств, оцениваются процессы роста, развития и перестройки, анализируются процессы деформирования и разрушения при различных напряжённых состояниях.

Для проведения биомеханического анализа необходима объективная информация об анатомо-топографических особенностях полости рта пациента. Изначально для диагностики использовались в основном двухмерные изображения структур полости рта, однако с развитием имплантологии эти методы стали недостаточными, чтобы прогнозировать результаты лечения. В настоящее время в развитии диагностических методов реализуется возможность получения трехмерной визуализации, что связано со стремлением привести диагностическую информацию к более удобной форме восприятия.

Осуществить трехмерную реконструкцию анатомических структур пациента позволяет компьютерная томография. Полученные с помощью специального программного обеспечения виртуальные модели челюстей позволяют врачу-стоматологу точно измерить длину, высоту и ширину альвеолярного отростка, оценить плотность кости и соотношение анатомических ориентиров, определить толщину слизистой оболочки и т.д.

Вместе с тем, компьютерная томография как метод получения исходных данных об изучаемом объекте имеет ряд недостатков. Во-первых, качество моделей биологических объектов определяется разрешающей способностью используемого томографа. Во-вторых, металлические пломбы и мостовидные протезы, имеющиеся у пациентов, вызывают рассеянные артефакты, которые мешают идентификации анатомических структур. К недостаткам компьютерной томографии относится и относительно высокое облучение костного мозга, щитовидной и слюнных желез, глаз и кожи, а также высокая себестоимость этой методики.

В последние годы, благодаря интенсивному развитию компьютерных технологии и их активному внедрению во все сферы человеческой деятельности, в том числе и в стоматологию, появились новые возможности в развитии объективных методов исследования. В различных областях науки и техники быстрыми темпами развиваются оптико-электронные методы получения и обработки трехмерных изображений объектов, такие, как стереоскопический метод, метод структурированного освещения, метод триангуляции и другие. Эти технологии нашли применение и в стоматологии.

В нашем исследовании для построения трехмерных моделей челюстей использовали метод бесконтактного лазерного сканирования. Работа состояла из нескольких этапов.

Для построения математической модели изготавливали гипсовые модели нижней и верхней челюстей. Затем проводили сканирование этих моделей с помощью бесконтактного трёхмерного лазерного сканера «Hawk 222» (Nextec) со сканирующей головкой «WIZprobe».

После сканирования гипсовых моделей нами были получены массивы координат точек поверхности в виде облака точек. На полученные точки были натянуты поверхности. Затем из поверхностей получали объёмы. Внутренний и внешний объёмы экспозиционировали по 3 общим точкам. В результате получали трехмерные виртуальные модели челюстей пациента. Благодаря лазерному сканированию была достигнута очень высокая точность каждой модели, содержащей более 50 тыс. узлов и в сумме 270 тыс. элементов. Полученные данные записывались в файл с расширением imw.

Далее осуществляли моделирование близкой к реальной форму протеза и прогнозировали критические нагрузки, которым будет подвергаться протезная конструкция во время функционирования.

Для этого файл с результатами сканирования переводили в IGES формат, который считывался программой ANSYS 8.0 для дальнейших расчётов. Данная программа проводит расчеты, основываясь на методе конечных элементов (МКЭ).

В МКЭ реализуется идея исследования реакций системы на основе известной информации о законах поведения отдельных ее частей, называемых конечными элементами. С математической точки зрения МКЭ следует классифицировать как вариационно-сеточный метод, сочетающий в себе преимущества вариационных подходов построения решения с идеей дискретизации, присущей сеточным методам.

Исследование модели с помощью МКЭ основывалось на численном определении напряжений, возникающих в костных тканях, и последующем сопоставлении найденных напряжений с допустимыми значениями. С этой целью объемная модель разбивалась на конечные элементы.

На виртуальной модели челюсти планировали размещение имплантатов и протезов, к ним прикладывали нагрузки и затем проводили расчет оптимальной конструкции. При этом зубочелюстной аппарат человека, имплантаты и протез рассматривались в единстве как комплексный трехмерный биомеханический объект. Смещая модель в виртуальном пространстве, изменяя при этом количество и расположение имплантатов, выбирали, таким образом, оптимальное пространственное расположение конструкции с точки зрения ее стабильности.

В результате расчетов получали значения напряжений в опорных тканях и сравнивали их с предельно допустимыми. Если значения напряженно-деформированного состояния кости превышали предельно допустимые, то варьировали геометрические параметры имплантатов и протеза.

После оптимизации всех параметров получали расчётную схему протезной конструкции, которая изготавливалась пациенту. Предлагаемые расчёты позволяют равномерно нагрузить костное ложе, а также сконструировать протез с оптимальными прочностными свойствами основных элементов с учетом необходимого количества имплантатов для каждого конкретного случая.

Таким образом, предложенная методика может являться основой для анализа и проектирования высококачественных современных протезных конструкций, включающих в качестве опоры внутрикостные имплантаты. Бесконтактное лазерное сканирование представляет собой новейшую технологию, позволяя не только свести до минимума дискомфортные ощущения пациентов при обследовании, сэкономить время и затраты сил, но и найти подход к задачам, решение которых другими методами затруднено или просто невозможно.


Р.Ш. Гветадзе, А.А. Красаков
ФГУ «ЦНИИС и ЧЛХ»