Способ моделирования костно-реконструктивных операций при лечении новообразований челюстных костей в детском возрасте
Владельцы патента RU 2607651:
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Северо-Западный государственный медицинский университет имени И.И. Мечникова" Министерства здравоохранения Российской Федерации (ФГБОУ ВО СЗГМУ им. И.И. Мечникова Минздрава России) (RU)
Изобретение относится к области медицины, а именно к области челюстно-лицевой хирургии и ортодонтии. Для моделирования костно-реконструктивных операций при лечении новообразований челюстных костей в детском возрасте выполняют КТ исследование черепа с последующей реконструкцией в 3D программах и создают объемную модель черепа, выявляют новообразование, рассчитывают основные параметрические данные новообразования и виртуально его удаляют на полученной модели, затем виртуально восполняют дефект или изъян, после чего прототипируют реконструктивные модели челюстей или эндопротез с помощью 3D принтера. До виртуального удаления новообразования проводят 3D цефалометрию, на полученной 3D модели черепа вручную расставляют цефалометрические ориентиры под максимальным увеличением разрешения экрана, используя одновременно различные проекции, perspective, right, left, top, front и варьируя прозрачность изображения от 0 до 100%, определяют 48 цефалометрических параметров, с учетом которых проводят виртуальное восполнение дефекта или изъяна с последующей виртуальной корректировкой челюстных костей при проведении этапного ортодонтическо-хирургического лечения. Способ позволяет моделировать и прогнозировать этапное хирургическо-ортодонтическое и ортопедическое лечение у ребенка до завершения его роста, а также снизить вероятность проведения незапланированных этапных операций. 21 ил., 4 табл., 1 пр.
Изобретение относится к области медицины, а именно к области челюстно-лицевой хирургии и ортодонтии, и может использоваться для моделирования костно-реконструктивных операций при лечении новообразований челюстных костей в детском возрасте.
Известны способы моделирования костно-реконструктивных операций при лечении новообразований челюстных костей в детском возрасте, заключающиеся в том, что выполняют КГ исследование черепа, с последующей реконструкцией в 3D программах и создают объемную модель черепа, выявляют новообразование, рассчитывают основные параметрические данные новообразования и виртуально его удаляют на полученной модели, затем виртуально восполняют дефект или изъян методом симметрического преобразования не пораженной патологическим процессом половины челюсти, после чего прототипируют реконструктивные модели челюстей или эндопротез с помощью 3D принтера [1, 2]. Известны также способы моделирования костно-реконструктивных операций при лечении новообразований челюстных костей у взрослых, при стойком отсутствии рецидивов и ремиссии заболевания виртуально моделируют свободный неваскуляризированный или васкуляризированный аутотрансплантат для закрытия дефекта или изъяна, по форме которого моделируют шаблон, затем выполняют КТ донорской зоны, с последующей реконструкцией в 3D программах, после сопоставления полученных результатов шаблону придают конечный вид, затем печатают с помощью 3D принтера шаблон, по которому придают аутотрансплантату необходимую форму [3].
По наиболее близкой технической сущности в качестве прототипа нами выбран способ моделирования костно-реконструктивных операций при лечении новообразований челюстных костей в детском возрасте, заключающийся в том, что выполняют КТ исследование черепа с последующей реконструкцией в 3D программах и создают объемную модель черепа, выявляют новообразование, рассчитывают основные параметрические данные новообразования и виртуально его удаляют на полученной модели, затем виртуально восполняют дефект или изъян, после чего прототипируют реконструктивные модели челюстей или эндопротез с помощью 3D принтера [1].
По мнению авторов заявляемого способа, недостатками как аналогов, так и прототипа являются:
- моделирование костно-реконструктивных операций на лицевом отделе черепа у детей осуществляется на тех же принципах, что и у взрослых, т.е. статистично, без возможности динамического наблюдения за изменениями размера и формы челюстей в процессе роста больного после возмещении изъянов и дефектов при удалении новообразования;
- невозможность моделирования заключительного этапа костно-реконструктивной операции и последующего завершения медицинской реабилитации больного, так как моделирование осуществляется только на основе сформировавшейся в процессе роста больного вторичной деформации челюстных костей после удаленного ранее несколько лет назад новообразования челюсти, что, в свою очередь, дает искаженную картину состояния зубочелюстного аппарата данного больного и затрудняет проведение после завершающей костной реконструкции челюсти ортодонтического и ортопедического лечения для восстановления в полной мере жевательной функции [1-7].
Техническим результатом изобретения является возможность динамического наблюдения за изменениями цефалометрических параметров в процессе роста больного с новообразованиями, а также возможность моделировать и прогнозировать дальнейшее этапное хирургическо-ортодонтическое и ортопедическое лечение у ребенка до завершения его роста, а также снизить вероятность проведения незапланированных этапных операций и добиться лучших результатов медицинской реабилитации по завершению роста больного.
Технический результат изобретения достигается тем, что способ моделирования костно-реконструктивных операций при лечении новообразований челюстных костей в детском возрасте заключается в том, что выполняют КТ исследование черепа с последующей реконструкцией в 3D программах и создают объемную модель черепа, выявляют новообразование, рассчитывают основные параметрические данные новообразования и до виртуального удаления новообразования проводят 3D цефалометрию, на полученной 3D модели черепа вручную расставляют цефалометрические ориентиры под максимальным увеличением разрешения экрана, используя одновременно различные проекции, perspective, right, left, top, front, и варьируя прозрачность изображения от 0 до 100%, применяя при этом 48 цефалометрических параметров, (см. таблицы 2 и 3), из них 29 - в боковой проекции с учетом возрастных особенностей, 14 угловых: ∠NSeBa, ∠Ii-MP, ∠ANB, ∠ANSe, ∠BNSe, ∠PgNSe, ∠NSe-MP, ∠MeNSe, ∠NSeMe, ∠NSeGn, ∠FH-MP, ∠I, ∠В, ∠Go и 15 линейных: N-Se, Se-Ba, N-Me, N-SpP, SpP-Me, Se-Go, N-Go,Se-Gn, A'-Snp, Is-ms, Pg-Go, Ii-mi, Go-Co, m-i, Ba-Br, и 19 цефалометрических параметров в прямой проекции, из которых - 11 линейных: Go-Gn, Co-Go, Go-Lat, Lat-MSE, Co-MSE, Mx-MSE, Ke-MSE, Go-MSE, C-MSE, Lat-Co, Lat-C и 8 угловых: ∠MSE (Gn-ASN-N), ∠MSE (Z-ASN-N), ∠Mx-O-Mx, ∠Go-O-Z, ∠Zy-O-Zy, ∠Gn-O-Z, ∠Ke-O-Ke, ∠Co-Go-Gn, виртуальное восполнение дефекта или изъяна проводят с учетом полученных 48 цефалометрических параметров, с последующей виртуальной корректировкой челюстных костей при проведении этапного ортодонтическо-хирургического лечения.
Способ осуществляется следующим образом.
Выполняют КТ исследование черепа с последующей реконструкцией в 3D программе (Materialise Mimics) и создают объемную модель черепа, выявляют новообразование, рассчитывают основные параметрические данные новообразования. До виртуального удаления новообразования в 3D программах (Autodesk 3ds Max, Maya) проводят 3D цефалометрию. В 3D программе на полученную 3D модель черепа вручную расставляют цефалометрические ориентиры под максимальным увеличением разрешения экрана, используя одновременно различные проекции, perspective, right, left, top, front, и варьируя прозрачность изображения от 0 до 100%, вручную расставляют основные цефалометрические ориентиры. С помощью компьютерной программы соединяются линии между цефалометрическими ориентирами и просчитываются параметры. Используют 48 цефалометрических параметров, из них 29 - в боковой проекции по методике анализа А.М. Шварца [8] с учетом возрастных особенностей, представленных в таблице 1. - Величины возрастных цефалометрических показателей условной нормы черепа у детей с физиологической окклюзией (DdM1) и аномальными видами окклюзии (FM1) в период смены зубов (7-12 лет) и в период после смены зубов (12-15 лет) с физиологической окклюзией (DdM2) и аномальными видами окклюзии (FM2) (Приложение), 14 угловых: ∠NSeBa, ∠Ii-MP, ∠ANB, ∠ANSe, ∠BNSe, ∠PgNSe, ∠NSe-MP, ∠MeNSe, ∠NSeMe, ∠NSeGn, ∠FH-MP, ∠I, ∠B, ∠Go и 15 линейных: N-Se, Se-Ba, N-Me, N-SpP, SpP-Me, Se-Go, N-Go,Se-Gn, A'-Snp, Is-ms, Pg-Go, Ii-mi, Go-Co, m-i, Ba-Br, и 19 цефалометрических параметров в прямой проекции по методике анализа Бродбента и Болтона [9], представленных в таблице 2. - Цефалометрические показатели в прямой проекции по методике анализа Бродбента и Болтона (Приложение), из которых - 11 линейных: Go-Gn, Co-Go, Go-Lat, Lat-MSE, Co-MSE, Mx-MSE, Ke-MSE, Go-MSE, C-MSE, Lat-Co, Lat-C и 8 угловых: ∠MSE (Gn-ASN-N), ∠MSE (Z-ASN-N), ∠Mx-O-Mx, ∠Go-O-Z, ∠Zy-O-Zy, ∠Gn-O-Z, ∠Ke-O-Ke, ∠Co-Go-Gn. С учетом полученных 48 цефалометрических параметров проводят виртуальное восполнение дефекта или изъяна с последующей виртуальной корректировкой челюстных костей при проведении этапного ортодонтическо-хирургического лечения.
Существенные отличительные признаки заявляемого способа и причинно-следственная связь между ними и достигаемым результатом:
- До виртуального удаления новообразования проводят 3D цефалометрию, на полученной 3D модели черепа вручную расставляют цефалометрические ориентиры под максимальным увеличением разрешения экрана, используя одновременно различные проекции, perspective, right, left, top, front, и варьируя прозрачность изображения от 0 до 100%, применяя при этом 48 цефалометрических параметров (см. таблицы 2 и 3), из них 29 - в боковой проекции с учетом возрастных особенностей, 14 угловых: ∠NSeBa, ∠Ii-MP, ∠ANB, ∠ANSe, ∠BNSe, ∠PgNSe, ∠NSe-MP, ∠MeNSe, ∠NSeMe, ∠NSeGn, ∠FH-MP, ∠I, ∠B, ∠Go и 15 линейных: N-Se, Se-Ba, N-Me, N-SpP, SpP-Me, Se-Go, N-Go,Se-Gn, A'-Snp, Is-ms, Pg-Go, Ii-mi, Go-Co, m-i, Ba-Br, и 19 цефалометрических показателей в прямой проекции, из которых - 11 линейных: Go-Gn, Co-Go, Go-Lat, Lat-MSE, Co-MSE, Mx-MSE, Ke-MSE, Go-MSE, C-MSE, Lat-Co, Lat-C и 8 угловых: ∠MSE (Gn-ASN-N), ∠MSE (Z-ASN-N), ∠Mx-O-Mx, ∠Go-O-Z, ∠Zy-O-Zy, ∠Gn-O-Z, ∠Ke-O-Ke, ∠Co-Go-Gn, виртуальное восполнение дефекта или изъяна проводят с учетом полученных 48 цефалометрических параметров с последующей виртуальной корректировкой челюстных костей при проведении этапного ортодонтическо-хирургического лечения.
Результаты цефаломерического анализа служат ориентиром для моделирования восполненного дефекта или изъяна.
Используемые 29 цефалометрических параметров - по методике анализа А.М. Шварца с учетов возрастных особенностей, содержат точку, расположенную в мозговом отделе черепа, характеризующуюся относительно стабильным показателем, ориентируясь на которую, можно судить об изменении других. Значимо изменяющиеся параметры, такие как показатели лицевого отдела черепа, линейные параметры верхней и нижней челюстей, сагиттальной и вертикальной плоскостей, соответственно отражают положение костных структур среднего отдела лица и зубочелюстного аппарата относительно друг друга.
Используемые 19 цефалометрических параметров по методике анализа Бродбента и Болтона выявляют асимметрию, обусловленную неравномерным развитием лицевого отдела черепа правой и левой стороны, дают дополнительные данные об отношении челюстей к лицевому и мозговому черепу и к срединной плоскости, показывают изменения в положении других костей челюстно-лицевой области.
Расстановка цефалометрических ориентиров вручную, под максимальным увеличением разрешения экрана, используя одновременно различные проекции (perspective, right, left, top, front), варьируя прозрачность изображения (от 0 до 100%), обеспечивает высокую точность расстановки цефалометрических ориентиров.
- Последующая виртуальная корректировка челюстных костей при проведении этапного ортодонтическо-хирургического лечения дает возможность моделировать и прогнозировать дальнейшее этапное ортодонтическо-хирургическое и ортопедическое лечение и проводить его коррекцию у детей до завершения роста ребенка, а также снизить вероятность проведения незапланированных этапных операций и добиться лучших результатов медицинской реабилитации по завершению роста больного.
Приводим пример конкретного выполнения способа:
Пример 1. Больная М., 7 лет. Диагноз: фиброзная дисплазия нижней челюсти.
Из анамнеза: к челюстно-лицевому хирургу обратились в феврале 2014 г, когда впервые возникли боли в области тела нижней челюсти слева, после удаления 73, 34 зубов. В мае 2014 г. появились боли, отек и уплотнение в области тела нижней челюсти слева. 14.05.14 г. выполнена биопсия, по заключению которого выявлена гистологическая картина подострого неспецифического остеомиелита с микроабсцедированием. В декабре 2014 г. получена бытовая травма в область подбородка. Появились боли, отек и уплотнение в области тела нижней челюсти слева и подбородочной области, а также гиперемия в области удара. Выполнена повторная биопсия, по заключению которой выявлена гистологическая картина фиброзной дисплазии кости с вторичным неспецифическим гнойно-гранулирующим воспалением.
Жалобы: на асимметрию лица в области нижней челюсти, боли в поднижнечелюстной и подбородочной областях.
При обследовании выявлено: лицо асимметрично, за счет уплотнения левой поднижнечелюстной и подбородочной областях, резкая боль при пальпации. Со стороны преддверия рта определятся умеренное выбухание кортикальной пластинки альвеолярной части челюсти на протяжении 40 мм. Изображено на Фиг. 1а и 1б.
На этапе подготовки больной к операции, проведено КТ черепа, на котором определяется в области тела нижней челюсти и подбородочного отдела, от 83 до 36 зуба - пористая, резко деформированная, вздутая кость с очагами деструкции на кортикальной пластинке с наружной и частично внутренней стороны челюсти.
Выполнена реконструкция полученных КТ срезов в 3D программе, создана объемная модель черепа. Изображено на Фиг. 2а-2г. На полученной 3D модели черепа была выполнена 3D цефалометрия черепа, результаты которой представлены в таблице 3. - Результаты 3D цефалометрического анализа в боковой проекции больной М., 7 лет с диагнозом: фиброзная дисплазия нижней челюсти. Состояние до лечения. (Приложение) и в таблице 4. - Результаты 3D цефалометрического анализа в прямой проекции, больной М., 7 лет с диагнозом: фиброзная дисплазия нижней челюсти. Состояние до лечения. (Приложение). Вручную расставлены цефалометрические ориентиры под максимальным увеличением разрешения экрана, использованы одновременно различные проекции, perspective, right, left, top, front и варьируя прозрачность изображения от 0 до 100%. Были использованы 48 цефалометрических параметров (см. таблицы 2 и 3), из них 29 - в боковой проекции с учетом возрастных особенностей, 14 угловых: ∠NSeBa, ∠Ii-MP, ∠ANB, ∠ANSe, ∠BNSe, ∠PgNSe, ∠NSe-MP, ∠MeNSe, ∠NSeMe, ∠NSeGn, ∠FH-MP, ∠I, ∠B, ∠Go и 15 линейных: N-Se, Se-Ba, N-Me, N-SpP, SpP-Me, Se-Go, N-Go,Se-Gn, A'-Snp, Is-ms, Pg-Go, Ii-mi, Go-Co, m-i, Ba-Br (изображено на Фиг. 3а), и 19 цефалометрических параметров в прямой проекции, из которых - 11 линейных: Go-Gn, Co-Go, Go-Lat, Lat-MSE, Co-MSE, Mx-MSE, Ke-MSE, Go-MSE, C-MSE, Lat-Co, Lat-C и 8 угловых: ∠MSE (Gn-ASN-N), ∠MSE (Z-ASN-N), ∠Mx-O-Mx, ∠Go-O-Z, ∠Zy-O-Zy, ∠Gn-O-Z, ∠Ke-O-Ke, ∠Co-Go-Gn, виртуальное восполнение дефекта или изъяна проведено с учетом полученных 48 цефалометрических параметров. Изображено на Фиг. 3б.
С учетом полученных результатов выполнено 3D моделирование оперативного лечения.
- В 3D программе отметили границы новообразования и рассчитали его длину. Изображено на Фиг. 4а-4г.
- Используя арсенал компьютерных инструментов, виртуально произведена резекция нижней челюсти в области от 84 до 36 зуба. Изображено на Фиг. 5.
- Используя полученные цефалометрические результаты, виртуально восполнен изъян нижней челюсти. Изображено на Фиг. 6а и 6б.
- По форме восполненного изъяна нижней челюсти, виртуально смоделирован эндопротез. Рассчитаны основные параметры эндопротеза. Изображено на Фиг. 7а-7г.
- Полученную модель с восполненным изъяном прототипировали на 3D принтере, в качестве материала использован фотополимер. Изображено на Фиг. 8.
- После получения стереолитографической модели на ней перед операцией произведено моделирование титановой пластины - эндопротеза. Изображено на Фиг. 9.
После проведенной по намеченному плану операции, удаления новообразования нижней челюсти в виде частичной ее резекции и одномоментным эндопротезированием изъяна титановой пластиной больная продолжает ортопедическое лечение - носит съемный зубной протез, восполняющий дефект зубного ряда. Больная находится под диспансерным наблюдением. Планируется динамическое наблюдение за изменениями цефалометрических параметров в процессе роста больной, а также при отсутствии рецидивов и стойкой ремиссии заболевания планируется удаление части реконструктивной титановой пластины и возмещение изъяна челюсти васкуляризированным аутогенным трансплантатом.
Вышеприведенный пример из клинической практики подтверждают эффективность применения заявляемого способа моделирования костно-реконструктивных операций при лечении новообразований челюстных костей в детском возрасте.
Общее количество больных, у которых проведена апробация заявляемого способа, 10 человек. Возраст обследованных от 7 до 17 лет, из них у 3 больных - новообразование верхней челюсти, у 7 больных - новообразование нижней челюсти. У 7 больных проведен I этап оперативного лечения - удаление новообразование и одномоментное эндопротезирование изъяна челюсти титановой реконструктивной пластиной, у 3 больных выполнен II этап - удаление реконструктивной титановой пластины и возмещение изъяна челюсти васкуляризированным аутотрансплантатом.
Всем больным в процессе моделирования проводили 3D цефалометрию, в послеоперационном периоде проводили ортодонтическо-ортопедическое лечение.
Таким образом, заявляемый способ дает возможность динамического наблюдения за изменениями цефалометрических параметров в процессе роста больного с новообразованиями, а также возможность моделировать и прогнозировать дальнейшее этапное хирургическо-ортодонтическое и ортопедическое лечение у детей до завершения роста ребенка, а также снизить вероятность проведения незапланированных этапных операций и добиться лучших результатов медицинской реабилитации по завершению роста больного.
Литература
1. Иванов А.Л. Использование методов компьютерного и стереолитографического биомоделирования в детской челюстно-лицевой хирургии: дис. … канд. мед. наук. СПб., Москва, 2002. 151 с.
2. Рогинский В.В., Иванов А.Л., Евсеев А.В. Лазерная стереолитография новый метод биомоделирования в черепно-челюстно-лицевой хирургии. Материалы VII Международной конференции челюстно-лицевых хирургов и стоматологов. Санкт-Петербург, 2002. 126-127 с.
3. Герасимов А.С. Планирование реконструктивных операций при протяженных дефектах нижней челюсти с использованием современных технологий: дис. … канд. мед. наук. СПб., 2011. 218 с.
4. Jaeho Jeon, Yongdeok Kim, Jongryoul Kim, Heejea Kang, Hyunjin Ji, Woosung Son. New bimaxillary orthognathic surgery planning and model surgery based on the concept of six degrees of freedom. Korean Journal of Orthodontics. 2013. - Vol. 43(1). - P. 42-52.
5. Lutz Ritter, Krishna Yeshwant, Edward B. Seldin, Leonard B. Kaban, Jaime Gateno, Erwin Keeve, Ron Kikinis and Maria J. Troulis Range of Curvilinear Distraction Devices required for treatment of mandibular deformities. American Association of Oral and Maxillofacial Surgeons, Journal Oral Maxillofacial Surgery. 2006. -Vol.64.- P. 259-264.
6. R. Nalcaci, F. Ozrurk, O. Sokucu в переводе Блохиной Н.И., под редакцией Яркулина З.И. Сравнение возможностей рентгенографии и компьютерной томографии в оценке угловых цефалометрических измерений // X-Ray Art. - 2013. - №3 (02). - С.62-67.
7. Beatriz Paniagua, Lucia Cevidanes, HongTu Zhu, Martin Styner. Outcome quantification using SPHARM-PDM toolbox in orthognathic surgery // International Journal of Computer Assisted Radiology & Surgery. 2010. - Vol. 6. - P. 617-626.
8. Аникиенко А.А., Панкратова H.B., Персии Л.С. Анализ показателей возрастных изменений параметров черепа у детей 7-15 лет с разными видами окклюзии // М.: ФГОУ «ВУНМЦ Росздрава», 2007. 235 с.
9. Медведовская Н.М., Петрова Н.П., Каврайская А.Ю., Зинина Н.В. Рентгенография в ортодонтии. Санкт-Петербург, 2008. 115 с.
ПРИЛОЖЕНИЕ
Способ моделирования костно-реконструктивных операций при лечении новообразований челюстных костей в детском возрасте, заключающийся в том, что выполняют КТ исследование черепа с последующей реконструкцией в 3D программах и создают объемную модель черепа, выявляют новообразование, рассчитывают основные параметрические данные новообразования и виртуально его удаляют на полученной модели, затем виртуально восполняют дефект или изъян, после чего прототипируют реконструктивные модели челюстей или эндопротез с помощью 3D принтера, отличающийся тем, что до виртуального удаления новообразования проводят 3D цефалометрию, на полученной 3D модели черепа вручную расставляют цефалометрические ориентиры под максимальным увеличением разрешения экрана, используя одновременно различные проекции, perspective, right, left, top, front, и варьируя прозрачность изображения от 0 до 100%, применяя при этом 48 цефалометрических параметров (см. таблицы 2 и 3), из них 29 - в боковой проекции с учетом возрастных особенностей, 14 угловых: ∠NSeBa, ∠Ii-MP, ∠ANB, ∠ANSe, ∠BNSe, ∠PgNSe, ∠NSe-MP, ∠MeNSe, ∠NSeMe, ∠NSeGn, ∠FH-MP, ∠I, ∠B, ∠Go и 15 линейных: N-Se, Se-Ba, N-Me, N-SpP, SpP-Me, Se-Go, N-Go,Se-Gn, A'-Snp, Is-ms, Pg-Go, Ii-mi, Go-Co, m-i, Ba-Br, и 19 цефалометрических параметров, в прямой проекции, из которых - 11 линейных: Go-Gn, Co-Go, Go-Lat, Lat-MSE, Co-MSE, Mx-MSE, Ke-MSE, Go-MSE, C-MSE, Lat-Co, Lat-C и 8 угловых: ∠MSE (Gn-ASN-N), ∠MSE (Z-ASN-N), ∠Mx-O-Mx, ∠Go-O-Z, ∠Zy-O-Zy, ∠Gn-O-Z, ∠Ke-O-Ke, ∠Co-Go-Gn, виртуальное восполнение дефекта или изъяна проводят с учетом полученных 48 цефалометрических параметров с последующей виртуальной корректировкой челюстных костей при проведении этапного ортодонтическо-хирургического лечения.
