УДК: 004.92; 616-07                                                                      

Е.А. Давыденко, e.davidenko@gmail.com,

Д.М. Жук, к.т.н. доцент, zhuk@bmstu.ru,

г. Москва, РК6 МГТУ им. Баумана

Введение

Операции в челюстно-лицевой области проводятся для устранения патологий  лицевого скелета, причинами которых являются различные травмы, которые возникают в результате ДТП, огнестрельных и осколочных ранений или врожденные деформации. По статистике в промышленных регионах и крупных мегаполисах число пострадавших с травматическими повреждениями, поступающих в медицинские центры, может достигать до 25% от общего числа пациентов  с различными патологиями в челюстно-лицевой области. ([1], [2], [3]). Техническое обеспечение медицинских учреждений является достаточным для проведения качественной диагностики и сопровождения хирургического вмешательства на всех этапах лечения пациента (диагностика, подготовка к хирургическому вмешательству, операция, постоперационный этап).

Для повышения информативности данных, полученных с устройств лучевой диагностики, на этапе диагностики применяют информационные системы, позволяющие создавать трехмерную модель исследуемой области, проводить сегментацию данных и классификацию по типам тканей ([4], [5]). Среди всех Amira[6], Voxel-Man[7] и VoxelView[8] являются наиболее полнофункциональными. Кроме того, Amira имеет интерфейс прикладного программирования, позволяющий расширять функционал системы в соответствии с решаемыми задачами.

В данной статье рассматриваются конструкторские задачи, с которыми приходится сталкиваться  хирургам при проектировании костно-пластических операций в челюстно-лицевой области и стоматологии. Классифицируя операции по типу устраняемого дефекта, выделяют следующие виды операций:

1.      Операции по устранению дефекта нижней челюсти;

2.      Операции по устранению дефекта верхней челюсти;

3.      Операции по устранению дефекта скуловой кости;

4.      Операции по устранению дефекта скуло-орбитального комплекса;

5.      Операции по установке зубных имплантатов.

Поскольку при проектировании хирургических операций моделируются живые ткани, для которых характерны анизотропия свойств и изменения геометрической формы (ткани могут расти, срастаться, кости без обеспечения определенных условий могут рассасываться и т.д.), возникают большие сложности с описанием данных структур и комплексным моделированием. На сегодняшний день отсутствуют CAS системы, позволяющие учитывать ограничения, накладываемые всеми типами тканей, поэтому в процессе проектирования операции приходится делать ряд существенных допущений, способных оказать серьезное влияние на результаты проектирования. Так, например, принимается допущение об однородности свойств костных структур в пределах некоторого участка и/или допущение о неизменности геометрии проектируемых элементов (например, кости не растут) в процессе проведения операции, что не соответствует реальной ситуации.

1.     Проектирование постоперационного облика пациента

1.1.   Проектирование целевого облика пациента

 Зачастую повреждения лицевого скелета пациента носят достаточно серьезный характер, и хирургам требуется эталонная или целевая модель постоперационного облика пациента для дальнейшего планирования операции. Поэтому первой задачей, которая стоит перед хирургом, является задача реконструкции первичного (додеформационного) облика пациента.

В зависимости от тяжести повреждений используются различные подходы к решению данной задачи. В случае односторонней деформации результат может быть достигнут путем симметрии лицевого скелета относительно вертикальной плоскости с последующей деформацией модели ([12],[13]). Более сложной задачей является реконструкция первичного облика при двусторонней деформации. В этом случае основополагающим решением также является правило симметрии, однако для получения необходимого результата его, как правило, не достаточно. Поэтому при проектировании, используется дополнительная модель неповрежденного лицевого скелета, либо части лицевого скелета другого человека, которая деформируется, исходя из общих краниометрических и эстетических принципов.

1.2.   Операции по устранению дефектов верхней и нижней челюсти

1.2.1.     Задача проектирования формы аутотрансплантата

Для устранения дефектов верхней и нижней челюсти - отсутствующих участков  кости - используют трансплантаты разных типов: искусственные (титан, сплавы металлов и др.), биологические (кости животных), а также аутотрансплантаты (собственные кости). Так, в операциях по устранению дефекта нижней и верхней челюсти в качестве аутотрансплантата, как правило, используется малая берцовая кость, либо одно из ребер. Рассмотрим подробнее операцию по устранению дефекта нижней челюсти с применением малой берцовой кости в качестве аутотрансплантата. Задача хирурга состоит в том, чтобы малую берцовую кость деформировать (рассечь на определенную глубину и согнуть) таким образом, чтобы геометрия аутотрансплантата максимально повторяла геометрию отсутствующего участка нижней челюсти, полученного на первом этапе путем реконструкции. Таким образом, при проектировании операции задача сводится к определению углов и положения участков остеотомии (разреза, рассечения). При этом учитываются следующие ограничения:

·        ограничение на количество участков остеотомии (конструкция может получиться непрочной);

·        ограничение на глубину надрезов (слишком глубокий надрез может привести к тому, что при деформации аутотрансплантата кость сломается);

·        ограничение на длину фрагментов между участками остеотомии (устанавливается минимальное расстояние, необходимое для установки крепления).

 Кроме того, необходимо учитывать геометрические ограничения, связанные с расположением нервов и сосудистой ножки, подключаемой к кровеносной системе. Замечание. Задача не является планарной, что усложняет поиск оптимальной геометрии.

1.2.2.     Расчет напряженно-деформированного состояния

После проектирования аутотрансплантата, необходимо произвести расчет напряженно-деформационного состояния полученной конструкции.  Определяются степени свободы, моменты и силы, которые действуют на конструкцию в процессе жевания, составляется расчетная схема [9]. При расчете  должны быть заранее известны сведения о прочности кости, аутотрансплантата, а также крепежного материала (пластин-фиксаторов). Эквивалентные напряжения должны сравниваться с разрушающими (травмирующими), индивидуальными для каждого конкретного пациента (они могут зависеть от различных факторов, таких как тип перелома, состояние кости, пол, возраст пациента и др.).

1.2.3.     Моделирование условий доступа

Для большинства хирургических операций существенным ограничением является затруднение оперативного доступа к области проведения операции. Моделирование действий хирурга, движения его рук с учетом ограничений по доступу к требуемой анатомической области, накладываемых мягкими тканями, сосудами кровеносной системы и др.,  позволит оценить возможность проведения хирургической операции по разработанному плану. На сегодняшний день существуют системы и тренировочные комплексы, позволяющие эмулировать оперативное вмешательство в виртуальной реальности ([10], [11]).

1.2.4.     Задачи проектирования шаблонной оснастки

Одной из основных является задача проектирования шаблонной оснастки, посредством которой осуществляется моделировка аутотрансплантата и контроль правильности его установки. Задача состоит в проектировании геометрических моделей вспомогательной оснастки, фиксирующей такие параметры, как расстояние между участками остеотомии, углы остеотомии, глубина и т.д. К сожалению, на сегодняшний день отсутствуют CAS системы, позволяющие решать данную задачу для операций по устранению дефектов нижней и верхней челюсти.

1.3.   Операции по устранению дефектов скуловой кости и скуло-орбитального комплекса

1.3.1.     Задача проектирования аутрансплантата

После получения целевой модели облика пациента при проведении операции по устранению дефекта скуловой кости и скулоорбитального комплекса необходимо спроектировать конструкцию аутотрансплантата. В качестве аутотрансплантата используется участок теменной кости, деформация которого не производится, поэтому основная сложность заключается в поиске подходящего донорского участка. Данная задача является достаточно сложной и относится к области дифференциальной геометрии. На своде черепа определяется участок, форма которого максимально соответствуют форме реципиентного участка (участка, куда будет установлен аутотрансплантат). Математически эта задача сводится к нахождению взаимно однозначного отображения поверхности реципиентного участка на поверхность донорского участка. Поскольку полного совпадения этих геометрических параметров добиться невозможно, необходимо решить оптимизационную задачу по критерию минимума расхождения значений главных кривизн донорского и реципиентного участков с учетом ограничений на область теменной кости, накладываемых возможностью оперативного доступа.

1.3.2.     Задача выравнивания орбиты

Задача выравнивания орбиты состоит в определении объема и размеров аутотрансплантата, такого, чтобы глаз не западал или наоборот не выходил из орбиты. При этом на первый план выходит не эстетическая составляющая, а функциональная - восстановление зрения. На сегодняшний день отсутствуют CAS системы, позволяющие решать эту задачу, однако во всем мире проводится много исследований, посвященных данной теме. Так в Берлинском Институте Цузе данная задача решается с помощью дополнительного инструментария([14],[15]), разработанного для системы Amira.

1.4.   Операции по установке зубных имплантатов

Стоматологические операции отличаются от описанных выше. Основная задача данных операций состоит в точном подборе, ориентации и установке зубных имплантатов [17].  Для этого проектируется специальный шаблон, фиксирующий ориентацию  и положение инструмента для создания отверстия под имплантат. Лидерами среди CAS систем для стоматологии, которые позволяют решать данные задачи, считаются на сегодняшний день Materialise SimPlant, EasyGuide Dental Software Planing, IVS Solutions  coDiagnostiX, Nobel Guide.

Заключение

Техническое оснащение медицинских центров достаточно для проведения сложных челюстно-лицевых операций. Имеются технические средства, позволяющие обрабатывать данные результатов с устройств лучевой диагностики, а также интраоперационные и навигационные системы, позволяющие проводить диагностику в процессе проведения операции. Несмотря на это, этап подготовки к проведению операции остается менее всего оснащенным информационными системами и занимает слишком много времени. Это связано с тем, что многие задачи, которые можно было бы решать с применением систем автоматизированного проектирования, решаются вручную (создаются стереолитографические модели области патологии с помощью технологии быстрого прототипирования).

CAS системы, которые присутствуют сегодня на рынке информационных систем, не позволяют комплексно решать задачи, возникающие при проектировании хирургических операций. Они позволяют решать лишь отдельные локальные задачи. Главной причиной этого является плохая формализация предметной области. Кроме того, многие задачи решаются эвристическими методами и на сегодняшний день не реализованы в специализированном программном обеспечении.  

Литература

1.    И.Н. Матрос-Таранец, С.Б. Алексеев, Д.К. Калиновский, М.Н. Абу Халиль, Д.А. Дадонкин. Осложнения травматических повреждений челюстно-лицевой области: инфраструктура, предпосылки возникновения, лечение // Вестник гигиены и эпидемиологии Том 5, ╧1, 2001

2.    И.Н. Матрос-Таранец, Д.К. Калиновский, С.Б. Алексеев, М.Н .Абу Халиль, Д.А. Дадонкин. Челюстно-лицевой травматизм в промышленном мегаполисе: современный уровень, тенденции, инфраструктура.//- Донецк, 2001.- 193 с .

3.    А.А. Светловский, Н.И. Житний, М.П. Комский, В.В. Вихрова. Структура и частота повреждений в области лица и шеи // ВЁсник стоматологЁ©. – 1997. – ╧ 4. – С. 591.

4.    Demirtas, M., Zachow, S.. Comparison of Visualization Software for Medical Image Data. Surgical Robotics Lab, Charité – Campus Virchow, Berlin, 1997.

5.    Amira - Advanced 3d Visualization and Volume Modeling. Software and user’s guide available from www.amiravis.com.

6.    D.Stalling, M. Westerhoff, H.-C. Hege. Amira - a Highly Interactive System for Visual Data Analysis. // Zuse Institute Berlin (ZIB), Germany,2005.

7.    http://www.voxel-man.de

8.    http://www.vitalimages.com

9.    А.Н. Чуйко, Д.К. Калиновский, И.Н. Матрос-Таранец, И.Х. Дуфаш. Особенности биомеханики нижней челюсти при остеосинтезе накостными пластинами с винтами // Травма. Том 7, ╧3, 2006. – с56.

10.                       H.K.Cakmak, U.Kuhnapfel. Animation and Simulation Techniques for VR-Training Systems in Endoscopic Surgery Eurographics Workshop on Animation and Simulation '2000 (EGCAS '2000) Interlaken/Switzerland, 21.-22.08. 2000, pp. 173-185, ISBN: 3-211-83549-0

11.                       SteffenK.Rosahl, AlirezaGharabaghi, UlrichHubbe, RaminShahidi, MadjidSamii. VirtualRealityAugmentationinSkull BaseSurgery // SKULLBASE: AN INTERDISCIPLINARY APPROACH / VOLUME 16,NUMBER 2 2006 . DOI10.1055/s-2006-931620.ISSN1531-5010

12.                       3D Reconstruction of Glenoid Rim Defects.  http://www.zib.de/visual/projects/glenoid/glenoidlong.en.html

13.                       Gerd Diederichs, Heiko Seim, Henning Meyer, Ahi S Issever, Thomas M Link, Ralf J Schröder, Markus Scheibel. CT-based patient-specific modeling of glenoid rim defects: a feasibility study.. AJR Am J Roentgenol, 191(5):1406–1411, 2008.

14.                       Hans Lamecker, Lukas Kamer, Antonia Wittmers, Stefan Zachow, Thomas Kaup, Alexander Schramm, Hansrudi Noser, Beat Hammer. A method for the three-dimensional statistical shape analysis of the bony orbit. Proc. Computer Aided Surgery Around the Head, p. 94–97, 2007.

15.                       Lukas Kamer, Hansrudi Noser, Hans Lamecker, Stefan Zachow, Antonia Wittmers, Thomas Kaup, Alexander Schramm, Beat Hammer. Three-dimensional statistical shape analysis - a useful tool for developing a new type of orbital implant?. AO Foundation, 2006.

16.                        "Computer Assisted Surgery. Precision Technology for Improved Patient Care", March 22, 2004, http://www.advamed.org/newsroom/caswhitepaper.pdf

17.                       Dr. Andreas Blume, “Navigiertes Implantieren - wozu?” ZWP spezial Implantologie, 09/2003