Введение. Современные системы компьютерного моделирования костных структур альвеолярных отростков (частей) верхней и нижней челюстей на основе данных компьютерной томографии находят широкое применение в челюстно-лицевой хирургии и хирургической стоматологии [1]. Уникальные свойства цифрового прототипирования создают предпосылки для более детальной подготовки, точного планирования оперативного вмешательства, изготовления персонифицированных эндоимплантатов (костных, биокомпозитных, металлических и т.д.), что обеспечивает достижение высоких анатомо-функциональных свойств и эстетических результатов при восстановлении костных дефектов зубочелюстной системы [2,3].
Современные системы автоматизированного проектирования и использование математической обработки данных компьютерной томографии позволяют спроектировать трехмерную анатомическую модель челюсти со всеми индивидуальными особенностями структуры костного дефекта [3,4].
При разработке методов компьютерного моделирования трехмерных твердых тел челюстно-лицевой области, а именно челюстей, приходится сталкиваться с проблемой расчета систем, имеющих сложную геометрическую конфигурацию, что является причиной неточности моделирования твердотельных костных структур челюстей [5]. В этом случае необходимо использовать дополнительные методы исправления и оптимизации сложной геометрической структуры [6]. Такая вычислительная задача может быть решена с помощью разработки программно-информационного алгоритма [7].
Цель работы. Разработать программно-информационный алгоритм построения твердотельных 3D моделей челюстных костей на основе данных компьютерной томографии.
Материалы и методы исследований. Разработка цифровых твердотельных 3D моделей костных структур челюстей ведется совместно с врачом-хирургом-стоматологом и 3D-моделлером. В зависимости от того, насколько цифровая модель будет соответствовать реальной структуре костного дефекта челюстей, настолько адекватной будет и ситуация при диагностировании объема утраченной кости, моделировании персонифицированного костного имплантата для замещения дефекта и подборе оптимальной тактики оперативного вмешательства.
Создание цифровых моделей костной структуры челюстей начинается с получения конусно-лучевой компьютерной или магниторезонансной томограммы. Результатом исследований с использованием томографии является срез по плоскости, проходящий через изучаемый участок костной структуры. Срезы изучаемой костной структуры передаются в виде файлов, содержащих одну или несколько исследовательских сессий, а также в виде нескольких каталогов, каждый из которых состоит из файлов одной исследовательской сессии.
В данном исследовании для построения стереометрических моделей костной структуры челюстно-лицевой области мы использовали массив цифровых данных формата .DICOM, полученные на томографе PlanmecaPromax 3D. При решении поставленной задачи нами были обследованы 89 пациентов в возрасте от 28 до 63 лет с частичным отсутствием зубов и атрофией альвеолярных частей нижней челюсти. Сроки удаления зубов варьировались от 5-и до 15-и и более лет. Для систематизации данных локализации дефектов зубных рядов нижней челюсти использовалась классификация Кеннеди [8].
PlanmecaPromax 3D представляет собой установку высококачественного разрешения для объемной томографии с применением конусного луча, позволяющую получать четкие изображения широкого диапазона объемов. Толщина слоя составляет 0.1мм, со временем сканирования 18 секунд, что позволяет получать высококачественные томограммы за короткий период времени. Система панорамной съемки SmartPan позволяет получить панорамные снимки отличного качества с помощью 3D-датчика, а также имеет возможность выбора необходимого слоя из 9-ти представленных, выводя медицинское изображение в формат .DICOM.
Формат .DICOM - это стандарт создания, хранения, передачи и визуализации медицинских изображений и документов обследованных пациентов, представляющий собой двумерные слои трехмерного изображения. Данный формат является международным стандартом при работе с медицинскими изображениями [1,2,9,10,11]. Используя в работе .DICOM файлы можно получить твердотельную геометрическую модель челюстей. Сложное медицинское изображение .DICOM формата находится обычно в отдельном каталоге в виде файла с расширением .dcm, поскольку в отличие от элементарных изображений, имеет множество компонентов: кривые, задающие исследуемые области; наложения растровых текстов с параметрами исследования и другой текстовой информацией; таблицы преобразования пикселов изображения при его визуализации и т.д. Файл .DICOM можно преобразовать в 3D модели, используя специальное программное обеспечение.
Результаты и обсуждение. Были получены 89 сессий цифровых данных .DICOM стандарта. Среди обследованных пациентов мужчин было 51, а женщин 38. Распределение пациентов по возрасту выглядело следующим образом: от 28 до 36 лет - 12 пациентов, от 37 лет до 51 года - 42 пациента, от 52 до 63 лет -35 пациентов. В зависимости от времени, прошедшего после удаления зубов, выделили три группы: 5-10 лет - 48 человек (54%), 10-15 лет - 54 человека (27%), 15 и более лет - 15 человек (19%). Провели распределение локализации дефектов зубных рядов нижней челюсти по классификации Кеннеди: 6 включенных дефектов переднего отдела (4 класс по Кеннеди), 19 односторонних включенных дефектов в боковом отделе (3 класс по Кеннеди), 27 односторонних концевых дефектов (2 класс по Кеннеди), 37 двусторонних концевых дефектов (1 класс по Кеннеди).
Для построения твердотельных 3D моделей челюстных костей на основе данных .DICOM стандарта был разработан последовательный алгоритм обработки цифровых данных в трех программных комплексах: ScanIP (получение сетки из треугольных граней, построение первичной твердотельной модели), ArtecStudio 9 (обработка и удаление артефактов), ZBrush 4R6 (обработка и упрощение треугольной сетки, построение финальной твердотельной модели).
Рассмотрим поэтапное конструирование цифровой геометрической (трехмерной) модели челюстных костей с индивидуальными особенностями пациента.
На первом этапе в программу ScanIP производили импорт массива цифровых данных формата .DICOM в виде последовательных монохромных изображений компьютерной томографии нижней челюсти. Для оптимальной работы в выделенной области необходимого участка с полученными данными производили настройку контрастности и резкости изображений.
Рис.1. Импорт массива данных формата .DICOM
С целью дальнейшей работы проводили фильтрацию импортированных монохромных изображений, а именно - коррекцию «шумов» с изображений, для чего использовали инструмент Medianfilter (часть программного комплекса ScanIP). Он позволяет убрать “пятнистость” с изображения без искажения большого числа деталей.
При создании “маски”, сегментации и ручной доводки был использован инструмент Threshold, применяли узкий диапазон по серой шкале, чтобы исключить включения в сегментацию артефактов (рис. 2).
Рис. 2. Сегментации изображений инструментом Threshold.
Коррекцию полученной “маски” выполняли с помощью инструмента Paintwiththreshold. В ручном режиме проводили коррекцию выделенной области костной структуры нижней челюсти, которая содержит участок костного дефекта нижней челюсти, который в дальнейшем будет подвергнут реконструкции (рис. 3).
Рис. 3. Коррекция “маски” инструментом Paintwiththreshold.
Для заполнения небольших отверстий в сегментации применяли инструмент Morphologicalclosefilter, для заполнения внутренних полостей - инструмент Cavity fill. В свою очередь, для сглаживания полученной модели использовали инструмент RecursiveGaussian, благодаря которому производили выравнивание поверхности “маски”.
Затем полученную “маску” конвертировали в трехмерную модель, которая представляет собой сетку из треугольных граней и вектор конфигурации, описывающий форму анатомической структуры костной ткани (рис. 4). Для дальнейшей обработки производили экспортирование полученной модели в .stl формат.
Рис. 4. Первичная твердотельная модель в .stl формате.
На втором этапе производили удаление артефактов и разделение 3D-модели челюстно-лицевого дефекта на составные объекты. Для удаления артефактов и импорт в промежуточный формат .obj использовали программный комплекс ArtecStudio 9 (рис. 5).
Рис. 5. Удаление артефактов инструментом программного комплекса ArtecStudio 9.
На третьем этапе проводили обработку и упрощение треугольной сетки, построение финальной твердотельной модели костной структуры челюстей.
Для работы на данном этапе применяли программные пакеты для 3D-моделирования: ZBrush 4R6 - высокополигональное моделирование. Используя методику 3D-компьютерного моделирования, создавали объемную геометрическую модель нижней челюсти со всеми анатомическими особенностями и антропометрическими параметрами (рис. 6).
Рис. 6. Финальная твердотельная модель.
Заключение. Задача получения цифровых 3D моделей твердотельных костных структур челюстей являет собой обратное построение, т.е. создание анатомической структуры со всеми геометрическими особенностями при помощи оцифровки физического прототипа с использованием полученных цифровых данных компьютерной томограммы.
Важную роль в моделировании занимает построение геометрической модели в формате .stl-модели, в которой модель представляется сеткой, состоящей из треугольных граней и удаления артефактов в промежуточном формате .obj. Это условие является необходимым для точного математического моделирования твердотельной модели костной структуры челюстей.
Таким образом, в арсенале челюстно-лицевой хирургии и хирургической стоматологии появился эффективный алгоритм построения твердотельных 3D моделей челюстных костей на основе данных компьютерной томографии, позволяющий в дальнейшем использовать эти модели для изготовления персонифицированных костных имплантатов, полностью конгруэнтных реципиентному ложу и восстанавливающих индивидуальные анатомические особенности пациента.