RU2196543C1 - Method for producing stereo lithographic models and biological implants usable in cranio-maxillofacial surgery - Google Patents

Method for producing stereo lithographic models and biological implants usable in cranio-maxillofacial surgery Download PDF

Info

Publication number
RU2196543C1
RU2196543C1 RU2001111376A RU2001111376A RU2196543C1 RU 2196543 C1 RU2196543 C1 RU 2196543C1 RU 2001111376 A RU2001111376 A RU 2001111376A RU 2001111376 A RU2001111376 A RU 2001111376A RU 2196543 C1 RU2196543 C1 RU 2196543C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
model
stereolithographic
patient
dimensional
models
Prior art date
Application number
RU2001111376A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
В.В. Рогинский
В.К. Попов
А.В. Евсеев
В.Я. Панченко
А.Л. Иванов
Original Assignee
Ассоциация "Новые биоматериалы и технологии в краниофациальной области "БиоТех XXI"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ассоциация "Новые биоматериалы и технологии в краниофациальной области "БиоТех XXI" filed Critical Ассоциация "Новые биоматериалы и технологии в краниофациальной области "БиоТех XXI"
Priority to RU2001111376A priority Critical patent/RU2196543C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2196543C1 publication Critical patent/RU2196543C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Apparatus For Radiation Diagnosis (AREA)

Abstract

FIELD: medical engineering. SUBSTANCE: method involves building three-dimensional computer image of a biological object when scanning coordinate table with minimum step in high resolution mode in keeping patient body immovable until complete set of tomograms is produced. Data for restoring bone structures of given density are selected from tomographic data array by defining cut-off level based on intensity gradient coefficient value enclosed between 0 and 225 to enable one to build stereo lithographic model. EFFECT: accelerated operation; satisfactory cosmetic result. 10 dwg, 2 tbl

Description

Изобретение относится к медицине, а именно к черепно-челюстно-лицевой хирургии. The invention relates to medicine, namely to craniofacial surgery.

Известен способ изготовления моделей челюстно-лицевой области путем рентгено-томографии челюстей (1). A known method of manufacturing models of the maxillofacial region by x-ray tomography of the jaws (1).

Известен также способ изготовления моделей в челюстно-лицевой области путем томографии (2). There is also a known method of manufacturing models in the maxillofacial region by tomography (2).

Недостатки известных способов состоят в том, что они не обеспечивают точности изготовления моделей и последующего изготовления индивидуальных имплантатов в челюстно-лицевой хирургии. The disadvantages of the known methods are that they do not provide accuracy in the manufacture of models and the subsequent manufacture of individual implants in maxillofacial surgery.

В качестве прототипа выбран способ изготовления трансплантата для устранения дефектов и деформаций опорных тканей лица (3). Этот способ состоит в проведении рентгеновской компьютерной томографии необходимого участка лицевого скелета, затем с помощью математической компьютерной обработки полученных данных вычисляются объемные параметры исследуемого участка. Далее с использованием стандартных программ - систем автоматизированного проектирования (САПР) - производятся различные преобразования данных (симметрические и другие), которые позволяют получить объемные параметры эндопротеза для устранения имеющегося дефекта или деформации. Такие математические образы могут быть затем изготовлены в виде пластиковой модели на стереолитографической установке. As a prototype, a method of manufacturing a transplant was selected to eliminate defects and deformations of supporting facial tissues (3). This method consists in X-ray computed tomography of the necessary area of the facial skeleton, then using mathematical computer processing of the obtained data, volumetric parameters of the studied area are calculated. Further, using standard programs - computer-aided design (CAD) systems - various data transformations (symmetric and others) are performed that allow obtaining volumetric parameters of the endoprosthesis to eliminate an existing defect or deformation. Such mathematical images can then be made in the form of a plastic model on a stereolithographic installation.

Недостаток известного способа состоит в том, что для преобразования данных компьютерной томографии используются стандартные САПР, которые не содержат алгоритмы для интерполяции данных о поверхности костных биологических объектов и производят реконструкцию без учета градиента плотности имеющихся структур. В результате многочисленных этапов преобразования данных (компьютерная томография, пленочный снимок, сканирование, вычисление контура, вычисление объема) происходит потеря точности данных, кроме того, такие модели содержат характерную "ступенчатость", что связано с послойным сканированием объекта. The disadvantage of this method is that standard CAD systems are used to convert computed tomography data, which do not contain algorithms for interpolating data on the surface of bone biological objects and perform reconstruction without taking into account the density gradient of existing structures. As a result of the numerous stages of data conversion (computed tomography, film scan, scanning, loop calculation, volume calculation), the accuracy of the data is lost, in addition, such models contain a characteristic "step", which is associated with layer-by-layer scanning of the object.

Целью изобретения является повышение точности изготовления стереолитографических моделей биологических объектов за счет проведения рентгеновской компьютерной томографии в режиме высокого разрешения с минимальным шагом координатного стола и получения набора томограмм в виде компьютерных файлов исходного формата, которые обрабатываются с учетом градиента плотности костных структур на границе объекта, что позволяет избежать неточности и "ступенчатости" математической модели, которая затем изготавливается на стереолитографической установке. The aim of the invention is to increase the accuracy of the manufacture of stereolithographic models of biological objects by performing high-resolution X-ray computed tomography with a minimum step of the coordinate table and obtaining a set of tomograms in the form of computer files of the original format, which are processed taking into account the density gradient of bone structures at the border of the object, which allows avoid inaccuracies and "stepping" of the mathematical model, which is then made on stereolithographic installation.

Сущность способа состоит в проведении полной послойной рентгеновской компьютерной томографии необходимого участка черепа пациента, который содержит дефект или деформацию, сканирование проводится при полной неподвижности пациента в режиме высокого разрешения, по полученным данным в оригинальном формате компьютерного томографа происходит формирование трехмерного образа структур заданной плотности биологического объекта (костных структур), массив данных для реконструкции отбирается путем задания коэффициента градиента интенсивности (Абрамов С.С., Бодырев Н.И., Евсеев А.В. и др., 1998) от 0 до 255, что позволяет получить математическую объемную модель высокой точности и не отличающуюся по своим геометрическим параметрам от реального объекта (отсутствует эффект "ступенчатости"). The essence of the method consists in conducting a complete layer-by-layer X-ray computed tomography of the necessary portion of the patient’s skull, which contains a defect or deformation, scanning is performed at complete immobility of the patient in high resolution mode, according to the data obtained in the original computed tomography format, a three-dimensional image of structures of a given density of a biological object bone structures), the data array for reconstruction is selected by setting the gradient coefficient intensively ty (Abramov S.S., Bodyrev N.I., Evseev A.V. et al., 1998) from 0 to 255, which allows one to obtain a mathematical volumetric model of high accuracy and not differing in its geometric parameters from a real object (absent the effect of "stepping").

На первом этапе необходимо получить компьютерные томограммы требуемого участка черепа пациента. Сканирование должно осуществляться с определенными параметрами (интенсивность, шаг, количество сканов), оптимальными для дальнейшего построения конкретной модели. Так, например, для получения исчерпывающей информации при проектировании и изготовлении стереолитографической модели высокого качества нами производилось сканирование с минимальным шагом координатного стола (в нашем случае 2 мм) в режиме высокого разрешения (обычно один из стандартных режимов, например, для исследования среднего уха). При исследовании нижней челюсти плоскость срезов выбиралась параллельно плоскости окклюзии зубов, сканирование начиналось с подбородка и заканчивалось выше височно-нижнечелюстных суставов. При исследовании верхней челюсти сканирование начиналось от верхних зубов параллельно плоскости окклюзии зубов и заканчивалось при получении среза на уровне нижней стенки глазницы также с использованием толщины среза 2 мм. При исследовании черепа сканирование начиналось с верхней части черепа (либо от верхних зубов) и продолжалось до необходимого уровня с шагом 2 мм. В некоторых случаях, когда планировалось получить модель костей мозгового отдела черепа (с небольшим количеством мелких деталей), допускалось с целью снижения лучевой нагрузки, проводить исследование с толщиной среза 4 мм. At the first stage, it is necessary to obtain computed tomograms of the desired area of the patient's skull. Scanning should be carried out with certain parameters (intensity, step, number of scans), optimal for the further construction of a specific model. So, for example, to obtain comprehensive information in the design and manufacture of a high-quality stereolithographic model, we performed scanning with a minimum step of the coordinate table (in our case 2 mm) in high resolution mode (usually one of the standard modes, for example, for examining the middle ear). When examining the lower jaw, the plane of the slices was chosen parallel to the plane of occlusion of the teeth, scanning began from the chin and ended above the temporomandibular joints. When examining the upper jaw, scanning began from the upper teeth parallel to the plane of occlusion of the teeth and ended when a slice was obtained at the level of the lower wall of the orbit, also using a slice thickness of 2 mm. When examining the skull, scanning began from the upper part of the skull (or from the upper teeth) and continued to the required level in increments of 2 mm. In some cases, when it was planned to obtain a model of the bones of the brain part of the skull (with a small number of small parts), it was allowed to conduct a study with a cut thickness of 4 mm in order to reduce radiation exposure.

При сканировании важно, чтобы пациент лежал неподвижно. То есть, если сканируется голова, то на протяжении всего исследования (пока не будет получен полный набор томограмм) нельзя допускать изменения положения головы и нижней челюсти. Если возраст пациента менее 5-6 лет или его состояние не позволяет ему лежать неподвижно на протяжении довольно продолжительного времени (20-40 мин), то томографическое исследование рекомендуется проводить под наркозом, иначе стереолитографическая модель будет иметь неправильную и, следовательно, недостоверную форму. Для фиксирования головы во время исследования можно использовать цефалостат, далее проводят формирование трехмерного компьютерного образа биологического объекта, на этом этапе после получения данных томографии в виде цифровых файлов необходимо построить трехмерный компьютерный образ объекта. Здесь ключевым моментом является отбор из всего массива томографических данных только той информации, которая должна использоваться при построении СЛ модели (например, только костные структуры). Для этого необходимо найти определенный уровень отсечки. Разработанная нами компьютерная программа 3Dview (Абрамов С.С., Болдырев Н.И., Евсеев А.В. и др. , 1998) позволяет импортировать как оригинальные томографические данные, так и файлы в графическом формате PCX (5-й версии). В первом случае необходимый уровень отсечки определяется эмпирически путем задания коэффициента градиента интенсивности от 0 до 255. Таким образом, строя трехмерную модель, можно проверить правильность выбранного уровня. Во втором случае при использовании PCX файлов появляется возможность визуально определить те параметры, которым будет соответствовать твердая модель. When scanning, it is important that the patient lies still. That is, if a head is scanned, then throughout the study (until a complete set of tomograms is obtained), one cannot allow changes in the position of the head and lower jaw. If the patient is less than 5-6 years old or his condition does not allow him to lie still for a rather long time (20-40 minutes), then a tomographic examination is recommended under anesthesia, otherwise the stereolithographic model will have an irregular and, therefore, unreliable shape. For fixing the head during the study, you can use a cephalostat, then a three-dimensional computer image of the biological object is formed, at this stage, after obtaining tomography data in the form of digital files, it is necessary to build a three-dimensional computer image of the object. Here, the key point is the selection from the entire array of tomographic data of only the information that should be used when constructing the SL model (for example, only bone structures). To do this, you need to find a certain cutoff level. The 3Dview computer program developed by us (Abramov S.S., Boldyrev N.I., Evseev A.V. et al., 1998) allows importing both original tomographic data and files in the PCX graphic format (version 5). In the first case, the necessary cutoff level is determined empirically by setting the coefficient of the intensity gradient from 0 to 255. Thus, by constructing a three-dimensional model, we can verify the correctness of the selected level. In the second case, when using PCX files, it becomes possible to visually determine those parameters that the solid model will correspond to.

Разработанное программное обеспечение (3Dview) имеет возможность считывать исходные данные рентгеновского томографа, формировать яркостное представление и приводить изображение к трехмерной матрице яркости (байт на точку). При необходимости делает сглаживание трехмерного изображения с помощью окна 3х3х3. Вычисляет реальную границу объекта на изоражении и приводит представление объекта к объемной форме. Фильтрует твердотельное изображение (удаляет малогабаритные одиночные фрагменты и полости). Позволяет оператору-эксперту при необходимости выполнять интерактивное редактирование полученной твердотельной модели для удаления артефактов и внутренних закрытых полостей, которые не несут полезной информации и просто не могут быть изготовлены. Транслирует твердотельное представление в формат STL. The developed software (3Dview) has the ability to read the initial data of an X-ray tomograph, generate a brightness representation and bring the image to a three-dimensional brightness matrix (bytes per point). If necessary, smooths a three-dimensional image using a 3x3x3 window. Calculates the real boundary of the object on the image and reduces the representation of the object to a three-dimensional form. Filters a solid-state image (removes small-sized single fragments and cavities). Allows the operator-expert, if necessary, to interactively edit the resulting solid-state model to remove artifacts and internal closed cavities that do not carry useful information and simply cannot be manufactured. Translates solid state representation to STL format.

Используя возможности коммерческой программы CTsoft, которая позволяет работать с оригинальными файлами томограмм (так же, как это делается на томографе), и определяя параметры визуализации (такие, как размер и центр окна) можно, опираясь на величины плотности в единицах Хаунсфилда, отобразить на экране ткани определенной плотности (например, только кость). При этом оператор имеет возможность непосредственно на томографических срезах проконтролировать количество визуализируемой информации. Далее, программа позволяет получить PCX файл каждого скана. Поскольку не всегда удается избавиться от "лишней" информации (например, изображение срезов пластмассового подголовника компьютерного томографа, сравнимых по плотности с костными структурами), далее файлы в графическом формате PCX можно обрабатывать вручную, удаляя ненужную для получения модели информацию. Это можно делать в любом графическом редакторе, поскольку этот формат является универсальным для персональных IBM-совместимых компьютеров. Затем отредактированные файлы могут импортироваться программой 3DView с целью получения трехмерного файла STL-формата, который затем используется в стереолитографической установке для изготовления пластиковой копии объекта. Using the capabilities of the CTsoft commercial program, which allows you to work with original tomogram files (the same as you do on a tomograph), and determining visualization parameters (such as the size and center of the window), you can display on the screen based on the density values in Hounsfield units tissue of a certain density (for example, only bone). Moreover, the operator has the ability to directly control the amount of visualized information directly on tomographic sections. Further, the program allows you to get a PCX file for each scan. Since it is not always possible to get rid of “unnecessary” information (for example, the image of slices of a plastic headrest of a computer tomograph comparable in density to bone structures), further files in the PCX graphic format can be processed manually, deleting information that is not needed to obtain the model. This can be done in any graphics editor, since this format is universal for personal IBM-compatible computers. Then, the edited files can be imported by 3DView in order to obtain a three-dimensional file of the STL format, which is then used in a stereolithographic installation to make a plastic copy of the object.

Для создания трехмерной пластиковой модели исследуемого объекта полученные данные пересылаются в виде компрессированного файла по электронной почте в ИПЛИТ РАН (г. Шатура). Изготовление биомодели производится на стереолитографических установках американской фирмы "3D-Systems" SLA-250 и аналогичной ей ЛС-250, разработанной и изготовленной в ИПЛИТ РАН. В качестве основной фотополимеризующейся композиции (ФПК) применялась композиция отечественного производства ОКМ-2, синтезированная Институтом химической физики РАН. ОКМ-2 содержала ингибитор бисалкофен БП для предотвращения спонтанной полимеризации. ОКМ-2 эффективно полимеризуется по радикальному механизму. В качестве фотоинициатора радикальной полимеризации использовался 2,2'-диметокси-2-фенилацетофенон, известный под торговой маркой Irgacure 671. To create a three-dimensional plastic model of the object under study, the data obtained are sent in the form of a compressed file by e-mail to IPLIT RAS (Shatura). The biomodel is manufactured on stereolithographic installations of the American company "3D-Systems" SLA-250 and its analogue LS-250, developed and manufactured at IPLIT RAS. As the main photopolymerizable composition (FPK), a composition of domestic production OKM-2, synthesized by the Institute of Chemical Physics of the Russian Academy of Sciences, was used. OKM-2 contained a bisalkofen BP inhibitor to prevent spontaneous polymerization. OKM-2 is effectively polymerized by a radical mechanism. As a photoinitiator of radical polymerization, 2,2'-dimethoxy-2-phenylacetophenone, known under the brand name Irgacure 671, was used.

Стереолитографические модели отдельных костей и всего черепа пациента (или его фрагментов) использовались как шаблоны для производства эндопротезов (биоимплантатов) традиционными (литьевое прессование и полимеризация в гипсовых пресс-формах) способами при замещении имеющегося или сформированного во время операции (например, при удалении опухоли) дефекта. Технический результат заключается в расширении возможностей операций в челюстно-лицевой хирургии, повышении точности планирования операций и улучшении косметического и функционального результата хирургического лечения. Stereolithographic models of individual bones and the entire skull of the patient (or its fragments) were used as templates for the production of endoprostheses (bioimplants) by traditional (injection molding and polymerization in gypsum molds) methods when replacing existing or formed during the operation (for example, when the tumor was removed) defect. The technical result consists in expanding the capabilities of operations in maxillofacial surgery, increasing the accuracy of planning operations and improving the cosmetic and functional result of surgical treatment.

Для отработки и клинического применения метода стереолитографического биомоделирования были выбраны пациенты Московского центра детской челюстно-лицевой хирургии с патологией челюстно-лицевой области, требующей сложной реконструктивной операции. For the development and clinical application of the method of stereolithographic biomodeling, patients of the Moscow Center for Pediatric Maxillofacial Surgery with pathology of the maxillofacial region requiring complex reconstructive surgery were selected.

Всего за период февраль-ноябрь 2000 года было отобрано 19 пациентов. Средний возраст пациентов составил 11 лет (от 5 до 16 лет). Из них девочек 62,1% (11 человек) среднего возраста 11,5 лет (от 5 до 16 лет) и мальчиков 57,9% (8 человек) среднего возраста 10,4 лет (от 4 до 14 лет). Все пациенты имели сложную патологию челюстно-лицевой области. Больные были разделены на три группы. В первую группу вошли 5 больных (26,3%) с опухолевыми заболеваниями челюстно-лицевой и краниофациальной областей. Во вторую группу вошли 8 больных (42,1%) с врожденной патологией (врожденные пороки развития и сложные синдромы). В третью группу вошли 6 больных (31,6%) с дефектами и недоразвитиями челюстей. При этом заболевания в группах распределились так, как указано в табл.1. In total, between February and November 2000, 19 patients were selected. The average age of the patients was 11 years (5 to 16 years). Of these, girls 62.1% (11 people) of middle age 11.5 years (5 to 16 years) and boys 57.9% (8 people) middle age 10.4 years (4 to 14 years). All patients had a complex pathology of the maxillofacial region. Patients were divided into three groups. The first group included 5 patients (26.3%) with tumor diseases of the maxillofacial and craniofacial regions. The second group included 8 patients (42.1%) with congenital pathology (congenital malformations and complex syndromes). The third group included 6 patients (31.6%) with defects and underdevelopment of the jaw. Moreover, diseases in the groups were distributed as indicated in Table 1.

Всего было изготовлено 20 СЛ моделей для 15 из этих пациентов. Для остальных исследование было ограничено получением трехмерного компьютерного образа, что тоже, в свою очередь, предоставляло дополнительную информацию для хирурга (что можно сравнить по информативности со спиральной компьютерной томографией). Технология стереолитографического биомоделирования была применена для различных целей. Основные из них перечислены в табл.2. A total of 20 SL models were made for 15 of these patients. For the rest, the study was limited to obtaining a three-dimensional computer image, which, in turn, also provided additional information for the surgeon (which can be compared in terms of information content to spiral computed tomography). The technology of stereolithographic biomodeling has been applied for various purposes. The main ones are listed in Table 2.

Пример 1. Example 1

Пациент Г., 12 лет. Д-з: Синдром I-II жаберных дуг. Лобная плагиоцефалия справа. Patient G., 12 years old. Dz: Syndrome I-II of branchial arches. Frontal plagiocephaly on the right.

У данного пациента имеется сложное сочетание нескольких синдромов, выраженное в значительной деформации и асимметрии опорных и мягких тканей лица (деформация и недоразвитие фронтоорбитального комплекса справа, деформация костей носа, недоразвитие нижней челюсти справа, а также микротия справа). Пациент перенес неоднократные операции, в том числе реконструктивную операцию по поводу лобной плагиоцефалии, дистракцию нижней челюсти, первый этап отопластики справа. Через 6 месяцев после проведения операции по поводу лобной плагиоцефалии произошел рецидив (фиг.1). This patient has a complex combination of several syndromes, expressed in significant deformation and asymmetry of the supporting and soft tissues of the face (deformation and underdevelopment of the front orbital complex on the right, deformation of the nasal bones, underdevelopment of the lower jaw on the right, and microtia on the right). The patient underwent repeated operations, including reconstructive surgery for frontal plagiocephaly, lower jaw distraction, the first stage of otoplasty on the right. 6 months after surgery for frontal plagiocephaly, a relapse occurred (Fig. 1).

На данном этапе лечения решено проводить коррекцию деформации лобной кости. Особенности пациента связаны с дефицитом костной ткани в лобной области справа, что связано с ранее проведенной операцией, в этой области лобная кость содержала дефекты, что значительно осложнило бы проведение повторной реконструктивной операции в этой области и привело бы к неудовлетворительному косметическому эффекту. Поэтому было решено применить контурную пластику для устранения имеющейся деформации с помощью поднадкостничного имплантата из материала ПолиГАП на основе гидроксиапатита. Для изготовления индивидуального имплантата было решено использовать методику стереолитографического биомоделирования. At this stage of treatment, it was decided to correct the deformation of the frontal bone. The patient’s characteristics are associated with a deficiency of bone tissue in the frontal area on the right, which is associated with a previous operation, the frontal bone contained defects in this area, which would significantly complicate the repeated reconstructive surgery in this area and would lead to an unsatisfactory cosmetic effect. Therefore, it was decided to use contour plasty to eliminate the existing deformity using a subperiosteal implant made of PolyGAP based on hydroxyapatite. For the manufacture of an individual implant, it was decided to use the stereolithographic biomodeling technique.

Произведено послойное сканирование черепа пациента с использованием рентгеновского томографа Siemens Somatom CR с толщиной слоя 2 мм. Цифровые файлы томограмм в исходном формате были перенесены с жесткого диска томографа на персональный компьютер. Таким образом, удалось визуализировать полученные томограммы на персональном компьютере. Для перевода томограмм в STL-формат (трехмерный файл для стереолитографической установки) строилась математическая модель объекта как твердого тела. С помощью разработанного программного обеспечения (3Dview) набор плоскостных томограмм был импортирован и преобразован в трехмерный файл специального формата STL, который был использован для получения пластиковой копии (стереолитографической модели) трехмерного объекта на стереолитографической установке ЛС-250 (фиг.2). Указанная компьютерная программа позволяет использовать алгоритмы автоматической интерполяции для создания реалистичной модели, в отличие от стандартных САПР-приложений, которые неадекватно ведут себя при натягивании гладкой поверхности на контуры слоев с различной связностью. Такие алгоритмы позволяют избежать эффекта "ступенчатости" модели, точно повторяющей "ступеньки" при шаге томографа 2 мм. Таким образом, получаемая модель имеет гдакие контуры и поверхности, которые большее соответствуют реальным костным структурам. A layer-by-layer scan of the patient’s skull was carried out using a Siemens Somatom CR X-ray tomograph with a layer thickness of 2 mm. Digital tomogram files in the original format were transferred from the hard disk of the tomograph to a personal computer. Thus, it was possible to visualize the obtained tomograms on a personal computer. To convert tomograms to the STL format (a three-dimensional file for a stereolithographic installation), a mathematical model of the object as a solid was constructed. Using the developed software (3Dview), a set of planar tomograms was imported and converted into a three-dimensional file of a special STL format, which was used to obtain a plastic copy (stereolithographic model) of a three-dimensional object on a LS-250 stereolithographic installation (Fig. 2). This computer program allows you to use automatic interpolation algorithms to create a realistic model, in contrast to standard CAD applications that behave inappropriately when pulling a smooth surface on the contours of layers with different connectivity. Such algorithms make it possible to avoid the effect of "stepping" of the model, which exactly repeats the "steps" with a step of the tomograph of 2 mm Thus, the resulting model has some contours and surfaces that are more consistent with real bone structures.

Разработанное программное обеспечение выполняет следующие функции:
- читает исходные данные рентгеновского томографа;
- формирует яркостное представление и приводит изображение к трехмерной матрице яркости (байт на точку);
- при необходимости делает сглаживание трехмерного изображения с помощью окна 3х3х3;
- вычисляет реальную границу объекта на изоражении и приводит представление объекта к твердотельной форме;
- фильтрует твердотельное изображение (удаляет малогабаритные одиночные фрагменты и полости);
- позволяет оператору-эксперту при необходимости выполнять интерактивное редактирование полученной твердотельной модели для удаления артефактов и внутренних закрытых полостей, которые не несут полезной информации и просто не могут быть изготовлены;
- транслирует твердотельное представление в формат STL.
The developed software performs the following functions:
- reads the initial data of an x-ray tomograph;
- forms a luminance representation and brings the image to a three-dimensional brightness matrix (bytes per point);
- if necessary, makes smoothing a three-dimensional image using a 3x3x3 window;
- calculates the real boundary of the object on the image and brings the representation of the object to solid form;
- filters a solid-state image (removes small-sized single fragments and cavities);
- allows the expert operator, if necessary, to interactively edit the resulting solid-state model to remove artifacts and internal closed cavities that do not carry useful information and simply cannot be manufactured;
- translates solid-state representation in STL format.

Далее на основе полученной модели, которая представляла собой точную копию черепа пациента, был изготовлен восковой шаблон будущего имплантата, восстанавливающий симметрию верхней трети лица (фиг.3). Поскольку СЛ модель точно повторяет рельеф поверхности костей пациента, то внутренняя поверхность имплантата получилась полностью конгруентной. Далее на основе воскового шаблона был изготовлен эндопротез из материала ПолиГАП, что представляло собой чисто техническую задачу (фиг.4). Further, on the basis of the obtained model, which was an exact copy of the patient’s skull, a wax template of the future implant was made, restoring the symmetry of the upper third of the face (Fig. 3). Since the SL model accurately repeats the surface relief of the patient’s bones, the inner surface of the implant turned out to be completely congruent. Next, on the basis of a wax template, an endoprosthesis was made of PolyGAP material, which was a purely technical task (Fig. 4).

Во время операции устранения деформации лобной кости справа дополнительной коррекции имплантата не потребовалось. Вся операция свелась к обеспечению доступа (скелетирование лобной кости) и фиксации имплантата титановыми шурупами. Кожа ушита узловыми швами. Послеоперационный период протекал без особенностей. Заживление первичным натяжением. Швы сняты на 10 сутки после операции. Пациент выписан домой в удовлетворительном состоянии (фиг.5). During the operation to eliminate the deformation of the frontal bone on the right, additional implant correction was not required. The whole operation was reduced to providing access (skeletalization of the frontal bone) and fixing the implant with titanium screws. The skin is sutured with interrupted sutures. The postoperative period was uneventful. Primary healing. Sutures were removed 10 days after surgery. The patient was discharged home in satisfactory condition (figure 5).

Таким образом, изготовление индивидуального имплантата по описанной методике существенно сокращает время проведения операции, что снижает время воздействия наркоза на организм, а также позволяет получить предсказуемый удовлетворительный косметический результат. Thus, the manufacture of an individual implant according to the described method significantly reduces the time of the operation, which reduces the time of exposure to anesthesia on the body, and also allows to obtain a predictable satisfactory cosmetic result.

Пример 2. Example 2

Пациент В. , 3 лет. Д-з: Десмоидная фиброма нижней челюсти справа. В клинику поступил пациент с доброкачественной опухолью нижней челюсти справа. Около 3 месяцев назад родители заметили припухлость в области нижней челюсти справа, которая постепенно увеличивалась. По месту жительства была проведена биопсия, которая выявила доброкачественный характер образования (фиг.6). Patient B., 3 years old. Dz: Desmoid fibroma of the lower jaw on the right. A patient with a benign tumor of the lower jaw on the right was admitted to the clinic. About 3 months ago, parents noticed a swelling in the lower jaw on the right, which gradually increased. A biopsy was performed at the place of residence, which revealed a benign nature of the formation (Fig.6).

Пациент был комплексно обследован. По данным рентгенологического обследования и компьютерной томографии было выявлено, что опухоль поражает только тело и часть ветви нижней челюсти справа. Поэтому было принято решение о возможности проведения экономной резекции нижней челюсти с сохранением альвеолярного отростка и нижнего зубного ряда со стороны поражения. Устранить послеоперационный дефект нижней челюсти планировалось одномоментно эндопротезом из материала ПолиГАП на основе гидроксиапатита. The patient was comprehensively examined. According to X-ray examination and computed tomography, it was revealed that the tumor affects only the body and part of the lower jaw branch on the right. Therefore, it was decided about the possibility of an economical resection of the lower jaw with preservation of the alveolar process and the lower dentition from the affected side. It was planned to eliminate the postoperative defect of the lower jaw simultaneously with an endoprosthesis from the PolyGAP material based on hydroxyapatite.

Для изготовления индивидуализированного прецизионного эндопротеза было решено использовать методику стереолитографического биомоделирования. На комьютерном томографе Siemens Sometom CR произведено послойное (с шагом 2 мм) сканирование нижней челюсти пациента. По описанной выше методике получена стереолитографическая модель (фиг.7), а также с помощью симметрических преобразований цифровых данных получена зеркальная модель нижней челюсти. For the manufacture of an individualized precision endoprosthesis, it was decided to use the stereolithographic biomodeling technique. On a Siemens Sometom CR computer tomograph, a layer-by-layer (2 mm pitch) scan of the patient's lower jaw was performed. According to the method described above, a stereolithographic model was obtained (Fig. 7), and a mirror model of the lower jaw was obtained using symmetric transformations of digital data.

На модели произведена симуляция операции резекции нижней челюсти. С использованием зеркальной модели изготовлен макет эндопротеза, полностью симметричного здоровой стороне, устраняющего полученный дефект. На основе макета изготовлен восковой шаблон (фиг.8), который использовался в стандартном технологическом процессе для изготовления биосовместимого эндопротеза из материала ПолГАП (фиг.9). The model simulated resection of the lower jaw. Using a mirror model, a mock endoprosthesis was made, completely symmetrical to the healthy side, eliminating the resulting defect. Based on the layout, a wax template was made (Fig. 8), which was used in the standard technological process for the manufacture of a biocompatible endoprosthesis from the material PolyGAP (Fig. 9).

Произведена операция удаления опухоли, экономной резекции нижней челюсти справа. Полученный дефект устранен заранее изготовленным эндопротезом, который точно подошел. Экзартикуляция не производилась. Эндопротез фиксирован титановыми минипластинами и винтами. Установка эндопротеза не потребовала дополнительной его коррекции, что существенно сократило время операции. An operation was performed to remove the tumor, an economical resection of the lower jaw on the right. The resulting defect is eliminated by a prefabricated endoprosthesis that fits exactly. Exarticulation was not performed. The endoprosthesis is fixed with titanium miniplates and screws. The installation of the endoprosthesis did not require additional correction, which significantly reduced the time of the operation.

После операции контур нижней челюсти со стороны поражения симметричен здоровой стороне, функция нижней челюсти в норме. Таким образом, получен хороший косметический и функциональный результат (фиг.10). After surgery, the contour of the lower jaw on the affected side is symmetrical to the healthy side, the function of the lower jaw is normal. Thus, a good cosmetic and functional result was obtained (Fig. 10).

Литература
1. Методика рентгено-цефалометрического анализа при обследовании больных с зубочелюстными аномалиями и деформациями. Методические рекомендации. Калинин, 1988, с.3-10.
Literature
1. The technique of x-ray cephalometric analysis in the examination of patients with dentoalveolar anomalies and deformities. Guidelines. Kalinin, 1988, p. 3-10.

2. Актуальные вопросы челюстно-лицевой хирургии. С-Петербург, 1995, с. 51-57. 2. Actual issues of maxillofacial surgery. St. Petersburg, 1995, p. 51-57.

3. Шалумов А. З., Лющанов М.А., Бажанов Н.Н. и др. Способ изготовления трансплантата для устранения дефектов и деформаций опорных тканей лица. Стоматология. - 1998. - 77(5):26-29. 3. Shalumov A.Z., Lyuschanov M.A., Bazhanov N.N. and others. A method of manufacturing a transplant to eliminate defects and deformations of the supporting tissues of the face. Dentistry - 1998 .-- 77 (5): 26-29.

Claims (1)

Способ изготовления стереолитографических моделей и биоимплантатов в черепно-челюстно-лицевой области путем проведения рентгеновской компьютерной томографии, формирования трехмерного компьютерного образа биологического объекта и построения по нему трехмерной пластиковой модели биологического объекта, отличающийся тем, что сканирование при проведении рентгеновской компьютерной томографии осуществляют с минимальным шагом координатного стола в режиме высокого разрешения при неподвижном положении пациента на протяжении получения полного набора томограмм, из массива томографических данных отбирают посредством установления уровня отсечки, задавая коэффициент градиента интенсивности от 0 до 225, информацию для восстановления образа костных структур определенной плотности для построения стереолитографической модели. A method of manufacturing stereolithographic models and bioimplants in the cranial-maxillofacial region by performing X-ray computed tomography, forming a three-dimensional computer image of the biological object and constructing a three-dimensional plastic model of the biological object from it, characterized in that the scanning during X-ray computed tomography is carried out with a minimum coordinate step table in high resolution with the patient stationary while receiving complete set of tomograms of an array of tomographic data are selected by setting the cutoff level, setting the intensity gradient ratio from 0 to 225, information for restoring the image of the bone structures to construct certain density stereolithographic model.
RU2001111376A 2001-04-26 2001-04-26 Method for producing stereo lithographic models and biological implants usable in cranio-maxillofacial surgery RU2196543C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2001111376A RU2196543C1 (en) 2001-04-26 2001-04-26 Method for producing stereo lithographic models and biological implants usable in cranio-maxillofacial surgery

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2001111376A RU2196543C1 (en) 2001-04-26 2001-04-26 Method for producing stereo lithographic models and biological implants usable in cranio-maxillofacial surgery

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2196543C1 true RU2196543C1 (en) 2003-01-20

Family

ID=20248966

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2001111376A RU2196543C1 (en) 2001-04-26 2001-04-26 Method for producing stereo lithographic models and biological implants usable in cranio-maxillofacial surgery

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2196543C1 (en)

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2492816C1 (en) * 2012-03-30 2013-09-20 Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Первый Московский государственный медицинский университет им. И.М. Сеченова Министерства здравоохранения и социального развития Российской Федерации (ГБОУ ВПО Первый МГМУ им. И.М. Сеченова Минздравсоцразвития Method of operative treatment of patients with kidney tumour
RU2508070C2 (en) * 2012-05-16 2014-02-27 Андрей Иванович Ушаков Reconstruction of frontal part of upper jaw by means of stereolithographic model
RU2548317C2 (en) * 2013-09-03 2015-04-20 Константин Александрович Куракин Method for planning orthognatic surgical operation
RU2598769C1 (en) * 2015-07-22 2016-09-27 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Приволжский федеральный медицинский исследовательский центр" Министерства здравоохранения Российской Федерации Method of making a personalized precision bioimplant for single-step bone defect replacement
RU2629352C2 (en) * 2016-02-15 2017-08-28 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Приволжский федеральный медицинский исследовательский центр" Министерства здравоохранения Российской Федерации Method for personified immobilizing articles manufacture
RU2658743C2 (en) * 2015-08-31 2018-06-22 Расуль Радикович Якупов Method of spacer femoral component preoperative design and preforming in the hip joint revision arthroplasty
RU2709838C1 (en) * 2019-05-15 2019-12-23 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Самарский государственный медицинский университет" Министерства здравоохранения Российской Федерации Method for preoperative planning of bone osteosynthesis of long tubular bones
RU197305U1 (en) * 2019-12-17 2020-04-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Самарский государственный медицинский университет" Министерства здравоохранения Российской Федерации TEMPLATE MODELING TEMPLATE

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ШАЛУМОВ А.З. и др. Способ изготовления трансплантата для устранения дефектов и деформаций опорных тканей лица. Стоматология. - 1998, 77 (5), с.26-29. *

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2492816C1 (en) * 2012-03-30 2013-09-20 Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Первый Московский государственный медицинский университет им. И.М. Сеченова Министерства здравоохранения и социального развития Российской Федерации (ГБОУ ВПО Первый МГМУ им. И.М. Сеченова Минздравсоцразвития Method of operative treatment of patients with kidney tumour
RU2508070C2 (en) * 2012-05-16 2014-02-27 Андрей Иванович Ушаков Reconstruction of frontal part of upper jaw by means of stereolithographic model
RU2548317C2 (en) * 2013-09-03 2015-04-20 Константин Александрович Куракин Method for planning orthognatic surgical operation
RU2598769C1 (en) * 2015-07-22 2016-09-27 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Приволжский федеральный медицинский исследовательский центр" Министерства здравоохранения Российской Федерации Method of making a personalized precision bioimplant for single-step bone defect replacement
RU2658743C2 (en) * 2015-08-31 2018-06-22 Расуль Радикович Якупов Method of spacer femoral component preoperative design and preforming in the hip joint revision arthroplasty
RU2629352C2 (en) * 2016-02-15 2017-08-28 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Приволжский федеральный медицинский исследовательский центр" Министерства здравоохранения Российской Федерации Method for personified immobilizing articles manufacture
RU2709838C1 (en) * 2019-05-15 2019-12-23 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Самарский государственный медицинский университет" Министерства здравоохранения Российской Федерации Method for preoperative planning of bone osteosynthesis of long tubular bones
RU197305U1 (en) * 2019-12-17 2020-04-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Самарский государственный медицинский университет" Министерства здравоохранения Российской Федерации TEMPLATE MODELING TEMPLATE

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Plooij et al. Digital three-dimensional image fusion processes for planning and evaluating orthodontics and orthognathic surgery. A systematic review
Robiony et al. Virtual reality surgical planning for maxillofacial distraction osteogenesis: the role of reverse engineering rapid prototyping and cooperative work
Novelli et al. Virtual surgery simulation in orbital wall reconstruction: integration of surgical navigation and stereolithographic models
Toro et al. Feasibility of preoperative planning using anatomical facsimile models for mandibular reconstruction
US6671539B2 (en) Method and apparatus for fabricating orthognathic surgical splints
KR101590330B1 (en) Method for deriving shape information
Arvier et al. Maxillofacial biomodelling
Popat et al. New developments in: three‐dimensional planning for orthognathic surgery
Olszewski Three-dimensional rapid prototyping models in cranio-maxillofacial surgery: systematic review and new clinical applications
Holck et al. Benefits of stereolithography in orbital reconstruction
Caloss et al. Three-dimensional imaging for virtual assessment and treatment simulation in orthognathic surgery
Kasaven et al. Accuracy of both virtual and printed 3-dimensional models for volumetric measurement of alveolar clefts before grafting with alveolar bone compared with a validated algorithm: a preliminary investigation
Yau et al. Maxillofacial biomodelling—preliminary result
RU2196543C1 (en) Method for producing stereo lithographic models and biological implants usable in cranio-maxillofacial surgery
Wang et al. Design and manufacture of dental-supported surgical guide for genioplasty
Lo et al. Applications of three-dimensional imaging techniques in craniomaxillofacial surgery: A literature review
Beek et al. Surgical accuracy in 3D planned bimaxillary osteotomies: intraoral scans and plaster casts as digital dentition models
Yaxiong et al. The customized mandible substitute based on rapid prototyping
Mitić et al. Reverse modeling of the human mandible 3D geometric model
Alhabshi et al. Role of three-dimensional printing in treatment planning for orthognathic surgery: A systematic review
Yamashita et al. Accuracy of three-dimensional soft tissue profile prediction in orthognathic surgery
Husain et al. Procedure for creating personalized geometrical models of the human mandible and corresponding implants
Anchieta et al. Rapid prototyping applied to maxillofacial surgery
RU2371141C2 (en) Method of functional rehabilitation of patients underwent operations of locally advanced mouth floor and mandible tumours
Tsuchida et al. Effects of number of metal restorations and mandibular position during computed tomography imaging on accuracy of maxillofacial models