3D Реконструиране от томографски изображения на челюстна кост за субпериостални импланти и практическото и приложение

В настоящото изследване материал е разгледана широко използваната от имплантолози конструкция на субпериостален имплантат. Изграждането и е предложено да се осъществява без предварително взимане на отпечатък от коста с предварителна хирургическа операция, а с използване на 3D томографско изображение на костта и последваща тримерна реконструкция. Получения тримерен модел се използва какато за изграждане на модел на коста с технологията за бързо прототипиране и следващо моделиране по ннего и отливане, така и за още по качествено и бързо директно компютърно виртуално изграждане на импланта и изработването му с технология „Селективно лазерно разтопяване“ директно от хромкобалнови или титанови сплави.

In the paper was worked out   research of the “design – to – implementation” cycle of widely used in Implantology subperiosteal implants. New approach of “design –manufacturing-implementation” was carried out without making a pattern, based on real bone copy after initial surgery intervention. The new approach used 3D tomographic image of the bone and subsequent 3D reconstruction. The reconstructed  bone   3D model can be used two ways - for the plastic materialization the model of the bone with the rapid prototyping technology and subsequent manual modeling the implant over the plastic bone and conventional casting, or using more progressive Virtual Engineering Technology, high-quality and fast direct virtual shaping in 3D the implant and it’s materialization physically using state of the art technology, called "selective laser melting- SLM" directly by CrCo or Titanium alloys.

ВЪВЕДЕНИЕ

В нашето съвремие възстановяването на частично или цялостно загубените зъби се прави масово чрез поставяне на вътрекостни зъбни имплантати и последващо полуподвижно или неподвижно протезиране. В редица случаи костта е недостатъчна или винтовете попадат в неподходящи за протезиране места, напр. при горната челюст – синусните кухини, а на долната – долно челюстният канал и приложението на вътрекостни имплантати е невъзможно или става възможно след костна пластика, операция, която е скъпа, изисква много време и не е гарантирана. Челюсти, които имат напреднала атрофия на алвеоларната кост представляват трудност за протезиране в стоматологията, както с плакови протези, така и с вътрекостни т. нар. ендосални имплантати. Нещо повече, в случаите на много силна атрофия всякаква костна пластика е невъзможна и дори рискована. Поради тази причина се налага създаването на опори за неподвижно протезиране на горна и долна челюст с помощта на така наречените  субпериостални имплантати, които се използват при напълно и субтотално обеззъбени челюсти. Наименованието идва от латинското sub– което означава „под” и periosteum –„надкостница”, т.е. под надкостницата. Така тези имплантати се поставят върху костта и под надкостницата.

Посредством този възстановителен подход се избягват сложните, скъпи и продължителни операции за уголемяване на костта с цел поставяне на ендосални имплантати, както и големият риск от фрактура на долната челюст при прилагането на други методи (например трансмандибуларни имплантати). Стоматологът има възможността за комбиниране на субпериостален имплантат и естесвени зъби, както и комбиниране на субпериостален имплантат с мостова или ставно свързваща се протезна конструкция.  Освен това за разлика от  интраосалните (вътрекостните) имплантати, субпериосталните не изискват наличието на особено голямо количество кост.
Възможна алтернативата са частичните или тотални плакови протези, нещо, което повечето от пациентите намират за неприемливо, въпреки широката реклама на лепилата за протези от рода на Корега.

Друга алтернатива са субпериосталните имплантати . Въпреки, че този метод отблъскваше пациентите дълго време, поради няколко причини [1]:
1. Страх на пациента от две хирургически интервенции – една за вземане на отпечатък от костта и втора – за поставянето на имплантата.
2. Недостатъчна на височина и дебелина алвеоларна кост за вътрекостно имплантиране и свързаните с това продължителни хирургични интервенции за уголемяване на костта, за да стане тя пригодна за такова.
3. По финансови причини.
4. Непознаване теоретически и невладеене на оперативната техника на субпериосталното имплантиране от страна на практикуващите стоматолози.

СУБПЕРИОСТАЛНИ ИМПЛАНТИ
Субпериосталните импланти са една от първите форми имплантати въобще в по-новата история на имплантологията. За пръв път през 1943 г. Gustav Dahl [2] имплантира тотална субпериостална скара с 4 пънчета, върху която изработва неподвижна протеза.


Фиг. 1 Субпериостални импланти на Dahl. [2]


Фиг. 2 Субпериосталните имплантати през 1943. [3]

Малко по-късно, през 1947 г. Goldberg и Gershkoff  [4] имплантират масивна субпериостална скара на долна челюст, която фиксират за костта с винтове.


Фиг. 3 Субпериостални импланти на път Goldberg и Gershkoff, при който за пръв се използват винтове за фиксирането му. [4]

Мощен тласък в развитието на субпериостални импланти безспорно дава Linkow [5].  В своя забележителен научен труд „Theories and techniques of dental implants”, Linkow обобщава целия световен имплантологичен опит до момента. Той развива една стройна и пълна система за имплантиране, част от която е и тази за субпериосталните имплантати. Оригинално решение през 1984 г. в това отношение е т.н.- триподален субпериостален имплантат. Триподален, понеже няма цялостна рамка, а 3 отделни субпериостални рамки са обединени от обща надвенечна шина със сферични стави за съчленяване на протезата.


Фиг. 4 Триподалният имплантат на Linkow. [5]

Субпериосталните имплантати дълго са били пренебрегвани, поради факта, че са давали възпаление на костта с последващо стопяване. В последствие е била създадена конструкция с екстензирани свободни пространства, което позволява на костта да се храни правилно и днес резултатите при използуването им като клинична успеваемост са съпоставими с тези на интраосалните имплантати. Те се явяват добра алтернатива на интраосалните имплантати, за които в доста от случаите, поради недостатъчно количество кост, е необходима костна пластика и по-добрата алтернатива на подвижните протези.

ТЕХНОЛОГИЧНИ ЕТАПИ ПРИ СЪЗДАВАНЕ НА СУБПЕРИОСТАЛНИ ИМПЛАНТИ

1 - вземане на отпечатък. При него се вземат отпечатъци от челюстите, отливат се гипсови модели и върху тях се изработват прикусни шаблони. След снемане на прикус се нареждат зъби като за протеза.
2 - предварителна хирургическа интервенция. Поставя се идивидуалната лъжица върху челюстта и с кръгъл борер през отворите се маркират местата на бъдещите пънчета. Индивидуалната лъжица се ажустира върху костта и се взима отпечатък. Това е при двустепенния процес. Има и едностепенен процес, при който се избягва първата хирургическа интервенция, като за целта се използва реконструкция от компютърна томография. Процес, който ще бъде разгледан в настощия материал. [3]
3 - Отлива се модел, следва моделиране с профилни восъци, опаковане и моделно леене. Подготвеният субпериостален имплантат се стерилизира в автоклав и е готов следващия етап.
4 - същинска хирургическа интервенция. Тя се извършва 3 - 4 седмици след предварителната.
Пациентът се кани ежедневно до свалянето на конците за премахване плаката на пънчетата, което гарантира спокойното зарастване на раната.
5 – ортопедичен. Към него може да се притъпи седмица до десетина дни след свалянето на конците на втората операция, когато вече няма опастност да се отвори оперативната рана и когато цикатриксът вече е ретрахирал. Взема се отпечатък в захапка по обичайния метод със солид и коректура. Изработва се мостова конструкция. [3]

Конструкции субпериостални импланти

Техниката на субпериостално имплантиране е стар алтернативен метод на първите вътрекостни имплантационни методи в устната кухина. Като материал тогава се е използвал виталиум. Сега се използват предимно титанови сплави и в по-малка степен т. нар. "пасивирани" хром-кобалт-молибденови сплави. Важно е да се отбележи, че коронките и мостовете върху тези субпериостални имплантати се изработват от металокерамика или фотополимер, като металната основа и в двата случая трябва да бъде задължително от титанова сплав, за да се избегне електрическо напрежение между протезата и имплантата, т.н. би-поли-метализъм. При стойности на това електрическо напрежение над 100 mV, колкото е естественото електрическо напрежение на живата клетка, се получава увреждане на костните клетки, което е пагубно за имплантата. Ако имплантата се изработва от друга сплав, то коронките или мостовете се изработват от същата сплав по гореуказаните причини.
В днешно време имплантолозите използват субпериостални имплантати с широки пространства между периферната "рамка" и напречните "ребра", изглеждащи както е показано на фиг. 5. Надвенечната част, т.нар. "глави" на субпериосталния имплантат варират по брой и разположение.



Фиг. 5 Съвременен субпериостален имплантат.

Те могат да бъдат от 1 до 6 броя в зависимост от това, дали се касае за дистално неограничено, междинно или тотално обеззъбяване на челюстите. Оперативната техника обаче се е запазила принципно същата и до ден днешен. За направа на субпериостален имплантат се изисква депериостиране на обеззъбения участък, рутинна хирургическа манипулация, използвана при много други хирургични стоматологични операции и отпечатък от костта, който при наличието на съвременните отпечатъчни материали не е проблем и в техническо отношение твърде много прилича на познатите от ортопедичната стоматология отпечатъчни техники. Субпериосталните имплантати лежат върху костта (не навлизат в нея) на много голяма площ и се закрепват посредством прорастване на фиброзна съединителна тъкан, която ги обхваща изцяло (фиг. 6). При това не е необходим период на костна интеграция. Периостът (надкостницата)  и лигавицата на венеца зарастват върху тях за не повече от 2 седмици.



Фиг. 6 Субпериостален имплантат – отново модел от 1943 г. (Dahl). [2]


Фиг. 7 Съвременен субпериостален имплантат. [3]



Фиг. 8 Ортопантомография (ренген) на тотални субпериостални имплантати на горна и долна челюст.

Като проблем свързан със субпериостален имплантат се явява възможността за добро разпределяне на дъвкателното на¬товарване върху костта, което зависи преди всичко от два основни критерия – материала на импланта и геометрия/дизайн на импланта. С цел по-равномерно разпределяне на натоварването при дъвкателен процес (около 600 N) се препоръчва да се задава хлабина между реброто, носещо главата, и костта, както е указано на фиг. 9. [6]



Фиг. 9 Хлабина между реброто, носещо главата, и костта. [6]

Предвидени са бъдещи оптимизационни задачи с цел намирането на оптимална форма на импланта, която да натоварва максимално равномерно костта.



Фиг. 10 Как изглеждат нещата в нашето съвремие.

Реконструиране от томографски изображения

Томографски изображения: томографията е метод за изучаване на костната тъкън с помощта на ренгенови лъчи. Използва се широко в областта на стоматологията, защото позволява да се снеме тримерно изображение на челюстта. На фиг. 11 е показан томографски апарат.


Фиг. 11 Общ вид на 3D томографски ренгенов скенер.

По време на експозиция, уреда томограф фиксира 300 разреза в зъбочелюстната област в различни проекции, след  което с помощта на компютърна специализирана програма, на тяхна база, се създава 3D модел на изследваната област. Времето за сканиране е 14 секунди, а резултата е впечатлявощо качество на постигнатите тримерни изображения, като изключителна яснота и прецизност, особено при оглед на костната структура, върху която се планира да се поставя субпериостален имплантат. С помощта на томографията се избягва първата предварителна хирургическа интервенция, с което се спестяват значителни усилия и време от страна на пациента.

На фиг. 12 е показано типично 3D цветно томографско изображение  на лицево-челюстна област.


Фиг. 12 3D томографско изображение.

Субпериостален имплантат се изграждат прецизно на базата на снетото тримерно томографско изображение в специализиран софтуерен CAD пакет.



Фиг 13. Лят субпериостален имплантат (Cr-Co-Mo) на базата на двустепенният процес (снемане на отпечатък) в ляво и CAD създаден модел на основата на томографско изображение в дясно при едностепенен процес.  [7]

Компютърната томография е създадена като първооснова още през 1972 г. от G. Hounsfield, A. Cormac, които по-късно (1979 г.) стават и нобелови лауреати.  Показаните на снимката импланти са ляти модели по класическа технология.

Реконструиране от томографски изображения

С навлизането на CAD/CAM – технологиите бе предизвестено едно ново начало в областта на СИ. Първият известен опит е на Fisher [8] от Австралия, през 1993 г. Той описва CAD/CAM метод за субпериостално имплантиране за лечение на напълно обеззъбени челюсти. Благодарение на това вече не са необходими 2 оперативни интервенции, а само една. От снетото тримерно компютърно томографско изображение може, чрез подходяща трансформация на файловия масив, да се извлече цялата информация, която след това се конвертира в 3D CAD модел. Той от своя страна, след дообработка, се прехвърля в CAM частта, където се извършва фрезоване. Полученият цифров код (NCL – Number Cutter Location) се постпроцесира, така че да бъде годен да се прочете от управлението на ЦПУ фреза. На машината се изработва модела. В същност се произвежда негативен отпечатък на сканираната от томографа челюст от блок технически восък. Така полученият модел се запълва с епоксидна смола, за да се създаде позитивна реплика на челюстта. [9] От нея се отива към метода на леене по стопяеми модели.

За ускоряване на процеса, както и за постигането на по-голяма скорост на изпълнение, ще се обърне специално внимание на новите техники за производство на импланти – използването на 3D принтирането.

На основата на полученият 3D CAD модел може да се експортира информацията във вид на *.stl файл, който по нататък да отиде на към машина за бързо прототипиране, например такава, работеща по технологията стереолитография, с цел изработване на краен модел. Той се използва, след това, като основа за леене по стопяем модел. Така, макар да бъдат използвани много съвременни и прогресивни методи на работа, крайния резултат отново се получава посредством класическото леене по стопяеми модели.

На базата на опитите извършени в МТФ при ТУ – София с помощта на томограф се създаде точен компютърен модел на челюстта, която се изработи като физически обект от пластмаса чрез използването на налична във факултета прототипираща машина, както е показано на фиг. 14.


Фиг. 14. Физически прототип на долна челюст изработен от пластмаса на 3D принтер в МТФ при ТУ – София.

Технологията позволява още на виртуално ниво на основата на геометрията на челюстта, която идва от томографския апарат, прецизно да се моделира виртуален модел на субпериостален имплантат в CAD 3D пакет, чиито модел е визуализиран на фиг. 15.



Фиг. 15 Виртуален модел на субпериостален имплантат, конструиран в 3D CAD софтуерна система на основата на модел на виртуална тримерна челюст, получена директно от томографски апарат

В МТФ при ТУ – София на разположение за експериментите е най-съвременна машина за прототипиране – SLM 125 (Sinter Laser Melting – директно лазерно стопяване), която работи с различни метали и сплави (в прахообразен вид), в т.ч. с CrCo и Ti сплави. Това позволява крайния работещ модел на субпериостален имплантат да се създаде на нея директно от конструирания виртуален модел.


Фиг. 16 Общ изглед на прототипиращата машина SLM 125. [10]

Изводи. Субпериостални импланти – причини за преоткриването им

Субпериосталното имплантиране е сравнително бърз и не много труден за изпълнение имплантационен метод, състоящ се от познати елементи на хирургичната техника при други видове хирургични стоматологични интервенции, познати отпечатъчни техники и рутинни протетични методи. [11] Той съчетава в себе си оптимална комбинация между бързина на изпълнение, цена, функционалност и естетичност. Субпериосталните имплантати се изработват по обичайните зъботехнически методи - моделиране, леене и полиране, така и по нови пргресивни чисто машиностроителни способи. [10] Възможността да се сканира бързо чрез компютърен томограф и да се получи много точен тримерен цветен модел на сканираната зона, след това това изображение да се прехвърли в софтуерен CAD пакет; по него да се дооформи модела в 3D вид на челюстта, от където виртуално да се моделира субпериосталния имплантат (който може да бъде и якостно оразмерен и конструктивно оптимизиран с цел да разпределя дъвкателното натоварване максимално равномерно [6]) и след това този виртуален модел на субпериосталния имплантат се трансформира към управляваща програма на машина за директно метално изграждане (SLM 125) [10], където след съответните манипулации се произвежда качествен субпериостален имплантат. Така се избягва практически изцяло зъботехническата лаборатория и свързаните с това многобройни конструктивни и производствени затруднения. [1] [10] [11] Не на последно място трябва да се упомене и голямото удобство за пациента, защото в този процес той ще претърпи само една хирургическа интервенция, свързана с поставянето на имплантата (а не две, както е по класическата технология до сега, което до известна степен се явява и основна причина за не особено голямата популярност на този вид импланти).  

Готов на субпериостален имплантат може да се види на картината от по-долу, фиг. 17. На фиг. 18 е дадена панорамна ренгенова снимка на същия участък, а на фиг. 19 е показан крайния резултат при същия пациент. [12]  


Фиг. 17 Снимка на субпериостален имплантат. [12]


Фиг. 18 Панорамна ренгенова снимка на същия субпериостален имплантат. [12]


Фиг. 19 Краен резултат на същия пациент. [12]

Библиография
1.    д-р Христо Христов (2002). Субпериосталните имплантати - една добра алтернатива при недостатъчна за вътрекостно имплантиране кост. в-к "Стоматологичен свят" бр.1, януари 2002г.
2.    Dahl, G.S. (1943) Om mojlighenten for implantation I kakan ov metallskelett som bas eller retention for fasta eller aavalagbara protesor. Odontol. Tidskr. 51, 440 - 449.
3.    Ива Узунова, Георги Запрянов. Субпериостални имплантати – една добра алтернатива при недостатъчна за вътрекостно имплантиране кост.
4.    Goldberg, N.I. &Gershkoff, A. (1949). The implant lower denture. Dental Digest 55: 490-495
5.    Linkow, L. I., R. Chercheve (1970). Theories and techniques of oral implantology. St. Louis, Mosby.
6.    Г. Тодоров, Я. Софронов, Х. Христов. Якостно и деформационно поведение на субпериостални имплантати. Списание машиностроене и електротехника, брой 6 2013 г.
7.    A. Norman Cranin, DDS, Deng Michael Klein, DDS John P. Ley, DDS John Andrews, DDS Robert DiGregorio, PharmD. An in vitro comparison of the computerized tomography/cad-cam and direct bone impression techniques for subperiosteal implant model generation. Journal of oral implantology. Vol. XXIV/No. Two/1998.
8.    Fischer J.E.(1993), CAD/CAM subperiosteal implants in Australia. Case report, Aust Dent J. 1993 Oct;38(5):413.
9.    Marc L. M. McAllister, application of stereolithography to subperiosteal implant manufacture. Journal of oral implantology. Vol. XXIV/No. Two/1998
10.    Г. Тодоров, Н. Николов, В. Митов, Я. Софронов. Изграждане на зъбна метална конструкция тип носеща вложка чрез технологията „селективно лазерно разтопяване” в ТУ – София.
11.    д-р Христо Христов (1999). Създаване на опори за неподвижно протезиране на горната и долната челюст с напреднала атрофия с помощта на субпериостални имплантати. сп. Дентал Алманах бр. 1 / 1999год.
12.    Kazuki Takaoka, Emi Segawa, Kazuma Noguchi, Hiromitsu Kishimoto, Masahiro Urade Maxillary subperiosteal implantitis that caused severe bone resorption of the maxilla with perforation of the maxillary sinus and sinusitis: A case report. Journal of Stomatology. 2013, 3, 226-229.


Това изследване е осъществено по проект Проект BG051PO001-3.3.06-0046 „Подкрепа за развитието на докторанти, постдокторанти и млади учени в областта на виртуалното инженерство и индустриалните технологии” при Министерство на Образованието и Науката.

За повече информация - на имейл pfhristov@yahoo.com