Применение компьютерного инжиниринга при планировании минимально инвазивного быстрого расширения верхней челюсти у взрослых пациентов

В статье оцениваются характер деформации и уровень напряжений в верхней челюсти взрослого пациента при проведении ее аппаратурно-хирургического расширения путем проведения цифровых испытаний.

Введение

Современный мир требует от взрослого человека соответствия целому ряду параметров. Он должен не только состояться в работе, вести активную социальную жизнь, но и иметь красивую представительную внешность. Голливудская улыбка при этом является визитной карточкой успеха, как говорится, must have для каждого. Но что делать, если прикус имеет серьезные отклонения от нормы? Например, слишком узкая верхняя челюсть, когда просто лечение на брекет-системе (без операции) не решит проблему?

Далеко не каждый пациент соглашается на проведение полноценной остеотомии челюсти, поскольку трезво осознает возможные осложнения и к тому же не хочет выпадать из ритма деловой жизни на время реабилитационного периода. Поэтому сегодня при сотрудничестве ортодонтов и челюстно-лицевых хирургов разработан ряд методик минимально инвазивного аппаратурно-хирургического расширения верхней челюсти у взрослых пациентов, позволяющих проводить операцию в амбулаторном формате с меньшим периодом реабилитации .

Поскольку современная медицина опирается на принцип доказательности, проведение любых медицинских манипуляций и/или операций подразумевает наличие фактов, аргументирующих целесообразность и результативность той или иной процедуры. Что касается изучения особенностей аппаратурно-хирургического расширения верхней челюсти для достижения оптимального результата, то в актуальной периодической литературе встречается описание нескольких методов, особенности которых хотелось бы коротко изложить.

1. Оценка параметров моделей на основе теории фотоупругости с помощью полярископа после выполнения распилов материала, имитирующего костную ткань, и активации ортодонтических аппаратов. Недостатком данного метода является сложность в имитации анатомических структур черепа фотоупругими моделями, отсутствие в них костных швов и периодонтальной связки. Помимо этого, есть различия в модуле упругости между костной тканью и фотоэластичными материалами .
2. Эксперименты на лабораторных животных. Исследование является крайне трудоёмким, а результаты, полученные на животных, сложно экстраполировать на человека .
3. Тестирование in vitro с использованием тензометрических датчиков, прикрепленных к костям черепа. Главным недостатком метода является отличие параметров сухой костной ткани биоматериала от параметров костной ткани живого человека. Некоторые исследователи делают акцент на том, что препараты, как правило, получены от людей старшей возрастной группы, к тому же утративших часть зубов. Основным препятствием для применения подобного метода в наше время является ужесточение требований этического комитета .
4. Компьютерный инжиниринг. Он представляет собой группу передовых технологий, основанных на совместном применении фундаментальных законов физики и численных методов, реализованных в специализированных программных системах инженерного анализа. При моделировании технических систем инструменты компьютерного инжиниринга позволяют отказаться от натурных испытаний и перейти к цифровым испытаниям с повышением экономической эффективности и без снижения результативности эксперимента.

Компьютерное моделирование и цифровые испытания (трехмерный анализ методом конечных элементов применительно к костной ткани) имеют следующие преимущества: абсолютная неинвазивность; точный расчёт величины напряжений в любой точке тела; графическая визуализация перемещений и деформаций; реализация любых схем нагружения в зависимости от клинической ситуации; повторение исследования неограниченное количество раз и полное отсутствие этических возражений.

Конечно-элементное моделирование и исследование напряженного состояния костной ткани наиболее проработаны в травматологии . Применительно к челюстно-лицевой хирургии (ЧЛХ) данное направление представляется крайне интересным, но пока не слишком распространенным в силу его технической сложности .

Цель и задачи исследования

Оценка характера деформации и уровня напряжений в верхней челюсти взрослого пациента при проведении расширения с применением индивидуального аппарата с накостной фиксацией и кортикотомией по вестибулярной поверхности альвеолярного отростка верхней челюсти c двух сторон и выполнением пропила по срединному нёбному шву.

Задачей работы является апробация подхода применительно к целям ЧЛХ; внедрение цифровых испытаний в клиническую практику челюстно-лицевого хирурга.

Материалы и методы

С помощью вычислительного кластера и цифровой платформы разработки и применения цифровых двойников CML-Bench® специалистами ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого» было проведено компьютерное моделирование четырех клинических ситуаций расширения верхней челюсти за счёт применения ортодонтического аппарата с накостной фиксацией: № 1 – без хирургического вмешательства; № 2 – с проведением кортикотомии по вестибулярной поверхности верхней челюсти с двух сторон; № 3 – с выполнением пропила вдоль срединного нёбного шва; № 4 – с проведением кортикотомии по вестибулярной поверхности верхней челюсти с двух сторон и пропилом по срединному нёбному шву.

Методика цифровых испытаний состояла из шести шагов.

Первый шаг – сегментирование результатов мультиспиральной компьютерной томографии (МСКТ) черепа пациента. Данная операция выполнялась в специализированной программной системе. При обработке МСКТ черепа имеются определенные сложности, связанные с описанием геометрического строения тонких костей в условиях невысокого разрешения результатов томографии. Результатом сегментирования является сеточная STL-модель, с которой осуществляется дальнейшая работа (примечание: STL – это аббревиатура от слова стереолитография, STereoLithography; изобретена Albert Consulting Group для 3D-систем в 1987 г.; STL-модель – это трёхмерная модель, применяемая как объект в аддитивных технологиях).

Второй шаг – обработка сеточной модели, полученной в результате сегментирования. В ходе данной операции устраняются различные дефекты геометрической модели, возникшие при сегментировании. Необходимость проведения обработки связана с определенными требованиями к процессу построения сетки со стороны инженерных программных систем.

На данном этапе работы учитываются такие особенности, как разделение кости на кортикальный и губчатый слои, а также слоистое строение зубов, поскольку все слои тканей имеют различные механические характеристики. Помимо этого, происходит добавление в модель отверстий и пропилов в костной ткани, соответствующих объему запланированной операции.

Третий шаг – добавление в модель искусственных объектов – таких, как пластиковые элементы аппарата для расширения верхней челюсти; винт для расширения срединного небного шва; четыре мини-винта для фиксации аппарата. Данные объекты формируются с применением систем автоматизированного проектирования и других программных продуктов с использованием данных МСКТ.

Четвертый шаг – разработка конечноэлементной модели биомеханической системы. Метод конечных элементов – это численный метод, являющийся основой цифровых испытаний. С помощью данного метода становится возможным численное решение дифференциальных уравнений механики деформируемого твердого тела. Конечно-элементная модель, в отличие от геометрической модели, содержит в себе данные о механическом поведении материалов и нагрузках. В данной работе конечно-элементная модель содержала 5,5 млн элементов тетраэдральной формы с линейной интерполяцией перемещений и 3,3 млн степеней свободы (рис. 1). Характерный размер сетки вблизи челюсти – 0,3 мм, на отдалении от челюсти – 1,5 мм.

Пятый шаг – задание условий закрепления и нагружения объекта.

В рамках данной работы было проанализировано поведение костных структур верхней челюсти при расширении аппарата на 0,25 мм. Для повышения стабильности решения задачи в области контакта черепа с первым шейным позвонком реализовано полное закрепление, не оказывающее существенного влияния на результаты.

Шестой шаг – численное решение задачи.

Результаты и обсуждение

При оценке полей модуля вектора перемещений (м) для четырех клинических ситуаций выявлено, что результаты практически не зависят от проведения или непроведения кортикотомии по вестибулярной поверхности альвеолярного отростка верхней челюсти. В то же время присутствует явная зависимость полей перемещений от пропила костной ткани вдоль срединного небного шва.

В условиях отсутствия пропила костной ткани вдоль срединного небного шва перемещения носят локальный характер. При наличии пропила перемещения глобально распределены во всех областях черепа.

На полях перемещений в трансверзальном направлении можно увидеть, что при отсутствии пропила вдоль срединного небного шва перемещения локализуются в области винта ортодонтического аппарата, в то время как структуры челюсти остаются практически неподвижными. При наличии пропила вдоль срединного небного шва заметны перемещения костных структур верхней челюсти в боковых отделах слева и справа.

Количественное сравнение величин расширения верхней челюсти в четырех рассматриваемых клинических ситуациях представлено на рис. 2 (сс. 4–5), где для большей наглядности перемещений скрыт дистрактор.

Необходимо отметить, что при отсутствии пропила костной ткани по срединному нёбному шву расширение верхней челюсти в трансверзальном направлении настолько мало, что этим можно пренебречь. В то же время при наличии пропила костной ткани по срединному нёбному шву имеет место заметное расширение верхней челюсти, влияние на которое со стороны кортикотомии по вестибулярной поверхности верхней челюсти достаточно мало. Также хотелось бы отметить, что величина фактического расширения верхней челюсти приблизительно в 2 раза меньше величины расширения, заложенного в винт ортодонтического аппарата. Этот факт является следствием того, что расширение аппарата передается через костную ткань, имеющую определенную податливость.

Поля эквивалентных напряжений также подтверждают тот факт, что выполнение пропила по срединному нёбному шву является более эффективной манипуляцией, чем проведение кортикотомии по наружной поверхности верхней челюсти слева и справа (рис. 3). Рис. 3а и 3б, иллюстрирующие поля эквивалентных напряжений по Мизесу в клинических ситуациях №№ 1 и 2, демонстрируют, что расширение ортодонтического аппарата приводит к распределению напряжений вдоль всего нёба, то есть фактически усилие со стороны аппарата расходуется на нагружение костной ткани. В свою очередь, в клинических ситуациях №№ 3 и 4 (рис. 3в и 3г, с. 5) при наличии пропила по срединному нёбному шву напряжения локализуются на нёбе вблизи резцов, что подтверждает эффективность данной манипуляции.

Важно отметить, что во всех рассматриваемых примерах уровень механических напряжений в корнях зубов и соответствующих областях верхней челюсти является небольшим, что может свидетельствовать о достаточно низком риске развития резорбции корней зубов верхней челюсти.

При оценке полей напряжений во всём черепе выявлено, что напряжения, вызванные воздействием ортодонтического аппарата, носят локальный характер. Это может свидетельствовать о том, что подобная техника лечения практически не влияет на области черепа, удалённые от места установки дистрактора, обусловливая снижение вероятности послеоперационных осложнений.

Выводы

1. Компьютерный инжиниринг является эффективным инструментом для проведения in vitro оценки механического состояния объектов применительно к ЧЛХ.
2. При использовании данного подхода возможна многовариантная оценка эффекта от проводимых операций.
3. Величина фактического раскрытия срединного нёбного шва заметно меньше величины расширения, заложенной в дистрактор изза конечной жёсткости тканей черепа.
4. Влияние кортикотомии по вестибулярной поверхности альвеолярного отростка верхней челюсти на величину расширения срединного нёбного шва является малым.
5. Напряжения костной ткани в области корней зубов верхней челюсти достаточно низкие, что может способствовать снижению риска резорбции корней на фоне лечения, проводимого по методике, описанной в данной работе.

Авторы

Вишнёва Н.В., Жмайло М.А., Яременко А.И., Ланина А.Н., Маслов Л.Б.

Список литературы

1. Андреищев А.Р., Мишустина Ю.В., Николаев А.В. Стратегия и тактика аппаратурно-хирургического лечения пациентов с сужением челюстей. – СПб., 2016. – 40 c.
2. Николаев А.В., Андреищев А.Р., Кутукова С.И. Сравнение биомеханики хирургически ассоциированного расширения нёба при использовании дистракционных аппаратов с назубным и накостным типами фиксации // Стоматология. – 2017. – № 5. – С. 48–55.
3. Яременко А.И., Чибисова М.А., Зубарева А.А. и др. Минимально инвазивное хирургическое расширение верхней челюсти у взрослых пациентов за счет применения аппарата с накостной фиксацией // Институт стоматологии. – 2022. – № 1. – С. 16–17.
4. Júnior S.M.L., Moraes M., Asprino L. Photoelastic analysis of stress distribution of surgically assisted rapid maxillary expansion with and without separation of the pterygomaxillary suture. J Oral Maxillofac Surg. 2011; 1771–1775. doi: 10.1016/j.joms.2010.07.035
5. Vardimon D., Brosh T., Spiegler A. et al. Rapid palatal expansion. Part 2: Dentoskeletal changes in cats with patent versus synostosed midpalatal suture // American Journal of Orthodontics and Dentofacial Orthopedics. 1998. 113 (5): 488–497. doi: 10.1016/s0889-5406(98)70259-8
6. Elias C.N., Fernandes D.J., Zanivan D.S. et al. Extensiometric analysis of strain in craniofacial bones during implant-supported palatal expansion // Journal of Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 2017; (76): 104–109. doi: 10.1016/j.jmbbm.2017.05.028
7. Маслов Л.Б., Дмитрюк А.Ю., Жмайло М.А. и др. Конечно-элементный анализ напряженнодеформированного состояния эндопротеза тазобедренного сустава при ходьбе // Российский журнал биомеханики. – 2021. – № 4. – С. 414–433.
8. Nemov A., Ermolenko N., Borovkov A. et al. Simulation of mechanical behaviour of the plate for osteosynthesis: loads and computational approach. Series on biomechanics. 2018; 32 (1): 30–37.
9. верье В.М., Няшин Ю.И., Никитин В.Н., Оборин Л.Ф. Механическое давление как основа биомеханического моделирования зубочелюстной системы человека // Российский журнал биомеханики. – 2014. – Т. 18, № 1. – С. 24–35.
10. Hartono N., Soegiharto B.M., Widayati R. The difference of stress distribution of maxillary expansion using rapid maxillary expander (RME) and maxillary skeletal expander (MSE) – a finite element analysis. Prog Orthod. 2018; 19 (1): 33. doi: 10.1186/s40510-018-0229-x
11. Kumar A., Ghafoor H., Khanam A. A comparison of three-dimensional stress distribution and displacement of nasomaxillary complex on application of forces using quad-helix and nickel titanium palatal expander 2 (NPE2): a FEM study. Prog Orthod. 2016; 17 (1):17. doi: 10.1186/s40510-016-0131-3
12. Möhlhenrich S.C., Modabber A., Kniha K. et al. Simulation of three surgical techniques combined with two different bone-borne forces for surgically assisted rapid palatal expansion of the maxillofacial complex: a finite element analysis. Int. J. Oral Maxillofac. Surg. 2017; 46 (10): 1306–1314. doi: 10.1016/ j.ijom.2017.05.015