3d моделирование с использованием стереолитографических моделей

1.Общие сведения

В данной статье придется больше внимания уделять технологическим, чем медицинским аспектам. Но так уж действует цепная реакция научно-технического прогресса: прорыв в одной области знания зачастую приводит к настоящим революциям во многих других, подчас очень далеких отраслях.

В самом деле, что общего между передним краем компьютерной графики, – трехмерным моделированием и 3D-печатью, – и столь специфическим разделом стоматологической науки, как зубопротезирование? Между тем, связь есть. Более того: сегодня этот вектор является одним из наиболее перспективных, – наряду с прямой заменой разрушенных и удаленных зубов новыми, выращенными из имплантированных зубных зачатков. Но речь ниже пойдет именно о протезировании, т.е. о замещении утраченных органов искусственными.

2.История методов

Мы говорим о двух методах, медицинском и техническом, хотя их истории совершенно несопоставимы по продолжительности и темпам. Согласно археологическим находкам, попытки заполнять промежутки в зубных дугах предпринимались еще две с половиной тысячи лет назад, а скорее всего, и ранее. С этой целью в различных регионах земного шара использовались панцири мидий, кости животных, зубы других людей, и пр. Одним из пионеров современной ортопедической стоматологии как отрасли медицины стал французский придворный врач Пьер Фошар, разработавший ряд приспособлений и методологических приемов, не утративших актуальность по сей день. Однако в повседневную медицинскую практику зубопротезирование, долгое время остававшееся очень проблематичной и дорогой техникой, стало входить лишь в ХIХ-ХХ вв. На сегодняшний день широко распространены различные конструкции съемных и стационарных (мостообразных, штифтовых и др.) протезов, а также титановых имплантатов, которые обнаружили достаточную биоинертность и приемлемо низкий процент отторжений.

В настоящее время основным способом изготовления зубных протезов остается оттиск имеющегося зубного ряда (с помощью быстро отвердевающих пластичных масс) с последующим использованием его как формы для отливки гипсовой модели челюстей. В специальном приспособлении, – окклюдаторе, – точно имитируется смыкание зубов, что позволяет изучить все нюансы прикуса и, при необходимости, внести коррективы. Дело в том, что зубопротезирование сегодня является не эстетической, а именно медицинской практикой, т.е. решается задача не только и не столько компенсации видимого косметического дефекта (даже если самого пациента это беспокоит в первую очередь), но и обязательного восстановления полноценного функционирования жевательного аппарата. От того, насколько правильно смыкаются челюсти и насколько прочны зубы, зависит множество ассоциированных функций и систем организма (ЖКТ, височно-нижнечелюстные суставы, лицевые нервные ответвления и мн.др.), поэтому любой квалифицированный врач изучает конкретную клиническую ситуацию во всей ее полноте и многоаспектности. К сожалению, не всегда и не все пожелания пациента могут быть учтены и реализованы. Например, в одних случаях несъемное протезирование возможно, в других – категорически противопоказано, и мнение врача здесь должно быть приоритетным: погоня за кажущимся «удобством» может привести к грубой деформации челюстно-лицевых структур, тяжелым дегенеративным, атрофическим и воспалительным процессам.

Ключевым моментом зубопротезирования на сегодняшний день остается точность оттиска и изготовленной по нему формы: счет идет буквально на микроны, поскольку любой дискомфорт в полости рта, согласно стоматологической поговорке, «очень быстро превращается в дракона».

Что касается 3D-моделирования, т.е. создания компьютерных трехмерных (объемных, пространственных) моделей реальных объектов, то эта технология стала возможной и получила бурное развитие лишь тогда, когда производительность микропроцессоров достигла достаточно высокого уровня. С 90-х годов появились первые мощные, удобные и доступные 3D-графические редакторы, а с ними началась «эра трехмерности» в инженерном проектировании, архитектуре, промышленном дизайне, игровой индустрии, кинематографе и многих других отраслях. Современные многопроцессорные системы (т.е. рендер-фермы) настолько мощны, что позволяют создавать самые сложные, – фактически, любые, – статичные и анимированные изображения с фотореалистичным качеством, т.е. визуально такую модель невозможно отличить от реального прототипа. Следующим революционным шагом стало появление 3D-принтеров: отныне модель можно не только рассматривать на экране под разными углами и в разных сечениях, но и сравнительно быстро воссоздавать ее из специального материала – подобно тому, как выводится на печать текстовый документ.

В медицине математическое 3D-моделирование нашло воплощение, прежде всего, в различных томографических технологиях диагностики (КТ, МСКТ, МРТ, 3D-УЗ-сканеры), однако оказалось востребованным также в пластической хирургии, травматологии, ортопедии, – в частности, в ортопедической стоматологии.

3.Преимущества

Лазерная стереолитография (SLA) в классическом варианте подразумевает применение особых сканирующих устройств на базе лазера, которые в точности «считывают» все габаритные и поверхностные нюансы прототипа. Трехмерная модель челюстных структур и зубных рядов строится на основе данных МРТ и/или с применением специальных интраоральных сканеров, что обеспечивает воспроизводение малейших особенностей рельефа. Модель «печатается» из полимерного пластика и исключает традиционные проблемы, присущие обычной технологии снятия оттисков: недостаточное сцепление с оттискной ложкой, различные разрывы, расслоения, затем усадка или расширение гипсовой модели, и пр. Отметим, что даже самый совершенный оттискный материал не гарантирует качественного моделирования с первой попытки; напротив, цифровое сканирование позволяет воссоздать все анатомические особенности челюстных структур (включая каналы нервов) без каких-либо изъянов и погрешностей.

4.Недостатки

Метод виртуального 3D-моделирования в ортопедической стоматологии развивается быстро, и возможности его далеко еще не исчерпаны. Однако два главных недостатка пока не преодолены: очень высокая стоимость оборудования (на уровне полумиллиона долларов) и монополия производителей на данные сканирования (прочитать их и построить модель возможно, как правило, только в авторизованных производителем лабораториях). Впрочем, ситуация все же меняется к лучшему: некоторые поставщики стоматологических 3D-сканеров и принтеров сегодня отказываются от абсолютного права собственности на получаемые цифровые промеры, а по мере отработки и оптимизации производственных технологий стоимость создания ортопедических 3D-моделей из пластика будет снижаться.