СПОСОБ ТРЕХМЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПЕРСОНИФИЦИРОВАННЫХ ЧЕЛЮСТНО-ЛИЦЕВЫХ ИМПЛАНТАТОВ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ФОРМЫ ПОДБОРОДКА Российский патент 2023 года по МПК A61F9/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

[0001] Изобретение относится к области медицины, а именно к области челюстно-лицевой и пластической хирургии, и предназначено для 3D моделирования и изготовления персонифицированных медицинских имплантатов, в частности имплантатов, применяющихся в челюстно-лицевой и пластической хирургии при контурной пластике лица и предназначенных для изменения формы подбородка.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002] Известен способ создания индивидуального ортопедического имплантата, напечатанного на 3D принтере, включающий следующие этапы: предварительную обработку КТ-изображения, вырезание КТ-изображения, реконструкцию типичной трехмерной модели скелета, используя типичную модель в качестве шаблона и выполняя восстановление и реконструкцию трехмерной модели на других скелетах на основе шаблона, изучение алгоритма регистрации цифровой сетки, ориентированного на анатомическое восстановление скелета; создание индивидуального хирургического шаблона, оптимизированного для крепления протеза; оптимизацию геометрического соответствия рисунка и механических характеристик индивидуального протеза искусственного сустава, печать трехмерной модели и выполнение ортопедического имплантата на основе трехмерной печати (CN 110522501 В, дата публикации 09.04.2021).

[0003] Недостаток данного изобретения состоит в том, что использование сеточного представления геометрии усложняет создание параметризованного шаблона имплантата подбородка.

[0004] Известен способ 3D печати индивидуализированного пористого многослойного корневого имплантата, который включает следующие этапы: сканирование объекта и получение данных, выполнение разделения и реконструкции данных, полученных на первом этапе, для получения трехмерной модели корня зуба, лунки зуба, коронки и области зубного ряда с использованием программного обеспечения MIMICS, редактирование трехмерной модели путем выполнения цифрового моделирования на корне, абатменте и коронке имплантата и регулирование параметров печати для получения модели имплантата с использованием программного обеспечения MAGIC, копирование трехмерной модели имплантата, полученной на предыдущем этапе в 3D принтер для печати персонализированного пористого многослойного корневого имплантата (CN 107485460 А, дата публикации 25.09.2017).

[0005] Использование сеточного представления геометрии кости в данном изобретении усложняет манипуляции с 3D моделью и может приводить к ошибкам в сетке, таким как сколы, трещины, перевернутые нормали треугольников.

[0006] Также известен способ трехмерной печати реставрационного имплантата костной суставной поверхности, при котором выполняется трехмерная реконструкция костно-суставной модели, а затем выполняется виртуальная реставрационная реконструкция костно-суставной модели, реверсивное моделирование области костного суставного дефекта, восстанавливающий имплантат, и 3D печать имплантата, восстанавливающего костный суставной дефект (CN 106073870 В, дата публикации 10.07.2018).

[0007] Использование симметричного отражения кости с неизменной половины на пораженную область не позволяет восстановить исходную или получить требуемую геометрию кости, так как правая и левая половины тела не обладают полной зеркальной симметрией, этот факт имеет большое значение в челюстно-лицевой и пластической хирургии при планировании и выполнении контурной пластики лица.

[0008] Следовательно, для достижения лучшего результата, чтобы восстанавливаемая модель кости или контурный имплантат как можно лучше подходили пациенту и для снижения вероятности эстетических осложнений после операций всегда требуется ручная модификация 3D модели. Для этого удобнее применять параметризованную 3D модель, позволяющую специалистам без особых навыков работы в САПР системах изменять геометрическую форму для достижения требуемого результата.

[0009] Использование параметризованной модели на базе функционального представления геометрии позволяет в автоматическом режиме восстанавливать требуемую исходную форму трехмерной модели и затем, если необходимо - изменять ее.

[0010] Также из уровня техники известен способ изготовления персонализированного протеза, который включает в себя получение изображения, трехмерное цифровое моделирование, компьютерное моделирование хирургии, повторную валидацию модели, создание схемы внутренней фиксации, определение размера протеза, индивидуальное определение параметров протеза, 3D печать протеза (CN 106175998 A, дата публикации 07.12.2016).

[0011] Недостаток способа заключается в том, что получение параметров 3D модели имплантата происходит в ручном режиме.

[0012] Кроме того, создание трехмерной модели изделия происходит без использования функционального представления геометрии, что повышает вероятность возникновения ошибки при выполнении манипуляций с такой трехмерной моделью.

[0013] Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ подготовки персонализированного имплантата для восстановления костей черепа хирургическим путем, основанный на создании трехмерной модели имплантата с помощью компьютерной томографии пациента, и изготовлении восстанавливаемой части кости с использованием трехмерной печати.

[0014] Индивидуально подобранный способ подготовки имплантата для хирургической коррекции и реконструкции черепно-лицевого костей включает в себя следующие этапы: получение данных прототипа черепно-лицевой кости на основе изображений рентгеновских снимков или компьютерной томографии; трехмерная реконструкция прототипа черепно-лицевой кости путем обработки данных томографического изображения черепно-лицевой кости на КТ-изображении, включая фильтрацию, бинаризацию изображения с серым оттенком, извлечение контура, векторизацию 3D-моделирования; создание трехмерной модели восстанавливаемой части черепно-лицевой кости: устройство 3D-печати получает данные трехмерной твердотельной модели и использует многоуровневое программное обеспечение для выполнения многоуровневой обработки данных этой модели для получения слоев для 3D печати; 3D печать металлического протеза (CN 111084675 А, дата публикации 01.05.2020).

[0015] Недостаток данного изобретения состоит в том, что при построении 3D модели используется сеточное представление геометрии, что повышает вероятность ошибки при совершении операций над 3D моделью.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0016] Техническая проблема, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в создании персонифицированных медицинских имплантатов методом 3D моделирования с использованием функционального представления геометрии (анг. Function Representation или сокращен. FREp).

[0017] Технический результат, достигаемый при реализации изобретения, заключается в упрощении процесса трехмерного моделирования имплантата по рассчитанной грубой поверхности имплантата подбородка.

[0018] В результате реализации изобретения предлагается заменить цифровую лепку и другие виды полигонального моделирования на использование параметризованной трехмерной модели имплантата, полученной с использованием системы моделирования, основанной на функциональном представлении геометрии, и генерировать такую 3D модель автоматически с дальнейшей возможностью изменения ее параметров. Создание такой 3D модели позволяет сократить время проектирования конечного изделия.

[0019] Также использование параметризованной 3D модели на базе функционального представления геометрии позволяет в автоматическом режиме восстанавливать требуемую исходную форму модели и затем, если необходимо изменять ее.

[0020] Геометрия 3D модели, заданная с использованием функционального представления, позволяет исключить возникновение ошибок во время выполнения операций над 3D моделью.

[0021] Поставленный технический результат достигается за счет того, что способ трехмерного моделирования персонифицированных челюстно-лицевых имплантатов для моделирования формы подбородка включает получение модели черепа пациента методом сегментации данных КТ (компьютерной томографии), 3D сканирование лица пациента, получение цифровой 3D модели имплантата, причем параметризованную цифровую 3D модель имплантата получают с использованием функционального представления геометрии с последующей персонификацией параметров имплантата для конкретного пациента.

[0022] Кроме того, в частном случае реализации изобретения параметризованную трехмерную цифровую модель имплантата получают в автоматическом режиме, путем подбора параметров, с использованием алгоритма оптимизации из сканированных и обработанных данных пациента, представляющих облако точек или полигональную модель.

[0023] Применение параметризованной 3D модели имплантата, полученной с использованием функционального представления геометрии, позволяет медицинским специалистам, не имеющих особых навыков работы в САПР системах, изменять геометрическую форму имплантата до достижения требуемого результата.

[0024] Также применение функционального представления геометрии позволяет создавать высоко параметризованные модели твердых тел, не занимающих больших объемов памяти и лишенных проблем с дефектами поверхности. Это дает возможность свести процесс создания трехмерных моделей имплантатов к подбору наиболее подходящих параметров.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0025] Заявляемое изобретение поясняется чертежами, на которых изображены:

Фиг. 1 - изображение КТ скана пациента;

Фиг. 2 - изображение 3D скана лица пациента;

Фиг. 3-изображение совмещенных поверхностей МРТ скан и 3D скан лица;

Фиг. 4 - изображение автоматизированного расчета требуемых изменений костей черепа;

Фиг. 5 - изображение созданной параметризованной 3D модели имплантата подбородка;

Фиг. 6 - облако точек рассчитанной грубой поверхности имплантата подбородка;

Фиг. 7 - изображение автоматически сгенерированной параметризованной FRep 3D модели имплантата подбородка.

[0026] В настоящее время создание качественного персонифицированного имплантата довольно сложная задача. На различных этапах разработки изделия требуется использование комплексных САПР систем. В то же время хирург, планирующий операцию, должен обладать глубокими навыками работы в таких САПР системах, что сильно повышает требования к специалистам и, соответственно, цену конечного изделия.

[0027] В процессе моделирования специалист руководствуется множеством факторов. 3D модель имплантата должна плотно прилегать к кости, в то же время необходимо менять ее форму как глобально, так и локально с учетом индивидуальных особенностей и пожеланий пациента. Также в 3D модель могут быть добавлены пористые зоны для улучшения пролиферации живых тканей и контролируемой остеоинтеграции.

[0028] В качестве примера реализации изобретения будет рассмотрен процесс получения имплантата подбородка для использования в челюстно-лицевой хирургии.

[0029] Трехмерное моделирование персонифицированного имплантата подбородка состоит из следующих этапов:

1. Получение модели черепа пациента методом сегментации данных КТ (фиг. 1).

2. 3D сканирование лица пациента (фиг. 2).

3. Трехмерное моделирование желаемого контура лица хирургом вместе с пациентом в САПР системе (фиг. 3).

4. Автоматизированный расчет требуемых изменений костей черепа для достижения желаемого результата по полученной разности в поверхностях мягких тканей лица (текущей и смоделированной) (фиг. 4)

На фиг. 4 (а) представлено изображение рассчитанной грубой поверхности требуемых деформаций черепа при челюстно-лицевой хирургии;

На фиг. 4 (б) представлено изображение требуемого изменения мягких тканей;

На фиг. 4 (в) представлено изображение требуемого изменения костных тканей;

5. Трехмерное моделирование конечного изделия (имплантата) подбородка.

[0030] Заявляемое изобретение направлено на упрощение последнего этапа, а именно моделирования имплантата по рассчитанной грубой поверхности имплантата подбородка.

[0031] В соответствии с настоящим изобретением предлагается заменить цифровую лепку (или полигональное моделирование) на использование параметризованной трехмерной модели имплантата.

[0032] Создание такой трехмерной модели позволяет сократить время проектирования конечного изделия. Для этих целей предлагается использование системы моделирования, основанной на функциональном представлении геометрии, и последующее генерирование такой 3D модели автоматически с дальнейшей возможностью изменения ее параметров.

[0033] Функциональное представление геометрии позволяет создавать высоко параметризованные модели твердых тел, не занимающих больших объемов памяти и лишенных проблем с дефектами поверхности. Это дает возможность свести процесс создания моделей имплантатов к подбору наиболее подходящих параметров.

[0034] Функциональное представление геометрии описывает любое твердое тело в аналитическом виде как функцию или алгоритм. Это дает следующие преимущества:

- позволяет полностью параметризировать как всю модель, так и отдельные ее части;

- позволяет получать сложную форму 3D объекта путем применения нестандартных математических преобразований, скрытых за простым изменением параметров;

- легко изменять пористость и шероховатость 3D объекта путем добавления параметризованных микроструктур.

[0035] Основой такой системы моделирования являются функции, описывающие геометрию твердых тел - определяющие функции. Эти функции обладают следующими свойствами. Они разделяют точки трехмерного пространства на три класса: внутренние точки твердого тела; точки, лежащие на границе; внешние точки.

[0036] Классификация производится на основании знака функции:

Кроме того, f(х, у, z) непрерывна и может использоваться как метрика, задающая расстояние до поверхности твердого тела.

[0037] Такая функция может быть построена для описания любой 3D модели. Сложные модели могут быть созданы с помощью классических техник моделирования. Например, дизайнер может работать в парадигме деревьев конструктивной геометрии, а может создавать 3D объекты из 2D чертежей путем экструзии, вращения или заметания.

[0038] Функции, задающие твердые тела, могут иметь параметры. Эти параметры задают характеристики моделируемых объектов. Это могут быть размеры тел, число повторяющихся элементов в них или место расположения в пространстве и многие другие.

[0039] Простым примером функции с параметрами является функция для описания шара:

параметр R задает радиус шара, (х₀, у₀, z₀) - его центр.

[0040] Использование функционального представления геометрии для трехмерного моделирования имплантата позволяет значительно снизить размер цифровой 3D модели, занимаемой ей в памяти персонального компьютера, предоставит широкие возможности ее параметризации, а также минимизирует риски возникновения дефектов поверхности.

[0041] Трехмерная цифровая модель имплантата может быть получена как с нуля, то есть описана с помощью функции или алгоритма, так и с использованием данных пациента, полученных путем 3D сканирования или обработки результатов МРТ и КТ-сканов, представляющих облако точек или полигональную модель. При этом трехмерная модель получается автоматически, путем подбора параметров с использованием методов оптимизации и, в частности, алгоритма стохастического градиентного спуска.

[0042] Пусть задана параметризованная 3D модель - f(x;p) - (FRep-модель), где p параметры контролирующие форму объекта.

[0043] Для заданного набора параметров p соответствующее твердое тело будет описываться как а поверхность этого тела будет задаваться соответственно:

[0044] Пусть входное облако точек описывающих 3D поверхность модели имплантата. Цель - подобрать такие параметры FRep модели p, что бы форма ее поверхности наиболее близко подходила к входному облаку точек. То есть необходимо решить задачу оптимизации.

[0045] Функция потерь будет характеризоваться ошибкой отклонения FRep модели в заданных входных точках из облака точек и задается следующим выражением:

Где p параметры модели, а - точки входного облака точек. Е(р) - должна быть минимизирована относительно набора параметров

[0046] Минимизация Е(р) производится алгоритмом стохастического градиентного спуска.

[0047] Вектор параметров на очередной итерации получается путем сдвига параметров p в сторону градиента вычисленном на случайном подмножестве множества входных точек.

где I - случайное подмножество множества точек {1, … N}.

[0048] При расчете градиента для вычисления производных FRep модели используется автоматическое дифференцирование.

[0049] Результаты автоматической генерации параметризованной 3D модели имплантата приведены ниже.

[0050] В разработанной системе моделирования на основе FRep, создана предварительная параметризованная модель имплантата подбородка, включающая в себя 11 параметров (фиг. 5).

[0051] Специалистом рассчитана предварительная полигональная грубая поверхность имплантата для дальнейшей ручной подгонки ее под пожелания пациента (фиг. 6).

[0052] Автоматически сгенерированная по облаку точек представленному на фиг. 6 параметризованная 3D модель имплантата подбородка представлена на фиг. 7.

[0053] Для реализация описанного алгоритма использовался язык программирования Python, со встроенной библиотекой автоматического дифференцирования PyTorch.

[0054] Конечная персонификация и подбор параметров имплантата для пациента может производиться в ручном режиме путем дискретного или непрерывного изменения численных значений параметров в системе моделирования на базе функционального моделирования.

[0055] Изготовление имплантатов происходит с помощью 3D печати на любом подходящем 3D принтере.

[0056] Подготовка управляющей программы для 3D принтера включает в себя подготовку слоев модели и настройки режима печати принтера. Подготовка слоев модели для DLP (Digital Light Processing) 3D печати представляет собой генерацию черно-белых пиксельных изображений, получаемых из плоских сечений 3D модели имплантата в функциональном представлении. Во время настройки режима печати выбираются время засветки каждого слоя имплантата и скорость перемещения печатающей платформы. Для SLM (Selective Laser Melting) 3D печати подготовка слоев модели представляет собой генерацию траекторий движения лазерного луча для спекания металлического порошка и набора GCODE команд для перемещения механики. Траекториями движения лазерного луча являются векторные контуры, полученные из плоских сечений 3D модели имплантата в функциональном представлении с выбранной штриховкой заполнения.

[0057] Для начала 3D печати имплантата в принтер загружается материал для печати (фотополимерная жидкость для DLP или металлический порошок для SLM), а во встроенный компьютер загружается управляющая программа, после чего инициируется печать.

Изобретение относится к области медицины, а именно к области челюстно-лицевой хирургии и предназначено для 3D моделирования и изготовления персонифицированных медицинских имплантатов, в частности имплантатов, применяющихся в челюстно-лицевой хирургии при контурной пластике лица и предназначенных для изменения формы подбородка. Предложен способ трехмерного моделирования персонифицированных челюстно-лицевых имплантатов для моделирования формы подбородка включает получение модели черепа пациента методом сегментации данных МРТ и КТ, 3D сканирование лица пациента, получение параметризованной цифровой 3D модели имплантата с использованием функционального представления геометрии c последующей персонификацией параметров имплантата для конкретного пациента. Изобретение обеспечивает упрощение процесса трехмерного моделирования имплантата. 1 з.п. ф-лы., 7 ил.

1. Способ трехмерного моделирования персонифицированных челюстно-лицевых имплантатов для моделирования формы подбородка, включающий получение модели черепа пациента методом сегментации данных КТ (компьютерной томографии), 3D сканирование лица пациента, получение цифровой 3D модели имплантата, отличающийся тем, что параметризованную цифровую 3D модель имплантата получают с использованием функционального представления геометрии c последующей персонификацией параметров имплантата для конкретного пациента.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что параметризованную трехмерную цифровую модель имплантата получают в автоматическом режиме путем подбора параметров с использованием оптимизационных методов из сканированных и обработанных данных пациента, представляющих облако точек или полигональную модель.