Комплексное применение CAD/CAM-систем Delcam в челюстно-лицевой хирургии для проектирования и изготовления мини-пластин для остеосинтеза

Предлагаем читателям ознакомиться с выдержками из работы магистранта Самарского государственного технического университета К.В. Киченко, выполненной под руководством научного руководителя д.т.н., проф. Н.В. Носова и научного консультанта, руководителя УНЦ "СамГТУ - Стоматология" И.С. Красникова. Данная работа была представлена на 12-й ежегодный конкурс студенческих работ на именные премии английской компании Delcam и заняла на нем одно из двух первых мест в номинации "Здравоохранение".
Целью работы являлась разработка технологии проектирования и изготовления титановых мини-пластин с учетом индивидуальных анатомических особенностей пациента, повышающих эффективность оперативного лечения больных с челюстно-лицевыми переломами. 
В данном проекте при помощи CAD/CAM-систем компании Delcam для демонстрации возможностей программных продуктов в качестве примера была разработана технология производства накостной мини-пластины для фиксации отломков нижней челюсти пациента. Проектирование и изготовление титановых мини-пластин проводилось в УНЦ "СамГТУ - Стоматология" при сотрудничестве с кафедрой челюстно-лицевой хирургии Самарского медицинского университета.

В настоящее время для лечения больных с переломами в челюстно­лицевой области предпочтение отдается методам стабильно­функционального остеосинтеза. Одним из таких методов лечения является соединение костных отломков и устранение их подвижности с помощью фиксирующих металлических пластин из титановых сплавов (рис. 1). Титан и его сплавы обладают высокой усталостной прочностью при знакопеременных нагрузках, что очень важно при изготовлении внутрикостных фиксаторов, наружных и внутренних биопротезов, которые постоянно подвергаются переменным нагрузкам. Титан - труднообрабатываемый немагнитный металл с низкой электропроводностью. Последнее особенно ценно - благодаря этому можно использовать физиотерапию для лечения больных, в организме которых находятся титановые конструкции.

Рис. 1. Схема расположения фиксирующих пластин

Техническими преимуществами фиксирующих пластин из титановых сплавов являются:

• небольшая толщина и высокая прочность мини­пластин;
• легкая адаптируемость к рельефу костей;
• возможность монокортикальной фиксации;
• не требуется последующее травматическое удаление мини­пластин из организма;
• обеспечивается функциональная стабильность, так как система биомеханически сбалансирована.

Основой проектирования титановых мини­пластин в CAD/CAM­системе является компьютерная томограмма черепа. Компьютерная томография - это один из методов рентгеновского исследования, важной особенностью которого является возможность визуализации изолированного изображения поперечного слоя тканей, которое невозможно получить в обычной рентгенодиагностике. Рассмотрим методику проектирования титановых мини­пластин на примере анализа компьютерной томограммы нижний челюсти.

Анализ компьютерной томограммы для изготовления нижней челюсти и определения геометрических параметров

Каждый пациент уникален, поэтому для лучшей анатомической адаптации биопротеза каждая мини­пластина проектируется по компьютерной томограмме с учетом особенностей формы его костей. На рис. 2 показаны результаты компьютерной томограммы нижний челюсти пациента, которая в дальнейшем будет использоваться для проектирования титановых мини­пластин.

Рис. 2. Компьютерная томография нижний челюсти

Рис. 3. Модель черепа в CopyCAD

Для удобства редактирования и дальнейшего проектирования титановых мини­пластин мы экспортировали томограмму (рис. 3) в программный пакет CopyCAD (для удобства пользователей в 2012 году все возможности реверсивного инжиниринга системы CopyCAD были полностью интегрированы разработчиками Delcam в CAD­систему PowerSHAPE Pro. - Прим. ред.).

Далее мы произвели отсечение лишних в данном проекте участков черепа и позвоночника для получения отдельной модели нижней челюсти и облегчения дальнейшей работы с ней (рис. 4).

Рис. 4. Нижняя челюсть

Изготовление макета нижней челюсти - необязательный этап, поскольку практически все данные для дальнейшего проектирования можно получить в программе CopyCAD, но для наглядности и последующей примерки готовых мини­пластин из дерева была выполнена модель челюсти пациента в натуральную величину. Для этого мы разбили модель нижней челюсти на три равные части для более удобной обработки ее на имеющемся в нашем распоряжении фрезерном станке с ЧПУ (рис. 5). Отметим, что для изготовления полноразмерных мастер­моделей костей также можно с успехом применять некоторые типы установок быстрого прототипирования (3D­принтеры).

Рис. 5. Разрезанная на три части CAD-модель челюсти

После редактирования в CopyCAD необходимо было доработать 3D­модель для ее обработки на фрезерном станке. Для этого во избежание столкновения мы спроектировали наклонные поверхности в заготовке, плавно сходящиеся к фрагменту челюсти, благодаря этому патрону с инструментом (вылет инструмента 30 мм) ничто не будет мешать при перемещениях и обработке. Для повышения жесткости закрепления фрагмента челюсти в заготовке при обработке были смоделированы перемычки (рис. 6).

Рис. 6. Положение крепежных перемычек и наклонных поверхностей

После моделирования заготовки модели нижней челюсти были разработаны управляющие программы для фрезерного станка с ЧПУ Roland MDX­540. Заготовка выполнялась из дерева для получения мастер­модели, которая нужна для придания анатомической формы мини­пластине.

Для обработки заготовки применялись твердосплавные двузубые концевые фрезы диаметром 6 мм и фреза со сферическим торцом диаметром 3 мм (рис. 7).

Рис. 7. Обработка мастер-модели на фрезерном станке с ЧПУ

Фрезерование производилось с двух сторон с использованием поворотной оси станка, что обеспечивает требуемую точность и сокращает время на обработку (рис. 8).

Рис. 8. Готовая часть нижней челюсти

Рис. 9. Срезание технологических перемычек

Далее мы срезали перемычки и отшлифовали места среза (рис. 9), соединили три полученные части челюсти с помощью штифтов, после чего покрыли их водостойкой краской (рис. 10).

Рис. 10. Модель нижней челюсти

Разработка, проектирование и обработка мини­пластин

Следующим этапом проектирования является создание 3D­модели мини­пластины. Плоскую пластину можно смоделировать одним действием на основе ее контура, для чего используется программа ArtCAM. Эскиз (рис. 11) разрабатывается с учетом таких параметров, как ширина плеч, диаметр отверстий под винты, радиусы скругления (рис. 12). От формы мини­пластины зависит надежность и прочность крепления отломков костей. Важным также является создание минимальной площади прилегания мини­пластины с костной тканью с сохранением достаточной прочности. Меньшая площадь снижает вероятность отторжения инородной мини­пластины в организме человека.

Рис. 11. Проектирование мини-пластины

Рис. 12. 3D-вид изделия в ArtCAM

После построения модели мы спроектировали перемычки. Затем разработали управляющую программу в ArtCAM (рис. 13).

В качестве заготовки применялась титановая пластина толщиной 1 мм. Обработка мини­пластины начиналась с закрепления пластины на подвижном столе фрезерного станка.

Рис. 13. Траектория инструмента и визуализация обработки

Для фрезерования титана используются инструменты из твердых сплавов - в данном случае это была трехзубая фреза фирмы HANITA диаметром 2 мм. При обработке применялось капельное охлаждение. Первым переходом при обработке является получение отверстий под титановые винты (рис. 14). На втором переходе фреза проходит по периметру пластин (рис. 15), а на третьем - выравнивается плоскость пластины и снимаются заусенцы (рис. 16).

Рис. 14. Получение отверстий

Рис. 15. Обработка пластины по контуру

Рис. 16. Выравнивание торца

На рис. 17 показана готовая мини­пластина в сборе с заготовкой. Следующей операцией является срезание перемычек, соединяющих пластины с заготовкой. Перемычки мы срезали алмазным отрезным кругом.

Рис. 17. Пластины в заготовке

Рис. 18. Полировка упрощенного варианта мини-пластины

Заключительным этапом является полировка поверхности на специализированном оборудовании с использованием полировочной пасты (рис. 18). Полировка нужна не только для улучшения внешнего вида изделия, но и для лучшей приживаемости и снижения вероятности отторжения в организме, что и является целью данного проекта (рис. 19).

Рис. 19. Готовые мини-пластины

Для придания пластине анатомической формы до хирургической операции мы применяли деревянную мастер­модель нижней челюсти. Мини­пластины закреплялись на мастер­модели с помощью титановых винтов (рис. 20 и 21), которые пластически деформируют титановую пластину и придают ей нужную форму.

Рис. 20. Мини-пластина на челюсти

Рис. 21. Двойная мини-пластина на челюсти

Заключение

Использование описанных накостных пластин в лечении больных с переломами нижней челюсти позволяет применять в послеоперационном периоде ранние функциональные нагрузки, что способствует более быстрому восстановлению функции жевательного аппарата и сокращению сроков реабилитации больных. На рис. 22 показан фрагмент остеосинтеза отломков с помощью мини­пластин внутриротовым доступом. 

Рис. 22. Фиксация отломков внутриротовым доступом