4 - 2012

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

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. 2. Компьютерная томография нижний челюсти

Рис. 3. Модель черепа

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

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

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

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

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. 8. Готовая часть нижней челюсти

Рис. 9. Срезание технологических перемычек

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

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. 11. Проектирование мини-пластины

Рис. 12. 3D-вид изделия в ArtCAM

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

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. 14. Получение отверстий

Рис. 15. Обработка пластины по контуру

Рис. 15. Обработка пластины по контуру

Рис. 16. Выравнивание торца

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. 17. Пластины в заготовке

Рис. 18. Полировка упрощенного варианта мини-пластины

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

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. 20. Мини-пластина на челюсти

Рис. 21. Двойная 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

Рис. 22. Фиксация отломков внутриротовым доступом

САПР и графика 4`2012