Котельников Г.П.

ФГБОУ ВО «Самарский государственный медицинский университет» Минздрава РФ, Самара, Россия

Трунин Д.А.

ФГБОУ ВО «Самарский государственный медицинский университет» Минздрава России, Самара, Россия

Колсанов А.В.

ФГБОУ ВО «Самарский государственный медицинский университет» Минздрава РФ, Самара, Россия

Попов Н.В.

ФГБОУ ВО «Самарский государственный медицинский университет» Минздрава РФ, Самара, Россия

Лиманова Л.В.

Самарский государственный медицинский университет, Самара, Россия

Оценка погрешности алгоритма построения цифровой твердотельной 3D-модели костного фрагмента

Авторы:

Котельников Г.П., Трунин Д.А., Колсанов А.В., Попов Н.В., Лиманова Л.В.

Подробнее об авторах

Журнал: Стоматология. 2018;97(6): 17‑21

Просмотров: 874

Загрузок: 5


Как цитировать:

Котельников Г.П., Трунин Д.А., Колсанов А.В., Попов Н.В., Лиманова Л.В. Оценка погрешности алгоритма построения цифровой твердотельной 3D-модели костного фрагмента. Стоматология. 2018;97(6):17‑21.
Kotelnikov GP, Trunin DA, Kolsanov AV, Popov NV, Limanova LV. Estimated error of bone digital solid 3D-model construction algorithm. Stomatology. 2018;97(6):17‑21. (In Russ.)
https://doi.org/10.17116/stomat20189706117

Рекомендуем статьи по данной теме:
Мор­фо­ло­ги­чес­кие осо­бен­нос­ти пе­ри­ос­та пе­ред­ней стен­ки вер­хней че­люс­ти у па­ци­ен­тов с одон­то­ген­ным вер­хне­че­люс­тным си­ну­си­том. Рос­сий­ская ри­но­ло­гия. 2024;(3):174-180

Высокоточные методы визуализации структуры костного дефекта с использованием объемного геометрического моделирования предлагают широкий диапазон возможностей лечения пациентов, а также являются основными доклиническими исследованиями, применяемыми в современной стоматологии и челюстно-лицевой хирургии [1—3].

Необходимое условие для достижения успеха в расчетах оперативного вмешательства и прогнозе конечных результатов как функциональной, так и эстетической реабилитации пациентов — высокий уровень освоения врачами-стоматологами цифрового прототипирования [4—6]. Наиболее сложные задачи в работе хирурга-стоматолога, связанные с планированием оперативного вмешательства и его реализацией с применением персонифицированных биоимлпантатов и эндопротезов, должны решаться путем внедрения высокоточного математического трехмерного моделирования [7—9]. Исследования показывают, что упрощение хирургической процедуры и ее эффективность напрямую зависят от детального соответствия структуры костного дефекта на трехмерной цифровой модели идентичной зоне хирургического вмешательства на реально существующей челюсти [10—12].

Особого внимания заслуживает новейший алгоритм построения твердотельной модели фрагмента кости на основе данных компьютерной томографии (КТ). Данный алгоритм способствует появлению методов компьютерного и биомеханического моделирования деформируемого твердого тела, имеющего сложную геометрическую конфигурацию. Задача сложной математической обработки данных КТ может быть решена с использованием специального программно-информационного комплекса [13—15].

Однако в литературе отсутствуют данные об экспериментальном обосновании точности построения твердотельной модели фрагмента кости на основе данных КТ в сравнении с реальными физическими (кадаверными) костными структурами. Такие данные являлись бы основой для высокоточного морфометрического обоснования детального планирования оперативного вмешательства и достижения точности математического конструирования твердотельной модели фрагмента кости с индивидуальными параметрами, которые в свою очередь могут служить основой для получения персонифицированных биоимплантатов и эндопротезов [16—18]. Отсутствие подобного обоснования точности послужило поводом к проведению эксперимента.

Цель исследования — экспериментальное обоснование точности отображения структуры костного фрагмента челюстной кости в цифровой твердотельной 3D-модели, построенной на основе данных КТ; результаты сравнивали с данными исследования кадаверного материала костного фрагмента челюсти.

Материал и методы

В качестве материала для экспериментального исследования были выбраны образцы кадаверного материала нижнечелюстных костей 12 баранов; материал исследовался с помощью конусно-лучевой КТ костных структур нижней челюсти (НЧ).

КТ производилась на томографе PlanmecaPromax 3D, представляющем собой рентгенологическую установку высококачественного разрешения для объемной томографии с применением конусного луча.

Для построения твердотельных 3D-моделей челюстных костей на основе данных КТ стандарта DICOM был разработан алгоритм последовательной обработки цифровых данных в трех программных комплексах: ScanIP (получение сетки из треугольных граней, построение первичной твердотельной 3D-модели), ArtecStudio 9 (обработка и удаление артефактов), ZBrush 4R6 (обработка и упрощение треугольной сетки, построение финальной твердотельной 3D-модели).

Раcсмотрим этапы экспериментального исследования. 1-й этап — построение цифровой твердотельной 3D-модели НЧ барана с индивидуальными параметрами. В программу ScanIP вводили массив цифровых данных формата DICOM КТ НЧ барана в виде последовательных монохромных изображений. Проводили настройку контрастности и резкости изображений в выделенной области фрагмента костной ткани. Выполняли фильтрацию импортированных монохромных изображений, коррекцию «шумов» и «пятнистости» с изображений без искажения большого числа деталей.

При создании «маски» костного фрагмента осуществляли сегментацию и ручную доводку, применяя узкий диапазон по серой шкале, чтобы исключить включения в сегментацию артефактов.

В ручном режиме проводили коррекцию полученной маски, а именно выделенной области костной структуры НЧ, которая содержит участок костного фрагмента НЧ для дальнейшего исследования. Проводили выравнивание поверхности «маски», заполняя небольшие отверстия и внутренние полости в сегментации. Полученную «маску» конвертировали в трехмерную модель, которая представляет собой сетку из треугольных граней и вектор конфигурации, описывающий форму анатомической структуры костной ткани, и проводили экспортирование полученной модели в STL-формат.

Удаляли артефакты и разделяли 3D-модель челюстно-лицевого скелета на составные объекты. Для удаления артефактов и импортирования в промежуточный формат OBJ использовали программный комплекс ArtecStudio 9.

Затем проводили обработку и упрощение треугольной сетки, построение финальной твердотельной 3D-модели костной структуры НЧ, используя методику 3D-компьютерного прототипирования и создавая объемную геометрическую модель НЧ со всеми индивидуальными анатомическими особенностями и антропометрическими параметрами. Для работы на данном этапе применяли программный комплекс ZBrush 4R6.

На 2-м этапе эксперимента проводили построение срезов в поперечной плоскости на цифровой твердотельной 3D-модели НЧ барана в программном комплексе ZBrush 4R6. Анатомическим ориентиром для построения срезов являлся центр ментального отверстия на плоскостном поперечном срезе (рис. 1, 1)

Рис. 1. Цифровая твердотельная 3D-модель нижней челюсти барана. 1 — поперечный срез нижней челюсти барана, проведенный через центр ментального отверстия; 2 — медиальный срез; 3 — дистальный срез.
цифровой твердотельной 3D-модели НЧ барана: 1-й срез был произведен на 5 мм медиальнее (см. рис. 1, 2),
Рис. 2. Забор кадаверного материала фрагмента нижней челюсти барана. 1 — выбор анатомического ориентира, 2 — фрагмент нижней челюсти барана; А — медиальный поперечный срез; Б — дистальный поперечный срез.
2-й — на 10 мм дистальнее (см. рис. 1, 3).
Рис. 3. Величины медиального среза цифровой твердотельной 3D-модели и костного фрагмента кадаверного материала нижней челюсти.

На 3-м этапе проводили забор кадаверного материала фрагмента НЧ барана (рис. 2, 1), используя пьезохирургическую установку VarioSurg (NSK). Анатомическим ориентиром для выпиливания костного фрагмента являлся центр ментального отверстия НЧ барана: 1-й срез был произведен на 5 мм медиальнее (см. рис. 2, 2), 2-й — на 10 мм дистальнее (см. рис. 2, 2).

На 4-м этапе эксперимента выполняли линейные измерения высоты и ширины медиального и дистального срезов цифровой твердотельной 3D-модели НЧ барана в программном комплексе ZBrush 4R6. Высоту и ширину медиального и дистального срезов костного фрагмента НЧ измеряли штангенциркулем с делением 0,1 мм. Полученные величины сравнивали с высотой и шириной срезов костного фрагмента кадаверного материала НЧ барана (рис. 3 и 4).

Рис. 4. Величины дистального среза цифровой твердотельной 3D-модели и костного фрагмента кадаверного материала нижней челюсти.

Н 5-м этапе эксперимента, чтобы оценить достоверность полученных данных, применялись методы математической статистики. Во всех случаях при сопоставлении двух сравниваемых величин возникает необходимость не только в определении их различий, но и в оценке достоверности сравнения. Различия между двумя выборками для разных групп срезов оценивали по критерию достоверности Стьюдента.

Анализ результатов построения таблиц проводился на персональном компьютере с использованием программ Microsoft Excel, Statistica 10.0.

Результаты и обсуждение

В результате экспериментального исследования были получены величины (вариационные ряды) высоты и ширины медиальных и дистальных срезов цифровой твердотельной 3D-модели и величины высоты и ширины медиальных и дистальных срезов костного фрагмента НЧ кадаверного материала (табл. 1).

Таблица 1. Данные измерения высоты и ширины (в мм) срезов цифровой твердотельной 3D-модели и костного фрагмента НЧ
Вариационные ряды для каждой из величин медиального и дистального срезов твердотельной 3D-модели и медиального и дистального срезов костного фрагмента НЧ барана были обработаны с помощью методов математической статистики.

Определяли среднее арифметическое, среднеквадратическое отклонение, рассчитывали ошибку репрезентативности для каждого медиального и дистального срезов цифровой твердотельной 3D-модели и медиального и дистального срезов костного фрагмента НЧ барана. Средняя ошибка среднего арифметического находилась в пределах от 0,31 до 0,35.

Для оценки точности построения цифровой твердотельной 3D-модели НЧ барана исследовали погрешность разницы между двумя соответствующими выборками высоты и ширины для разных групп срезов. Ошибка репрезентативности разницы, выраженная в процентах (погрешность, обусловленная разницей между срезами цифровой твердотельной 3D-модели и костного фрагмента НЧ барана), представлена в табл. 2.

Таблица 2. Ошибка репрезентативности разницы между срезами цифровой твердотельной 3D-модели и костного фрагмента барана, %
Расчеты показали, что эта ошибка может составлять от 0,00 до 3,03%. Средний процент ошибки репрезентативности равен 1,43.

Для анализа достоверности точности построения цифровой твердотельной 3D-модели НЧ барана оценивали различия между двумя соответствующими выборками измерений высоты и ширины для разных групп срезов по критерию достоверности Стьюдента (табл. 3).

Таблица 3. Значения критерия Стьюдента для медиального и дистального срезов твердотельной 3D-модели и костного фрагмента НЧ

Как видно из табл. 3, значения критерия t>2, т. е. полученная разница показателей, достоверны с вероятностью 95%.

Основываясь на результатах, полученных при экспериментальном исследовании погрешности построения структуры костного фрагмента челюстных костей в цифровых твердотельных 3D-моделях на основе данных КТ в сравнении с кадаверным материалом фрагмента НЧ барана с использованием разработанного алгоритма построения цифровых твердотельных 3D-моделей челюстных костей, можно говорить о достаточно высокой точности математического построения твердотельной 3D-модели с индивидуальными параметрами костной структуры челюсти.

Средняя ошибка репрезентативности (погрешность, обусловленная разницей между величинами срезов цифровой твердотельной 3D-модели и костного фрагмента кадаверного материала НЧ барана) составила 1,43%. Критерий t Стьюдента >2 подтверждает, что полученная разность показателей для медиального и дистального срезов твердотельной 3D-модели и костного фрагмента кадаверного материала НЧ достоверна с достаточной степенью вероятности (95%).

Таким образом, в арсенале современной медицины появился эффективный и высокоточный алгоритм построения цифровых твердотельных 3D-моделей костей на основе данных КТ, которые в свою очередь могут служить основой для конструирования и моделирования цифровых моделей персонифицированных биоимплантатов и эндопротезов, применяемых в челюстно-лицевой хирургии, хирургической стоматологии, травматологии и ортопедии.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Попов Николай Владимирович — к.м.н., доцент кафедры стоматологии детского возраста Самарского государственного
медицинского университета; тел.: +7(927)601-0414; e-mail: 2750668@mail.ru

Подтверждение e-mail

На test@yandex.ru отправлено письмо со ссылкой для подтверждения e-mail. Перейдите по ссылке из письма, чтобы завершить регистрацию на сайте.

Подтверждение e-mail

Мы используем файлы cооkies для улучшения работы сайта. Оставаясь на нашем сайте, вы соглашаетесь с условиями использования файлов cооkies. Чтобы ознакомиться с нашими Положениями о конфиденциальности и об использовании файлов cookie, нажмите здесь.