Способ диагностики и коррекции костного аутотрансплантата после выполнения реконструктивной костнопластической операции
METHOD FOR DIAGNOSING AND CORRECTING BONE AUTOGRAFT AFTER RECONSTRUCTIVE OSTEOPLASTIC SURGERY

Предлагаемое изобретение относится к области медицины, а именно к исследованию биотканей с помощью гистологических методов исследования и коррекции выявленных нарушений, и может быть использовано в стоматологии и челюстно-лицевой хирургии при проведении дентальной имплантации после предварительного выполнения реконструктивно-восстановительных операций с применением реваскуляризированного аутотрансплантата и прогнозировании ее возможных осложнений.
В последние годы в стоматологической практике, как в России, так и за рубежом, для восстановления функции жевания при частичной или полной потере зубов широкое распространение получило применение метода дентальной имплантации с последующей ортопедической реабилитацией конструкциями с опорой на имплантаты. [Ортодонтическая и ортопедическая реабилитация пациентов при костно-пластических и костно-реконструктивных операциях в челюстно-лицевой области / П.А. Железный и др. // Рос. стоматол. журн. - 2011. - №1 (57). - С. 30-35; Кулаков А.А. Зубная и челюстно-лицевая имплантация / А.А. Кулаков, Т.Г. Робустова // В кн.: Руководство по хирургической стоматологии и челюстно-лицевой хирургии,- М.: ГЭОТАР-Медиа, 2010. - С. 670-702.].
Неизбежная атрофия костной ткани в результате воспалительного процесса, наличием очага периапекальной инфекции значительно затрудняет проведение имплантологического лечения. В связи с чем, определение показаний и противопоказаний к выполнению оперативного вмешательства и прогнозирование результатов имплантации играет фундаментальную роль в проведении имплантологического лечения.
Максимальная точность диагностирования состояния кости непосредственно перед имплантацией необходима при выборе оптимальной методики оперативного вмешательства. Часто в сложных клинических ситуациях проводят предварительное хирургическое вмешательство по восстановлению костной ткани челюстей.
В настоящее время оценить качество костной ткани при планировании проведения операции имплантации с помощью одной из ведущих методик -рентгенологии - возможно только ориентировочно, так как различная способность рентгеновских лучей фиксировать костные структуры, плотность кортикального вещества, заслоняющего губчатое вещество, не позволяют получить объективную оценку.
Визуальная оценка рентгеновского изображения во многом субъективна, так как напрямую зависит от следующих факторов: индивидуальной способности врача воспринимать рентгенологическую картину заболевания, его знаний, опыта, а также от физико-технических условий съемки и качества обработки экспонированной съемки.
Известно сравнительно небольшое количество способов оценки успешности проведенной дентальной имплантации, завершенности репаративных процессов и формирования структурной и функциональной связи между живой костью и дентальным имплантатом, которые в настоящее время использовались бы в клинической практике.
Существует способ оценки остеоинтеграции пористых проволочных материалов в эксперименте (RU №2550974, А61В 17/56, 20.05.2015), который включает в себя забор костных блоков с изучаемым пористым проволочным материалом, фиксацию костной ткани с пористым проволочным материалом, декальцинирование, обезжиривание, обезвоживание, заливку этой ткани, изготовление срезов, окрашивание и гистоморфометрию.
При этом до или после фиксации костной ткани с изучаемым пористым проволочным материалом и до или после декальцинации производят поиск и фиксацию краевого проволочного элемента пористого проволочного материала в костном блоке.
Производят расплетание пористого проволочного материала из костного блока методом вытягивания краевого проволочного элемента. Анализ макропрепаратов производят при освобождении поровых пространств пористого проволочного материала. Далее производят забор тканей из освобождающихся поровых пространств, в т.ч. производят забор и анализ внутрипоровых фрагментов. Способ обеспечивает возможность качественной и количественной оценки гистоморфометрических параметров внутрипоровых тканей во всем объеме имплантата, в том числе за счет обеспечения сохранения структуры внутрипоровой архитектоники.
К недостаткам метода относится то, что оценку интеграционных процессов дентального имплантата в костную ткань проводят только для имплантатов из пористых проволочных материалов, кроме этого, метод не может быть использован в клинической практике, что ограничивает его использование только целями экспериментальной медицины.
Известен способ прогнозирования результатов дентальной имплантации на основе анализа динамики завершенности репаративных процессов (RU 2686312 С1, 25.04.2019). Для этого до проведения дентальной имплантации и через 3 месяца после установки имплантатов у пациента производят забор 1,0 мл смешанной слюны в стерильную пробирку, центрифугируют ее в течение 10 минут при 3000 об/мин, 0,02 мл надосадочной жидкости центрифугированной смешанной слюны наносят на обезжиренное предметное стекло, установленное в строго горизонтальном положении по осям X и Y относительно горизонта с образованием стандартной капли округлой формы высотой 1,0 мм и диаметром 4-5,0 мм, высушивают ее в течение 24 ч при температуре 20-25°С и определяют методом световой микроскопии характеристики фации: выраженность отдельных зон фации (Z), индекс структурности (ИС), равномерность распределения кристаллических и аморфных элементов фации (R), минерализующий потенциала слюны (МПС), ширину промежуточной зоны, количество радиальных трещин в краевой зоне капли слюны (КТКЗ), степень деструкции фации (СДФ) и выраженность краевой зоны (Кз) в баллах в соответствии с критериями оценки фации смешанной слюны по Таблице, при этом при получении 21-30 баллов до и через 3 месяца после установки имплантатов судят о завершении процессов репарации, что ассоциируют с хорошим прогнозом дентальной имплантации; при получении 21-30 баллов до и 14-20 баллов через 3 месяца после установки имплантатов делают вывод о том, что прогноз в целом благоприятный, но требуется дополнительная терапия, направленная на усиление репаративных процессов костной ткани; при получении 21-30 баллов до и ≤13 баллов через 3 месяца после установки имплантатов делают вывод о неблагоприятном прогнозе, продолжении воспаления и отсутствии репарации кости и остеоинтеграции в нее дентального имплантата.
К недостаткам способа следует отнести то, что он является трудоемким, требует дорогостоящего оборудования и специализированной лаборатории, что ограничивает его массовое применение.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является способ прогнозирования результата стоматологической имплантации на этапе ее планирования (RU 2538087 С2, 27.12.2013), в котором исследуют костную ткань с помощью гистологического исследования костной крошки с места подготовки ложа для имплантата, выявляют морфологические изменения костной ткани в зоне предполагаемой стоматологической имплантации, исследуют диаметр гаверсовых каналов, толщину костных балок губчатого вещества, линию склеивания, реакцию пролиферации мезенхимальных клеток при отсутствии воспаления, наличие коллагеновых волокон, нарушение архитектоники губчатого слоя, интенсивность кровоснабжения кости, фиброз и гиалиноз сосудистой стенки, наличие или отсутствие реологических расстройств, наличие или отсутствие отложения остеоида, наличие или отсутствие воспалительных явлений. При преобладании морфологических критериев, характеризующих процессы созидания, над морфологическими критериями, характеризующими процессы разрушения, оценивают состояние костной ткани в зоне предполагаемой стоматологической имплантации как хорошее и прогнозируют положительный результат операции. Определяют степень выраженности морфологических критериев в баллах от 1 до 3, при этом 1 балл соответствует норме или слабому проявлению морфологических изменений, 2 балла - среднему и 3 балла - интенсивному проявлению морфологических изменений, и при получении суммарного балла морфологических критериев от 13 до 26 оценивают состояние костной ткани в зоне имплантации как хорошее и прогнозируют хорошее приживление имплантата, при получении суммарного балла, равного 39, оценивают состояние костной ткани в зоне предполагаемой имплантации как плохое и прогнозируют отрицательный результат стоматологической имплантации, при получении суммарного балла от 27 до 38 анализируют морфологические критерии, характеризующие процессы разрушения костной ткани, а именно степень расширения гаверсовых каналов с увеличением их диаметра, степень истончения губчатого вещества, пролиферацию мезенхимальных клеток, линии склеивания с коротким периодом аппозиции, нарушение архитектоники кости с проявлением зон разрыхления, интенсивность кровообращения, фиброз и гиалинов сосудистых стенок, реологические расстройства, воспаление и морфологические критерии, характеризующие процессы созидания костной ткани, к которым относят степень сужения гаверсовых каналов, утолщение балок губчатого вещества, пролиферацию мезенхимальных клеток, линии склеивания с коротким периодом аппозиции, нарушение архитектоники с появлением зон разрыхления, интенсивность кровоснабжения, фиброз и гиалиноз сосудистых стенок, реологические расстройства, воспаления и при преобладании морфологических критериев, характеризующих процессы созидания, над морфологическими критериями, характеризующими процессы разрушения, оценивают состояние костной ткани в зоне предполагаемой стоматологической имплантации и прогнозируют результат операции.
Недостатком этого способа является то, что получение прогноза происходит уже после проведения имплантации, поскольку гистологическая обработка препаратов, взятых во время сверления кости, требует значительного времени, что исключает возможность профилактической коррекции (в случае негативного результата) выявленных нарушений до момента операции.
Задачей предлагаемого изобретения является простота выполнения метода, получение максимальной объективной информации о прогнозе проведенной дентальной имплантации.
Технический результат изобретения заключается в обеспечении возможности объективной и индивидуализированной оценки состояния костной ткани после проведения дентальной имплантации, что обеспечит возможность корректировки репаративных процессов в костной ткани с учетом выявленных посредством предварительно обученной сверточной нейронной сети GoogLeNet морфологических изменений.
Для обучения использовались изображения, выполненные с помощью фотоприставки к микроскопу Olimus ВХ51 с разрешением 4К×4К пикселей, выполненные на разрешении 40х и содержащие искомые признаки.
Для оценки точности созданной модели использовалась следующая методология:
Модель, получив новое изображение для обработки может дать два ответа:
a) ответ о наличии признака на изображении (Positive)
b) ответ об отсутствии признака на изображении (Negative)
В процессе обучения модель 20% загруженных изображений в каждой категории использует для внутреннего тестирования. После чего вычисляет следующие параметры:
a) True Positive (TP) - кол-во правильных ответов о наличии признака
b) False Positive (FP) - кол-во ложных ответов о наличии признака
c) True Negative (TN) - кол-во правильных ответов об отсутствия признака
d) False Negative (FN) - кол-во ложных ответов об отсутствии признака
Поскольку простая мера определения качества классификации изображений -«accuracy» (accuracy=(TP+TN)/(TP+FP+FN+TN)) не учитывает ошибок, ее не используют на несбалансированных выборках -когда в целом кол-во ответов True и False сильно отличается.
Это относится и к рассматриваемой задаче. Поэтому необходимо было выработать более строгий подход к оценке точности модели.
Были использованы меры:
- Точность (precision) определяет насколько можно доверять модели:
precision=ТР/(ТР+FP)
- Полнота (recall) - как много объектов класса Positive (нарушений) находит модель:
recall=ТР/(ТР+FN)
Точность и полнота характеризуют разные стороны качества модели:
Чем выше точность, тем меньше ложных срабатываний
Чем выше полнота, тем меньше ложных пропусков
В качестве итоговой меры оценки качества было использовано гармоническое среднее, или F-меру:
F=2 * precision * recall/(recision+recall)
F-мера является стандартом в машинном обучении для усреднения точности. Она достигает максимума при полноте и точности, равными единице, и близка к нулю, если один из аргументов близок к нулю.
Для оценки зрелости костной ткани использовалось пять категорий:
1. Безостеоцитная аутокость, на поверхности которой формируется новообразованная кость
2. Ретикулофиброзная (грубоволокнистая) костная ткань;
3. Незрелая остеоидная кость
4. Ремоделирование новообразованной кости
5. Зрелая новообразованная компактная кость
Для оценки достоверного различия между признаками оценки, выстраивалась матрица неточностей (рис. 1).
Матрица неточностей используется для расчета других метрик, таких как точность и полнота. Каждый столбец матрицы представляет экземпляры в прогнозируемом признаке. Каждая строка представляет экземпляры в фактической категории. Следовательно, каждая ячейка измеряет, сколько раз изображение было правильно и неправильно классифицировано. Эта матрица позволяет легко увидеть, не смешивает ли модель категории или не идентифицирует определенные категории.
Рисунок 1 - Confusion matrix (матрица неточностей) созданной модели.
Классификация морфологических слайдов проводилась по следующей методологии: гистологические слайды для каждой группы пациентов были оцифрованы с помощью сканирующего микроскопа Leica SC2. Полученные изображения преобразовывались в формат jpeg и, с использование специальной программы, были поделены на квадраты 1024 на 1024 пикселей.
Полученный набор изображений потоком пропускался через созданную модель, которая в качестве результата возвращала вероятность попадания изображения в одну из пяти категорий. Результаты обработки были помещены в таблицу, где по каждому слайду отбирались только те изображения, которые модель смогла с вероятностью более 95% отнести в ту или иную группу.
Способ осуществляют следующим образом.
Через 6 месяцев после костно-пластической операции при проведении дентальной имплантации в реваскуляризированный аутотрансплантат, путем его препарирования с помощью костного трепана, получают костный цилиндр с последующим приготовлением гистологических препаратов. Затем оценивают состояние реваскуляризированного аутотрансплантата путем классификации полученных гистологических изображений посредством предварительно обученной сверточной нейронной сети GoogLeNet.
При выявлении в ткани реваскуляризированного аутотрансплантата участков безостеоцитной аутокости перорально вводят остеогенон 830 мг 2 раза в сутки, подкожно в область бедра или живота, 1 раз в день, в дозе 20 мкг вводят препарат форстео.
При выявлении ретикулофиброзной костной ткани, перорально вводят альфакальцидол по 1 мкг 1 раз в сутки, в течение 10 дней внутривенно капельно вводят рибоксин в дозе 400 мг 1 раз в день, курс лечения составляет 1 месяц;
При выявлении незрелой остеоидной кости в реваскуляризированном аутотрансплантате, перорально вводят препарат строметта 2 г в сутки, аскорбиновую кислоту 1000 мг в сутки, альфакальцидол по 1 мкг 1 раз в сутки, курс лечения составляет 1 месяц.
При выявлении ремоделирования новообразованной кости перорально вводят альфакальцидол по 1 мкг 1 раз в сутки, курс лечения составляет 1 месяц;
При выявлении зрелой костной ткани коррекцию не проводят.
Мы провели исследования через 6-9-12 месяцев после костнопластической операции с использованием реваскуляризированного аутотрансплантата у 20 пациентов.
Поскольку ранее исследования проводили до дентальной имплантации, то мы не стали осуществлять деление пациентов на группы. Поэтому представляем примеры осуществления предлагаемого нами изобретения.
Пример 1.
Пациентка К., 34 года. 15.02.2018 произведена дентальная имплантация в реваскуляризированный аутотрансплантат. Под внутривенным наркозом 20.07.2018 из реваскуляризированного аутотрансплантата, путем его препарирования с помощью костного трепана, получили костный цилиндр с последующим приготовлением гистологических препаратов из костного трепана. Оценку состояния реваскуляризированного аутотрансплантата проводили путем классификации полученных гистологических изображений посредством предварительно обученной сверточной нейронной сети GoogLeNet.
Было выявлено наличие участков безостеоцитной аутокости. Принято решении о проведении коррекции состояния реваскуляризированного аутотрансплантата. Схема лечения: перорально остеогенон 830 мг 2 раза в сутки. Курс лечения составил 1 месяц.
После лечения никаких осложнений в области аутотрансплантата выявлено не было.
Пример 2.
Пациентка Р., 28 лет. 23.04.2018 г произведена дентальная имплантация в реваскуляризированный аутотрансплантат. Под местной анестезией 22.09.2018 из реваскуляризированного аутотрансплантата, путем его препарирования с помощью костного трепана, получили костный цилиндр с последующим приготовлением гистологических препаратов из костного трепана. Оценку состояния реваскуляризированного аутотрансплантата проводили путем классификации полученных гистологических изображений посредством предварительно обученной сверточной нейронной сети GoogLeNet.
Выявлена ретикулофиброзная костная ткань. Принято решение о проведении коррекции состояния реваскуляризированного аутотрансплантата. Перорально альфакальцидол по 1 мкг 1 раз в сутки. В течение 10 дней внутривенно капельно рибоксин в дозе 400 мг 1 раз в день. Курс лечения составил 1 месяц.
После лечения никаких осложнений в области аутотрансплантата выявлено не было.
Пример 3.
Пациентка 3., 30 лет. 18.04.2018 г произведена дентальная имплантация. Под внутривенным наркозом 25.09.2018 из реваскуляризированного аутотрансплантата, путем его препарирования с помощью костного трепана, получили костный цилиндр с последующим приготовлением гистологических препаратов из костной крошки. Оценку состояния реваскуляризированного аутотрансплантата проводили путем классификации полученных гистологических изображений посредством предварительно обученной сверточной нейронной сети GoogLeNet.
Выявлены признаки незрелой остеоидной кости. Принято решение о проведении коррекции состояния реваскуляризированного аутотрансплантата.
Перорально строметта 2 г в сутки, аскорбиновая кислота 1000 мг в сутки, альфакальцидол по 1 мкг 1 раз в сутки. Курс лечения составил 1 месяц. После лечения никаких осложнений в области реваскуляризированного аутотрансплантата выявлено не было.
Пример 4.
Пациент Л., 42 года. 12.08.2018 г произведена дентальная имплантация. Под внутривенным наркозом 12.01.2019 из реваскуляризированного аутотрансплантата, путем его препарирования с помощью костного трепана, получили костный цилиндр с последующим приготовлением гистологических препаратов из костной крошки. Оценку состояния реваскуляризированного аутотрансплантата проводили путем классификации полученных гистологических изображений посредством предварительно обученной сверточной нейронной сети GoogLeNet.
Выявлены признаки ремоделирования новообразованной кости. Принято решение о проведении коррекции состояния реваскуляризированного аутотрансплантата. Перорально альфакальцидол по 1 мкг 1 раз в сутки. Курс лечения составил 1 месяц. После лечения никаких осложнений в области реваскуляризированного аутотрансплантата выявлено не было.
В тех случаях, где были выявлены признаки зрелой костной ткани, коррекцию состояния реваскуляризированного аутотрансплантата не проводили.
Таким образом, предлагаемый нами способ диагностики и коррекции состояния реваскуляризированного аутотрансплантата после проведения дентальной имплантации позволит провести объективную и точную диагностику состояния реваскуляризированного аутотрансплантата, благодаря которой возможно подобрать адекватные меры коррекции.