СИСТЕМА И СПОСОБ ПЛАНИРОВАНИЯ СТОМАТОЛОГИЧЕСКОГО ЛЕЧЕНИЯ
DENTAL TREATMENT PLANNING SYSTEM AND METHOD

Группа изобретений относится к области медицины, а именно к стоматологии, и может быть использована для 3D планирования стоматологического лечения и его последующей реализации с применением цифровых 3D технологий.
Применение цифрового планирования и 3D технологий повышает эффективность и качество лечения, снижает вероятность ошибок.
Традиционное комплексное стоматологическое лечение и его планирование является поэтапным - каждый последующий этап планируется после реализации предыдущего этапа лечения. Таким образом, невозможно точно предвидеть окончательные результаты лечения, а само лечение является достаточно продолжительным, поскольку невозможно одновременное выполнение нескольких видов лечения.
Известные аналоги цифрового планирования обеспечивают, как правило, эффективное планирование только одного из этапов. По окончании каждого из этапов лечения, необходимо повторять сбор исходных данных, соответствующих текущей стадии лечения, заново строить 3D сцену, планировать и выполнять следующий этап.
Например, в случае, если у пациента имеется дисфункция височно-нижнечелюстных суставов как результат, снижения высоты прикуса и деформации зубных рядов, то необходимо сначала спланировать и провести шинотерапию височно-нижнечелюстного сустава (ВНЧС), затем спланировать и исправить деформации зубных рядов, а затем спланировать и устранить дефекты твердых тканей зубов (их истертость) в реконструктивном прикусе.
В случае одновременного (одномоментного) виртуального 3D планирования нескольких этапов лечения, коррекция одного из этапов требует полной переделки планов всех зависимых этапов лечения.
Наиболее близким аналогом разработанной нами технологии является метод диагностики и планирования лечения (Unified Workstation for Virtual Craniofacial Diagnosis, Treatment Planning and Therapeutics, US 2007/0207437 A1), состоящий из следующих шагов:
- получение разных наборов данных пациента от различных устройств (2D и 3D световое и рентгеновское сканирование), отражающих краниофациальные анатомические структуры, включая визуальное представление поверхности лица,
- совмещение этих данных в виртуальном пространстве для получения виртуальной 3D модели лица пациента и ее визуализация;
- визуализация улыбки и ее изменений, связанных с изменением положения и формы краниофациальных структур и положения зубов.
При этом известное техническое решение направлено на создание внешнего образа пациента, его эстетического вида, в частности, главным критерием оценки всех изменений положений зубов является улыбка. В то время как качество лечения обеспечивает не только эстетический результат, а в первую очередь функциональный результат. Известное техническое решение имеет возможность планировать комплексное лечение пациента на основе созданной виртуальной модели пациента, однако комплексное лечение не предусматривает перепроверки каждого из этапов лечения на пригодность к корректной функции. Более того, сценарии формирования улыбки автоматически не коррелируют между собой. Для формирования того или иного вида улыбки видоизменяют один из сценариев лечения, после чего формируют новый конечный результат. Планирование разных этапов лечения независимы друг от друга и не взаимообусловлены, что не позволяет одномоментно смоделировать единый план лечения на основе множества взаимообусловленных сценариев лечения, в результате чего уменьшается вероятность получения ожидаемого пациентом результата.
Решаемая нами техническая проблема состоит в одномоментном (одноэтапном) планировании конечного результата и всех промежуточных этапов лечения в объеме всех необходимых этапов для его достижения.
Достигаемый технический результат заключается в ускорении планирования и соответственно выполнения лечебных мероприятий при условии повышения точности планирования лечения.
Отличием настоящей группы изобретений является выполнение одномоментного планировании конечного результата и всех промежуточных этапов лечения. Возможность выполнения коррекции любого из промежуточных этапов позволяет выполнять или коррекцию конечного результата, или коррекцию плана по меньшей мере одного из зависимых этапов лечения при сохранении конечного результата. При этом критерием оценки плана лечения является как эстетический, так и функциональный результат, который обеспечивается созданием плана лечения (перемещение НЧ, зубов, искусственных зубов и т.д.) с учетом функциональных движений (артикуляции) нижней челюсти. Для этого необходимо единовременно спланировать реконструктивный прикус, который был бы задан новым пространственным соотношением челюстных костей или их фрагментов, новой формой и положением зубов. При этом коррекция любого из намеченных этапов планирования приводит к автоматической коррекции других, зависимых от него этапов, и к перепроверке каждого из этапов лечения на их пригодность к корректной функции путем интеграции с виртуальным артикулятором.
Достижение указанных аспектов технического результата обусловлены следующим:
- в создании по меньшей мере одного сценария плана лечения, который может включать в себя задание позиции нижней челюсти, задание новой позиции зубо-альвеолярных фрагментов челюстей, задание новой позиции зубов и положения имплантатов, задание новой формы зубов;
- коррекция одного из этапов планирования позволяет увидеть влияние этой коррекции на другие этапы и сам конечный результат и принять решение о допустимости этих изменений или необходимости автоматической (или ручной) коррекции всех зависимых этапов для сохранения неизменным запланированного конечного результата;
- коррекция одного из этапов не приводит к необходимости делать планирование всех зависимых этапов заново, что сокращает время планирования;
- «одновременность» планирования позволит проводить одновременно, а не только последовательно разные виды (этапы) стоматологического лечения;
- пациент еще до начала самого лечения видит возможный конечный результат, который должен соответствовать физиологическому положению нижней челюсти и окклюзии, обеспечивающих максимальную эффективность жевания и оптимальный эстетический результат.
Для точного понимания сущности разработанной нами технологии ниже представлен схематичный сравнительный анализ существующих методик и разработанной нами технологии.
В настоящее время существуют разнообразные программные продукты, направленные на планирование и реализацию отдельных видов лечения, например, для выравнивания зубов, навигации при имплантации, дизайна улыбки. Преимуществом их применения является высокая вероятность достижения запланированного результата, недостатком - невозможность комплексного применения. Применение 3Д технологий в этом случае является залогом достижения запланированного результата, однако само по себе планирование мало чем отличается от традиционного подхода. Схема традиционного планирования основано на концепции последовательного поэтапного планирования (фиг. 1а). Однако такая концепция обладает значимым недостатком -невозможно сразу смоделировать конечный результат многоэтапного лечения и показать его пациенту. Планирование выполняется последовательно перед каждым новым этапом лечения, а исходными данными для него являются достигнутые результаты предыдущего этапа. При этом каждый новый этап планирует не один, а разные специалисты и их представление о конечном результате может отличаться. Такое планирование основано на том предположении, что эти специалисты имеют общее представление о необходимом результате и способах его достижения. При таком подходе очень важна слаженная командная работа. Дефицит профессионализма и грамотного планирования на любом этапе может критически отразиться на общем результате, высока вероятность постепенного отклонения на этапах от идеального результата. Теоретически и при таком подходе возможно было бы планирование конечного результата, при условии открытого формата данных и переноса данных из одной программы в другую. Но в реальной практике это не реализуемо из-за закрытого формата данных у разных программ, банального неудобства и дополнительных потерь времени. Немаловажное значение имеет и то, что пользователю необходимо сначала выучить все особенности работы разных программ.
Существуют единичные программные продукты, которые объединяют необходимый функционал на единой платформе и в удобной форме позволяют реализовать концепцию последовательного конечного планирования (фиг. 1б). Эта концепция основана на последовательном планировании этапов лечения до конечного результата. Это стало возможным благодаря высокой вероятности достижения запланированного результата с помощью 3Д технологий: запланированная в 3Д форма искусственных зубов с высокой точностью повторяется в реальных изделиях с помощью CAD\CAM технологий, запланированная позиция имплантатов с высокой точностью задается направляющими шаблонами, запланированное выравнивание зубов также с высокой вероятностью достигается с применением 3Д технологий. Преимуществом данной концепции является то, что не результат лечения на предыдущем этапе может быть основой для планирования следующего этапа, а сам результат планирования предыдущего этапа может быть основой для дальнейшего планирования. Таким образом, данная концепция содержит элементы 4Д моделирования - виртуальное моделирование задает не только пространственное положение и форму объектов полости рта (3D), но и организует эти изменения во времени (4D). Основное неудобство такого подхода состоит в том, что если допущена ошибка на предыдущем этапе или требуется его небольшая коррекция, то необходимо переделывать и его, и все последующие этапы (Фиг. 1в). Например, виртуально задана позиция центрального соотношения челюстей, а затем создается сценарий выравнивания зубов. При этом оказывается, что окклюзионные взаимоотношения могли бы стать более оптимальными, если чуть скорректировать позицию нижней челюсти. Или, например, создан сценарий выравнивания зубов, затем спроектирована новая форма зубов путем импорта искусственных зубов из банка данных, и вдруг оказывается, что необходима коррекция перемещения зубов, поскольку позиция искусственного зуба и конечная позиция опорного зуба не вполне совпадают из-за чего потребуется избыточное сошлифовывание зубов. А если ожидаемый пациентом результат отличается от созданного нами? Подобные ситуации встречаются очень часто при планировании результата комплексного стоматологического лечения. Поскольку виртуальное 3D планирование требует заметных затрат времени, подобный недостаток становится весьма значительным и в реальной практике непреодолимым.
В связи с этим весь потенциал подобных программ, имеющих полный функционал на единой платформе, не используется в полной мере, и пользователи выполняют традиционное последовательное поэтапное планирование. Отличие состоит лишь в том, что для этого используется не несколько разных, а только одна программа, у которой более богатые возможности, что как уже отмечалось выше является более удобным для пользователя.
Нами предлагается новая концепция 4D моделирования. Она основана не на поэтапном, а на одноэтапном (одновременном) конечном планировании. Ее особенность состоит в том, что весь функционал клинического 3D моделирования (позиционирование нижней челюсти/коррекция положения фрагментов челюстных костей, выравнивание зубов, расстановка искусственных зубов/моделирование их новой формы, планирование положения имплантатов) должен быть объединен в едином блоке и работать таким образом, что планирование разных этапов лечения взаимообусловлено, выполняется до начала самого лечения единовременно и в объеме всех необходимых этапов, с возможностью изменения отдельных этапов, которое автоматически приводит к соответствующей коррекции всех остальных (фиг. 1г). Необходимо предусматривать возможность создания нескольких альтернативных планов лечения. Причем для каждой заданной позиции центрального соотношения, должно быть возможно создание нескольких сценариев выравнивания зубов, а для каждого сценария выравнивания -создание нескольких проектов дизайна улыбки (искусственных зубных рядов).
Группа изобретений включает в себя систему планирования стоматологического лечения, способ планирования и машиночитаемый носитель данных, содержащий компьютерный код, реализующий указанный способ.
Объект «Система планирования стоматологического лечения», включает в себя:
по меньшей одно устройство хранения индивидуальных данных пациента, содержащих, по меньшей мере одно из результатов сканирования зубных рядов, изображений лица и/или улыбки пациента, компьютерной томографии (КТ) или МРТ, включающей височно-нижнечелюстные суставы (ВНЧС), нижнечелюстные каналы, кости верхней челюсти и нижней челюсти, корни и коронковые части зубов;
по меньшей мере одно устройство хранения эталонных данных, обусловленных возрастом, полом и/или антропометрическими особенностями, одну или более компьютерных программ, загружаемых в, по крайней мере, одно устройство обработки команд, при этом одна или более компьютерных программ содержат инструкции для совмещения данных, полученных из упомянутых устройства хранения индивидуальных данных пациента и устройства хранения эталонных данных для выявления стоматологических патологий и для приведения данных пациента к норме, с учетом имитационных движений,
единовременного взаимно обусловленного виртуального 3D планирования этапов лечения, обеспечивающего по меньшей мере один сценарий лечения для каждого этапа лечения соответствующей стоматологической патологии с учетом упомянутых имитационных движений, при этом изменение сценария одного из этапов лечения может приводить в случае необходимости к соответствующему изменению сценария других этапов лечения,
трехмерного моделирования результата одновременного планирования этапов лечения,
записи информации о полученных сценариях каждого этапа лечения для виртуального моделирования по меньшей мере одного плана комплексного лечения на основе полученного трехмерного моделирования результата планирования и одновременного анализа всех сценариев каждого этапа лечения соответствующей стоматологической патологии.
В частных случаях «система» реализуется следующим образом:
- изображения лица и/или улыбки пациента могут быть выбраны из 2D и/или 3D изображения;
- виртуальное 3D планирование этапов лечения может быть выбрано из: моделирование гнатологического лечения, моделирование ортогнатического лечения, моделирование ортодонтического лечения, моделирование ортопедического лечения, моделирование имплантологического лечения;
- сценарий для моделирования гнатологического лечения определяется посредством задания позиции нижней челюсти относительно эталонной позиции нижней челюсти;
- сценарий для моделирования ортогнатического лечения определяется посредством задания позиции зубоальвеолярных фрагментов челюстей относительно эталонной позиции;
- сценарий для моделирования ортодонтического лечения определяется посредством задания положения зубов относительно эталонного положения;
- сценарий для моделирования ортопедического лечения определяется посредством задания формы искусственных зубов относительно эталонной формы;
- сценарий для моделирования имплантологического лечения определяется посредством задания положения имплантатов.
Объект «Способ планирования стоматологического лечения», включает в себя:
получение результатов сканирования зубных рядов, изображений лица и/или улыбки пациента, компьютерной томографии (КТ) или МРТ, включающей височно-нижнечелюстные суставы (ВНЧС), нижнечелюстные каналы, кости верхней челюсти и нижней челюсти, корни и коронковые части зубов, совмещенные в едином координатном пространстве;
соотнесение полученных результатов с данными, принятыми за эталонные, которые обусловлены возрастом, полом и/или антропометрическими особенностями, и симуляция их совпадения путем перемещения или изменения формы с учетом имитационных функциональных движений,
осуществление единовременного взаимно обусловленного виртуального 3D планирования этапов лечения, обеспечивающего по меньшей мере один сценарий лечения для каждого этапа лечения соответствующей стоматологической патологии с учетом упомянутых имитационных движений, при этом изменение сценария одного из этапов лечения может приводить в случае необходимости к соответствующему изменению сценария других этапов лечения,
трехмерное моделирование результата одновременного виртуального планирования этапов стоматологического лечения,
формирование по меньшей мере одного плана комплексного лечения пациента на основе полученного трехмерного комплексного моделирования и сценариев каждого этапа лечения, и
формирование, на основе компьютерного трехмерного моделирования, трехмерного изображения лица и/или улыбки пациента.
В частных случаях «способ» реализуется следующим образом:
- проектируют на основе составленного комплексного плана стоматологического лечения конструкции, используемые на этапах лечения;
моделируют этапы лечения, выбранные из: гнатологическое лечение, ортогнатическое лечение, ортодонтическое лечение, ортопедическое (протетическое) лечение, имплантологическое лечение;
- моделирование гнатологического лечения включает в себя задание по меньшей мере одной позиции нижней челюсти;
- позиция нижней челюсти задается на основе анализа соотношения элементов ВНЧС и высоты прикуса;
- моделирование ортогнатического лечения включает в себя выделение и задание по меньшей мере одного нового варианта положения фрагментов челюстных костей или зубо-альвеолярного комплекса;
- моделирование ортогнатического лечения предусматривает задание позиции нижней челюсти (например, привычной окклюзии, центрального соотношения), причем для каждой заданной позиции нижней челюсти формируется по меньшей мере один сценарий перемещения фрагментов челюстных костей или зубо-альвеолярного комплекса;
- моделирование ортодонтического лечения включает в себя моделирование реконструктивного прикуса и создания по меньшей мере одного сценария выравнивания зубов;
- моделирование выравнивания зубов включает в себя задание позиции нижней челюсти, задание позиции зубо-альвеолярного комплекса, причем для каждой заданной позиции формируется по меньшей мере один сценарий выравнивания зубов;
- моделирование ортопедического (протетического) лечения включает в себя по меньшей мере один проект положения и формы искусственных зубов;
- моделирование положения и формы искусственных зубов включает в себя задание позиции нижней челюсти, задание позиции зубо-альвеолярного комплекса, задание конечной позиции выравнивания зубов, причем для каждой заданной позиции формируется по меньшей мере один проект положения и формы искусственных зубов;
- моделирование формы и положения искусственных зубов включает в себя импорт из устройства хранения эталонных данных трехмерной модели зуба, установку ее в модель челюсти в привязке к шейкам естественных зубов или в расчетной позиции в случае адентии и модификацию ее формы;
- моделирование имплантологического лечения включает в себя задание по меньшей мере одного нового варианта положения имплантата или имплантатов;
- моделирование положения имплантатов включает в себя задание позиции нижней челюсти, задание позиции зубо-альвеолярного комплекса, задание конечной позиции выравнивания зубов, задание позиции искусственных зубов причем для каждой заданной позиции формируется по меньшей мере один проект положения имплантатов;
- моделирование положения имплантата включает в себя импорт из устройства хранения эталонных данных имплантата, установку его в виртуальную модель челюсти, при этом моделирование положения и размера имплантатов включает в себя анализ положения искусственных зубов, объема кости, положения корней соседних естественных зубов и нижнечелюстного канала;
- по меньшей мере один план комплексного лечения содержит данные о, по меньшей мере, одной заданной позиции нижней челюсти, координат переноса фрагментов челюстной кости, сценарии выравнивания зубов, форме и положении искусственных зубов и имплантатов;
- этапы лечения планируются с учетом возможных функциональных движений нижней челюсти.
Еще одним объектом патентования является машиночитаемый носитель данных, содержащий исполняемые одним или более процессором машиночитаемые инструкции, которые при их исполнении реализуют выполнение способа планирования стоматологического лечения, описанный выше.
В материалах данного изобретения используются «термины и определения», которые имеют следующее толкование:
- эталонные данные - анатомические или физиологические параметры, соответствующие тендерной, возрастной норме и/или антропометрическим особенностям пациента;
- имитационные движения - виртуальные перемещения 3D объектов, соответствующие возможным перемещениям их реальных прототипов во время функции или на этапах лечения;
- сценарий лечения - план лечения, включающий полный перечень видов (этапов) лечения, связанных с изменением положения или формы элементов зубочелюстной системы, их частей и/или их искусственных прототипов. Фактическое исключение одного или нескольких видов (этапов) лечения (гнатологического, ортогнатического, ортодонтического, ортопедического (протетического), имплантологического) из общего комплекса планируемых лечебных мероприятий рассматривается как один из виртуальных вариантов лечения с нулевым результатом;
- моделирование гнатологического лечения - задание лечебной позиции нижней челюсти, центрального соотношения или иной позиции реконструктивного прикуса;
- моделирование ортогнатического лечения - планирование сепарации фрагментов челюстей и их перемещение с целью задания реконструктивного прикуса и изменения контура мягких тканей лица;
- моделирование ортодонтического лечения - планирование сценария выравнивания зубов (задание нового конечного положения зубов, последовательности и скорости их перемещения);
- моделирование ортопедического лечения - планирование положения и формы искусственных зубов, уровня и формы десневого края;
- моделирование имплантологического лечения - планирование положения и размеров имплантатов, аугментации (наращивания) костной ткани;
- зависимый этап планирования лечения - если на содержание планируемого этапа лечения напрямую или опосредовано влияет содержание другого этапа, то этот этап считается зависимым. Например, изменение положения нижней челюсти влияет на начальную и конечную точки траектории выравнивания зубов, на положение, размеры и форму искусственных зубов, на положение имплантатов в виртуальном пространстве. Изменение положения имплантатов при планировании не влияют ни на один из других планируемых этапов лечения.
Пример 1.
Пациентка М., жалобы на истирание зубов, скученное положение зубов, снижение высоты прикуса, боли в височно-нижнечелюстном суставе (фиг. 2). При анализе трехмерной сцены обнаружено, что в результате истирания зубов головки НЧ сместились в суставных ямках дистально (поперечные сечения ВНЧС отображены в верхней части фиг. 2), что привело к сдавлению биламинарной зоны и болевым ощущениям. В нижней части фиг. 2 слева показано соотношение резцов, режущий край нижнего резца истерт.В нижней части фиг. 2 справа показана общая 3D сцена.
Создан план лечения, который заключался в виртуальном задании положения центрального соотношения (смещение НЧ вперед и вниз, шарнирное открывание НЧ с увеличением межальвеолярного расстояния) (фиг. 3). Было проведено виртуальное выравнивание зубов, которое заключалось в перемещении зуба с помощью манипулятора в новое положение (фиг. 4). Было проведено расширение боковых отделов верхнего и нижнего зубных рядов, дистализация боковых зубов НЧ, исправление тортоаномалий передних зубов ВЧ и НЧ (фиг. 5).
Далее в исправленном положении зубов спланирована их новая форма, которая компенсировала потерянную высоту (фиг. 6). Новая форма зубов задает тот прикус, что обеспечивает комфортное положение головок нижней челюсти в пространстве суставных ямок ВНЧС (фиг. 7).
По окончании комплексного моделирования новой окклюзии (фиг. 8) было принято решение чуть изменить положение НЧ, придав ей еще более мезиальное положение. Это привело к изменению характера смыкания виртуальных искусственных зубов (фиг. 9).
Для оптимизации окклюзии искусственных зубов в новом положении нижней челюсти достаточно было провести коррекцию сценария выравнивания зубов, которое вновь привело к восстановлению окклюзионных контактов (фиг. 10).
Таким образом создано 2 разных сценария плана лечения (на фиг. 11 отмечены стрелкой), отличающихся разным положением НЧ, разным сценарием выравнивания зубов, однако сохраняющих одинаково правильное межокклюзионое соотношение и форму искусственных виртуальных зубов.
При реализации предлагаемого способа коррекции сценария плана лечения не потребовалось заново переделывать сценарий выравнивания зубов и заново расставлять искусственные зубы. При изменении положения НЧ достаточно было только чуть скорректировать конечное положение зубов. При традиционном подходе необходимо было бы заново создавать сценарий перемещения зубов, поскольку изменилось исходное положение зубов, а значит вновь корректировать финальную позицию искусственных зубов. В реализованном нами способе все коррекции взаимно связаны и осуществляются автоматически компьютерной программой.
Общее время создания виртуального плана лечения составило 2 часа. При виртуальной коррекции этого плана традиционным способом требуется 1.5 часа времени. При использовании предлагаемого нами подхода затраты времени составили 15 мин. Возможность создания нескольких альтернативных планов лечения дает возможность более точного и всестороннего анализа и выбора наилучшего. Сокращение времени и упрощение компьютерного моделирования существенно облегчает такую работу и гарантирует достижение оптимального результата с меньшими усилиями.
Пример 2.
Пациентка Л., имеет дефект зубного ряда в области 46 зуба, деформации зубных рядов в виде выдвижения зуба 16 и наклона 47 зуба в сторону дефекта, дефекта коронковой части 47 зуба и нуждается в имплантации в области 46, замещении дефекта зубного ряда искусственным 46 зубом, восстановлении коронковой части 47 зуба (фиг. 12).
Создан план лечения (фиг. 13), заключающийся в исправлении положения зубов - интрузии 16 зуба, устранения наклона (апрайтинга) 47 и 48 зубов; постановке искусственных зубов 47 и 46 и планировании положения имплантата в проекции 46 зуба.
После виртуального исправления положения 47, 48 и 16 зубов появилось пространство для размещения пропорционально полноценного 46 зуба. Виртуальная постановка имплантата обеспечивает выход фиксирующего винта на середину коронковой части искусственного 46 зуба (фиг. 14).
На фиг. 15 в полупрозрачном режиме показаны искусственные 47 и 46 зубы, установленные в соответствии с конечной позицией выровненных естественных зубов пациентки. На фиг. 16 в полупрозрачном режиме показаны искусственные 47 и 46 зубы, установленные в соответствии с начальной позицией естественных зубов пациентки.
Подобное планирование позволяет одновременно провести имплантацию и начать ортодонтическое лечение, за время которого имплантат полностью приживется и будет способен выдерживать полноценную жевательную нагрузку, то есть можно будет изготовить постоянные зубные протезы. Причем установленный в самом начале лечения имплантат после окончания ортодонтического лечения окажется в правильной для протезирования позиции.
Такой подход позволил сократить общее время стоматологического лечения этой пациентки вдвое.