Способ прогнозирования высокой эффективности применения титановых имплантатов используя метод рентгеновской микротомографии
METHOD FOR PREDICTING THE HIGH EFFICIENCY OF TITANIUM IMPLANTS USING THE X-RAY MICROTOMOGRAPHY METHOD

Изобретение относится к медицине и может быть использовано в травматологии, ортопедии и стоматологии для прогнозирования высокой эффективности применения биосовместимых титановых сплавов и титановых имплантатов с покрытиями.
Отсутствие токсичных для организма легирующих элементов, высокая прочность при сохранении на удовлетворительном уровне пластичности, высокая усталостная прочность и высокая биосовместимость обеспечивают широкое применение титановых имплантатов в медицине [revolution.allbest.ru>Медицина>00677141_0.html; Патент RU №2359708 С1 от 27.06.2009; Патент RU №2385740 C1 от 10.04.2010; Патент RU №2562596 С2 от 10.09.2015; Патент RU №2615863 С2 от 11.04.2017; Патент RU №2610533 С1 от 13.02.2017].
Однако имеются единичные сообщения о способах прогнозирования эффективности применения титановых имплантатов. В основном проводится констатация положительных свойств титановых имплантатов в отдаленный период после операции [Патент RU №2326621 С1 от 20.06.2008; Патент RU №2444319 С1 от 10.03.2012; Патент RU №2524126 С1 от 17.07.2014; Патент RU №2578888 С1 от 27.03.2016].
Известны способы прогнозирования и оценки медицинской эффективности имплантологического лечения, включающие клинические, клинико-статистические, клинико-рентгенологические, функциональные и другие подходы [Schnitman Р.А., Shulman L.B. Recommendations on the consensus development conference on dental implants // J. Am. Dent. Assoc. - 1979; 98. - Р. 373].
Известен критерий оценки эффективности функционирования имплантатов, позволяющий определить по клиническим признакам состояние каждого имплантата в динамике, способ предусматривал оценку имплантатов по балльной системе. Построена статистика результативности имплантологической реабилитации [Миргазизов М.З., Миргазизов A.M. Критерии эффективности в дентальной имплантологии // Российский стоматологический журнал. - 2000. - №2. - С. 4-7].
Описан способ прогнозирования эффективности стоматологической имплантации никелида титана [Патент RU №2237242 С2 от 27.09.2004]. В предложенном способе прогнозирования эффективности имплантации использована в динамике активность ферментов энергетического метаболизма лимфоцитов крови, что не имеет ничего общего со структурой костной ткани вокруг имплантата. Поэтому этот патент является аналогом нашей заявки.
Задачей настоящего изобретения является использование метода рентгеновской микротомографии для выявления критериев, позволяющих прогнозировать высокую эффективность биологической совместимости и надежность применения титановых имплантатов.
3
Поставленная задача реализуется за счет того, что в качестве критериев биологической совместимости, плотности костного с имплантатом соединения и улучшения функциональных характеристик титановых имплантатов протезирования использованы следующие показатели рентгеновской микротомографии: показатель рентгеновской плотности (по Хаунсфилду), показатель минеральной плотности (г/см), отношение объема трабекул к общему объему костной ткани (в %) и отношение объема пористости к общему объему костной ткани.
Способ прогнозирования высокой эффективности применения титановых имплантатов, используя метод рентгеновской микротомографии, включает исследование костной ткани вокруг имплантата и определение методом рентгеновской микротомографии на 10-50 сутки после имплантации показателя рентгеновской плотности по Хаунсфилду (HU), показателя минеральной плотности (BMD), отношения объема трабекул к общему объему костной ткани (TrV/Total V) и отношения объема пористости ткани к общему объему костной ткани (PV/Total V), при показателе рентгеновской плотности по Хаунсфилду 2400-2500 условных единиц, BMD - 0,83-0,92 г/см3, TrV/Total V - 72,2-87,6%, PV/Total V - 12,4-27,8% прогнозируют высокую эффективность применения титановых имплантатов.
3
Предлагаемый способ осуществляют следующим образам: Кроликам женского пола, в возрасте 6-8 месяцев, массой 5,5-6,6 кг под внутривенным наркозом в большеберцовую кость на уровне средней трети введен титановый имплантат. Затем в сроки через 10-50 дней проводили эвтаназию и вывод животного из эксперимента. В эти сроки проводят забор макропрепаратов костной ткани с имплантатами размером более 2 см, погружают их в 3% раствор формалина и через 5 дней определяют свойства костной ткани в периимплантационной зоне методом рентгеновской микротомографии. Определяют показатель рентгеновской плотности (HU), показатель минеральной плотности (BMD), отношение объема трабекул к общему объему костной ткани (TrV/Total V), при показателе рентгеновской плотности по Хаунсфилду 2400-2500 условных единиц, BMD - от 0,83 до 0,92 г/см, TrV/Total V - от 72,2 до 87,6%, PV/Total V от 12,4 до 27,8% прогнозируют высокую эффективности применения титановых имплантатов.
Выявленные изменения в костной ткани методом рентгеновской микротомографии свидетельствуют о более эффективном применении титанового имплантата с синтетическим биоактивным кальций-фосфатным минеральным покрытием по сравнению с титановым имплантатом без покрытия. Отмечены минимальные изменения костной ткани в периимплантационной зоне (таблица).
Исследования на кроликах проводились согласно всем этическим нормам и требования доклинических исследований (Протокол заседания Комитета по этике при ФГБОУ ВО Тюменского ГМУ Минздрава России за №73 от 18 февраля 2017 г.).
Предложенный способ поясняется графическим материалом, исполненным методом рентгеновской микротомографии. На фигурах 1 и 2 представлено изображения препаратов в одной из трех плоскостей ортогонального сечения в программе DataViewer. На фигуре 1 представлен препарат костной ткани в продольном сечении с использованием титанового имплантата на 50 сутки после имплантации, где 1 - титановый имплантат, 3 - кортикальная кость средней трети диафизарной части большеберцовой кости, 4 - периимплантационная зона вокруг титанового имплантата.
На фигуре 2 представлен препарат костной ткани в продольном сечении с использованием титанового имплантата с синтетическим биоактивным кальций-фосфатным минеральным покрытием (СБКФМП) на 50 сутки после имплантации, где 2 – титановый имплантат с покрытием, 3 - кортикальная кость средней трети диафизарной части большеберцовой кости, 5 - периимплантационная зона вокруг титанового имплантата с покрытием.
На фигурах 3 и 4 представлены результаты изучения пористости и резорбции периимплантационной зоны костной ткани в программе CTvox. При использовании титанового имплантата пористость и резорбция костной ткани в периимплантационной зоне на 10 сутки после имплантации представлена на фигуре 3, где 1 - титановый имплантат, 4 - периимплантационная зона вокруг титанового имплантата, 6 - резьбовая поверхность периимплантационной зоны костной ткани вокруг титанового имплантата и выраженная резорбция, контурирующая резьбу имплантата, 7 - пористость периимплантационной зоны костной ткани вокруг титанового имплантата.
При использовании титанового имплантата с покрытием (СБКФМП) пористость и резорбция костной ткани в периимплантационной зоне на 10 сутки после имплантации представлена на фигуре 4, где 2 - титановый имплантат с синтетическим биоактивным кальций-фосфатным минеральным покрытием, 8 - периимплантационная зона костной ткани вокруг титанового имплантата с покрытием, 9 - резьбовая поверхность периимплантационной зоны костной ткани вокруг титанового имплантата с покрытием и незначительная резорбция, 10 - пористость периимплантационной зоны костной ткани вокруг титанового имплантата с покрытием.
Настройки съемки рентгеновского микротомографа Sky Skan 1172:
Source Voltage (kV)=100 - напряжение на трубке в зависимости от размеров образца
Source Current (uA)=100 - сила тока на трубке
Filter=Al+Cu 0,5 мм
Image Pixel Size (um)=6,7 мкм/пиксел - разрешающая способность
Rotation Step (deg)=0.400 - угол поворота образца
Frame Averaging=0 ON 3 - количество кадров
Random Movement=0 ON 10 - случайный кадр (борьба с кольцевыми артефактами) Use 360 Rotation=YES
Настройки реконструкции:
Smoothing=6 Ring Artifact Correction=20
Beam Hardening Correction (%)=46
Minimum for CS to Image Conversion=0.000000
Maximum for CS to Image Conversion=0.0986
Далее осуществляется обработка материалов рентгеновской микротомографии в программе Nrecon (version: 1.7.0.4): открываем теневые проекции образца в программе реконструкции и выбираем предпочтительный срез для анализа костной ткани; определяем интервал реконструкции и значений коэффициента поглощения. В связи с тем что стандартно определяемые программой значения коэффициентов поглощения материалов могут меняться из-за ряда причин (толщина объекта, нестабильная работа камеры или источника рентгеновского излучения). Была предложена технология реконструкции и калибровки. Суть технологии заключается в том, что выбор интересующего интервала коэффициента поглощения происходит не в численных значениях, а относительно пиков стандартные значений: 1 - пик окружающего отсканированного образец воздуха; 2 - конец пика титанового имплантата. После окончания процесса реконструкции, в программе анализаторе СТ analyser (version: 1.16.8.0+) происходит калибровка значений серого цвета (от 0 до 255) по шкале Хаунсфилда, где значения воздуха и титана равны -1000 HU и 9000 HU соответственно. Калибровка значений единиц Хаунсфилда (HU) в единицы минеральной плотности кости (BMD) в данной программе установлено стандартно, после чего происходят все математические расчеты исходя из того, что рентген-плотность костной ткани начинается условно от 550 HU и заканчивается на конце пика (соответствующего кости) - в каждом случае индивидуально. Для корректного моделирования 3D модели пор и костной ткани - необходимо установить граничное значение границы поры/костная ткань в градации серого цвета. Для этого необходимо в программе CTan - перейти от градации рентгенплотности по шкале Хаунсфилда «Hounsfield units» к градации серого цвета «Grayscale indexes» и посмотреть, какому значению соответствует 550 HU. В образце макропрепарата на 5 сутки при использовании титанового имплантата с СБФМП граничное значение серого цвета «Grayscale indexes» равно 33.
В программе CTan выбираем и вырезаем интересующую нас область для анализа и моделирования - область интересов или «ROI» - Region of Interest. После чего открываем в программе CTvox (version: 3.2.0 r1294) куб/цилиндр вырезанный из периимплантационной зоны, подбираем цвет и задаем на границе поры/костная ткань (титан) изменение цвета: делая поры более яркими и контрастными, а костную ткань полупрозрачной, либо совсем невидимой.
По программе DataViewer - аналогично, как и с CTvox - определяем границы, исходя из калибровки поры/костная ткань, устанавливаем интервал визуализации (левая граница соответствует в образце макропрепарата на 5 сутки при использовании титанового имплантата с СБФМП 550 HU - граничное значение серого цвета «Grayscale indexes» равно 33.) Правая граница - до конца пика костной ткани (смотрим в CTan) в образце макропрепарата на 5 сутки при использовании титанового имплантата с СБФМП (2300 HU - 67 Grayscale indexes).
Далее были проанализированы в сравнении следующие показатели периимплантационной зоны при использовании титановых имплантатов без покрытия и с СБКФМП и нормальной костной ткани данных образцов: рентгеновская плотность по Хаунсфилду (HU), показатель минеральной плотности (BMD), отношение объема трабекул к общему объему костной ткани (TrV/Total V) и отношение объема пористости ткани к общему объему костной ткани (PV/Total V). Результаты представлены в таблице.
Создаем развертку по трем плоскостям ортогональных сечений с помощью программы DataViewer (version: 1.5.2.7), получаем изображение препаратов с титановыми имплантатами для просмотра и сравнения макропрепаратов в трех плоскостях ортогонального сечения. Наиболее информативным для визуального анализа периимплантационной зоны является срез в продольном сечении макропрепарата (фиг. 1 и 2), позволяющий детально изучить состояние микроархитектоники и структуры костной ткани периимплантационной зоны в сравнении с нормальной костью в различные сроки после имплантации.
Визуализация в программе CTvox (version: 3.2.0 r1294): начинаем с выделения области интересов «ROI» имплантата с окружающей костной тканью, без захвата воздуха (вне влажного макропрепарата) вручную в каждом сечении в программе CTan. Ручная обработка необходима для удаления вокруг образца воздуха, препятствующего детальному изучению пористости костной ткани при 3D моделировании.
Подбор цветовой гаммы в программе CTvox: в данном случае использовались следующие настройки цвета визуализации: кость окрашиваем в бежевый цвет; имплантат делаем бесцветным (прозрачным для визуализации пустот (воздух) вокруг имплантата); пустоты - от красного (мелкие поры) до черного (крупные поры и резорбция по резьбе).
3D модели периимплантационной зоны для изучения резорбции вокруг имплантата и пористости костной ткани периимплантационной зоны при использовании титановых имплантатов без покрытия представлены на фиг. 3, при использовании титановых имплантатов с СБКФМП на фиг. 4.
Примеры практического использования предлагаемого способа.
Пример 1.
3
Макропрепарат трубчатой большеберцовой кости с использованием титанового имплантата на 10 сутки после имплантации. Установлен показатель рентгеновской плотности по Хаунсфилду - 2200 условных единиц, BMD - 0,74 г/см, TrV/Total V - 72,2%, PV/Total V - 27,8%.
Анализ 3D модели на 10 сутки после имплантации при использовании титановых имплантатов показал высокую активность процесса резорбции костной ткани вокруг имплантата, определяющегося (фиг. 3) в виде четкого контурирования резьбовой поверхности периимплантационной зоны костной ткани (6), и повышенную пористость периимплантационной зоны (7) в 3D модели как образования черного цвета (наибольшее скопление воздуха).
Пример 2.
3
Макропрепарат трубчатой большеберцовой кости с использованием титанового имплантата с СКФМП на 10 сутки после имплантации. Установлен показатель рентгеновской плотности по Хаунсфилду - 2400 условных единиц, BMD - 0,88 г/см, TrV/Total V - 75,8%, PV/Total V - 24,2%.
Анализируя 3D модель на 10 сутки после имплантации при использовании титановых имплантатов с СБКФМП незначительную выраженность процесса резорбции костной ткани вокруг имплантата, определяющегося (фиг. 4) на резьбовой поверхности периимплантационной зоны костной ткани (9) и меньшую пористость периимплантационной зоны (10), представленную в 3D модели как образования красного цвета. Что говорит о прогнозировании более высокой эффективности при использовании титановых имплантатов с СБКФМП.
Пример 3.
Макропрепарат трубчатой большеберцовой кости с использованием титанового имплантата с СКФМП на 40 сутки после имплантации. Установлен показатель рентгеновской плотности по Хаунсфилду - 2450 условных единиц, BMD - 0,86 г/см3, TrV/Total V - 78,4%, PV/Total V - 21,6%.
При анализе показателей отношения объема трабекул к общему объему костной ткани (TrV/Total V) и отношения объема пор к общему объему ткани PV/Total V прогнозируют высокую эффективность применения титановых имплантатов.
В период с 2 по 8 сутки значительных различий в показателях периимплантационной зоны костной ткани при использовании титановых имплантатов не выделяется. Показатель минеральной плотности BMD для титановых имплантатов и титановых имплантатов с СБКФМП по сравнению с нормальной кости имеют несущественное различие -14,4% и -11,1% соответственно.
При длительном исследовании периимплантационной зоны костной ткани с применением титановых имплантатов с СБКФМП в период от 10 до 50 сутки наблюдается кратное превосходство показателей качества костной ткани по сравнению с показателями периимплантационной зоны при использовании титановых имплантатов. Различие наблюдаются в относительном изменении показатели минеральной плотности -24,1% и -13,6% для титановых имплантатов и титановых имплантатов с СБКФМП по сравнению с нормальной костью. Также наблюдается и в показателе «TrV/TotalV», свидетельствующее, что применение титановых имплантатов с СБКФМП более чем в 1,5 раза превалирует над показателями титановых имплантатов.
На основании примеров практического использования титановых имплантатов с СБКФМП и результатов статистической обработки экспериментальных данных (таблица) имеется основание применения предложенного способа для прогнозирования эффективности титановых имплантатов с различным видом покрытий, в том числе и биоактивных, повышающих биосовместимость с костной тканью.
Предложенный способ позволяет прогнозировать эффективность использования различных титановых имплантатов методом рентгеновской микротомографии.
Обозначения: Ti - титановый имплантат;
Ti+СБКФМП - титановый имплантат с покрытием;
HU - показатель рентгеновской плотности по Хаунсфилду;
BMD - показатель минеральной плотности;
TrV/Total V - отношение объема трабекул к общему объему ткани;
PV/Total V - отношение объема пор к общему объему ткани.