Спосіб високоточної багатовимірної віртуальної імітації будови та функції зубощелепного апарату людини, ортодонтичних апаратів, ортопедичних конструкцій зубних протезів, шин, шин-протезів, імплантатів та їх про

Реферат: Спосіб високоточної багатовимірної віртуальної імітації будови та функції зубощелепного апарату людини, ортодонтичних апаратів, ортопедичних конструкцій зубних протезів, шин, шинпротезів, імплантатів та їх протетичних елементів з метою експериментального моделювання їх функціонування, що включає створення на основі даних комп'ютерної томографії тривимірної комп'ютерної моделі нижньої щелепи пацієнта, побудову об'ємної скінченно-елементної сітки, відтворення структурної неоднорідності кісткової тканини щелепи на основі її рентгенологічної щільності і задання механічних властивостей різних типів кісткової тканини за емпіричними формулами, що пов'язують механічні константи із рентгенологічною щільністю кісткової тканини. UA 68170 U (12) UA 68170 U UA 68170 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель, що заявляється, належить до галузі експериментальної медицини, стоматології та біомеханіки і стосується способу високоточної багатовимірної віртуальної імітації будови та функції зубощелепного апарату людини, ортодонтичних апаратів, ортопедичних конструкцій зубних протезів, шин, шин-протезів, імплантатів та їх протетичних елементів для високоточної багатовимірної віртуальної імітації будови та функції зубощелепного апарату людини, ортодонтичних апаратів, ортопедичних конструкцій зубних протезів, шин, шин-протезів, імплантатів та їх протетичних елементів з метою експериментального моделювання їх функціонування в умовах фізіологічної норми та при різних патологічних станах з використанням будь-яких ортодонтичних, ортопедичних та хірургічних лікувальних методів та їх матеріально-технічного забезпечення з метою достеменного прогнозування результатів їх використання в біологічних об'єктах. Фахівцям відомо, що зубощелепний апарат людини під час функціонування зазнає дії різноманітних навантажень та зумовлених ними переміщень і деформацій. Різноманітні за природою сили, що діють під час функціонального навантаження на зубощелепний апарат людини під час функціонування, характеризуються напрямом, величиною і тривалістю їх дії. Під дією вказаних сил анатомічні структури та штучно введені в ротову порожнину конструкції змінюють об'єм і форму за рахунок деформацій стиску, зсуву, згину або їх суперпозиції [1]. Відомо, що кісткова тканина, ортопедичні конструкції та ортодонтичні апарати, а також дентальні імплантати найбільш стійкі до деформацій стиснення і менше всього до зрушення. Ступінь деформації кісткової тканини та штучних конструкцій визначається одиницями розрахунку жорсткості, а інтенсивність внутрішніх сил, що припадають на одиницю поверхні, характеризується величиною напруг [1, 2]. Слід відзначити, що різні типи деформаційних рухів в зубощелепному апараті залежать не тільки від величини, напрямку і тривалості дії прикладеної сили, а й від фактичних біомеханічних властивостей його структурних елементів (наприклад при аналізі природних зубів - залежність стану твердих тканин зубів від віку, біохімічного стану, особливостей мікроструктурної будови, загально соматичного стану здоров'я, результатів життєдіяльності людини)[3-5]. Поглиблене, достеменне вивчення біомеханічних властивостей стану зубощелепної системи із застосуванням методів біомеханіки дозволяє зрозуміти механізми розвитку функціональних порушень, обирати раціональні методи для комплексного лікування, прогнозувати напрями в розвитку захворювання та його перебіг, визначати не на пацієнтах, а на віртуальних імітаційних моделях зубощелепної системи цих пацієнтів ефективність будь-яких ортодонтичних, ортопедичних та хірургічних лікувальних методів та їх матеріально-технічного забезпечення. Особливе значення у пацієнтів з патологією зубощелепної системи має визначення величини локальних напружень і деформацій [6] різних анатомічних структур при жувальному навантаженні при плануванні введення в ротову порожнину штучних конструкцій зубів, проведенні дентальної імплантації та реконструктивних заходів. На сьогодні, сучасним напрямком у проведенні біомеханічного аналізу є дослідження комп'ютерних багатовимірних моделей зубощелепного апарату людини методом скінченних елементів. Він дозволяє з високою точністю визначати розподіл напружень, напрямок і величину деформацій в окремих об'ємах та точках моделі, запас міцності та особливості її руйнування при дії екстремальних навантажень. Сучасні можливості комп'ютерної техніки дозволяють створювати дуже складні та місткі багатовимірні скінченно-елементні моделі, які відтворюють достеменно індивідуальну форму будь-яких елементів зубощелепної системи людини, ступінь їх структурної неоднорідності на основі аналізу результатів конуснопроменевої та спіральної комп'ютерної томографії. Найбільш близьким до способу, що заявляється, є обраний нами як прототип [7] спосіб визначення пружно-деформованого стану нижньої щелепи при жувальному навантаженні, що включає створення тривимірної комп'ютерної моделі нижньої щелепи пацієнта на основі даних комп'ютерної томографії, розбиття об'ємної скінченно-елементної сітки, відтворення структурної неоднорідності кісткової тканини щелепи на основі її рентгенологічної щільності і завдання механічних властивостей різних типів кісткової тканини за емпіричними формулами, що пов'язують модуль пружності із рентгенологічною щільністю кісткової тканини, при цьому щелепу шарнірно закріплюють в ділянці скронево-нижньощелепних суглобів, блокують вертикальні переміщення в ділянці зубів, що контактують за даних умов оклюзії, а силові навантаження прикладають до поверхневих вузлів моделі, які відповідають місцям прикріплення м'язів, що піднімають нижню щелепу, їх напрямок задають за орієнтацією кожного з м'язів, визначеною по даних комп'ютерної томографії, а механічну силу розраховують відносно сили прикусу, визначеної при гнатодинамометрії, при цьому співвідношення сили 1 UA 68170 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 окремих м'язів на функціонально активнішій стороні визначають за співвідношенням їх поперечного перерізу, а механічну силу м'язів на протилежній стороні визначають за співвідношенням електричної активності однойменних м'язів, визначеної при електроміографії. Проведення чисельного розрахунку моделі дозволяє визначити величину напружень і деформацій на різних ділянках нижньої щелепи. Недоліком цього способу є виключна імітація неоднорідності кісткової тканини нижньої щелепи та спрямованість розробки в бік вивчення або визначення пружно-деформованого стану беззубої нижньої щелепи, або її уламків без урахування будови зубів та тканин пародонту, що робить цю модель непридатною для вивчення ортопедичних, ортодонтичних, та імплантологічних лікувально-реконструктивних заходів. Також, недоліком цього способу є недостатня точність результатів розрахунку, пов'язана із невідповідністю відтворення анатомічних структур зубощелепної системи, спрощення в імітації анізотропії та в'язко-пружних властивостей різних природних анатомічних утворень, та лінійність відтворюваних моделей щелеп, повна відсутність анатомічно-достеменного відтворення власних зубів пацієнтів, пародонту (особливо відсутність імітації періодонту та його нелінійних властивостей), повна відсутність ортопедичних, ортодонтичних конструкцій, а також дентальних імплантатів для їх аналізу, умов навантаження і контактної взаємодії між анатомічним утвореннями та штучними конструкціями, відтворених в моделі, реальному біологічному об'єкті. Спрощена система отримання констант для завдання базових характеристик до різних анатомічних утворень, а також повна їх відсутність для тканин періодонту. При відтворенні структури кісткової тканини, її біомеханічних властивостей та будови щелепи не враховували структурної неоднорідності шарів кісткової тканини щелеп і в розрахунках не враховували: прогнозування кривих повзучості біологічних тканин, співвідношення властивостей пружних та в'язких елементів моделі щелеп, релаксацію напруження при постійній деформації, гістерезис деформації при циклічному навантаженні та розвантаженні, повзучість при постійному напруженні, а також перемінний модуль пружності. Таким чином, прототип неможливо використовувати в ортодонтії, ортопедичній стоматології та імплантології для високодостовірної імітації структурно-функціонального стану зубощелепної системи пацієнтів для прецизійної, високоточної багатовимірної віртуальної імітації будови та функції зубощелепного апарату людини, ортодонтичних апаратів, ортопедичних конструкцій зубних протезів, шин, шин-протезів, імплантатів та їх протетичних елементів з метою експериментального моделювання їх функціонування. В основу корисної моделі поставлена задача досягнення високодостовірної імітації структурно-функціонального стану зубощелепної системи пацієнтів за рахунок прецизійної, високоточної багатовимірної віртуальної імітації будови та функції зубощелепного апарату людини, ортодонтичних апаратів, ортопедичних конструкцій зубних протезів, шин, шин-протезів, імплантатів та їх протетичних елементів з метою експериментального моделювання їх функціонування в умовах фізіологічної норми та при різних патологічних станах з використанням будь-яких ортодонтичних, ортопедичних та хірургічних лікувальних методів та їх матеріально-технічного забезпечення з метою достеменного прогнозування результатів їх використання в біологічних об'єктах. Технічний результат, що досягається, полягає у створенні принципово нового рівня якості високоточної багатовимірної віртуальної імітації будови та функції зубощелепного апарату людини, з максимально наближеними до природних в'язко-пружних властивостей та анізотропії, високодостовірною віртуальної імітацією ортодонтичних апаратів, ортопедичних конструкцій зубних протезів, шин, шин-протезів, імплантатів та їх протетичних елементів. Такий підхід ще до проведення клінічної апробації нових лікувальних заходів в ортодонтії, ортопедичній стоматології, імплантології дає змогу вивчити біофізичні наслідки їх використання в ротовій порожнині пацієнтів, як при нормі так і при різних патологічних станах. Поставлена задача вирішується тим, що у відомому способі визначення пружнодеформованого стану нижньої щелепи, що включає створення на основі даних комп'ютерної томографії тривимірної комп'ютерної моделі нижньої щелепи пацієнта, побудову об'ємної скінченно-елементної сітки, відтворення структурної неоднорідності кісткової тканини щелепи на основі її рентгенологічної щільності і задання механічних властивостей різних типів кісткової тканини за емпіричними формулами, що пов'язують механічні константи із рентгенологічною щільністю кісткової тканини, щелепу шарнірно закріплюють в ділянці скронево-нижньощелепних суглобів, блокують вертикальні переміщення в ділянці зубів, - що контактують за даних умов оклюзії, а силові навантаження прикладають до поверхневих вузлів моделі, які відповідають місцям прикріплення м'язів, що піднімають нижню щелепу, їх напрямок задають за орієнтацією кожного з м'язів, визначеною по даних комп'ютерної томографії, а механічну силу розраховують 2 UA 68170 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 відносно сили прикусу, визначеної при гнатодинамометрії, при цьому співвідношення сили окремих м'язів на функціонально активнішій стороні визначають за співвідношенням їх поперечного перерізу, а механічну силу м'язів на протилежній стороні визначають за співвідношенням електричної активності однойменних м'язів, визначеної при електроміографії. Відмінною особливістю способу, що заявляється, є те, що досягнуто високодостовірну імітацію структурно-функціонального стану зубощелепної системи пацієнтів без спрощень, за рахунок прецизійної, високоточної багатовимірної віртуальної імітації будови та функції зубощелепного апарату людини, ортодонтичних апаратів, ортопедичних конструкцій зубних протезів, шин, шин-протезів, імплантатів та їх протетичних елементів з метою експериментального моделювання їх функціонування в умовах фізіологічної норми та при різних патологічних станах з використанням будь-яких ортодонтичних, ортопедичних та хірургічних лікувальних методів та їх матеріально-технічного забезпечення з метою достеменного прогнозування результатів їх використання в біологічних об'єктах. За відомими даними літератури такий спосіб високоточної багатовимірної віртуальної імітації будови та функції зубощелепного апарату людини, ортодонтичних апаратів, ортопедичних конструкцій зубних протезів, імплантатів та їх протетичних елементів з метою експериментального моделювання їх функціонування в умовах фізіологічної норми та при різних патологічних станах з використанням будь-яких ортодонтичних, ортопедичних та хірургічних лікувальних методів та їх матеріально-технічного забезпечення з метою достеменного прогнозування результатів їх використання в біологічних об'єктах невідомий. Суть способу полягає в тому, що високоточна багатовимірна віртуальна імітація будови та функції зубощелепного апарату людини (відтворення неоднорідності, анізотропності, нелінійності, в'язко-пружних властивостей, а також введення у моделі величин основних механічних констант), ортодонтичних апаратів, ортопедичних конструкцій зубних протезів, шин, шин-протезів, імплантатів та їх протетичних елементів дозволяє експериментальне моделювання функціонування різних штучних об'єктів, при змодельованих механічних навантаженнях, в умовах фізіологічної норми та при різних патологічних станах з використанням будь-яких ортодонтичних, ортопедичних та хірургічних лікувальних методів, вивчення напружень і деформацій, що при цьому виникають, з метою достеменного прогнозування результатів їх використання в біологічних об'єктах. Визначення пружнодеформованих станів зубощелепного апарату людини проводять шляхом створення і розрахунку індивідуальної скінченно-елементної моделі з автоматизовано визначеними топологічними характеристиками, геометрії об'ємів та розподілом механічних властивостей структур неоднорідних матеріалів, в якій умови навантаження задаються на основі індивідуально визначуваних параметрів для кожного пацієнта (за допомогою функціональних, клінічних та рентгенологічних досліджень) або в залежності від типу патології, що потрібно імітувати. При вивченні усіх моделей умови навантаження максимально подібні до природних, а у разі створення імітаційної моделі під конкретного пацієнта впроваджується до загальних параметрів поправка на індивідуально визначені параметри жувального стереотипу хворого. Далі наведено деякі з можливих прикладів реалізації заявленого способу. Приклад 1. Пацієнту, що потребує визначення найкращого варіанту для ортопедичного етапу лікування захворювань тканин пародонту, шляхом шинування зубів та поєднання їх з дентальними імплантатами з метою розвантаження потрібно визначити кількість імплантатів для реалізації цього плану, їх параметри, конструкційні особливості шин або шин протезів, що відповідатимуть жорстким умовам поставленої задачі. Для цього проводять конусно-променеву комп'ютерну томографію зубощелепного апарату людини, що потребує допомоги, умови оклюзійних співвідношень, перерозподіл навантажень між зубами, що залишились, дані про силу стиснення і часу стиснення зубних рядів визначають, наприклад, за допомогою комп'ютерного автоматичного приладу для функціональних досліджень - T-Scan III фірми "Tekscan, Inc.", США, за потреби з подальшим аналізом діагностичних моделей та оклюзіограм в артикуляторі. Силу стиснення між зубними рядами або окремими зубами, дослідження зони міжзубного контакту і розподіл навантаження по контактної поверхні визначають за допомогою, наприклад, з використанням вимірювальної плівки Fuji Prescale Pressure Measuring System (Fuji Photo Film Co., Ltd., Tokyo, Japan) та програми для аналізу показників власної розробки. Механічну силу розраховують відносно сили прикусу, визначеної при, наприклад, використанні вимірювальної плівки Fuji Prescale Pressure Measuring System (Fuji Photo Film Co., Ltd., Tokyo, Japan) та програми для аналізу показників власної розробки або стандартного програмного забезпечення Adobe Photoshop), при цьому співвідношення сили окремих м'язів на функціонально активнішій стороні визначають за співвідношенням їх поперечного перерізу, а механічну силу м'язів на протилежній стороні визначають за співвідношенням електричної 3 UA 68170 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 активності однойменних м'язів, визначеної при електроміографії. Вищенаведені індивідуальні параметри визначених показників жувального стереотипу хворого необхідно доповнити даними про рухомість зубів при оклюзійних навантаженнях (прилад власної розробки у поєднанні з плівкою Fuji Prescale Pressure Measuring System), що надасть змогу запрограмувати параметри імітаційної моделі для тканин періодонту. Вищенаведені параметри дають змогу запрограмувати константи для біомеханічних умов реалізації імітаційної моделі зубощелепного апарату. Параметри кісткової тканини отримаємо за рахунок аналізу даних комп'ютерної томографії за потреби у дуже складних випадках, з додатковим механічним дослідженням взірців кісткової тканини, забраних при пункції кістки. За допомогою програмних комплексів обробки томографічних зображень, наприклад Mimics 14.1 (ф-ма Materialise), проводимо конвертацію даних комп'ютерної томографії зубощелепного апарату в тривимірну модель зубощелепного апарату. Виконують побудову та оптимізацію об'ємної сітки скінченних елементів для розрахункової моделі з неоднорідними матеріалами в Mimics 14.1. За наявності потреб більш глибокого та складного аналізу отриману багатовимірну модель імпортують у універсальне програмне середовище для автоматичного проектування, а також багатоцільових програмних середовищ, наприклад ANSYS, SolidWorks, AutoCAD. Виконують побудову та оптимізацію об'ємної сітки скінченних елементів для розрахункової моделі з неоднорідними матеріалами. Властивості біомеханічних констант для різних шарів кісток та неоднорідних досліджуємих об'єктів визначають для кожного скінченного елемента за рентгенологічною щільністю кістки (кореляційного зв'язку між механічними константами і рентгенологічною щільністю кісткової тканини). У складних випадках для аналізу механічних властивостей кістки пацієнта проводимо її пункцію або забір кістки з ділянок свердлення під імплантати, та подальший аналіз її за допомогою наноіндентування шарів з веденням параметрів в модель. Перетини усіх жувальних, скроневих та медіальних крилоподібних м'язів апроксимують прямою лінією і визначають кути її нахилу відносно осі координат. Розраховують площу поперечних перетинів м'язів та визначають їх співвідношення. Отриману тривимірну скінченно-елементну модель експортують в програмне середовище, що реалізує метод скінченних елементів. Верхню щелепу закріплюють нерухомо, а для нижньої завдають умови закріплення моделі, що відповідають певним умовам оклюзії визначеним індивідуального для кожного пацієнта. Навантаження на анатомічні утворення верхньої та нижньої щелепи здійснюють, прикладаючи силу до поверхневих вузлів моделі, які відповідають місцям прикріплення м'язів, що піднімають нижню щелепу, їх напрямок задають за орієнтацією м'язів, а силу розраховують відносно сили прикусу, а також визначених раніше показників, що характеризують стереотип жувальних навантажень. Це дозволяє врахувати функціональну асиметрію жувального апарату. Дані про характер і ступінь існуючих напружень та деформацій в зубощелепній системі додатково доповнюємо даними отриманими з результатів вивчення напружено-деформованих станів зубощелепної системи у статиці, під час функції, використовуючи метод електронної спеклінтерферометрії та аналізу спекл-поля (-ів), а отримані параметри вводимо до відповідних ділянок кожного з кінцевих елементів багатовимірної комп'ютерної моделі щелеп пацієнта. Після задання кінематичних граничних умов, які обумовлюють механічну взаємодію з іншими частинами тіла людини, що не присутні в дослідженні і силових навантажень проводять розрахунок моделей зубощелепного апарату пацієнта. Далі після отримання базових розрахунків на модель встановлюють різні конструкції шин та шин протезів на обидві щелепи або тільки на нижню (в залежності від плану лікувальних заходів) та оцінюють зміни в розподілу напружень і деформацій на різних ділянках зубощелепного апарату та шин. Потім до моделі починаємо вводити різні конструкції імплантатів та аналізувати їх, зону з'єднання з кісткою та характер перерозподілу напружень та деформацій кістки навколо них в кістці до з'єднання з шиною та власне рухомими зубами пацієнта та після з'єднання. Перевагами запропонованого способу є підвищення точності визначення величини діючих напружень і деформацій на різних ділянках верхньої та нижньої щелепи, а також в ділянках власних зубів та імплантатів. Аналіз напружень та деформацій дозволяє визначити найбільш раціональну шинуючу конструкцію, добрати тип імплантатів для дентальної імплантації, визначити переріз з'єднувальних частин між імплантатами та власними зубами пацієнта, а також добрати після аналізу параметрів діючих напружень і деформацій на різних ділянках верхньої та нижньої щелепи, а також в ділянках власних зубів та імплантатів конструкційні матеріали для виготовлення майбутніх шин або шин-протезів. Спосіб враховує індивідуальні особливості жувального апарату пацієнта і дозволяє з високою вірогідністю оцінити вплив різноманітних структурних та функціональних порушень на біомеханіку зубощелепної системи. Приклад 2. Проводять комп'ютерну томографію анатомічного препарату зубощелепного апарату людини. За допомогою програмних комплексів обробки томографічних зображень, 4 UA 68170 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 наприклад Mimics 14,1 (ф-ма Materialise) проводимо конвертацію даних комп'ютерної томографії зубощелепного апарату в тривимірну модель зубощелепного апарату. Отриману багатовимірну модель імпортують у універсальне програмне середовище для автоматичного проектування, а також багатоцільових програмних середовищ, наприклад ANSYS, SolidWorks, AutoCAD. Виконують побудову та оптимізацію об'ємної сітки скінченних елементів для розрахункової моделі з неоднорідними матеріалами. Властивості біомеханічних констант для різних шарів кісток та неоднорідних досліджуваних об'єктів визначають для кожного скінченного елемента за рентгенологічною щільністю кістки (кореляційного зв'язку між механічними константами і рентгенологічною щільністю кісткової тканини). Проводять сканування в багатовимірному сканері природних зубів та коренів зубів, наприклад зубів, видалених з анатомічного препарату щелеп або зубів, що були видалені у стоматологічних хворих з різних до цієї маніпуляції показань, з метою створення цифрової бази багатовимірних високоточних моделей зубів та коренів зубів для подальшого введення в багатовимірну модель віртуальної моделі щелеп в залежності від завдань моделювання різної патології. Побудову багатовимірної комп'ютерної моделі зубів та коренів зубів для введення їх в моделі щелеп пацієнта для експериментального моделювання патології проводять з відібраних з цифрової бази багатовимірних високоточних моделей зубів та коренів зубів та адаптації їх до високої достовірності з зубами хворого, що були отримані під час проведення, наприклад, комп'ютерної конусно-променевої томографії. Для моделювання експериментального дослідження відновлення дефектів зубних рядів, шинування з бази штучних конструкцій зубних протезів імпортується шини та шини протези, а також дентальні імплантанти в побудовану імітаційну модель зубощелепного апарату конкретного пацієнта. Побудову об'ємної скінченноелементної сітки проводять в усіх шарах елементів багатовимірної комп'ютерної моделі щелеп пацієнта, наприклад, слизово-окістковий шар, окістя, кортикальний шар кісткової тканини, шари губчатої кісткової тканини, періодонт навколо кореня зубів, корінь зуба, емаль зуба, штучні конструкції зубних протезів (в кожному з їх структурних елементів та шарів), імплантати, абатменти, супраконструкції на абатменті. Відтворення структурної неоднорідності шарів кісткової тканини щелеп безпосередньо пацієнта провидимо наступними способами: за допомогою комп'ютерного програмного забезпечення, що дозволяє за даними, наприклад, комп'ютерної конусно-променевої томографії, визначити механічні константи для кожного з складових елементів багатовимірної комп'ютерної моделі щелеп пацієнта, крім цього усім ділянкам кісткової тканини і періодонту задаються параметри анізотропії та в'язко-пружні властивості, що дозволяє в повному обсязі відтворити біомеханіку зубощелепного апарату. Рухи нижньої щелепи відносно верхньої задають у відповідності до параметрів визначених під час клінічних досліджень з лицевою дугою, а також різних приладів для запису рухів щелепи та скронево-нижньощелепних суглобів, а також інших апаратів, наприклад, комп'ютерної томографії. Умови оклюзійних співвідношень, дані про силу стиснення і часу стиснення зубних рядів визначають, наприклад, за допомогою комп'ютерного автоматичного приладу для функціональних досліджень - T-Scan III фірми "Tekscan, Inc.», США. Силу стиснення між зубними рядами або окремими зубами, чи на зуб або на штучну конструкцію, дослідження зони контакту і розподіл навантаження по контактній поверхні визначають за допомогою, наприклад, з використанням вимірювальної плівки Fuji Prescale Pressure Measuring System (Fuji Photo Film Co., Ltd., Tokyo, Japan) та програми для аналізу показників власної розробки. Механічну силу розраховують відносно сили прикусу, визначеної при використанні вимірювальної плівки Fuji Prescale Pressure Measuring System (Fuji Photo Film Co., Ltd., Tokyo, Japan) та, наприклад, програми для аналізу показників власної розробки або стандартного програмного забезпечення Adobe Photoshop, або з використанням гнатодинамометру), при цьому співвідношення сили окремих м'язів на функціонально активнішій стороні визначають за співвідношенням їх поперечного перерізу, а механічну силу м'язів на протилежній стороні визначають за співвідношенням електричної активності однойменних м'язів, визначеної при електроміографії. Механічні властивості матеріалів біомеханічної системи, а саме кісткової тканини пацієнта, додатково отримуємо за рахунок визначення їх, наприклад, за допомогою наноіндентування шарів кісткової тканини приладом для дослідження фізико-механічних властивостей поверхневих шарів матеріалів "Мікрон-гамма", дані що були отримані вносимо до відповідних ділянок багатовимірної комп'ютерної моделі щелеп пацієнта. Механічні властивості матеріалів біомеханічної системи, а саме тканин періодонту пацієнта визначаємо за рахунок навантаження досліджуваних зубів заданої величини та визначення переміщення при заданій силі, з побудовою графіків та отриманням параметрів, які вводимо до механічних властивостей матеріалів біомеханічної системи в багатовимірній комп'ютерній моделі щелеп пацієнта, а саме в ділянку періодонту. Після задання кінематичних граничних умов, які обумовлюють механічну 5 UA 68170 U 510 15 20 25 30 35 40 45 50 взаємодію з іншими частинами тіла людини, що не присутні в дослідженні і силових навантажень проводять розрахунок моделей зубощелепного апарату пацієнта. Далі після отримання базових розрахунків на модель встановлюють різні конструкції шин та шин протезів на обидві щелепи або тільки на нижню (в залежності від плану лікувальних заходів) та оцінюють зміни в розподілу напружень і деформацій на різних ділянках зубощелепного апарату та шин. Потім до моделі починаємо вводити різні конструкції імплантатів та аналізувати їх якість з'єднання з кісткою та характер перерозподілу напружень та деформацій кістки навколо них до з'єднання з шиною та власне рухомими зубами пацієнта та після з'єднання. Аналіз напружень та деформацій дозволяє визначити найбільш раціональну шинуючу конструкцію, добрати тип імплантатів для дентальної імплантації, визначити переріз з'єднувальних частин між імплантатами та власними зубами пацієнта, а також добрати після аналізу параметрів діючих напружень і деформацій на різних ділянках верхньої та нижньої щелепи, а також в ділянках власних зубів та імплантатів конструкційні матеріали для виготовлення майбутніх шин або шинпротезів. Спосіб враховує індивідуальні особливості жувального апарату пацієнта і дозволяє з високою вірогідністю оцінити вплив різноманітних структурних та функціональних порушень на біомеханіку зубощелепної системи. Перевагами другого запропонованого способу є швидкість виконання експерименту, пацієнту після проведення ряду клінічних, функціональних та рентгенологічних досліджень з метою експрес визначення основних біомеханічних параметрів для введення в моделі, одразу можливо приступити до аналізу напружень та деформацій та до вибору найкращого варіанту лікувальних заходів. У разі взагалі спрощення підходу до отримання індивідуальних біомеханічних параметрів можливо отримати основні константи з даних комп'ютерної томографії та одразу отримати план лікувальних заходів по спрощеній схемі. Такий підхід можливо застосовувати лише в нескладних клінічних випадках. Спосіб з успіхом апробовано на кафедрі ортопедичної стоматології Інституту стоматології НМАПО імені П.Л. Шупика та кафедрі ортодонтії і пропедевтики ортопедичної стоматології Національного медичного університету імені О.О. Богомольця. Створений спосіб високоточної багатовимірної віртуальної імітації будови та функції зубощелепного апарату людини, ортодонтичних апаратів, ортопедичних конструкцій зубних протезів, шин, шин-протезів, імплантатів та їх протетичних елементів дозволив з високою точністю (погрішність в межах 28 %) провести експериментальне моделювання функціонування віртуальних конструкцій зубів, зубних протезів, ортодонтичних апаратів та дентальних імплантатів в умовах фізіологічної норми та при різних патологічних станах, що дозволило вивчити фізико-механічні властивості їх поведінки в ротовій порожнині та проаналізувати результати взаємодій тканин зубощелепного апарату та штучно впроваджених об'єктів, та зробити прогноз з достовірністю 92-98 % про наближені та віддалені результати їх використання в біологічних об'єктах. Джерела інформації: 1. Бегун П. И., Шукейло Ю. А. Биомеханика: Учебник для вузов. - СПб.: Политехника, 2000.463 с 2. Чуйко А.Н., Вовк В.Е. Особенности биомеханики в стоматологии. - X.: Прапор, 2006.-304 с 3. Трофименко О. А. Визначення напруженно-деформованого стану тканин пародонту в залежності від ступеня атрофії альвеолярного відростка // Современная стоматология.-2007.№1.- С. 19-22. 4. Тимошенко С. П., Гудьер Дж. Теория упругости. - М.: Наука, 1975.-575 с. 5. Победря Б. Е. Численные методы в теории упругости и пластичности.- М.: Изд-во Моск. ун-та, 1981.-344с. 6. Писаренко Г. С, Яковлев А. П., Матвеев В. В. Справочник по сопротивлению материалов. - Киев.: Наука, 1975.-400 с. 7. Маланчук В. О., Крищук М. Г., Копчак А. В. Спосіб визначення пружно-деформованого стану нижньої щелепи при жувальному навантаженні. Деклараційний пат. UA 54602 U Україна, GO IN 3/00 / №u201009527; Опубл. 10. 11. 2010, Бюл. №21. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 55 60 1. Спосіб високоточної багатовимірної віртуальної імітації будови та функції зубощелепного апарату людини, ортодонтичних апаратів, ортопедичних конструкцій зубних протезів, шин, шинпротезів, імплантатів та їх протетичних елементів з метою експериментального моделювання їх функціонування, що включає створення на основі даних комп'ютерної томографії тривимірної комп'ютерної моделі нижньої щелепи пацієнта, побудову об'ємної скінченно-елементної сітки, відтворення структурної неоднорідності кісткової тканини щелепи на основі її рентгенологічної щільності і задання механічних властивостей різних типів кісткової тканини за емпіричними 6 UA 68170 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 формулами, що пов'язують механічні константи із рентгенологічною щільністю кісткової тканини, при цьому щелепу шарнірно закріплюють в ділянці скронево-нижньощелепних суглобів, блокують вертикальні переміщення в ділянці зубів, що контактують за даних умов оклюзії, а силові навантаження прикладають до поверхневих вузлів моделі, які відповідають місцям прикріплення м'язів, що піднімають нижню щелепу, їх напрямок задають за орієнтацією кожного з м'язів, визначеною по даних комп'ютерної томографії, а механічну силу розраховують відносно сили прикусу, визначеної при гнатодинамометрії, при цьому співвідношення сили окремих м'язів на функціонально активнішій стороні визначають за співвідношенням їх поперечного перерізу, а механічну силу м'язів на протилежній стороні визначають за співвідношенням електричної активності однойменних м'язів, визначеної при електроміографії, який відрізняється тим, що включає комп'ютерне дослідження зубощелепного апарату пацієнтів, наприклад, з використанням комп'ютерної конусно-променевої томографії, обробку результатів дослідження, створення на основі отриманих даних багатовимірної комп'ютерної моделі щелеп пацієнта; попереднє сканування в багатовимірному сканері щелеп, природних зубів та коренів зубів, наприклад зубів, видалених з анатомічного препарату щелеп або зубів, що були видалені у стоматологічних хворих з різних показань, створення цифрової бази багатовимірних високоточних моделей зубів та коренів зубів та подальше введення отриманих даних до багатовимірної віртуальної моделі щелеп в залежності від завдань моделювання різних патологій; додатково включає побудову багатовимірної комп'ютерної моделі зубів та коренів зубів, введення одержаних даних в моделі щелеп пацієнта; експериментальне моделювання патології шляхом обробки отриманих попередньо та відібраних з цифрової бази багатовимірних високоточних моделей зубів та коренів зубів та адаптації їх до високого рівня достовірності з даними, що стосуються зубів хворого, що були отримані під час проведення клінічних та інших досліджень, наприклад, за допомогою комп'ютерної конусно-променевої томографії; побудову об'ємної скінченно-елементної сітки в усіх шарах елементів багатовимірної комп'ютерної моделі щелеп пацієнта; відтворення структурної неоднорідності шарів кісткової тканини щелеп за допомогою комп'ютерного програмного забезпечення, при цьому за даними, наприклад, комп'ютерної конусно-променевої томографії, визначають механічні константи для кожного з складових елементів багатовимірної комп'ютерної моделі щелеп пацієнта, крім цього усім ділянкам кісткової тканини та періодонту зубів завдають параметри анізотропії (ортотропії) та в'язко-пружні властивості; враховують прогнозування кривих повзучості біологічних тканин, співвідношення властивостей пружних та в'язких елементів моделі щелеп, релаксацію напруження при постійній деформації, гістерезис деформації при циклічному навантаженні та розвантаженні, повзучість при постійному напруженні, а також перемінний модуль пружності; рухи нижньої щелепи відносно верхньої завдають у відповідності до параметрів визначених, наприклад, під час клінічних досліджень з лицевою дугою, а також різних приладів для запису рухів щелепи та скронево-нижньощелепних суглобів, а також інших досліджень, наприклад, комп'ютерної томографії; умови оклюзійних співвідношень зубів і зубних рядів, дані про силу стиснення і часу стиснення, а також функціональну асиметрію, а також відсоток навантаження, що перепадає на кожен зуб та окремо на кожну з його поверхонь, визначають, наприклад, за допомогою комп'ютерного автоматичного приладу для функціональних досліджень - T-Scan III фірми "Tekscan, Inc.", США, або аналізу діагностичних моделей, або оклюзіограми в ротовій порожнині з подальшим 3-D скануванням та комп'ютерним аналізом; силу стиснення між зубними рядами (в передній, центральній, бічних та дистальній оклюзіях), окремими зубами, чи на зуб або на штучну конструкцію, дослідження зони контакту і розподіл навантаження по контактній поверхні визначають за допомогою, наприклад, з використанням вимірювальної плівки Fuji Prescale Pressure Measuring System (Fuji Photo Film Co., Ltd., Tokyo, Japan) та програми для аналізу показників власної розробки, або з використанням гнатодинамометра; механічну силу розраховують відносно сили прикусу, визначеної при гнатодинамометрії (наприклад, з використанням вимірювальної плівки Fuji Prescale Pressure Measuring System (Fuji Photo Film Co., Ltd., Tokyo, Japan) та, наприклад, програми для аналізу показників власної розробки або стандартного програмного забезпечення Adobe Photoshop, або з використанням гнатодинамометра), при цьому співвідношення сили окремих м'язів на функціонально активнішій стороні визначають за співвідношенням їх поперечного перерізу, а механічну силу м'язів на протилежній стороні визначають за співвідношенням електричної активності однойменних м'язів, визначеної при електроміографії; фізико-механічні властивості матеріалів біомеханічної системи, а саме кісткової тканини додатково отримують за рахунок визначення їх, наприклад, за допомогою нано/мікроіндентування усіх шарів (під контролем мікроскопії зразків) кісткової тканини приладом для дослідження фізико-механічних властивостей шарів матеріалів 7 UA 68170 U 5 10 15 20 25 30 35 40 "Мікрон-гамма", дані, що були отримані, вносять до відповідних ділянок кожного з кінцевих елементів багатовимірної комп'ютерної моделі щелеп пацієнта; фізико-механічні властивості матеріалів біомеханічної системи, а саме тканин періодонту, визначають за рахунок навантаження досліджуваних зубів заданої величини, напрямку та визначення переміщення при заданій силі, з побудовою лінійних і нелінійних графіків та отриманням параметрів, які вводять як константи фізико-механічних властивостей матеріалів біомеханічної системи в багатовимірній комп'ютерній моделі щелеп пацієнта, а саме в ділянку періодонту; індивідуальні параметри показників жувального стереотипу хворого доповнюють даними про рухомість зубів за конкретних параметрів оклюзійних навантажень, визначених під час використання плівки Fuji Prescale Pressure Measuring System, а також за допомогою оптичного приладу з лазерним маркером та сенсором власної розробки для фіксації переміщень зубів під дією оклюзійних навантажень, що надасть змогу запрограмувати параметри імітаційної моделі для тканин періодонту; у разі необхідності моделювання різної патології у пацієнтів з адентією щелеп додатково здійснюють забір потрібних щелеп та/або зубів відповідно до анатомо-топографічних ознак з цифрової бази багатовимірних високоточних моделей зубів та коренів зубів; для моделювання експериментального дослідження відновлення дефектів зубів та зубних рядів або ортодонтичного лікування, або ортогнатичної хірургії створюють базу штучних незнімних, умовно знімних, знімних конструкцій зубних протезів та усіх існуючих ортодонтичних апаратів шляхом комп'ютерного креслення та комп'ютерного створення багатовимірних моделей згідно з каталогами фірм виробників потрібних конструкційних рішень, а також фантомних моделей; для моделювання наслідків відновлення дефектів зубних рядів за допомогою, наприклад, імплантації, імплантати різних фірм виробників, наприклад, сканують в багатовимірному сканері та за потреби додатково креслять на комп'ютері багатовимірний вузол з'єднання абатмент, супраконструкцію та імплантат, після чого вводять їх до бази багатовимірних високоточних моделей, а за потреби у використанні їх розташовують у або на багатовимірній комп'ютерній моделі щелеп пацієнта; за потреби, дані про характер і ступінь існуючих напружень та деформацій в зубощелепній системі додатково доповнюють (контролюють) даними, отриманими з результатів вивчення напружено-деформованих станів зубощелепної системи у статиці під час функції, а також до та після лікування, використовуючи метод електронної спеклінтерферометрії та аналізу спекл-поля (-ів), а отримані параметри вводять до відповідних ділянок кожного з кінцевих елементів багатовимірної комп'ютерної моделі щелеп пацієнта. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що для моделювання експериментального дослідження відновлення дефектів зубів та зубних рядів або ортодонтичного лікування, або ортогнатичної хірургії створюють базу штучних конструкцій зубних протезів та ортодонтичних апаратів шляхом багатовимірного сканування вже існуючих у пацієнта знімних конструкцій або фантомних моделей потрібних конструкційних рішень, з подальшим їх перетворенням на багатовимірні комп'ютерні моделі для фіксації їх на багатовимірних комп'ютерній моделі щелеп та моделях зубів пацієнта. 3. Спосіб за будь-яким з пунктів, який відрізняється тим, що для вивчення ефективності різних шинуючих пристроїв в експериментальному моделюванні шинування зубів, їх рухомість у пацієнта до шинування визначають, наприклад, за допомогою приладу власної конструкції, а дані, що отримують, вносять до багатовимірної комп'ютерної моделі щелеп пацієнта. Комп’ютерна верстка Д. Шеверун Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 8