Rekonstrukcja 3D struktur wyrostków zębowych

chirurgii szczękowo-twarzowej, chirurgii stomatologicznej oraz implantologii. Wydaje się, że ma potencjał w planowaniu diagnostyki oraz zaawansowanego, rekonstrukcyjnego leczenia periodontologicznego.

Technika szybkiego prototypowania (rapid prototyping) nieimplantowanych modeli tkanki kostnej znalazła zastosowanie w ortopedii, neurochirurgii, chirurgii szczękowo-twarzowej, onkologii oraz implantologii. Służy do szybkiego uzyskania, poprzez technologie odtwórcze, modelu projektowanych m.in. struktur kostnych na podstawie ich modeli 3D w systemie CAD. ¹

Do niedawna technologia ta pozwalała wyłącznie na wierne odtwarzanie rzeczywistych struktur anatomicznych w fizycznym modelu w skali 1:1, bez możliwości wytworzenia funkcjonalnych elementów augmentacyjnych do bezpośredniej implantacji u pacjenta. Współcześnie połączenie nowoczesnych technologii cyfrowych umożliwia indywidualizację procesu projektowania rekonstrukcji chirurgicznych w pełni implantowanej, sterylnej tkanki kostnej, przeznaczonych do rehabilitacji utraconych lub uszkodzonych fragmentów np. szczęki, żuchwy i innych kości twarzoczaszki (customized bone grafts). Takie indywidualnie prefabrykowane elementy są łatwo adaptowane w warunkach zabiegowych, a ich powierzchnia jest optymalnie dopasowana do defektu kostnego w porównaniu ze standardowymi blokami kostnymi.

Rekonstrukcja 3D struktur wyrostków zębowych możliwa jest m.in. dzięki złożeniu skanów wolumetrycznej tomografii komputerowej (CBCT) wysokiej rozdzielczości do zastosowań stomatologicznych oraz stworzenia modelu wirtualnego za pomocą oprogramowania. W pewnym uproszczeniu wytwarzanie uzupełnień ubytków kości wyrostka zębodołowego z wykorzystaniem obrazowania tomograficznego CT/CBCT za pomocą indywidualnie przygotowywanych, implantowalnych materiałów ksenogenicznych lub alloplastycznych można określić terminem modelowania na żądanie (on demand). Umożliwia ono uzyskanie pożądanych kształtów bioelementów kostnych dla pacjenta wymagającego odtworzenia defektów kostnych powstałych w przebiegu urazu, nowotworu, zmian torbielowatych oraz periodontopatii.

W przypadku zaawansowanych różnokształtnych uszkodzeń tkanki kostnej w przebiegu przewlekłych lub agresywnych zapaleń przyzębia, w których np. nie ma odpowiednich warunków do wszczepienia implantu zębowego oraz brakuje możliwości uzyskania pożądanego efektu reparacyjnego za pomocą procedur niechirurgicznych, musimy zastosować odpowiednie dla danego przypadku techniki augmentacyjne. Przed ich aplikacją kliniczną należy odpowiedzieć na pytanie, czy jesteśmy w stanie spełnić oczekiwania pacjenta oraz czy istnieją odpowiednie warunki anatomiczne do realizacji chirurgicznej powierzonego zadania.

Przedzabiegowa diagnostyka radiologiczna ubytków kostnych

Tradycyjne dwuwymiarowe zdjęcie rentgenowskie nie dostarcza pełnych i wystarczających informacji w zakresie obecności ubytku i jego dokładnej morfologii w aspekcie trójwymiarowym (ryc. 1).

Możliwość uwidocznienia struktur twarzoczaszki w dowolnej projekcji pozwala na dogłębną ocenę anatomii także w przypadku asymetrycznych zaburzeń oraz dokładne określenie położenia innych struktur anatomicznych. Ważnym poszerzeniem możliwości diagnostycznych skanu CBCT jest konwersja danych do postaci trójwymiarowej wizualizacji tkanek pacjenta. Tak otrzymany wirtualny model może służyć nie tylko do realistycznej oceny stosunków anatomicznych, ale przede wszystkim może podlegać modyfikacjom umożliwiającym zindywidualizowanie postępowania terapeutycznego.

Stożkowa tomografia wolumetryczna typu CBCT pozwala precyzyjnie obrazować struktury kostne m.in. twarzoczaszki w dowolnej płaszczyźnie (osiowej, czołowej i strzałkowej) oraz wykonać wizualizację przestrzenną w 3D. Obraz jest w pełni odwzorowany, nie występuje problem nakładania się struktur anatomicznych – znacząco ułatwia to diagnozowanie wszelkich patologii. Pozwala ona na trójwymiarową ocenę morfologii ubytków kostnych. Umożliwia wizualizację każdej z blaszek wyrostka zębodołowego oddzielnie, a więc ułatwia określenie lokalizacji defektów tkanki kostnej od strony przedsionkowej czy wewnętrznej. ² Analiza kolejnych przekrojów dostarcza informacji o szerokości i głębokości ubytku, a także profilu przestrzennym. Specjalne oprogramowanie pozwala na uzyskanie rekonstrukcji płaszczyznowych lub objętościowych w trójwymiarze (ryc. 2).

Zalety tomografii 3D obejmują realne odwzorowanie proporcjonalnego obrazu, brak cieni powstałych z powodu rzutowania się np. kręgosłupa, dużą dokładność pomiarów. W badaniach prowadzonych przez Lund i wsp. wykazano, że dla tomografu wolumetrycznego o wysokiej rozdzielczości geometrycznej błąd pomiaru odległości pomiędzy CEJ a brzegiem wyrostka wyniósł poniżej 0,4 mm. ³ Przy umiarkowanej dawce promieniowania (kilkakrotnie większej niż w przypadku zdjęcia pantomograficznego) technika CBCT daje możliwość rekonstrukcji tkanek twardych oraz ocenę ich wymiarów poprzez uzyskanie obrazu w trzech projekcjach o wysokiej rozdzielczości. Wadą techniki CBCT mogą być potencjalne trudności w ocenie gęstości i rozmieszczenia beleczek istoty gąbczastej oraz ciągłości blaszki zbitej zębodołu i brzegu kości wyrostka, a także wysokie koszty badania. ²

Charakterystyka ubytków kości wyrostka zębodołowego w schorzeniach zapalnych przyzębia

Ubytki tkanki kostnej w przebiegu zapaleń przyzębia (poziome – nadzębodołowe, pionowe – podzębodołowe oraz międzykorzeniowe) manifestują się w postaci różnokierunkowej utraty kości wyrostka zębodołowego i odsłonięcia kości gąbczastej. Jako efekt kompensacyjny następuje apozycja, przebudowa kości nawet w okolicach oddalonych od zapalenia, co skutkuje powstaniem ubytków kostnych różnych kształtów i rozmiarów (lejkowate, fosopodobne, spiralne, kątowe, miseczkowate itd.). Ubytki podzębodołowe mają postać krateru (utrata kości przegrody międzyzębowej sąsiadujących zębów, miseczkowatego lub kubkowego kształtu), z podziałem na: trój-, dwu- i jednościenne w zależności od liczby pozostałych ścian wyrostka zębodołowego (ryc. 3). ³

W diagnozowaniu obecności i morfologii ubytków kości kluczową rolę pełni badanie kliniczne oraz zdjęcia radiologiczne. Niejednokrotnie dopiero badanie śródoperacyjne dostarcza informacji, które nie są możliwe do uzyskania na podstawie tradycyjnego zdjęcia rentgenowskiego lub zdjęcia pantomograficznego. Bezpośrednia ocena wizualna wyrostka zębodołowego po odwarstwieniu płata śluzówkowo-okostnowego pełnej grubości, oczyszczeniu powierzchni korzenia i usunięciu ziarniny dostarcza rzeczywistych informacji na temat rozległości, zasięgu i kształtu defektów kostnych.

Kwalifikacja zabiegowa pacjentów periodontologicznych, potencjalne zastosowanie kliniczne w procedurach rekonstrukcji ubytków kostnych

Chirurgiczne leczenie odtwórcze ubytków pionowych wyrostka zębodołowego szczęki lub żuchwy polega tradycyjnie na zastosowaniu techniki sterowanej regeneracji tkanek w celu uzyskania nowego przyczepu łącznotkankowego lub wypełnienia ubytku kostnego za pomocą najczęściej ksenogennego materiału przeszczepowego pochodzenia wołowego. W przypadku techniki en block materiał ten jest dopasowywany śródoperacyjnie (ścinany, frezowany mechanicznie ze standardowego bloku) przez operatora w trakcie zabiegu wszczepu kostnego. Wskazania kliniczne użycia nowej, innowacyjnej techniki indywidualnego modelowania przeszczepów kostnych (custom made on demand) na podstawie obrazu tomograficznego CBCT są analogiczne jak w przypadku zabiegów chirurgii stomatologicznej, z adaptacją wynikającą z przebiegu periodontopatii oraz profilu ubytków kostnych (ryc. 4).

Obecnie wykorzystuje się materiały ksenogenne nowej generacji, będące kompozycją mineralnej matrycy, np. wołowej, bioaktywnych, resorbowalnych polimerów oraz komórkowych substancji odżywczych (SmartBone). Taka struktura zapewnia lepszą indukcję tkankową oraz osteogenezę. ⁴ Kwalifikacja pacjentów powinna odbywać się według ścisłych kryteriów z uwzględnieniem m.in. wskaźników higieny jamy ustnej, ogólnego stanu zdrowia i motywacji pacjenta.

W 2013 roku Schlee i Rothamel z Katedry Chirurgii Stomatologicznej we Frankfurcie zastosowali indywidualnie frezowane przeszczepy alloplastyczne (customized allogenic bone blocks) do leczenia poziomych i pionowych ubytków kostnych żuchwy, wykorzystując obrazy tomograficzne. ⁵ Ocena kliniczna i histologiczna efektów klinicznych była w pełni satysfakcjonująca po 6 i 12 miesiącach obserwacji klinicznej i radiologicznej. Inni badacze z Katedry Chirurgii Szczękowo-Twarzowej w Niemczech z sukcesem wykorzystali alloplastyczne bloki kostne z hydroksypatytu oraz trójfosforanu wapnia w celu frezowania rusztowania tkanki kostnej (scaffolds) do celów rekonstrukcyjnych. ⁶

Zespół badaczy włoskich opracował metodę wytwarzania zindywidualizowanych bloków porowatego hydroksyapatytu techniką CAD/CAM wspomaganą tomografią CBCT w celu augmentacji dna zatoki szczękowej w procedurze sinus lifting ⁷ , a także wykorzystał dane uzyskane z obrazowania wolumetrycznego do zabiegów augmentacyjnych wyrostka zębodołowego szczęki i żuchwy. ^{8, 9} Według Mangano i wsp. oraz Figluzziego i wsp. otrzymane substytuty kostne były odpowiednie pod względem kształtu, profilu, wielkości oraz ogólnego wyglądu i usprawniły pracę operatorów.

Jedno z nielicznych opracowań w obszarze periodontologii opublikowane w 2012 roku przez naukowców koreańskich ¹⁰ potwierdziło na materiale zwierzęcym dobrą adaptację histologiczną bloków wszczepowych wykonanych z materiału alloplastycznego innego niż hydroksyapatyt techniką custom made, z minimalną reakcją zapalną. Pozytywne efekty rekonstrukcji mogą być związane ze stabilnością mechaniczną i dobrą retencją bloków modelowanych precyzyjnie do kształtu defektu kostnego. Również naukowcy z Japonii potwierdzili pozytywne efekty wypełniania rozległych ubytków kostnych za pomocą indywidualnie wytwarzanych techniką CAD/CAM wszczepów z hydroksyapatytu pokrytych białkami morfogenetycznymi kości (bone morphogenetic protein, BMP). ¹¹

Obecnie istnieje możliwość przygotowania mnogich elementów kostnych z materiału ksenogennego lub alloplastycznego o różnorodnym kształcie przeznaczonych do licznych defektów tkanki kostnej w przebiegu choroby przyzębia (ryc. 4). W wybranych przypadkach złożonych defektów kostnych istnieje potencjalna możliwość wytworzenia dzielonego elementu składającego się z kilku mniejszych fragmentów, które można zestawiać śródzabiegowo na zasadzie puzzli, klocków. Potencjalne zastosowania kliniczne indywidualnie wytworzonych bloków metodą on demand mogą obejmować:

• ubytki poziome,
• rozległe pionowe, dwuścienne i jednościenne ubytki kostne obejmujące obszar kilku sąsiednich zębów z utratą blaszki zbitej, np. w odcinku przednim szczęki,
• rozległe ubytki mieszane,
• pojedyncze, podwyrostkowe ubytki międzyzębowe,
• rozległe ubytki międzykorzeniowe (?).
  
  

Zalety nowej metody indywidualnego modelowania to:

• projekt zaprojektowany i wytworzony specjalnie dla danego przypadku klinicznego,
• optymalne dopasowanie kontaktu pomiędzy naturalną tkaną kostną a blokiem zwiększające sukces osteointegracji,
• gwarancja uzyskania pożądanego kształtu wszczepu,
• poprawa warunków miejscowych wymaganych do sterowanej regeneracji,
• oszczędność czasu zabiegowego,
• minimalizacja ryzyka niepowodzenia zabiegowego,
• racjonalizacja całkowitego kosztu zabiegu regeneracji.
  
  

Ograniczenia techniki szybkiego prototypowania w periodontologii związane są z charakterystyką i znacznym zróżnicowaniem defektów tkanki kostnej indukowanych schorzeniami przyzębia. Często, z powodu małowymiarowych i wielokształtnych defektów nie jest technicznie możliwe wytworzenie dedykowanych indywidualnie elementów odtwarzających utraconą strukturę. Materiały ksenogenne oraz alloplastyczne przeznaczone do substytucji tkanki kostnej stanowią struktury o charakterze porowatym i niekompaktowym, mając specyficzną charakterystykę parametrów fizyko-mechanicznych. Istotne ograniczenia tej techniki dotyczą:

• wysokiego kosztu prefabrykowanego elementu kostnego dla pacjenta, zależnego od wielkości bloku,
• dodatkowego kosztu obrazowania tomograficznego 3D,
• zwiększonej ekspozycji na promieniowanie rentgenowskie CBCT,
• czasu oczekiwania na przygotowanie i dostarczenie wymodelowanego elementu kostnego,
• złożonego, wielopłaszczyznowego kształtu periodontologicznych ubytków kostnych o stosunkowo niewielkich gabarytach przestrzennych,
• sposobu trwałego mocowania gotowych, zindywidualizowanych elementów kostnych.

Procedura przygotowania zindywidualizowanego bloku kostnego

W praktycznym postępowaniu klinicznym augmentaty ksenogeniczne (rzadziej allogeniczne, alloplastyczne) odtwarzające brakujące części są przygotowywane na zlecenie poprzez wycinanie z bloku odpowiednio przygotowanej tkanki kostnej na podstawie precyzyjnego odwzorowania uzyskanego metodą rentgenowskiej tomografii komputerowej. Tak otrzymany indywidualny, sterylny element kostny charakteryzuje się wyprofilowaniem dopasowanym do wielowymiarowego ubytku pacjenta, zwiększeniem powierzchni bezpośredniego kontaktu z naturalną tkanką kostną oraz znacznie poprawioną retencją w stosunku do standardowo stosowanych bloków kostnych, co umożliwia skrócenie czynności klinicznych oraz efektywną osteoindukcję tkanki kostnej wyrostka zębodołowego. Etapy postępowania obejmują:

• wstępną ocenę kliniczną parametrów określających stan przyzębia brzeżnego,
• zlecenie wykonania obrazowania 3D CBCT przez periodontologa-operatora,
• przesłanie danych z tomografii do laboratorium wykonującego bloki kostne na żądanie (płyta CD, nośnik pamięci, e-mail), również w uniwersalnym formacie radiologicznym DICOM,
• stworzenie wirtualnego modelu kości wyrostka zębodołowego za pomocą odpowiedniego oprogramowania, model ten można również przekształcić w prototyp z fotopolimeru, służący np. do celów dydaktycznych, poglądowych i wspomagających sam zabieg augmentacji,
• modelowanie zadanego kształtu przeszczepu z materiału ksenogennego lub alloplastycznego w laboratorium,
• pełną sterylizację chemiczną i biologiczną uzyskanego bloku,
• odesłanie zleconych elementów odtwarzających ubytki kostne do periodontologia,
• procedurę chirurgiczną augmentacji bloku z jego umocowaniem.
  
  

Indywidualnie zaprojektowany i wytworzony za pomocą danych z tomografii CBCT substytut kostny może zostać dodatkowo pokryty granulowanym materiałem kościozastępczym, np. pochodzenia wołowego, i przykryty resorbowalną membraną wykonaną z włókien kolagenowych. Istotna jest ścisła współpraca z laboratorium – producentem oferującym usługi zlecone prefabrykowania elementów kostnych na żądanie. Poza projektowaniem i wytwarzaniem tych bioelementów kostnych firmy oferują inne usługi typu: tworzenie modelu wszczepu/przeszczepu metodą stereolitografii, planowanie leczenia implantologicznego (nawigacja) oraz planowanie metody stabilizacji wytworzonego bloku (umiejscowienie pinów mocujących).

Niezmiernie istotna jest precyzyjna kwalifikacja pacjenta do zabiegu, uwzględniająca czynniki miejscowe i ogólnoustrojowe, stabilne umocowanie bloku wszczepowego oraz pełne pokrycie płatem tkanek miękkich całego wszczepu, często znacznych rozmiarów przestrzennych.

Przyszłość – biomodelowanie tkankowe i wydruki tkanek

W nieodległej przyszłości można spodziewać się wdrożenia technologii bioprintingu kostnego, czyli tworzenia tkanki kostnej, analogicznej do bioprintingu tkankowego, tj. drukowania żywych komórek. Bioprinting wykorzystuje modelowanie indywidualne 3D tkanki, w którym do podłoża allogenicznego, będącego matrycą i jednocześnie materiałem odżywczym, nanoszone są klastry komórek, które tworzą odpowiednią tkankę po indukcji biochemicznej. Jest szansa, że dzięki tej technologii rozwinie się nowa metoda wytwarzania przeszczepów tkanki kostnej in-office. Odwzorowanie ubytków kostnych otrzymane metodą CBCT w połączeniu ze śródzabiegowym obrazowaniem trójwymiarowym za pomocą światła spolaryzowanego może stanowić w przyszłości podstawę hybrydowej techniki rejestracji złożonych defektów kostnych, przydatnej w wytwarzaniu in-office przeszczepów kostnych wspomaganych komputerowo programami do projektowania 3D, analogicznie do technologii CAD/CAM. Problemem klinicznym pozostaje metoda szybkiej sterylizacji w warunkach gabinetu otrzymanych struktur przeznaczonych do implantacji dotkankowej.

Można spodziewać się szybkiego rozwinięcia techniki modelowania przeszczepów kostnych na żądanie w strategicznych dziedzinach medycyny, np. ortopedii i chirurgii szczękowo-twarzowej. Narodowy Instytut Zdrowia w Stanach Zjednoczonych Ameryki (National Institute of Health, NIH) finansuje projekty badawcze w fazie badań klinicznych związane z wykorzystaniem bloków wszczepowych na żądanie. Przykładowo projekt realizowany przez naukowców z Tajlandii zakłada wieloczynnikową ocenę efektów chirurgicznego leczenia zmian reumatycznych w obrębie stawu kolanowego za pomocą indywidualnie frezowanych elementów kostnych, wykorzystując dane tomograficzne. ¹²

Podsumowanie

Planując zabieg rekonstrukcji periodontologicznej na podstawie diagnostyki przedzabiegowej uwzględniającej zaawansowane obrazowanie RTG, właściwej kwalifikacji pacjenta oraz stosując techniki augmentacyjne, dzięki którym możliwa jest modyfikacja ilościowo-jakościowa tkanki kostnej, możemy uzyskać przewidywalny końcowy efekt funkcjonalny i estetyczny. Sukces leczenia chirurgiczno-periodontologicznego zależy od kompleksowego planu leczenia oraz zastosowania zespołu zindywidualizowanych procedur i metod, które powinny uwzględniać specyficzne uwarunkowania miejscowe pacjenta.

Zdjęcia: archiwum prywatne (5)