PROJEKTOWANIE PROTEZ SZKIELETOWYCH W PROTETYCE STOMATOLOGICZNEJ Z ZASTOSOWANIEM MODELOWANIA HAPTYCZNEGO

Transkrypt

1 MODELOWANIE INŻYNIERSKIE nr 54, ISSN X PROJEKTOWANIE PROTEZ SZKIELETOWYCH W PROTETYCE STOMATOLOGICZNEJ Z ZASTOSOWANIEM MODELOWANIA HAPTYCZNEGO Marek Wyleżoł 1a 1 Instytut Podstaw Konstrukcji Maszyn, Politechnika Śląska, Gliwice a marek.wylezol@polsl.pl Streszczenie W artykule przedstawiono autorski sposób projektowania protez szkieletowych stosowanych w protetyce z użyciem modelowania wokselowego realizowanego haptycznie. Technika wykonywania tego rodzaju protez współcześnie opiera się głównie na stosowaniu technologii odlewniczych i modeli woskowych wykonywanych manualnie. Pojawiają się również protezy wytwarzane technologiami generatywnymi. W drugim przypadku ich zastosowanie wymaga modelu wirtualnego. Propozycja autora jest skierowana do wytwarzania protez szkieletowych wówczas, gdy niezbędny do tego jest model wirtualny. Słowa kluczowe: protezy szkieletowe, modelowanie haptyczne, technologie generatywne DESIGNING OF SKELETAL DENTURES IN DENTAL PROSTHETICS WITH USE OF HAPTIC MODELING Summary The article presents an author s method of skeletal dentures (used in dental prosthetics) designing with use of voxel haptic modelling. Nowadays, the technique for preparing this type of prosthesis is mainly based on the use of casting technology with use of wax models performed manually. There are already also a prosthesis made by generative technologies. In the latter case, their use requires the virtual model. The proposal of the author is directed to the preparation of skeletal dentures in case where the virtual model is necessary. Keywords: skeletal dentures, haptic modelling, generative technologies 1. WSTĘP Protezy szkieletowe są rodzajem protez uzupełniających częściowe braki w uzębieniu, które z różnych przyczyn nie nadają się do uzupełnienia mostkami (rys. 1). Współcześnie stosowanie protez częściowych jest najczęściej stosowana forma leczenia protetycznego. Dzięki takim protezom możliwe jest uzupełnianie braków zębowych o zróżnicowanych klasach Kennedy ego [8, 8]. Liczba obecnych rozwiązań technicznych konstrukcji protez jest bardzo liczna [6, 8, 9], niemniej jednak wszystkie związane są z klasyfikacją braków zębowych Kennedy ego. Modelowanie tego rodzaju protez może być realizowane również z zastosowaniem komputerowego wspomagania, co współcześnie nie jest jeszcze powszechnym podejściem (patrz: p. 2). Niestety, samo wykonanie modelu wirtualnego protezy nie wystarcza. Tak powstały model musi zostać zamieniony na obiekt fizyczny. Współcześnie jedyną technologią, która zapewnia wytworzenie tak skomplikowanych postaciowo obiektów, jak wspomniane protezy szkieletowe, jest wytwarzanie przyrostowe (generatywne). Celem artykułu jest przedstawienie autorskiego podejścia do procesu wykonywania modeli wirtualnych protez szkieletowych z użyciem modelowania wokselowego realizowanego haptycznie. Tak więc treść dotyczy 101

2 PROJEKTOWANIE PROTEZ SZKIELETOWYCH W PROTETYCE STOMATOLOGICZNEJ wyłącznie ogólnego procesu modelowania, nie obejmuje procesu doboru cech konstrukcyjnych protezy dla konkretnego pacjenta [9] ani też procesu obliczeń wytrzymałościowych [6]. Rys. 2. Manualne kształtowanie modelu woskowego protezy szkieletowej [11] Rys. 1. Przykładowa metalowa proteza szkieletowa dopasowana do gipsowego odlewu powstałego na bazie wycisku uzębienia i podniebienia szczęki [10] 2. TECHNOLOGIA KLASYCZNA Aktualnie realizowany proces wytworzenia przykładowej protezy szkieletowej (w tym przypadku klamrowej) składa się z następujących etapów (na podst. [9]): 1. wykonanie gipsowego (wzorcowego) modelu żuchwy lub szczęki na podstawie woskowego odcisku, 2. manualne wyznaczenie (narysowanie) położenia protezy na powierzchni modelu wzorcowego, 3. manualne wykonanie woskowej postaci protezy szkieletowej, 4. manualne wykonanie woskowego układu zalewowego będącego integralna częścią modelu protezy, 5. wykonanie formy na podstawie modelu woskowego, 6. odlewanie docelowej protezy szkieletowej, 7. końcowa obróbka mechaniczna i chemiczna. Jak można zauważyć, etapy procesu modelowania takich protez mimo swojej kompletności i zaawansowania technicznego są realizowane w całości z użyciem modeli fizycznych (żuchwy lub szczęki) i wyspecjalizowanych materiałów służących wykonaniu modelu, głównie opartych na wosku. Są to więc procesy wymagające określonych nakładów kosztowych (osobno dla każdego wykonanego modelu). Poza tym proces modelowania protezy (rys. 2) wymaga specjalizowanej wiedzy technika dentystycznego oraz jego umiejętności manualnych. Mając na uwadze wspomniane niedogodności oraz jednorazowość poszczególnych działań, autor zaproponował metodykę modelowania tego rodzaju protez w środowisku wirtualnym systemu modelowania wokselowego realizowanego haptycznie [5,12]. Należy zaznaczyć, że nie jest to system dedykowany do wspomagania prac protetycznych (jak np. ARCADIA [1]), ale ma charakter uniwersalny. 3. MODELOWANIE PROTEZ Propozycja autora jest zastosowanie opracowanej metodyki modelowania do zastąpienia pierwszych czterech etapów wspomnianego procesu modelowania klamrowej protezy szkieletowej (patrz: p. 2). Główną zmiana jakościową jest przeniesienie działań manualnych realizowanych z użyciem narzędzi i dedykowanych materiałów do przestrzeni wirtualnej systemów komputerowych. Zmiana ta pociąga za sobą zmniejszenie kosztów uzyskania modelu wirtualnego protezy (brak potrzeby stosowania tworzyw woskowych i narzędzi do kształtowania postaci protezy) oraz bezkosztowe i nieograniczone możliwości kształtowania modelu postaci protezy. 3.1 SCENARIUSZE POSTĘPOWANIA Według propozycji autora proces uzyskania klamrowej protezy szkieletowej mógłby odbywać się według dwóch różnych scenariuszy: Scenariusz 1 1. digitalizacja woskowego odcisku szczęki lub żuchwy lub bezpośrednia digitalizacja jamy ustnej w wymaganym zakresie, 2. zamodelowanie postaci protezy wraz z układem zalewowym, 3. wykonanie fizycznego modelu protezy z użyciem technologii wytwarzania generatywnego, 4. wykonanie formy odlewniczej, 5. odlewanie docelowej protezy szkieletowej, 6. końcowa obróbka mechaniczna i chemiczna. 102

3 Marek Wyleżoł Scenariusz 2 1. digitalizacja woskowego odcisku szczęki lub żuchwy lub bezpośrednia digitalizacja jamy ustnej w wymaganym zakresie, 2. zamodelowanie postaci protezy, 3. wykonanie docelowej protezy z użyciem technologii wytwarzania generatywnego, 4. końcowa obróbka mechaniczna i chemiczna Ze względu na zakres niniejszego artykułu ogniskowano uwagę na dwóch pierwszych etapach zaproponowanych scenariuszy postępowania. Według scenariusza nr 1 podstawą wykonania wirtualnego modelu protezy szkieletowej jest: albo posiadanie modelu fizycznego szczęki lub żuchwy, albo wykonanie bezpośredniej digitalizacji jamy ustnej w pożądanym zakresie. W sensie [13] model taki jest traktowany jako pomocniczy. Jego powierzchnia podlega procesowi digitalizacji, a powstała w ten sposób chmura punktów służy do otrzymania powierzchni triangularnej. Powstały w ten sposób model siatkowy staje się modelem bazowym [13] do wykonania modelu docelowego protezy. Działania modelowe służą w tym przypadku wyłącznie wykonaniu modelu fizycznego protezy, który jest podstawą realizacji procesu odlewania. Według scenariusza nr 2 celem dwóch pierwszych kroków jest również otrzymanie modelu wirtualnego protezy, ale już w celu bezpośredniego wytworzenia docelowej protezy z użyciem wytwarzania generatywnego (w tym przypadku proponuje się zastosowanie technologii SLM [3, 4]). Niezależnie od realizowanego scenariusza, ze względu na przyjęte założenie dotyczące zastosowania modelowania haptycznego, bazowy model triangularny musi zostać przetransformowany w formę wokselową. Wiąże się z tym zmiana jakościowa modelu: z formy powierzchniowej następuje transformacja w formę wokselową (objętościową). 3.2 PROCES MODELOWANIA Wszystkie działania modelowe służące otrzymaniu pożądanych cech konstrukcyjnych protezy na podstawie modelu wokselowego umożliwia system modelowania wokselowego ClayTools [5] wraz z haptycznym ramieniem modelowym Phantom OMNIX [5] (rys. 3). Modele wirtualne, tworzone i kształtowane z użyciem ramienia modelowego, są potocznie nazywane wirtualną gliną (ang. virtual clay) [5, 12]. Nazwa ta ma charakter popularny i wywodzi się wprost z cech tworzywowych fizycznej gliny (lub tworzyw plastycznych o podobnych własnościach), jakie są programowo emulowane. Chodzi tu o twardość, plastyczność, kleistość, sztywność, tarcie wewnętrzne i powierzchniowe itp. Rys. 3. Haptyczne ramię modelowe Phantom OMNIX [5] Emulowanie wspomnianych cech fizycznych wirtualnej gliny implikuje programowe metody jej kształtowania. Większość tych metod ma swoje odpowiedniki w świecie rzeczywistym, ale nie wszystkie. W zakresie tworzenia modeli można wykonywać takie czynności jak: nadmuchiwanie, obracanie, dodawanie porcji brył o predefiniowanych kształtach itp. W zakresie modyfikacji modeli można wykonywać następujące działania: rzeźbienie (kulką, rylcem wzdłużnym i poprzecznym), rozmywanie, wyciąganie, tworzenie szpiców, wygładzanie swobodne i wygładzanie zaznaczonego obszaru, wyciąganie tworzywa w przestrzeń z zaznaczonego obszaru, przecinanie modelu za pomocą krzywych, operacje boolowskie, wycinanie rowków, wytłaczanie według krzywej przewodniej, stemplowanie na podstawie grafik rastrowych, wytłaczanie wybranego obszaru, odbicia lustrzane itp. Osobnym zagadnieniem są działania modelowe z użyciem krzywych. Są to m.in.: tworzenie i edycja krzywych przestrzennych (dopasowywanie do powierzchni gliny, modyfikacje położenia na powierzchni modelu, wygładzanie, dodawanie i usuwanie punktów przegięć, rzutowanie krzywych przestrzennych lub płaskich na powierzchnię modelu, tworzenie obrysów przekrojów, eksport krzywych do systemów klasy CAx. Jak wspomniano, w skład typowego systemu haptycznego (dotykowego), spełniającego w naszym przypadku rolę modelera wokselowego, wchodzi zestaw (rys. 4): system modelowania ClayTools [5] oraz - wspomniane już - ramię dotykowe, będące fizycznym elementem sprzęgającym użytkownika z systemem ClayTools [5]. Ramię to składa się z nieruchomej podstawy (bazy) oraz przegubowo połączonych sztywnych ramion. Układ taki zapewnia obrotowe (kątowe) przemieszczanie się ramion łącznie względem 6. osi. Przeguby ramienia wyposażone zostały w czujniki rejestrujące kierunek, wartość i prędkość przemieszczeń kątowych oraz wartość przyłożonej przez użytkownika siły. Informacje te są przesyłane w czasie rzeczywistym do systemu sterującego działaniem ramienia (przez interfejs FireWire, zapewniający wymaganą przepustowość przesyłu informacji). Tam sygnały te są przetwa- 103

4 PROJEKTOWANIE PROTEZ SZKIELETOWYCH W PROTETYCE STOMATOLOGICZNEJ rzane i wysyłane z powrotem do ramienia modelowego, powodując wytworzenie siły zwrotnej (ang. force feedback) w przegubach. Możliwe to jest dzięki wbudowanym w przegubach sterowanym sprzęgłom, wytwarzającym stosowną siłę tarcia. Siła ta powoduje odczuwanie przez użytkownika rzeczywistego oporu tworzywa plastycznego w miejscach, gdzie wirtualna końcówka robocza ramienia dotyka powierzchni wirtualnego tworzywa. Siła oporu jest zależna głównie od (ustalonej przez użytkownika) twardości materiału kształtowanego. Należy tu też nadmienić, że odczucia dotykowe użytkownika są mocno uzależnione nie tylko od ustalonej twardości tworzywa, ale również od rodzaju wykonywanej operacji. się w ten sposób warstwę o ustalonej grubości i dowolnym kształcie, to dodatkowo jej powierzchnia spodnia jest negatywem powierzchni bazowej. Jest to szczególnie ważne w kontekście nadania powierzchni płyty protezy struktury identycznej z powierzchnią podniebienia. Zmniejsza to znacząco ucisk protezy na powierzchnię podniebienia. Rys. 6. Modelowanie obejmy protezy: a) generowanie dopasowanej do powierzchni przyzębia krzywej przewodniej, b) wytłaczanie profilu kołowego wzdłuż utworzonej krzywej przewodniej Rys. 4. System modelowania wokselowego realizowanego haptycznie Podczas wykonywania modelu protezy wykorzystano m.in. cztery charakterystyczne do modelowania haptycznego operacje: tworzenie warstwy o ustalonej grubości na powierzchni modelu szczęki (rys. 5a), manualne wykonywanie otworów w utworzonej warstwie (rys. 5b), generowanie krzywych dopasowanych do powierzchni modelu bazowego (rys. 6a) oraz wytłaczanie krzywej kształtującej po krzywej przewodniej (rys. 6b). Proces utworzenia modelu klamrowej protezy szkieletowej na podstawie modelu bazowego w tym przypadku szczęki dotyczył doboru czterech jej głównych cech konstrukcyjnych (rys. 7): 1. płyty protezy (rys. 8), 2. siatek retencyjnych (rys. 9), 3. obejm (rys. 10), 4. oparć obejm (rys. 11). Rys. 5. Modelowanie płyty protezy: a) nakładanie nowej warstwy o stałej grubości, b) wykonywanie otworów w dodanej warstwie Operacje te mają wprawdzie charakter uniwersalny, ale znalazły szczegółowe zastosowanie do zamodelowania charakterystycznych cech postaciowych protezy szkieletowej. Szczególnej użyteczności podczas haptycznego modelowania protezy dostarcza funkcja dodawania warstwy do istniejącego modelu bazowego. Nie tylko, że uzyskuje Rys. 7. Model protezy szkieletowej wraz z modelem bazowym fragmentu szczęki 104

5 Marek Wyleżoł Rys. 8. Etap modelowania płyty protezy Rys. 11. Etap modelowania oparć obejm Rys. 12. Widok docelowej postaci modelu protezy szkieletowej klamrowej 4. WYTWARZANIE PROTEZ Rys. 9. Etap modelowania siatek retencyjnych Rys. 10. Etap modelowania obejm Celem autora jest przedstawienie oryginalnej metody modelowania protez szkieletowych. Wykonanie modelu wirtualnego jest jednak dopiero wstępem do uzyskania protezy docelowej. Weryfikacją zaproponowanej metody modelowania może być wyłącznie wytworzenie fizycznej protezy. Docelowo protezy takie mogą być wytwarzane za pomocą technologii generatywnej selektywnego spiekania laserowego proszków metali SLS (ang. Selective Laser Sintering) lub SLM (ang. Selective Laser Metlint) [3, 4]. Ze względów technologiczno-ekonomicznych autor dokonał weryfikacji możliwości wytworzenia protezy na podstawie opracowanego modelu wirtualnego za pomocą innej technologii wytwarzania generatywnego PolyJet z użyciem urządzenia Objet 24 [2]. Rys. 13 przedstawia wydruk części szczęki wraz z protezą bezpośrednio po wyjęciu z drukarki 3D (całość zawiera jeszcze warstwę materiału podporowego). 105

6 PROJEKTOWANIE PROTEZ SZKIELETOWYCH W PROTETYCE STOMATOLOGICZNEJ 5. WNIOSKI I UWAGI Rys. 13. Model fizyczny fragmentu szczęki wraz z nałożoną protezą szkieletową i materiałem podporowym bezpośrednio po procesie wytwarzania Materiał podporowy (FullCure705 [2]) musiał zostać usunięty strumieniem wody (rys. 14). Zaprezentowana metoda postępowania oraz jej fizyczna weryfikacja pozwoliły na wysunięcie następujących wniosków i uwag: Zaproponowana metoda postępowania ma charakter uniwersalny, jest niezależna od stopnia wystąpienia braków w uzębieniu; Jakość powierzchni modelu (wirtualnego oraz fizycznego) protezy przylegającej do powierzchni jamy ustnej zależy w dużym stopniu od jakości digitalizowanego modelu szczęki czy żuchwy; Czas wykonania modelu wirtualnego protezy szkieletowej z zastosowaniem modelowania wokselowego realizowanego haptycznie jest bardzo krótki (około jednej godziny). Tak więc taki proces modelowania jest bardzo wydajny; Jakość postaciowa uzyskiwanych modeli wirtualnych została pozytywnie zweryfikowana za pomocą druku 3D. Stosując technologię Poly- Jet, uzyskano jednak jedynie model fizyczny, za pomocą którego można było dokonać umieszczenia protezy w docelowym miejscu na powierzchni modelu szczęki. Docelowo weryfikacja przydatności tak zamodelowanej protezy powinna nastąpić z użyciem technologii SLS lub SLM. Wtedy możliwe by było wytworzenie protezy użytkowej. Rys. 14. Proces usuwania materiału podporowego strumieniem wody pod ciśnieniem Model fragmentu szczęki oraz protezy szkieletowej wytworzono z materiału VeroWhitePlus [2]. Model fizyczny protezy został następnie zabarwiony w celu otrzymania lepszego kontrastu (rys. 15). Rys.15. Model fizyczny protezy nałożony na model fragmentu szczęki Autor dziękuje pracownikom Instytutu Automatyzacji Procesów Technologicznych i Zintegrowanych Systemów Wytwarzania Wydziału Mechanicznego Technologicznego Politechniki Śląskiej za wykonanie wydruku 3D modelu. 106

7 Marek Wyleżoł Literatura Bibusmenos, 3. Borsuk-Nastaj B., Młynarski M.: Zastosowanie technologii selektywnego topienia laserem (SLM) w wykonawstwie stałych uzupełnień protetycznych. Protetyka Stomatologiczna 2012, LXII, 2, s E-prototypy, Internet (lipiec 2014): 5. Geomagic Claytools, 6. Kuchta M., Balikov V., Godlevsky L., Gryszkiewicz M., Szulim M., Sokołowski Z.: Modelowanie i analiza dynamiczna protezy szkieletowej. Biuletyn WAT 2010, Vol. LIX, nr 4, s Liu Q, Leu M.C., Schmitt S.M.: Rapid prototyping in dentistry: technology and application. Int.J.Adv. Manuf. Technol. 2006, 29, p Majewski S.: Podstawy protetyki w praktyce lekarskiej i technice dentystycznej. Kraków: Wyd. Stomatologiczne FP, Protezy szkieletowe: analiza, planowanie i wykonanie. Pr. zbior. Hilzingen: Renfert GmBH, Wyleżoł M.: Zastosowanie metod haptycznych w modelowaniu i analizach inżynierskich przykłady. Mechanik 2009, nr 11, s Wyleżoł M.: Metodyka modelowania na potrzeby inżynierii rekonstrukcyjnej. Gliwice: Wyd. Pol. Śl.,