Медицинское применение технологии быстрого прототипирования
В конце 1980-х годов за рубежом была разработана технология быстрого прототипирования (БП или БПМ).
Он интегрирует CAD/CAM, ЧПУ, лазер обработка, автоматическое управление и новое материаловедение; его основной принцип:
Компьютер разрезает 3D-модель на слои и направляет лазер или сопло для наложения слоев и сплавления материалов в прототип.
Технология быстрого прототипирования имеет следующие характеристики:
- Не требует никакой оснастки, форм и приспособлений;
- Файл формата STL для непосредственного приема данных трехмерной твердотельной модели САПР;
- Использование принципа «послойного производства, слой за слоем»;
- Быстрое и прямое изготовление любой сложной формы твердого образца или формы;
- Весь процесс производства автоматизирован.
Быстрое прототипирование сокращает время разработки до недели, что крайне важно для медицинских протезов — от данных КТ до имплантации.
Интеграция инженеров в медицину привела к широкому использованию РП за последнее десятилетие.
После почти десятилетия исследований и разработок современные медицинские приложения быстрого прототипирования включают в себя:
Изготовление протезов
Исследователи использовали файлы STL из данных КТ для создания модели дефекта черепа с помощью SLA со срезами толщиной 0.354 мм.
Толщина слоя КТ в 3 мм ограничивает общую точность. Изготовление заняло 18 часов.
Специалисты заполнили модель воском и отлили ее в гипсе, чтобы изготовить хорошо подогнанный титановый протез, улучшив клинические результаты.
Чтобы сократить расходы на RP, инженеры восстанавливают только дефектную область титановых пластин, экономя время и деньги и получая превосходные результаты.
Технология RP позволяет проектировать и изготавливать имплантаты на основе данных КТ или МРТ конкретного пациента, а не стандартной анатомии.
Это снижает количество ошибок при проектировании имплантата и обеспечивает лучшую анатомическую посадку, улучшая результаты хирургического вмешательства.
Индивидуальные имплантаты помогают хирургам значительно сократить время операции.
Это сокращает время анестезии, улучшает эстетику, снижает расходы и количество осложнений.
Хирургическое программирование
В 1992 году в США модель SLA была применена к хирургическому планированию.
У пациента с вариабельной расщелиной неба перед ортопедической операцией потребовалось изготовление пластиковой модели.
Модель SLA на основе КТ-изображений отображает как внутренние, так и внешние, в том числе вогнутые, структуры.
Эта модель SLA позволяет хирургу планировать операцию и предвидеть ее результат с первого взгляда.
В челюстно-лицевой хирургии модели SLA помогают хирургам планировать процедуры перед операцией.
Для двух операций на нижней челюсти модели SLA позволили хирургам заранее разработать планы, пути и подготовить инструменты.
Авторы не приводят подробностей о производстве модели, предполагая возможность удаленного производства компанией.
Они сообщают об ошибке данных КТ в 1 мм и предполагают, что точность окклюзии зубов должна быть в пределах миллиметров.
биоинженерия
Исследователи использовали быстрое прототипирование в биоинженерии, чтобы создать модель бедренной кости взрослого человека для испытания нового искусственного тазобедренного сустава.
После КТ-сканирования авторы обработали и преобразовали данные в формат STL, чтобы компенсировать усадку при спекании.
Кто-то использовал двухчастную модель черепа для одновременной проверки точности.
Формовочная машина Sinterstation (DTM Corporation) спекала модель с нейлоновым порошком.
Толщина слоя быстрого прототипирования составляла 0.1 мм, а изготовление занимало от 12 до 48 часов с учетом впрыска порошка.
Другие приложения
РП используется для других неостеосинтезных протезов.
Они создают модель молочной железы, инвертируя обычные КТ-снимки молочной железы для таких операций, как удаление груди.
При изготовлении протезов используются данные КТ, преобразованные в формат STL и CAD с использованием конечно-элементного анализа для оптимизации посадки и нагрузки.
Команда изготовила хорошо сидящий протез из поликарбоната с использованием метода SLS.
Этот метод обеспечивает идеальную посадку протеза и правильное распределение нагрузки.
Технология RP обеспечивает хорошую посадку, одновременно упрощая и ускоряя ручную процедуру.
Данные, полученные от 45 пациентов, перенесших краниомаксиллофациальную хирургию, показывают, что модели РП значительно улучшили диагностику и хирургическое планирование.
Биомиметическое моделирование повысило точность диагностики до 95.2%, снизило погрешность до 8% и значительно сократило время операции.
Быстрое прототипирование позволяет быстро, дистанционно и персонализированно изготавливать протезы для коррекции опухолей и деформаций.
Инверсия изображений КТ позволяет быстро проектировать и изготавливать прототипы.
Технология обратного запроса КТ-изображений в основном делится на следующие этапы:
Сбор данных
Изображения КТ получаются, сохраняются в виде матриц в оттенках серого и отправляются на микрокомпьютер для обработки.
Улучшение кромок (также известное как повышение резкости)
Анализ изображений показывает, что повышение резкости усиливает детализацию высокочастотных контуров по сравнению с низкочастотными областями.
Отслеживание кромок
Изображения КТ преобразуются в двоичную форму из оттенков серого с использованием порогового значения на основе гистограммы.
Установите черный цвет фона, используя шаблон 3×3, указав его оттенки серого как 1.
ткань белая и обозначается как 0.
Аппроксимация контурной линии и трехмерная реконструкция
Чтобы сократить количество избыточных данных о контурах, исследователи извлекают характерные точки, используя такие распространенные методы, как:
Изометрическая выборка приводит к потере многих точек данных признаков.
Выборка кривизны извлекает характерные точки с помощью вторых производных, требуя диапазона кривизны, специфичного для контура, и максимального интервала T.
Метод геометрической хорды аппроксимирует точность, устанавливая минимальное расстояние от точки до хорды.
Последний метод описан ниже.
Любую дугу кривой можно аппроксимировать хордами с точностью, определяемой максимальным расстоянием от точки до хорды.
На рисунке 1 показана дуга p1piP и определяет dp как расстояние от любой точки P на дуге до хорды p1pi.
dp′ = макс| dp| р ∈ р1рi
Процедура: Установить порог d; приблизительная дуга p1pi со строкой p1pi; если максимальное расстояние dp′ ≤ d, точность соблюдена.
Если нет, разделите дугу p1pi в p1p′ и p′pi, аппроксимируйте каждое и повторяйте до тех пор, пока dp′ ≤ d (см. рисунок 1).
Затем сопоставьте межслоевые характерные точки, найдя соответствующие точки между контурными линиями.
Обычно используются следующие методы:
- На основе определенного метрического критерия формы (например, длины, площади поверхности, объема и т. д.);
- Использование методов синтаксического сопоставления образцов;
- Методы сопоставления, основанные на характерных точках формы, и алгоритмы сопоставления, основанные на свойствах изображений КТ.
Преобразование в форму, приемлемую для системы RP
- Генерация файлов STL для непосредственного использования программным обеспечением обработки данных системы RP.
- Файлы CLI напрямую управляют RP для укладки слоистых контуров в трехмерные объекты, что является ключевой областью исследований.
- Реконструируйте 3D-модель САПР в файл STL с помощью САПР-системы.
Пример дизайна
С помощью КТ через заданные интервалы времени получаются карты слоев в оттенках серого скелета пораженного участка.
Векторизованные в CorelDraw контуры в оттенках серого позволяют точно воспроизвести внешние и внутренние формы каждого слоя кости.
Программное обеспечение CAD/CAM преобразует точки данных в кривые, поверхности и твердые тела для трехмерной реконструкции.
SCAN MODEL Pro/E обрабатывает входные данные для получения внутренних и внешних контурных линий для каждого слоя (рис. 2).
Кривые образуют поверхности, которые создают замкнутое тело с мелкой тетраэдрической сеткой, выводятся в виде файлов STL для быстрого прототипирования.
Машина для быстрого прототипирования разрезает твердые тела STL на контурные слои;
рабочая станция оптимизирует траектории лазера и отправляет их на станок для сегментированного производства.
При разработке плана операции хирург опирается на объемную модель поражения.
При необходимости область КТ-сканирования может быть расширена за счет включения смежных тканей или органов.
КТ в сочетании с быстрым прототипированием дает надежную информацию для хирургических процедур.
Быстрое прототипирование дает явные преимущества, поскольку точно отображает ключевые структуры вблизи поражений или для послеоперационной оценки.
Точная 3D-реконструкция обеспечивает оптимальный хирургический обзор и выбор окна, улучшая планирование
FAQ:
Быстрое прототипирование — это производственный процесс, в котором физические модели создаются непосредственно на основе трёхмерных данных САПР путём послойного наложения материалов без использования форм или инструментов. Лазер или сопло сплавляют материал слой за слоем на основе нарезанных моделей САПР, обычно в формате STL.
RP объединяет несколько передовых технологий, включая CAD/CAM, ЧПУ, лазерную обработку, системы автоматического управления и новые материаловедение.
Потому что это позволяет быстро и индивидуально изготавливать протезы и хирургические модели на основе данных КТ или МРТ, уменьшая количество ошибок, улучшая анатомическое прилегание, сокращая время хирургических операций и улучшая результаты лечения пациентов.
Данные КТ преобразуются в файлы STL, а затем обрабатываются такими методами, как SLA или SLS, для создания твердотельной модели. Эта модель используется для изготовления протезов, идеально соответствующих анатомии пациента, что зачастую сокращает время и стоимость.
Технология RP создает подробные трехмерные модели на основе данных медицинской визуализации, позволяя хирургам предварительно визуализировать процедуру, моделировать хирургические пути и заранее подготавливать инструменты, что помогает снизить риски во время операции.
РП позволяет изготавливать черепные, бедренные, нижнечелюстные, грудные и другие анатомические модели, поддерживая такие процедуры, как операция по устранению расщелины неба, эндопротезирование тазобедренного сустава и удаление опухолей.
Ключевые этапы включают получение данных КТ, улучшение изображений и бинаризацию, извлечение и аппроксимацию контуров, сопоставление точек между слоями, 3D-реконструкцию и преобразование в файлы STL или CLI для изготовления RP.
STL (стереолитография) — наиболее часто используемый формат файла в RP, поскольку он представляет трехмерную геометрию в виде сетки треугольников и напрямую совместим с большинством систем RP.
Точность зависит от разрешения КТ и толщины слоёв. Например, модели, созданные из 3-миллиметровых КТ-срезов и 0.354-миллиметровых SLA-слоёв, могут обеспечить высокую анатомическую точность. Некоторые ошибки могут возникать из-за детализации данных, но точность можно повысить благодаря тщательной обработке.
Технология RP обеспечивает точное моделирование для испытания искусственных суставов, оптимизации несущих конструкций, снижения человеческих ошибок при ручном изготовлении и ускорения разработки и оценки медицинских устройств.
