На начальном этапе в Студенческом конструкторском бюро компьютерного моделирования СКФУ и при поддержке компании АО «Соцмедика» Сколково были разработаны блюпринты (3D-модели) клапанов сердца. Но на этом работа была приостановлена для того, чтобы разработать стенд кровеносной системы. Для реализации этой идеи первым делом было необходимо распечатать само сердце. Трехмерное изображение органа удалось получить с помощью компьютерной томографии реального пациента и реконструировать в собственном программном комплексе Doctor CT. Полученная реконструкция была доработана до полой модели и распечатана на 3D-принтере из прорезиненного пластика компании REC.

Стенд создавался в два этапа:

1. Сперва на 3D-принтере распечатали человеческое сердце.

2. К сердцу были подключены шланги, имитирующие аорту и нижнюю полую вену, то есть, большой круг кровообращения. Затем устанавливалась помпа для закачивания жидкости в сердце. Сама модель на ощупь напоминала настоящее сердце, так как напечатано из прорезиненного пластика, и поэтому человек может принять участие в прокачке жидкости в системе. Так как этот стенд стал первым прототипом, от изготовления малого круга кровообращения решено было отказаться.

Рис.1. Прототип симуляционного стенда действующей кровеносной системы вместе с сердцем.

Сам процесс создания модели следующий. На основе DICOM файлов, полученных в результате КТ, МРТ или 4D-УЗИ, создается 3-4 отдельных трехмерных изображения: например, аортальный клапан, его диаметр и размер, площадь лепестков клапана, амплитуда раскрытия створок. Затем они совмещаются, проводятся математические расчёты и получается готовая 3D-модель клапана с необходимым диаметром и размерами для 3D-печати. Именно в этом врачам могут помочь напечатанные на 3D-принтере модели – они в точности повторяют анатомические и функциональные особенности сердечной ткани пациента и позволяют подобрать идеальный протез еще до начала операции. Модели изготавливаются с помощью 3D-принтера, способного работать с несколькими материалами – это устройство может воссоздать индивидуальные особенности строения клапана, т.е. изготовить персонализированные каркасные и бескаркасные биоклапаны сердца.

Рис.2. Аортальный клапан во время тестирования. Взят из свиного сердца.

При реализации проекта использовались:

• 1. DICOM-изображения, полученные при помощи КТ, 4D УЗИ для создания блюпринтов (3D-моделей) биоклапанов сердца: аортального, митрального. Производилось математическое моделирование.
• 2. Собственный программный комплекс DoctorCT.
• 3. Гибридный 3D-биопринтер/3D-принтер с 2-мя экструдерами для 3D-печати созданной модели.
• 4. Прорезиненный пластик. В настоящий момент идёт подбор биосовместимых пластиков, обладающих упругостью, эластичностью, водонепроницаемостью (гидрозивностью). Параллельно проводится тестирование гибридных и новых биосовместимых материалов для создания и 3D-печати каркасных и бескаркасных биоклапанов сердца.

Рис.3 3D-модель аортального клапана.

Все исследования по созданию 3D-моделей клапанов сердца выполняются совместно со специалистами резидентами Сколково из компании АО «Соцмедика».

Авторы:

Мишвелов А.Е: Биомоделирование и 3D печать с помощью программного комплекса «DoctorCT». Автор разработки стенда.
Кухарук М.Ю: Биомоделирование клапанов.
Бледжянц Г.А: Разработка 3D модели аортального клапана.