Применение лазерной стереолитографии в медицине

Введение

Современная лазерная стереолитография [1–2] является одним из быстро развивающихся направлений аддитивного производства, оперативного изготовления прототипов, макетов, функциональных объектов по их трехмерным компьютерным моделям методом послойного наращивания материала. В настоящее время эта технология позволяет решать задачи оперативного изготовления пластиковых моделей с габаритами в несколько метров и точностью 0,1 мм.

В ИПЛИТ РАН лазерная стереолитография для медицины была впервые применена в 1994 г. в рамках проведения судебно­медицинской экспертизы по идентификации найденных под Екатеринбургом останков царской семьи, которая проводилась Центром судебно­медицинской экспертизы Минздрава РФ. Впервые в России по данным компьютерного томографа методом лазерной стереолитографии была изготовлена пластиковая копия человеческого черепа с точностью, пригодной для проведения судебно­медицинской экспертизы [3].

Дальнейшее активное использование лазерной стереолитографии для медицинских приложений было стимулировано широким внедрением в клиническую практику компьютерной томографии для диагностики и получения информации о посттравматических дефектах, состоянии имплантатов, трансплантатов и эндопротезов, следов оперативного вмешательства и т. п. Современная компьютерная томография позволяет быстро создавать высокоточные трехмерные компьютерные образы различных структур и органов человека, а стереолитография дает возможность изготовить вещественные копии этих виртуальных моделей — пластиковые биомодели.

Широкое внедрение нового поколения спиральных компьютерных томографов значительно расширило возможности использования этой прогрессивной технологии в реконструктивной нейрохирургии. Спиральный компьютерный томограф позволяет провести сканирование всего черепа всего за несколько минут. Для восстановления сложной геометрии костных дефектов черепа с высокой точностью требуется сканирование с толщиной среза не более 0,5 мм. Программное обеспечение, реализованное на быстродействующих компьютерных системах, позволяет оперативно производить обработку полученных данных и создавать трехмерные модели любого дефекта и деформации черепа, проводить моделирование имплантатов, максимально соответствующих области повреждения, до проведения реконструктивных операций. А современные методы аддитивного производства трехмерных объектов, в частности лазерная стереолитография позволяют изготавливать пластиковые копии любых фрагментов костного скелета человека. Изготовление медицинских имплантатов является ярким примером единичного производства, так как каждый имплантат делается для конкретного пациента.

Ежегодно в мире проводятся тысячи восстановительных операций с замещением костной ткани имплантатами и эндопротезами. Главное требование, предъявляемое к любому имплантату, — надежность, которая, в первую очередь обусловлена возможностью остеоинтеграции, т. е. прочного врастания имплантата в кость без воспалительных реакций, приводящих к его отторжению. Имплантат должен быть изготовлен из биосовместимого материала, обладать достаточной прочностью и иметь большую площадь поверхности, контактирующей с костью, поэтому очень важно обеспечить максимально точное соответствие имплантата дефекту в области повреждения [5]. Пластиковые биомодели все активнее используются при подготовке и планировании оперативного вмешательства в черепно­челюстно­лицевой хирургии, хирургии шеи и позвоночника, торакальной хирургии, ортопедии и нейрохирургии, а также для быстрого изготовления имплантатов из биосовместимых материалов и их предоперационной подгонки. Эффект от предварительного планирования операций с использованием пластиковых биомоделей проявляется, во‑первых, в уменьшении продолжительности операции [8], что особенно существенно для маленьких пациентов, допустимое время пребывания которых под общим наркозом жестко лимитировано; во‑вторых, улучшаются качественные показатели, что приводит к уменьшению реабилитационного периода; в‑третьих, снижается стоимость операции.

В данной работе обобщен опыт использования современных методов лучевой диагностики в сочетании с компьютерными и телекоммуникационными технологиями при планировании реконструктивно­восстановительных операций в нейрохирургической и челюстно­лицевой практике. Разработанный метод позволяет не только получать достаточно объективную информацию о патологии в области повреждения (даже в случаях очень сложных дефектов), но создавать прецизионные имплантаты для ее устранения. Создан унифицированный подход для проведения таких операций:

1. получение и обработка данных компьютерной томографии,
2. создание компьютерной модели,
3. компьютерное моделирование,
4. изготовление методом лазерной стереолитографии пластиковых моделей поврежденных фрагментов черепа и пресс­форм для формовки имплантатов из биосовместимых материалов.

Получение и обработка томографических данных

Качество изображения, получаемого в компьютерной томографии, определяется пятью основными факторами: пространственным разрешением, контрастностью, шумом и пространственной однородностью, линейностью и наличием артефактов.

Пространственное разрешение используется для выражения степени пятнистости изображения и характеризует способность видеть объект определенной плотности в области, содержащей вещества с различной плотностью. Оно зависит от системы коллимации, размера детектора, выбранного размера пикселя, размера фокального пятна трубки.

Контрастное разрешение изображения — способность сканера показывать малые изменения контрастности тканей больших объектов, ограничено шумом, имеющим гранулированное проявление.

Шум и пространственная однородность — это различные КТ­числа для ткани с одинаковой плотностью. Они в основном связаны с эффектами прохождения фотонов через ткань. В зависимости от источника возникновения шум разделяют на квантовый (результат ограничения фотонов, достигающих датчиков), электронный (вызванный электрическим взаимодействием в самой системе), вычислительный (приближения, используемые в процессе измерения) и лучевой (вызванный рассеиванием излучения).

Артефактами изображений в компьютерной томографии называют любое несоответствие между КТ­числами реконструированного изображения и истинными коэффициентами ослабления объекта. Технология реконструкции изображения такова, что измерения на всех детекторах суммируются, поэтому на изображениях проявляются любые ошибки измерений. Ошибки реконструкции могут быть вызваны как недостатком данных, так и наличием различных шумов. Артефакты могут проявляться в виде полос (ошибка в отдельном измерении), затемнений (постепенное отклонение группы каналов), колец (ошибки калибровки отдельного детектора), искажений (спиральная реконструкция). Довольно часто в исследуемой области присутствуют объекты с высокой плотностью, например, сделанные из металла, что вызывает на изображении появление артефактов в виде полос. Это вызвано тем, что плотность металла выходит за предел нормального диапазона значений, который томограф может отобразить, давая неполные профили ослабления.

Движение пациента также дает артефакты в виде полос или размывания изображения. Это вызвано тем, что при реконструкции изображения обычно полагаются на способность компьютера размещать значения коэффициентов ослабления в матрице пикселей, имеющей строки и столбцы. Если при сканировании происходит движение, компьютер не может поместить измеренное значения в правильную пространственную ячейку, что и приводит к искажению изображения.

Все отмеченные проблемы, связанные с получением высокоинформативных данных в компьютерной томографии, требуют применения специальных программ для обработки полутоновых изображений перед преобразованием их в компьютерные модели, соответствующих реальным биологическим объектам. Для этого используются различные методы и приемы обработки.

Так, для выделения определенных областей используется масочная технология. Различные виды биологических тканей выделяются наложением маски заданного цвета с использованием разных пороговых значений плотности отсечки (рис. 1).

Рис. 1. Выделение биологических тканей разной плотности с помощью масок: розовый цвет — костные структуры, желтый цвет — мозговые клетки

Процедура пиксельного вычитания выделенных областей позволяла сформировать на выходе объект, содержащий ткани только определенного типа. Таким образом, на стадии обработки графических данных проводилось разделение объектов по их биологической принадлежности. Это значительно облегчало и ускоряло дальнейшую работу с трехмерными моделями.

Такой метод выделения хорошо работает, только если биологические ткани имеют большое различие в плотности и хорошо разделяются по пороговым значениям отсечки. В случае опухоли мозга объекты имеют практически одинаковые значения плотности и выделение возможно только в ручном режиме. В этом случае объект интереса на томограммах дополнительно закрашивается специальным маркером на всех срезах изображения (рис. 2).

Рис. 2. Выделение биологических тканей одинаковой плотности с помощью рисования

Такой подход требует кропотливой работы и значительного времени, так как даже небольшие объекты требуют ручной обработки десятков изображений томограмм.

Для устранения шума на томографических изображениях применяется функция выделения связанных областей (рис. 3).

Рис. 3. Применение функции выделения связанных областей для удаления шума на томограммах

Например, для устранения артефактов, вызванных присутствием во рту пациента объектов, сделанных из металла (рис. 4), необходимо редактировать каждый срез отдельно, удаляя только ненужные полосы — блики.

Рис. 4. Ручное удаление артефактов, вызванных наличием металла

Еще одним критерием качества изображения является контрастное разрешение изображения — способность сканера показывать малые изменения контрастности тканей больших объектов. Для данного набора томограмм этот параметр важен при построении тонких костных и хрящевых стенок. На рисунке показаны модели, построенные по исходным данным (слева) и по прорисованным срезам с последующим сглаживанием (справа) (рис. 5).

Рис. 5. Пример редактирования томограмм для восстановления тонких костных и хрящевых стенок компьютерные модели, полученные в результате

Разработанные методы обработки томографических данных позволяют построить на их основе компьютерные трехмерные модели высокой степени точности для использования в восстановительной хирургии и планировании особо сложных операций в нейрохирургии.

Преобразование графических данных томографических обследований в трехмерные компьютерные модели

Следующим шагом на пути использования метода лазерной стереолитографии в медицинских приложениях является преобразование обработанных результатов обследования пациентов на рентгеновских, магнито­резонансных или ультразвуковых компьютерных томографах в трехмерную компьютерную модель.

Результаты КТ данных в формате DICOM [4] по электронной сети пересылаются в ИПЛИТ РАН. Полученные томограммы обрабатываются и с помощью пакета 3Dview, разработанного в ИПЛИТ РАН, преобразовываются в трехмерную компьютерную модель в STL­формате, которая используется на установках лазерной стереолитографии.

Опыт изготовления моделей по томографическим данным [3] показал, что объект исследования (например, череп человека) — достаточно сложное образование с большим количеством внутренних полостей, состоящее из биологических тканей разной плотности. В то же время с помощью лазерной стереолитографии пока возможно воспроизводить объекты только одной плотности, поэтому очень важно выбрать пороговое значение плотности отсечки (определенное значение яркости на томограмме), которое определяет, что все участки данной плотности и выше становятся твердым телом, а участки пониженной плотности отсекаются. Томограммы содержат большой объем информации (типичный результат томографического исследования — 100–500 томограмм), стратификация которой позволяет по результату одного исследования пациента построить несколько разных компьютерных моделей, например, черепа или головы с кожным покровом в целом (рис. 6).

а)
б)
Рис. 6. Томограмма (а) и примеры преобразования томограммы (б) при задании разных значений плотности отсечки для построения модели

Томограммы, полученные на рентгеновском томографе, обычно представляют собой набор серых изображений массивов сечений (слоев) исследуемого объекта по координате z. Каждый элемент томограммы есть функция плотности объекта в соответствующей точке q (x, y, z). В большинстве случаев диапазон от q_min до q_max в области значений функции q (x, y, z) может быть представлен одним байтом. Таким образом, томограмму можно рассматривать как трехмерное изображение функции плотности, приведенной к однобайтовым значениям и записанной трехмерной матрицей яркости Q (i, j, k).

Для перевода томограммы в STL­формат необходимо построить математическую модель объекта как твердого тела. В общем виде такая модель может быть представлена как:

f (x, y, z) = { 0, если не имеется никакого объекта в данной точке
1, если имеется объект в данной точке

В случае, если координаты x, y, z определены на дискретной сетке:
x_i = d_x * i, i = 0, 1, …, Nx,
y_j = d_y * j, j = 0, 1, …, Ny,
z_k = d_z * k, k = 0, 1, …, Nz,
функция F (x_i, y_j, z_k) имеет вид трехмерного с двумя градациями (0 или 1 — бит на пиксель) изображения. Таким образом, если представить пиксель изображения как куб с размерами dx*dy*dz, преобразование томографических данных к STL­формату может быть выполнено преобразованием Q (i, j, k) к F (x_i, y_j, z_k). При этом каждая внешняя сторона куба описывается двумя треугольниками.
Для корректности преобразования необходимо правильно определить границу реального объекта в томограмме. В простейшем случае соотношение (1) принимает вид
F (x_i, y_j, z_k) = { 0, если Q (i, j, k) меньше Q _{пороговая}
1, если Q (i, j, k) больше Q _{пороговая}

Правильное определение границы объекта возможно только при знании всех нюансов механизма томографического сканирования конкретных типов объектов и представлении их изображений на томограмме. После определения границ объекта точность изготовленной модели полностью определяется числом точек изображения и числом слоев в исходных данных.

Программа 3Dview выполняет следующие функции:

• читает исходные данные компьютерных томографов в форматах DICOM, BMP, PCX;
• формирует яркостное представление и приводит изображение к трехмерной матрице яркости;
• определяет границу объекта на томограммах и формирует трехмерную твердотельную модель объекта с заданным коэффициентом сглаживания;
• фильтрует твердотельную модель (удаляет малогабаритные одиночные фрагменты и замкнутые полости);
• позволяет оператору­эксперту при необходимости выполнять интерактивное редактирование полученной твердотельной модели для удаления артефактов и внутренних закрытых полостей, которые не несут полезной информации;
• транслирует трехмерную твердотельную модель в формат STL, который является общепринятым для установок лазерной стереолитографии.

Пакет 3Dview позволяет работать как с томограммами, представленными в формате DICOM, так и в любом стандартном графическом формате (BMP, PCX и т. п.). Для построения компьютерных моделей костных фрагментов скелета человека по данным, полученным на рентгеновском компьютерном томографе, в программе 3Dview достаточно только правильно задать уровень яркости, соответствующий границе костной ткани.

Компьютерное моделирование имплантата

После получения трехмерной компьютерной модели дефекта и деформации черепа из программы 3DView проводится построение компьютерной модели имплантата. Возможны различные подходы к моделированию, так, при односторонних костных дефектах моделирование и построение имплантатов проводится с использованием метода зеркальной симметрии и работа ведется только с компьютерной моделью, полученной из томографического обследования данного пациента. В более сложных случаях при локализациях дефектов по средней линии (рис. 7) используется метод виртуального донора.

Рис. 7. Модель черепа пациента с посттравматическим костным дефектом: слева — восстановление модели по кожным тканям; справа — восстановление модели только по костным тканям

Этот метод основан на использовании трехмерных компьютерных моделей из созданного банка данных 3D­реконструкций черепов различных конфигураций. Из базы данных осуществляется подбор 3D­модели черепа, близкой по параметрам черепу пациента, и на его основе проводятся все этапы моделирования с созданием модели имплантата (рис. 8).

Рис. 8. Совмещение подходящей «донорной» модели с моделью пациента для формирования отсутствующих фрагментов

Из модели донора вырезают недостающую часть кости. Но на этом этапе могут оставаться ступенчатые переходы между имплантатом и черепом пациента из­за не полного совпадения моделей. Поэтому специальными средствами создается плавность перехода у краев имплантата для увеличения соответствия (рис. 9).

Рис. 9. Формирование полной модели черепа пациента, восстанавливающей область дефекта и точно повторяющей его форму до травмы

В итоге получается модель черепа пациента, максимально повторяющая его форму до травмы. На последнем этапе моделирования с помощью булевых операций формируется имплантат, уже полностью совпадающий и являющийся продолжением кости черепа по краям дефекта. Задается толщина имплантата, достаточная для выполнения функций утерянной части черепа, при этом учитывается усилие сжатия пресс­формы, которое она должна выдержать при отливке биосовместимых костных цементов.

В данном случае, чтобы создать пресс­формы такого сложного дефекта, нужно было дополнительно разделить имплантат на более плоские части, чтобы не создавать очень сложную конфигурацию матрицы. В нашем случае этих частей будет три: две боковые и центральная. Для правильного расположения частей имплантата делаются установочные пазы в виде ступени с зазором между стыковочными плоскостями не менее 0,1 мм (рис. 10).

Рис. 10. Секционирование имплантата сложной пространственной конфигурации

Последний этап компьютерного моделирования — создание пресс­форм для формовки имплантатов из костнозамещающих материалов (рис. 11).

Рис. 11. Пресс­форма для формовки имплантатов из костнозамещающих материалов и модель, созданная по данным компьютерной томографии того же пациента после операции

Важным преимуществом наших отечественных методов, в отличие от зарубежных аналогов, является не только моделирование имплантата, но и разработка модели пресс­формы имплантата.

Изготовление методом лазерной стереолитографии пластиковых биомоделей

Следующим этапом проводится прототипирование моделей черепа, имплантатов и пресс­форм из фотополимеризующих композиций на лазерном стереолитографе в ИПЛИТ РАН (рис. 12).

Рис. 12. Модель на рабочей платформе после изготовления на стереолитографе ЛС­250

Полученные компьютерные трехмерные модели подвергаются верификации и дополнительной обработке перед изготовлением на лазерном стереолитографе. Верификация, включает в себя проверку целостности и связанности компьютерной модели, устранение разрывов и неправильно ориентированных поверхностей. После устранения дефектов модель разбивается на оболочки, затем выделяется и сохраняется одна основная оболочка, несущая самую полную информацию о модели. В связи с особенностями технологии лазерной стереолитографии нельзя изготовить модели с внутренними полностью замкнутыми полостями. После верификации модели проводится ее пространственная ориентация на рабочей платформе. Модель располагалась в положительном квадрате на расстоянии примерно 10 мм от края по осям X, Y для того, чтобы подпорки не падали в область отрицательных значений. В программе обработки есть опция автоматического размещения нескольких моделей после их ориентации на рабочей платформе.

Для изготовления необходимо сгенерировать систему подпорок. В специальной программе предусмотрена автоматическая генерация подпорок, но при работе с биологическими объектами необходима ручная корректировка системы подпорок, предусмотренная программой.

После программной подготовки данные модели были изготовлены на лазерном стереолитографе ЛС‑250 (рис. 12). Время изготовления одного комплекта модели операционного черепа слоями 150 мкм при мощности лазерного излучения в рабочей зоне 25 мВт составляет 20 часов. После изготовления полученные формы проходили специальную пост-обработку, удаление подпорок и ультрафиолетовую сушку в УФ­ камере.

Важным моментом краниопластики является эстетическое совершенство реконструктивной операции, особенно при костных дефектах сложной кранио­орбитальной и кранио­базальной локализаций. Компьютерное моделирование и развитие технологий прототипирования кардинальным образом изменили возможности реконструктивной хирургии дефектов и деформаций черепа травматического, опухолевого и врожденного характера, а также после резекционных и декомпрессивных операций [8].

Применение лазерной стереолитографии при реконструктивной хирургии дефектов черепа

Несмотря на свою долгую историю, проблема восстановления целостности черепа после вдавленных переломов, декомпрессивной трепанации, огнестрельных ранений, а также других патологических процессов попрежнему актуальна [5–8]. Количество пострадавших с костными дефектами (КД) постоянно увеличивается в связи с ростом тяжелой черепно­мозговой трамвы и хирургической активности, расширением показаний к декомпрессивной трепанации черепа не только при травме, но и сосудистых заболеваниях.

Во многих клиниках мира накоплен большой опыт по краниопластике, и вместе с тем поиски оптимальных решений продолжаются: это касается методов реконструкции КД, выбора пластических материалов, временных параметров хирургии и ряда других вопросов [5, 6].

Стереолитографические модели при реконструктивных операциях в одном из ведущих медицинских институтов НИИ нейрохирургии им. Н. Н. Бурденко [7, 8] используются с конца 90‑х годов. В период 1999–2017 гг. в отделении черепно­мозговой травмы у сотен пациентов с дефектами костей черепа проведены реконструктивные вмешательства с использованием компьютерного моделирования и лазерной стереолитографии. Площадь костных дефектов варьировала от 16 до 320 см2. Преобладали обширные и гигантские костные дефекты (более 60 см2), а также дефекты сложной конфигурации, преимущественно лобно­орбитальной локализации.

Имплантаты изготавливаются из биосовместимых современных метилметакрилатов (Polacos R. Palamed G‑40 Merc Biomaterial GmbH, Germany). Наличие пресс­формы позволяет изготовить имплантат как интраоперационно в стерильных условиях, так и до операции с последующей стерилизацей имплантата. В последнем случае сокращается время операции, полимеризация имплантата с экзотермической реакцией происходит вне раны. Изготовление имплантата с использованием пресс­формы требует определенного опыта в силу быстро меняющейся текучести и пластичности материала. В процессе изготовления возможна его предварительная доработка на пластиковой модели черепа. Окончательная подгонка имплантата проводится с помощью высокоскоростных фрез. Точная пластиковая копия черепа пациента позволяет также до операции изготовить имплантат из титановой сетки пластины, что сокращает время операции и улучшает ее качество.

В ряде случаев при низких дефектах лобно­височной локализации даже идеальное сопоставление имплантата с краями костного дефекта дает только удовлетворительный косметический результат (западение мягких тканей в височной области). Для дальнейшего улучшения качества реконструктивных операций необходимо учитывать изменения мягких тканей головы, прежде всего обусловленных рубцово‑атрофическими изменениями височной мышцы.

Таким образом, применение технологии компьютерного моделирования и лазерной стереолитографии привнесло принципиально новые возможности в реконструктивную нейрохирургию и существенно улучшило качество операций при сложных по конфигурации и локализации дефектах и деформациях черепа.

Применение биомоделей для пластической хирургии

Совместно с областной клинической больницей им. М. И. Калинина (г. Самара) была разработана оригинальная методика создания трехмерных моделей кожной и мышечной ткани с использованием томографических данных для реконструктивно­восстановительных операций в пластической хирургии. В данном случае проведено моделирование носа реального пациента рис. 13, 14, 15.

Рис. 13. Моделирование лицевого скелета, облика пациента и имплантатов

Рис. 14. Пластиковые копии фрагментов лицевого скелета пациента, изготовленные в ИПЛИТ РАН методом лазерной стереолитографии

Рис. 15. До­ и послеоперационный облик пациента. Силиконовая модель носа, изготовленная по пластиковой модели для областной клинической больницы им. М. И. Калинина, г. Самара

Применение лазерной стереолитографии и биомоделирования для кардиохирургии

Целью данной работы являлась разработка методов оперативного построения индивидуальных компьютерных моделей сердца пациентов, области сердечного клапана с фрагментом восходящей аорты и изготовления из пластиковых копий с целью индивидуальной подгонки биопротезов клапанов, имплантируемых в сердце. Работа выполнялась совместно с научно­производственным отделом медицинской биотехнологии научного центра сердечно­сосудистой хирургии им. А. Н. Бакулева РАМН.

В этом отделе разработаны каркасные и бескаркасные биопротезы клапанов и освоено их мелкосерийное производство для замещения пораженных сердечных клапанов. Эти клапаны имплантируют с применением искусственного кровообращения (открытое сердце). Стент­клапа­ны — это новая разновидность протезов клапанов, которые можно имплантировать с помощью закрытых методик, эндоваскулярных или малоинвазивных.

Стент­клапаны в сжатом виде (на катетере) доставляют до позиции имплантации под рентгеновским контролем. В надлежащей позиции стент­клапан расправляют (например, с помощью баллона, или он расправляется сам, если каркас стент­клапана сделан из нитинола). В конечном итоге стент­клапан фиксируется в надлежащей позиции (рис. 16).

Рис. 16. Схема имплантации стент­клапана на нитиноловом каркасе в позицию аортального клапана

Для оптимизации конструкции стент­клапанов необходимо их испытание на моделях, которые соответствуют реальным пациентам. Одной из наиболее подходящих моделей может быть трехмерная модель соответствующего участка выводного отдела левого желудочка с частью восходящей аорты, выполненная из достаточно упругого и достаточно прозрачного материала (силикон, полиуретан, латекс…). Такой фантом позволит эффективно решить ряд задач, связанных с оптимизацией конструкции самого клапана, а также доставляющих устройств. Более того, присоединив фантом к пульс­дупликатору, можно будет изучать функциональные характеристики клапанов перед их испытаниями на животных.

Задача изготовления фантома на первом этапе сводится к созданию компьютерной модели на основе данных томографических обследований больных со стенозом аортального клапана. По томограммам производится обмер основных характерных геометрических размеров, необходимых для построения трехмерной модели (рис. 17).

Рис. 17. Томограмма выводного отдела левого желудочка с частью восходящей аорты с геометрическими размерами

Данные таких обмеров пациентов со стенозом аортального клапана представлены в таб. 1.

По полученным данным проводилось построение компьютерной модели 1 и последующее изготовление ее пластиковой копии 2 на лазерном стереолитографе ЛС‑250 (рис. 18).

Рис. 18. 1 — один из вариантов компьютерной модели и 2 — пластиковая копия фантома выводного отдела левого желудочка с частью восходящей аорты

Были обработаны комплекты томограмм и построены компьютерные модели сердца в области сердечного клапана для 10 пациентов. По компьютерным моделям определены геометрические размеры области локализации биопротеза сердечного клапана.

Также по томографическим данным, предоставленным НЦССХ им. А. Н. Бакулева РАМН, проводилось изготовление пластиковой копии гипертрофированного сердца реального пациента для планирования сложной хирургической операции (рис. 19.)

Рис. 19. Пластиковая копия сердца реального пациента для планирования хирургической операции

Проведенная работа показала возможность использования томографических исследований сердца и кровеносной системы человека для построения трехмерных компьютерных моделей этих объектов и изготовления с помощью лазерной стереолитографии пластиковых копий для планирования хирургической операции на сердце.

Построены CAD­модели сердца в области сердечного клапана, самого биопротеза, которые, в принципе, могут использоваться для проведения динамического моделирования методом конечных элементов с оптимизацией конструкции биопротеза.

Заключение

Разработанная оригинальная методика создания индивидуальных имплантатов с помощью лазерной стереолитографии позволяет:

• создавать трехмерные модели биологических объектов, используя томографические данные;
• проводить моделирование и изготовление имплантата для устранения посттравматических костных дефектов;
• значительно сократить время операции, улучшить послеоперационный облик пациента и уменьшить период его реабилитации.

А.В. Евсеев , Е.В. Ипполитов, М.М. Новиков, С.В. Черебыло
Институт проблем лазерных и информационных технологий РАН – филиал федерального государственного учреждения «Федеральный научно­исследовательский центр «Кристаллография и фотоника» Российской академии наук»

Литература

1. Антонов А. Н., Евсеев А. В., Камаев С. В., Кулаков В. Б., Коцюба Е. В., Марков М. А., Новиков М. М., Панченко В. Я., Семешин Н. М., Якунин В. П.  Лазерная стереолитография — технология послойного изготовления трехмерных объектов из жидких фотополимеризующихся композиций. Оптическая техника. 1998. Т. 1. № 13. С. 5–14.
2. А. В. Евсеев, С. В. Камаев, Е. В. Коцюба, М. А. Марков, А. Н. Никитин, М. М. Новиков, В. Я. Панченко, В. Г. Низьев, В. В. Васильцов. Лазерные технологии быстрого прототипирования и прямой фабрикации трехмерных объектов. В монографии: Лазерные технологии обработки материалов: современные проблемы фундаментальных исследований и прикладных разработок. Под ред. В. Я. Панченко — М.: Физматлит, 2009. Глава 10. С. 346–412.
3. Абрамов С. С., Болдырев Н. И., Евсеев А.В, Коцюба Е. В., Новиков М. М., Панченко В. Я., Семешин Н. М., Якунин В. П. О возможности применения метода лазерной стереолитографии в судебной медицине. // Судебно­медицинская экспертиза. 1998. № 41 (3). С. 13.
4. Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM), National Electrical Manufacturers Association, Rosslyn, USA, http://medical.nema.org/standard.html
5. Кравчук А., Потапов А., Корниенко В., Панченко В., Евсеев А., Шурхай В., Биттиров А. Поиск оптимальных материалов и технологий изготовления имплантов при реконструктивной хирургии посттравматических дефектов и деформаций черепа. // Российская нейрохирургия. 2006. № 2 (17).
6. Fallahi B, Foroutan M, Motavalli S, Dujovny M, Limaye S. Computer­aided manufacturing of implants for the repair of large cranial defects: an improvement of the stereolithography technique. Neurol Res 1999; 21 (3). Р. 281–286.
7. Kravchuk A., Potapov A., Kornienko V. et al. Computed modeling in reconstructive surgery for posttraumatic skull vault bone defects. Neurotrauma (Eds. A. Potapov, L. Likhterman, K. R.H.von Wild) Moscow, 2002. Р. 187–190.
8. Коновалов А. Н., Потапов А. А., Лихтерман Л. Б. и др. Реконструктивная и минимально инвазивная хирургия последствий черепно­мозговой травмы. Москва, 2012. С. 319.

Статья опубликована в журнале «Аддитивные технологии» № 2-2019