Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,813

ПРИМЕНЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ БЫСТРОГО ПРОТОТИПИРОВАНИЯ В ИЗГОТОВЛЕНИИ МЕДИЦИНСКИХ ИМПЛАНТАТОВ

Шумков А.А. 1
1 Пермский национальный исследовательский политехнический университет
В данной работе рассмотрен метод получения медицинских имплантатов с помощью технологий быстрого прототипирования. Технология основана на инициировании реакции полимеризации цифровыми видео проекторами. Данная технология позволяет получать индивидуальные имплантаты сложной формы без дополнительной оснастки по результатам конусно – лучевой компьютерной томографии. По результатам томографии было отобрано 191 снимок объекта. Для построения компьютерной трехмерной модели использовался программный комплекс 3D – DOCTOR, с помощью которого цифровые снимки были объединены в сечения будущей 3D модели.Экспериментально определены режимы построения имплантата челюсти человека из сшитого фотополимерного материала SI500. Установлена возможность получения индивидуальных сложнопрофильных имплантатов по технологии быстрого прототипирования использующую в качестве инициирования реакции полимеризации два цифровых видео проектора.
фотополимерный материал.
конусно – лучевая компьютерная томография (КЛКТ)
быстрое прототипирование
имплантат
1.Абрамов С.С., Болдырев Н.Н., Евсеев А.А. и др. Изготовление пластиковых копий трехмерных объектов по томографическим данным.– Оптическая техника.– 1998.– №1 (13).– С. 45–49.
2.Евсеев А.В.,Камаев С.В., Коцюба Е.В. и др.// Современные Компьютерное биомоделирование и лазерная стереолитография / лазерно – информационные и лазерные технологии :сб.тр.ИПЛИТРАН.– М.: Интерконтакт.Наука,2005.– С.119-130.
3.Рабухина Н. А., Голубева Г. И., Перфильев С. А. Спиральная компьютерная томография при заболеваниях челюстно-лицевой области. – М., 2006. – 128 с.
4.М.М. Тверской, Л.Н. Петров, А.С.Аладин, А.С. Жаринова, Компьютерная технология изготовления медицинских имплантатов методом послойного спекания //Вестник ЮУрГУ.– №23.– 2012. – С. 64-69.
5. Шавладзе З. Н., Налапко В. И., Рабухина Н. А. и др. Использование рентгенологических методов в дентальной имплантологии // Стоматология. – 2002. – № 6. – С. 34–37.
6.Sykes LM, Parrott AM, Owen CP, Snaddon DR. Applications of rapid prototyping technology in maxillofacial prosthetics. Int J Prosthodont 2004; 17: 454-459.
7.Popat A.H. Rapid prototyping and medical modeling // Phidias Rapid Prototyping in medicine.-1998.-1.-p.10-12.
До последнего времени рентгеновское исследование было единственным объективным и быстрым способом получения информации о внутренней структуре органов человека, наличии переломов, инородных предметов, состоянии трансплантатов и эндопротезов [5]. Однако традиционная рентгенограмма, будучи двумерным изображением исследуемого объекта, не передает все особенности его формы, рельефа поверхности, искажает истинные его размеры и поэтому не всегда дает полную информацию, необходимую для диагностики и лечения пациента. Более широкие возможности открывает компьютерная томография, позволяющая получать высокоточные трехмерные изображения различных структур тела человека[3]. Но для получения полной и объективной информации, особенно о характере травматических повреждений и для их эффективного лечения, желательно иметь реальную трехмерную модель поврежденного органа или объекта[6]. Широкое распространение цифровых технологий в области проектирования (CAD), моделирования и расчетов (CAE), и механообработки (CAM) стимулировало развитие RP – технологий (быстрое прототипирование). Цифровые 3D – технологии открыли уникальные возможности воспроизведения сложнейших пространственных форм, объектов и механизмов. Современные методы быстрого прототипирования позволяют оперативно и быстро решить задачи по изготовлению копий компьютерных моделей, которые были созданы программным обеспечением для трехмерного проектирования[7]. Переход на цифровое описание объектов – CAD, и появившиеся вследствие CAD, RP – технологии произвели революцию в таких областях как, медицина, археология и криминалистика. В медицине, в настоящее время, пластиковые модели наиболее широко используются в черепно- челюстно - лицевой хирургии, при подготовке и планировании операций по устранению врожденных и посттравматических дефектов и изготовлению имплантатов.

Выпускаемые в настоящее время и используемые в медицине имплантационные системы являются унифицированными, т. е. выпускаются имплантаты разных размеров, но одинаковой формы. Это накладывает серьезные ограничения на применение имплантации в сложных случаях [4], а именно увеличивает время операции из-за подгонки имплантата по месту, приводит к возникновению зон концентрации напряжений, снижающих прочность имплантата. Выходом может стать применение индивидуальных сложнопрофильных имплантатов, спроектированных и изготовленных с использованием современных технологий быстрого прототипирования[1].

Следовательно, актуальной является задача быстрого и точного преобразования данных, полученных с помощью измерительных машин, томографов и других средств контактной и бесконтактной диагностики объектов в их вещественные копии [2].

Целью данной работы является исследовать методику получения копии фрагмента челюсти человека, по результатам компьютерной томографии с помощью метода стериолитографии основанного на инициировании реакции полимеризации за счет цифровых видео проекторов (DigitalLightProcessing).

Материалы и методы исследования

            В работе проведено экспериментальное исследование получения пластикового прототипа челюсти человека по результатам конусно – лучевой компьютерной томографии (КЛКТ) с помощью метода стериолитографии.

Экспериментальные исследования включали в себя следующие этапы:

1.Обследование пациента на рентгеновском конусно – лучевом компьютерном томографе PlanmecaProMax 3D.

2. Предварительную обработку результатов томографического исследования, с целью получения упорядоченного набора томограмм (аксиальные срезы) в виде файлов в формате DICOM.

3. Преобразование томограмм в трехмерную компьютерную модель в формате STL.

4.Изготовление пластиковой копии фрагмента челюсти методом стереолитографии основанным на технологии DigitalLightProcessing компании Envisiontec.

Данное исследование основано на получении экспериментального пластикового образца из фотополимерного материала SI500 на стереолитографической машине  по результатам конусно – лучевой компьютерной томографии (КЛКТ) челюсти человека.

Для получения цифровых изображений в данной работе использовалась установка PlanmecaProMax 3D.В целях получения четких и надежных трехмерных изображений при ограниченных лучевых нагрузках на пациента в рентгеновских установках серии PlanmecaProMax 3D применяется технология объемной томографии с применением конусного луча (CBVT).Для качественных трехмерных изображений, сканирование на конусно – лучевом томографе проходило при определенных  параметрах процесса. Параметры процесса представлены в табл. 1.

Таблица 1

 Параметры процесса сканирования.

Количество кадров

401

Напряжение (кВ)

90

Ток (мА)

10

Время экспозиции (с)

12,118

Уровень облучения пациента

DAP (мГр/см²)

1094,2

 

Предварительную обработку результатов томографического исследования, проводили с помощью программного комплекса PlanmecaRomexisViewer 3.6.0 R. Программапредназначена для просмотра результатов сканирования на томографической установке, редактирования изображений, измерения поврежденных зон, а так же импортирования изображений в программные модули, предназначенные для преобразования в трехмерную модель.

Для преобразования результатов томографического сканирования в трехмерную модель использовался программный модуль 3D – DOCTOR. Программа позволяет обработать изображения интересующей области томограммы, для объединения в сечения будущей 3D – модели  и сохранение результатов в STL формате.

Для построения прототипа из фотополимерного материала использовалась система быстрого прототипированияEnvisionTecPerfactoryXede.

Основные параметры контролируемые в процессе построения твердотельного экспериментального прототипа челюсти пациента на установке EnvisionTecPerfactoryXede из фотополимерного материала SI500 представлены в табл. 2.

Таблица 2

Параметры процесса построения

Толщина слоя

(мкм)

Толщина поддержек (мкм)

Высота поддержек

(мм)

Время засветки сечений прототипа (ms)

Время засветки

поддержек

(ms)

50

250

4

13000

40000

 

Результат исследования пациента на конусно-лучевом компьютерном томографе преобразовывался в набор из 401томограммы с шагом 0,600 мм, которые вводились в персональный IBM совместимый компьютер в формате DICOM. Полученные изображениятомограммы,  с помощью пакета 3D - DOCTOR преобразовывались в трехмерную компьютерную модель в STL формате, который является входным форматом  для программного обеспечения, разработанного для установки стереолитографииEnvisiontecPerfactoryXEDE.

Результаты исследования и их обсуждение

Для обработки результатов исследования на конусно – лучевом компьютерном томографе использовалась программа PlanmecaRomexisViewer 3.6.0 R. Трехмерное изображение одновременно отображается в четырех разных видах: сагиттальный (Sagittal, красный, ось x), корональный (Coronal, зеленый, ось y), осевой (Axial, синий, ось z), трехмерный рендеринг (3Drenderedview) (рисунок 1).

Рис.1. Трехмерное изображение результатов томограммы

Для отбора изображений в качестве основы для построения 3D модели использовался осевой вид. В качестве интересующей зоны для построения 3D  модели был выбран фрагмент нижней челюсти. Отбор изображений проводился с помощью снимка аксиальных срезов. Отобранные фотографии поперечных сечений фрагмента нижней челюсти в количестве 191 изображения затем сохранялись в формате JPEG для последующей передачи файлов.

Обработка изображений зубочелюстной системы, полученных при проведении компьютерной томографии с последующим отбором фотографий аксиальных срезов фрагмента нижней челюсти в формате JPEG и построение на их основе цифровой модели, проводилась с помощью программного комплекса 3D DOCTOR. Первый этап обработки изображений заключается в сегментации выделенной зоны интереса, с созданием объемного объекта (рисунок 2).

Рис. 2. Разметка маркером фрагмента нижней челюсти

Учитывая, что каждая точка томограммы имеет свою яркость, которая зависит от того, насколько оптически плотным является участок органа или ткани, то, задавая пороговые значения оптической плотности, можно отделить сегменты изображения с одинаковой яркостью, или оптической плотностью. Таким сегментом  будет нижний фрагмент челюсти. На следующем этапе на сегментированном по пороговому значению изображении расставляются маркеры, соответствующие фрагменту нижней челюсти.Результатом сегментации, является объект фрагмента нижней челюсти (рисунок 3).

В случае если полученная объемная модель не достаточно качественная, то программа позволяет провести повторную расстановку маркеров либо же изменить порог сегментации. Применение при обработке изображений двухэтапной сегментации с разными порогами позволяет максимально точно реконструировать челюстные кости без потери данных.

 

Рис.3. Объемная модель фрагмента нижней челюсти

Дальнейшая обработка компьютерной модели в STL формате проводилась программой Magics12 фирмы Materialize. Обработка модели включала: удаление артефактов, образовавшихся в процессе создания объемной модели, позиционирование в рабочей области стереолитографической машины PerfactoryXEDE компании Enviziontec, генерацию элементов поддержек.

Изготовленный экспериментальный образец фрагмента нижней челюсти человека представлен на рисунке 4. Для высокой детализации профиля экспериментальной копии фрагмента нижней челюсти использовался шаг построения в 0,05мм, при времени засветки каждого последующего слоя в 13 секунд. Данный режим построения обеспечивает точность размеров, минимальную шероховатость поверхности пластиковой копии.

Рис.4. Экспериментальный образец фрагмента нижней челюсти из фотополимерного материала SI500

Выводы

            В результате проведенных исследований продемонстрирована высокая эффективность изготовления пластиковых имплантатов по технологии стереолитографиидля деформированных или полностью утраченных костных тканей челюстно-лицевых органов человека.

Установлено, что для получения качественной компьютерной модели необходимо проводить двухэтапную сегментацию исследуемого объекта.

В ходе исследования экспериментально определенны оптимальные режимы выращивания на стереолитографической машине, а именно время засветки слоев поддержек равное 40 секундам, время засветки основной модели равное 13 секундам и толщина слоя в 0,05 мм. Это позволило получить качественный экспериментальный пластиковый образец без дополнительной механической обработки поверхности.

Рецензенты:

Сиротенко Л.Д.,д.т.н.,проф.,каф. МТиКМ, Пермский национальный исследовательский политехнический университет, г.Пермь;

Матыгуллина Е.В.,д.т.н., проф.,каф. МТиКМ,Пермский национальный исследовательский политехнический университет, г.Пермь.


Библиографическая ссылка

Шумков А.А. ПРИМЕНЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ БЫСТРОГО ПРОТОТИПИРОВАНИЯ В ИЗГОТОВЛЕНИИ МЕДИЦИНСКИХ ИМПЛАНТАТОВ // Современные проблемы науки и образования. – 2015. – № 2-2.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=22876 (дата обращения: 18.02.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074