Разработка 3D-моделей для визуализации и симуляции операций на позвоночнике МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЯДЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ “МИФИ”» САРОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ФИЗИКО ТЕХНИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ КАФЕДРА ЦИФРОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ Реферат На тему: Разработка 3D-моделей для визуализации и симуляции операций на позвоночнике ПО КУРСУ Системы сквозного управления жизненным циклом изделий СТУДЕНТ Варавина Ирина Викторовна ГРУППА ЦТМ-22 РУКОВОДИТЕЛЬ РАБОТЫ Денисова Н.А. ЗАВЕДУЮЩИЙ КАФЕДРОЙ зам.директора ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ» по ИТ и УЖЦИ — директор департамента Кривошеев О.В. Саров 2023 г. Аннотация Данная работа посвящена изучению 3D-моделирования в здравоохранении, в частности хирургии. Структура работы включает 2 главы. Первая глава посвящена сбору и обобщению теоретической информации, необходимой при проведении исследования. Вторая глава направлена на демонстрацию применения 3D-моделирования как активного инструмента развития высокотехнологичной хирургии, связанной со сложными системами организма, отвечающими за качество жизни человека. Описан процесс моделирования и использования модели при проведении операций и практических занятий врачей. Кроме этого, сформулированы актуальные проблемы и перспективы развития технологии в данной отрасли. Работа состоит из 49 страниц, содержит 24 рисунка и 13 литературных источников. 2 Оглавление Введение ....................................................... Ошибка! Закладка не определена. Глава 1 Появление 3D-моделирования ..... Ошибка! Закладка не определена. 1.1. Понятие 3D-моделирования…………………………………………………6 1.2. Отрасли применения 3D-моделирования…………………………………...7 1.3. 3D-моделирование в медицине…………………………………………….10 1.4. Материалы и технологии…………………………………………………...23 Глава 2 Применение 3D-моделирования в хирургии позвоночника ............... 28 2.1. Технология 3D-моделирования в хирургии позвоночника, симуляционное и визуализационное взаимодействие…………………………………………...28 2.2. Роль и место 3D-моделирования в хирургии позвоночника и смежных областях…………………………………………………………………………..37 2.3. Современное использование 3D-печати в хирургии……………………...39 2.4. Перспективы развития 3D-технологий в хирургии ………………………42 Заключение ............................................................................................................ 45 Список использованных источников .................................................................. 47 3 Введение Компьютерные трехмерные технологии и изготовление трехмерных печатных моделей различных органов человека для наиболее точного планирования и осуществления оперативного вмешательства находят все более широкое применение в хирургическом лечении различных патологий. Трехмерное моделирование - это быстро развивающееся направление, способное совершить революцию в медицине путем создания индивидуальных изделий из широкого спектра материалов [1-3]. Несмотря на то что многодетекторные КТ- и МРТ-исследования существенно улучшили радиологическую диагностику, обеспечив 3D- визуализацию, мультипланарную реформацию и навигацию изображений, они ограничены использованием плоских экранов для визуализации 3D-данных. Идея применения трехмерных медицинских изображений, а именно данных компьютерной томографии, для воссоздания физической модели впервые была предложена в 1979 году. Стереолитография (SteriolithographyApparatus – SLA) - технология, в которой управляемый компьютером луч лазера применяется для отвердения жидкого полимера или смолы, послойно создавая требуемую структуру, запатентована Чарльзом Халком в 1980-х годах. Эта методика стала первой доступной технологией 3D-печати и была применена в биомедицине в 1994 году. Ортопедическая хирургия, стоматология и челюстно-лицевая хирургия были первыми областями медицины, в которых стала использоваться эта технология. Причина этого заключается в том, что 3D-печать больше подходит для создания твердых предметов, а первые 3D-принтеры печатали только твердыми материалами. Практически любой орган человека может быть воспроизведен в виде трехмерной модели посредством трехмерной печати (3DП). Печатаются как индивидуальные анатомические модели с отпечатком выявленных патологических изменений, так и индивидуальное медицинское оборудование: хирургические устройства, имплантаты, аппараты внешней 4 фиксации, протезы, шины, шаблоны [4]. Однако еще достаточно сложно найти подборку публикаций, которые бы всесторонне освещали ряд интересующих вопросов, связанных с заболеваниями костно-мышечной системы. Публикации, касающиеся патологии позвоночника, в частности у детей, еще более редки. Хирургическое лечение травм и заболеваний позвоночника - одно из наиболее активно развивающихся направлений в медицине за последние 30 лет. Неуклонное увеличение продолжительности жизни населения сопровождается ростом обращений за медицинской помощью, обусловленных клиническими проявлениями дегенеративных изменений, остеопороза и опухолевых поражений. Боль в спине является ведущей причиной трудопотерь во всем мире, встречаясь в течение жизни у 70-80% населения. По этим причинам, актуальным представляется поиск решений, способных улучшить результаты оперативного лечения патологических процессов позвоночника, снизить процент осложнений и повторных операций и уменьшить объемы финансовых затрат. Одним из перспективных направлений в реализации данных задач является внедрение технологии 3D-печати в практическое здравоохранение. Целью работы является изучение 3D-моделирования как вспомогательного инструмента для практики, обучения и проведения операций повышенной сложности. Из поставленной цели вытекают следующие задачи: 1. Рассмотреть понятие 3D-моделирования; 2. Классифицировать сферы применения 3D-моделирования; 3. Изучить основные виды материалов и оборудования; 4. Изучить детально применение моделирования в медицине; 5. Сформулировать актуальные проблемы и перспективы развития технологии. 5 1.1. Понятие 3D-моделирования 3D печать, также известная как аддитивное производство, является процессом создания трехмерных объектов путем последовательного нанесения слоев материала на основе цифровой модели. В отличие от традиционных методов производства, где материалы удаляются или формируются, 3D печать позволяет создавать объекты, добавляя материалы по мере необходимости. В процессе 3D печати используется специальное оборудование, называемое 3D принтером, который может использовать различные типы материалов, такие как пластик, металл, керамика и биоматериалы. Цифровая модель объекта создается с помощью специального программного обеспечения или сканирования реального объекта. 3D печать имеет широкий спектр применений, включая прототипирование, производство индивидуальных изделий, медицинскую и научную исследовательскую деятельность. В хирургии 3D печать используется для создания моделей органов и тканей, планирования сложных операций, изготовления индивидуальных имплантатов, а также для обучения и тренировки хирургов. Трехмерные объекты – это не только сложные высокотехнологичные предметы, но и вполне полезные и практичные вещи из повседневной жизни. Сейчас благодаря высокому уровню развития технологий трехмерного моделирования можно создавать любые объемные объекты, с разной архитектурой и размерами. 3D-моделирование впервые стало известно этому миру в 60-х годах прошлого века. Первые векторные изображения выстраивались из множества точек и кривых линий, заданных в рамках конкретной математической формулы. В одном из американских университетов в то время появилась кафедра компьютерной графики, а также стала известна первая программа для трехмерного моделирования. Первое оборудование для 3D-моделирования было достаточно крупным и массивным, но обладало ограниченной производительностью. Даже в таких 6 технологических условиях проводились достаточно серьезные эксперименты, которые позволяли создавать трехмерные модели. На первых вычислительных машинах создавались только векторные изображения, затем стала развиваться растровая графика, которая передавала изображения в виде пиксельной сетки. Ученые, которые активно интересовались трехмерным моделированием, начали использовать тени и текстуры, появились перспективы преобразования программного кода в объемное изображение. Уже к концу прошлого века на экраны научных сообществ мира вышел короткометражный мультиплицированный фильм в технике трехмерного моделирования. Через несколько лет на большие экраны вышли первые полнометражные фильмы в технике 3D-моделирования. Основа современного трехмерного моделирования – четкие математические концепции. Без учета геометрических данных и владения основными функциями невозможно задавать параметры объектов в пространстве. Но сейчас, чтобы создавать трехмерные изображения дизайнерам и модельерам не нужно просчитывать сложные функции и формулы, все эти задачи сейчас выполняют программы. 1.2. Отрасли применения 3D-моделирования Зd моделирование – трехмерное изображение любого предмета, активно применяется в конструировании будущей модели, практически в каждой производственной сфере. Начиная от простейших изделий до сложных многовекторных макетов. Проектировщики, используют компьютерные программы позволяющие увидеть визуальное воплощение будущего изделия/интерьера/объекта. В каких производственных областях прибегают к трехмерному изображению чаще всего, расскажем в данной статье. Области применения: Из английского 3d переводится как «три размера», но трехмерность в 3д моделировании используется не только для создания однотипного макета. 7 Звук, шоу, изображение, также может быть многогранным, то есть обладать объемом. Если рассматривать только трехмерные макеты, то можно сказать, что 3d принтеры, как бы «одухотворяют» изделие, то есть из линейной плоскости преображают в реалистичный объект. Индустрия развлечений: Трехмерная графика сегодня пользуется большим спросом, особенно в таких областях как кинематография, анимация и мультипликация, компьютерные игры. Сложно представить современный фильм без 3d эффектов. С помощью полигонов и специальной аппаратуры на экране возникают виртуальные пространства и вымышленные герои. Компьютерные игры создаются с помощью специальных программ, софтов, которые влияют на качество изображения. Последнее можно выбирать самостоятельно, делать выше или ниже, так как не последнюю роль в визуализации качественного софта играет модель компьютера. Что касается мультипликации, то сегодня редко какой мультфильм обходится без трехмерной графики. Медицина: В стоматологию трехмерная графика пришла гораздо раньше, чем в область медицинского исследования. Сегодня с помощью сканирования внутренних органов в 3d формате появилась возможность выявить только начинающую развиваться патологию органа и вовремя среагировать. То есть, если раньше человека необходимо было прооперировать, чтобы выявить заболевание, то сегодня достаточно 3d сканирования. В стоматологии с помощью 3d принтеров, создают имплантаты. Возможность создать протез любой конечности, сухожилия, кровеносного сосуда и даже органа сердечной мышцы стала реальностью. Биопечать стремительно развивается, в конструировании органов используются живые ДНК. Компьютерные программы демонстрируют в реальном времени то, как будут двигаться будущие модели, например протезы рук или ног. 8 Навигация объектов: Разработчики навигационных карт часто применяют 3d моделирование для более удобного показа объекта. Действительно, не все могут читать карты и схемы проезда, но возможность увидеть почти как в реальности улицу, дом, вход в помещение - значительно упрощает задачу поиска. С помощью трехмерного изображения можно построить модели здания, моста, путепровода, любых городских достопримечательностей, а также устроить экскурсию внутри помещения, музея, выставки, торговых центров и т.д. Архитектура и дизайн: Дизайнеры и архитекторы, одни из первых, по достоинству оценили трехмерную графику. Демонстрация будущего объекта строительства или квартиры после ремонта заказчику устраняет все недочеты, несогласованности и повышает продуктивность задачи, а значит, гарантирует, что результат всегда будет на высоте. Также применение 3d моделей незаменимо в сложных климатических условиях, например в пустыне, на крайнем севере или для строительства на морских глубинах. Кроме того 3д моделирование используется для изготовления предметов мебели и интерьера для предварительного согласования с заказчиками внешнего вида будущего изделия. Легкая и тяжелая промышленность: Еще одна важна сфера. 3d моделирование широко применяется в промышленности: атомной, космической, машиностроении. А также и в более обыденных видах промышленности, например, при изготовлении посуды и фаянса, игрушек, различного декора и т.д. Трехмерная модель демонстрирует мини копию будущего изделия с подробными деталями, так что внести 9 корректировки и поправки можно на начальном этапе, не запуская производство. Военная промышленность успешно использует 3d модели для производства технического и военного оснащения. Образование и наука: Использование 3d моделей в области образования, повышает интерес к учебе, так как образовательный процесс выходит за пределы школьного класса. Находясь в помещении, ребенок, тем не менее, может «побывать» в любом историческом периоде и воочию увидеть особенности обитания древних животных, людей. Студенты могут детально изучить самый сложный материал, в другой доступной для понимания форме, а также попробовать себя на практических занятиях. И это еще не весь список. Без 3д моделей сегодня не изготавливают ни ювелирные изделия, ни запчасти для автомобилей, ни сувенирную продукцию, ни любые другие предметы быта. 1.3. 3D-моделирование в медицине 3D-моделирование в медицине позволяет создавать объемные модели. Технология нашла применение в эстетической стоматологии, онкологии, отоларингологии и других сферах. Трехмерные модели, напечатанные на основе аддитивных технологий вкупе с компьютерной томографией, стали одним из незаменимых достижений в области медицины. Трехмерные снимки больных органов трансформируются в картинку с высоким качеством (рис.1), а затем преобразуются в 3D-модели. 10 Рисунок 1 – модифицированный снимок пораженного органа Моделирование дает возможность максимально качественно подготовиться к проведению операции и изучить особенности болезни. Например, при подготовке к операции по удалению опухоли врачи тщательно изучают размеры, форму, очертания новообразования в трехмерном измерении, чтобы понять, какую тактику выбрать во время операции. Подготовка к операциям с помощью 3D-моделирования проводится по следующему алгоритму: сканирование нужного органа/опухоли; создание программой трехмерного изображения; печать прототипа; изучение модели; выбор методики лечения или операции. Таким образом, современные 3D-принтеры помогают врачам надлежащим образом подготовиться к проведению операции. Разумеется, технология применяется и в других сферах медицины, но мы решили сделать акцент именно на онкологии, чтобы продемонстрировать, какую неоценимую помощь могут оказать 3D-принтеры в спасении жизней. Технологии выращивания органов и тканей Современные технологии дали возможность осуществлять трехмерную печать клеток, биосовместимых материалов и их вспомогательных компонентов с 11 целью дальнейшего создания полнофункциональных живых тканей на их основе. Технология получила название 3D-биопечати, которая нашла свое применение в регенеративной медицине и существенно упростила и удешевила процесс трансплантации жизненно важных тканей и органов. Биоинженер Томас Боланд в Университете Клемсона в Южной Каролине (США) самостоятельно переделал принтеры Lexmark и HP, чтобы попробовать напечатать фрагменты ДНК человека. Исследование показало, что размер клеток ДНК аналогичен размерам капли стандартных чернил и составляет около 10 микрон. Дальнейшие эксперименты показали, что 90 % клеток сохраняют жизнеспособность в процессе биопечати. В 2003 году ученый запатентовал биопечать, первая успешная печать произошла в 2006 году. Первый удачный эксперимент по трехмерной печати человеческих органов (рис.2) произошел в 2006 году. Ученые из Wake Forest Institute for Regenerative Medicine спроектировали и распечатали семь мочевых пузырей для пациентовдобровольцев. Рисунок 2 – напечатанный на 3D-принтере мочевой пузырь Ученые-биоинженеры взяли за основу стволовые клетки пациентов, с помощью которых и были напечатаны будущие органы. Образцы ткани доноров, хранящиеся в специальной герметичной камере, экструдером наносили поверх 3D-макета мочевого пузыря, подогретого до естественной температуры тела человека. Результаты: спустя восемь недель в ходе интенсивного роста клетки начали делиться и воссоздали мочевой пузырь. 12 Рисунок 3 – типология материалов, производимых различным оборудованием В зависимости от выбранного 3D-принтера (рис.3) донорский материал дозированно подается из диспенсера. Данный подход используется для печати мягких тканей, обладающих низкой плотностью клеток. Например, при печати отрезков кожи или мягких хрящей. Метод послойного наплавления применяется при печати костных имплантатов. Печать человеческих сердец Группа ученых Высшей технической школы Цюриха Швейцарии в 2017 сделали первое в мире сердце, напечатанное на 3D-принтере (рис.4), очень маленькое: его прототип весит всего 390 грамм и выдерживает около трех тысяч сокращений, но оно создано из человеческих жировых клеток и соединительной ткани. Прорыв медиков состоит в том, что до них при создании человеческих сердец применяли синтетические вещества. Ученые из Швейцарии смогли разработать прототип сердца, который будет максимально похожим на человеческий орган. Сердце состоит из двух желудочков, которые разделены специальной камерой, заменяющей 13 сердечную мышцу. За счет воздушного насоса камера сдувается и надувается, позволяя жидкости перекачиваться через сердце. Рисунок 4 - напечатанное на 3D-принтере сердце На 3D-принтере впервые напечатали роговицу (рис.5) В 2018 году биоинженеры Ньюкаслского университета США взяли за основу стволовые клетки здорового донора роговицы, добавили к ним альгинат, коллаген и создали из этих ингредиентов смесь, оптимально подходящую для печати. Материал получил название «биочернила». С помощью самого простого 3D-биопринтера, имеющегося в арсенале университета, врачи успешно распечатали формы, максимально аналогичные человеческим роговицам. Печать заняла около 10 минут. Стволовые клетки, напечатанные с помощью биочернил, начали расти, преображаясь в человеческую роговицу. Швейцарские биоинженеры смогли продемонстрировать, что могут напечатать роговицу, которая будет соответствовать уникальным параметрам роговицы человека. Характеристики напечатанной ткани были заимствованы с реальной роговицы. Исследователи просканировали глаз пациента, после чего смогли напечатать роговицу, полностью соответствующую размерам и форме. Рисунок 5 - напечатанная на 3D-принтере роговица 14 3D-печать среднего уха для возвращения слуха В 2017 году Радиологическое общество Северной Америки, доктор Джеффри Хирш в университете штата Мэриленд в Балтиморе, США. Изображения, полученные с помощью компьютерной томографии, были преобразованы в протезы, распечатанные на 3D-принтере. С их помощью хирурги поместили четыре разных по размеру имплантата в человеческие уши. В рамках эксперимента четыре хирурга поочередно вводили прототипы в четыре разных средних уха человека (рис.6). Тот факт, что все врачи смогли идеально точно совместить напечатанный протез с височной костью, поражает: при обычном протезировании среднего уха шансы на удачную операцию сводятся к 1 : 1296. Рисунок 6 - напечатанное на 3D-принтере среднее ухо (протез) Ортопедические корсеты 2014 год, Стэнфордский университет, США 3D Systems, Джеймс Полиси, Роберт Дженсен - создали уникальный экзоскелет. Врачи провели испытания корсета (рис.7), напечатанного на 3D-принтере, на 22 пациентах, которые проходили лечение в Детской больнице Окленда. Выяснилось, что корсет не просто отлично корректирует сколиоз, но и нравится маленьким пациентам. Кроме того, в 2014 году компания 3D Systems вновь произвела фурор, продемонстрировав уникальный экзоскелет. С его помощью парализованная девушка смогла встать на ноги. 15 Рисунок 7 - напечатанный на 3D-принтере ортопедический корсет В стоматологии 1990 год, 2012 год, Align Technology, Layer Wise, США Первые попытки внедрения аддитивных технологий в стоматологию увенчались относительным успехом. С помощью первых 3D-принтеров ученые смогли напечатать капы для зубов. Ученым понадобилось около 20 лет, чтобы изготовить первый зубной имплантат. В 2012 году была впервые вживлена титановая нижняя челюсть, изготовленная с помощью 3D-принтера для стоматологии (рис.8). В наше время трехмерные технологии стали неотъемлемой частью стоматологии: с помощью 3D-принтеров печатают зубные протезы, ортодонтические модели, корректирующие пластины и виниры. Рисунок 8 – напечатанный на 3D-принтере прототип челюсти Печать мобильного детектора инфекций (рис.9) Группа американских инженеров и ученых, США, 2017 год. 16 Ученые разработали уникальный комплекс для диагностики инфекционных заболеваний. В качестве мобильного детектора используется простой сотовый телефон, в который вживлен диагностический чип. Мобильный детектор инфекций незаменим в условиях ограниченных ресурсов. Кроме того, система позволяет проводить персонализированное лечение зараженных и осуществлять своевременный мониторинг эпидемиологической ситуации. Время получения результатов аналогично времени проведения подобных тестов в стандартных лабораторных условиях. Рисунок 9 – Детектор инфекций, напечатанный на 3D-принтере Печать яичников Ученые Северо-западного университета Чикаго, США, 2017 год. Врачи и ученые разработали уникальный искусственный яичник (рис.10), который позволяет полностью восстановить репродуктивную функцию женщины. В рамках данного исследования бесплодной лабораторной мыши был вживлен протез трехмерного яичника, созданный с помощью 3D-принтера. Впоследствии родились мышата, которые не только выжили, но и смогли произвести потомство. Пока неясно, станет ли возможным протезирование такого яичника женщине, так как фолликулы человека растут намного быстрее. 17 Рисунок 10 - напечатанный на 3D-принтере яичник (визуализация) Череп Врачи из Chung-Ang University, Южная Корея, 2016 год. Врачи смогли напечатать трехмерную модель черепа (рис.11) и вживить ее человеку. Операция помогла спасти человеческую жизнь: у пациентки была удалена часть черепа из-за отека головного мозга. Ученые напечатали кусок черепа из чистого титана. Этот материал признан одним из лучших при создании имплантатов. Металл имеет низкую вероятность отторжения организмом. Рисунок 11 – протез части черепа, напечатанный на 3D-принтере Изобретены 3D-печатные инструменты для хирургов Группа ученых, Военно-медицинский центр Уолтера Рида, 2006–2014 годы. Ученые изобрели 3D-печатные хирургические инструменты, которые до сих пор широко применяются в медицине и образовательном процессе студентов18 медиков: анатомические трехмерные прототипы, наглядные учебные пособия, протезы. Лекарства Фармацевтическая компания Aprecia Pharmaceuticals, США, 2015 год. Первым лекарственным препаратом, созданным с помощью трехмерной печати, стал Spritam. Спустя несколько лет в Лондоне появилась британская биотехнологическая корпорация FabRx, внедряющая 3D-печать в изготовление фармацевтических препаратов. Примеров вышло не слишком много, так как существует лишь несколько компаний, использующих аддитивные технологии в фармакологии. Индивидуальные датчики Ученые из Университета Вашингтона в Сент-Луисе США, 2016 год. Ученые использовали отсканированные копии сердец подопытных животных для последующей печати трехмерных прототипов, вокруг которых размещали подвижные и гибкие индивидуальные датчики из силикона. Объемные трехмерные датчики можно снять с напечатанного прототипа и закрепить у человеческого сердца. Такие датчики могут контролировать работу сердечной мышцы с целью предотвращения инфарктов, инсультов и других опасных болезней. И хотя пока индивидуальные датчики используются только снаружи, ученые не отрицают возможности внедрения их непосредственно внутрь тела человека. В Испании начинают печатать аппараты вентиляции легких на 3D-принтерах Лаборатория Leitat Technological Center, Испания, 2020 год. Изобрели недорогой аппарат вентиляции легких, который можно напечатать на 3D-принтере. 19 Аппарат ИВЛ, напечатанный на 3D-принтере, уже практически готов к массовому производству. Цена устройства составляет около €500. Ученые планируют, что в скором времени им удастся получить одобрение от правительства и наладить производство, обеспечив страну необходимым количеством оборудования. HP Inc. начала печатать на 3D-принтерах медицинские изделия для борьбы с коронавирусом Корпорация HP, США, 2020 год. В рамках борьбы с пандемией коронавируса американская корпорация HP Inc. запустила производство 3D-деталей для аппаратов ИВЛ и другого оборудования, а также товаров первой необходимости, нужных как для простых граждан, так и для медицинских учреждений. Корпорация призвала на помощь своих партнеров по всему миру, чтобы как можно быстрее наладить и оптимизировать массовое производство товаров первой необходимости. Изделия уже успешно прошли тестирование. Компания выпускает следующие группы товаров: защитные маски, лицевые экраны, фиксаторы для масок, одноразовые тупферы, респираторы, устройства для безопасного открывания окон. Медицинские маски в России начали печатать на 3D-принтере Компания Temporum, Россия, 2020 год. Специалисты компании Temporum разработали собственную технологию печати масок. Изделия создаются по надежной технологии FDM: модель послойно наращивается из предварительно расплавленного филамента. В качестве пластика компания использует PETG. Это максимально безопасный материал, из которого получаются отличные многоразовые маски. Пользователю потребуется только своевременно менять внутренний фильтр. 20 Результаты: напечатанные на 3D-принтере многоразовые маски получаются намного выгоднее своих одноразовых аналогов. Учитывая тот факт, что компания рекомендует использовать обычные ватные диски вместо фильтров, покупка такой маски становится весьма выгодной. Сообщается, что Temporum уже ведет переговоры о серийном производстве напечатанных масок. Больницы в Италии стали закупать печатаемые на 3D-принтере устройства Больницы северной части Италии, 2020 год. Когда больницы в Северной Италии ощутили резкий дефицит запчастей для реанимационных аппаратов во время пандемии коронавируса, Массимо Темпорелли, основатель компании FabLab, предложил свою помощь больницам, оставшимся без нужного оборудования. Компания обеспечила медицинские учреждения дешевыми, но качественными дыхательными трубками для аппаратов интенсивной терапии. На помощь FabLab пришла компания Isinnova, которая привезла 3D-принтер прямо в больницу. Спустя несколько часов в распоряжение врачей поступили необходимые запчасти. В результате около 10 пациентов итальянской больницы выжили благодаря аппарату, клапан для которого был напечатан на 3D-принтере. Если бы компании не пришли на помощь врачам, реанимационную систему пришлось бы отключить, что привело бы к неминуемой гибели пациентов. Другие итальянские компании не остались в стороне: уже сейчас в больницах используются 3D-детали для аппаратов ИВЛ, изготовленные по технологии спекания порошков под действием полимерного лазера. Создание 3D-моделей органов перед операциями в Дубае Dubai Health Authority, DHA. В октябре 2016 года крупные медицинские учреждения Дубая закупили 3Dпринтеры. С помощью устройств врачи планировали создавать максимально 21 точные прототипы органов пациентов. Благодаря новой технологии хирурги смогли изучать больные органы перед операцией, повысив эффективность и точность хирургического вмешательства. Более того, уже сейчас большинство больниц Дубая оснащены оборудованием для аддитивной печати зубов, костных протезов и моделей органов человека, которые нужны врачам при подготовке к операциям. Ожидается, что к 2030 году абсолютное большинство медицинских учреждений Дубая будут оснащены 3D-принтерами. Врачи отмечают, что трехмерные технологии существенно упростили процесс подготовки к операциям и свели к минимуму вероятность врачебной ошибки. Печень Ученые из университета Кюсю, Япония, 2017 год. Японские ученые смогли распечатать на 3D-принтере биотрансплантационную ткань печени (рис.12), которую успешно пересадили в организм крысы. Врачи уверены, что в скором времени им удастся печатать органы и для людей. Ученые провели уникальный эксперимент, создав «масштабируемую» печеночную ткань. Для ее создания им потребовалось соединить сотни печеночно-почечных сфероидов, помог им в этом 3D-принтер. Система для фиксации печеночной ткани с помощью игольчатых массивов помогла исследователям обеспечить полноценную циркуляцию крови и кислорода по печени, успешно избежав ишемии органа. 22 Рисунок 12 – экспериментальная схема вживления биопротеза печени В последние годы аддитивные технологии развиваются с космической скоростью. Если раньше пользователи приобретали 3D-принтер в качестве необычной игрушки, то теперь устройства используются и в медицине, причем таким образом, о котором раньше не могли подумать ни ученые, ни врачи. 3Dпринтеры не только упрощают работу, но и помогают медикам спасать жизни. Доказательством тому служит наш обзор: трехмерные технологии используются практически во всех сферах медицины. Возможно, когда-нибудь люди перестанут годами ждать донорских органов, а врачи смогут напечатать нужный прототип прямо в больнице. 1.4. Материалы и технологии На сегодняшний день можно выделить около 10 основных технологий 3D-печати. Они различаются по скорости, точности, используемым материалом и другими параметрами. Выбор технологии 3D-печати зависит от задач, которые стоят перед 3D-принтером, от требований к получаемым изделиям. FDM / FFF (рис.13) SLA (рис.14) SLM (рис.15) SLS (рис.16) 23 CJP (рис.17) PolyJet (рис.18) FDM (Fused Deposition Modeling) / FFF (Fused Filament Fabrication) Принцип действия: послойное построение изделия из расплавленного пластикового материала. Особенности: Различные типы пластиков (прочные, гибкие, термостойкие и др.) Прочность и долговечность готовых изделий 3D-принтеры с большими камерами Низкая себестоимость и высокая производительность Рисунок 13 – образец FDM 3D-печати SLA (стереолитография) Принцип действия: послойное отверждение жидкого полимерного материала под действием луча лазера. Особенности: Материалы: полимерные смолы с разными свойствами Отверждение лазером Высокая скорость печати Высокая точность и детализация 24 Гладкие поверхности Рисунок 14 – образец SLA 3D-печати SLM (Selective Laser Melting) Другие названия: DMP, DMLS, EBM и др. Принцип действия: послойное сплавление металлических порошков под воздействием лазера Особенности: Работа с различными металлами и сплавами Уникальные характеристики продукции Любая геометрия Рисунок 15 – образец SLM 3D-печати SLS (Selective Laser Sintering) Принцип действия: послойное спекание полиамидных порошков под воздействием лазера 25 Особенности: Материал: полиамидные порошки Любая геометрия Прочность и точность Высокая производительность Рисунок 16 – образец SLS 3D-печати CJP (Color-Jet Printing) Принцип действия: послойное склеивание и окрашивание композитного порошка Особенности: Композитный порошок на основе гипса Полноцветная 3D-печать формата CMYK Реалистичные прототипы для визуальной оценки Сложная геометрия изделий Низкая себестоимость 26 Рисунок 17 – образец CJP 3D-печати PolyJet Принцип действия: отверждение жидкого фотополимерного материала под воздействием УФ-излучения Особенности: Фотополимерные материалы с разными свойствами (прозрачные, резиноподобные, биосовместимые и др.) Высокая детализация, гладкие поверхности Доступна цветная 3D-печать Изделия не требуют пост-обработки Рисунок 18 – образец PolyJet 3D-печати 27 Глава 2. Применение 3D-моделирования в хирургии позвоночника 2.1. Технология 3D-моделирования в хирургии позвоночника, симуляционное и визуализационное взаимодействие. В последние годы 3D сканирование стало революцией в медицинской диагностике и лечении. Одной из областей, где это новое технологическое достижение нашло широкое применение, является сканирование позвоночника. С помощью 3D сканирования мы можем получить детальное изображение позвоночника, диагностировать и что планировать позволяет лечение врачам пациентов более с точно различными заболеваниями позвоночника. Основной принцип работы 3D сканирования позвоночника заключается в использовании специальной техники и программного обеспечения для создания трехмерной модели позвоночника по оцифрованным данным. Это позволяет врачам просматривать и изучать позвоночник с различных ракурсов и в различных плоскостях, что значительно облегчает процесс диагностики и позволяет выявить нарушения и отклонения в структуре позвоночника. 3D сканирование позвоночника также имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционными методами диагностики. Во-первых, оно позволяет получить более точное и детальное изображение позвоночника, что делает его особенно полезным для диагностики сложных и редких заболеваний. Во-вторых, 3D модель позвоночника может быть использована для планирования хирургических вмешательств и разработки индивидуальных протезов и имплантатов. 3D сканирование позвоночника является новым и перспективным подходом к диагностике и лечению различных заболеваний позвоночника. Оно позволяет врачам получить более точное представление о структуре позвоночника и планировать лечение с учетом индивидуальных особенностей пациентов. Приемущества 3D сканирования включают более точную диагностику, 28 возможность планирования хирургических вмешательств и создание индивидуальных протезов. Эта технология открывает новые возможности для улучшения качества жизни пациентов с заболеваниями позвоночника. Преимущества 3D сканирования позвоночника: 1. Более точная диагностика. 3D сканирование позвоночника позволяет получить подробное изображение всех структур позвоночника, включая позвонки, межпозвоночные диски, связки и мышцы. Это позволяет врачам лучше понять причину боли и выбрать оптимальный план лечения. 2. Планирование хирургических вмешательств. 3D сканирование позволяет врачам более точно определить размеры и форму пораженных структур позвоночника, что позволяет разработать более точный план хирургического лечения и минимизировать риски. 3. Мониторинг эффективности лечения. 3D сканирование позвоночника позволяет следить за изменениями состояния пораженных структур в процессе лечения. Это позволяет врачам оценить эффективность лечения и вовремя вносить корректировки в план лечения. Таким образом, 3D сканирование позвоночника представляет собой новый подход к диагностике и лечению проблем позвоночника, позволяющий получить более точные данные и определить эффективные методы лечения. Этот метод является особенно полезным для пациентов с сложными проблемами позвоночника, требующими хирургического вмешательства. Врачи нашей клиники используют 3D сканирование позвоночника для повышения эффективности лечения и улучшения качества жизни пациентов. Это современный метод, который позволяет получить трехмерное изображение позвоночника с высокой степенью точности. Благодаря этому, врачи могут оценить состояние позвонков, дисков и других структур позвоночника более детально и точно. 29 Уникальные преимущества 3D сканирования: 1. Высокая точность диагностики. Благодаря получению трехмерного изображения позвоночника, врачи могут видеть все его структуры в максимально детальном разрешении. Это позволяет обнаружить даже мельчайшие изменения и патологии. 2. Персонализация лечения. 3D сканирование позволяет врачам точно определить характер и степень повреждения позвоночника. Это помогает разработать индивидуальную стратегию лечения, максимально учитывающую особенности каждого пациента. 3. Удобство и комфорт для пациентов. 3D сканирование позвоночника не требует контакта с пациентом и занимает минимальное время. Исследование проводится с помощью специального аппарата, который создает трехмерное изображение на основе рентгеновских лучей. Перспективы применения 3D сканирования: Исследования показывают, что 3D сканирование позвоночника имеет большой потенциал в диагностике и лечении различных заболеваний позвоночника. Оно уже успешно применяется в ряде крупных медицинских центров по всему миру. Преимущества 3D сканирования перед традиционными методами 1. Более точная и детальная визуализация: 3D сканирование позволяет получить трехмерное изображение позвоночника, что позволяет врачам получить более точные и детальные данные о структуре, форме и состоянии позвоночника. Это позволяет выявить даже мелкие дефекты и аномалии, которые могут быть упущены при традиционных методах. 2. Ранняя диагностика и проактивное лечение: Благодаря более точной визуализации, 3D сканирование позволяет специалистам обнаружить и оценить возможные проблемы позвоночника на ранних стадиях. Это позволяет 30 начать лечение в более ранние сроки, что может привести к более эффективным результатам и предотвратить прогрессирование заболевания. 3. Индивидуальный подход к лечению: Благодаря более точным данным о структуре и состоянии позвоночника, 3D сканирование позволяет специалистам разработать индивидуальный подход к лечению каждого пациента. Врачи могут более точно определить оптимальные методы лечения, предоставлять персонализированные рекомендации и лучше контролировать процесс лечения. 4. Улучшение результатов лечения: Благодаря более точной диагностике и индивидуальному подходу, 3D сканирование может помочь улучшить результаты лечения пациента. Оно позволяет специалистам более эффективно лечить заболевания, уменьшить количество осложнений и повысить качество жизни пациента. 5. Уменьшение риска: 3D сканирование позволяет специалистам более точно планировать операцию или другое лечение позвоночника, что может существенно уменьшить риск возможных осложнений. Это особенно важно при проведении сложных хирургических вмешательств. Вывод: 3D сканирование позвоночника предлагает ряд значительных преимуществ перед традиционными методами диагностики и лечения позвоночника. Более точная и детальная визуализация, ранняя диагностика, индивидуальный подход, улучшение результатов лечения и уменьшение риска делают этот метод незаменимым инструментом для эффективной диагностики и лечения пациентов с заболеваниями позвоночника. Согласно опубликованным данным, представленный опыт имплантации винтовых систем с использованием индивидуальных навигационных направителей представляет наибольшую серию в РФ и одну из наибольших в мире. Доказано, что использованием технологий 3D-печати позволяет улучшить результаты хирургического лечения пациентов с заболеваниями и 31 травмами позвоночника и повысить точность имплантации металлоконструкций. 1. Применение технологий 3D-печати в хирургии позвоночника позволяет улучшить результаты хирургического лечения путем снижения числа осложнений и ревизионных вмешательств, повышения точности установки винтовых фиксирующих систем, сокращения времени операции и улучшенного периоперационного планирования и способствует сокращению кривой обучаемости при освоении новых видов операций. 2. Применение индивидуальных навигационных направителей позволяет выполнять установку позвоночника с транспедикулярных высокими показателями винтов в точности шейном и отделе безопасности. Оптимальным дизайном является билатеральная одноуровневая матрица с фиксацией на верхушке остистого отростка по типу «ключ-к-замку» и опорной зоной, частично покрывающей дорзальные структуры позвонка. 3. Метод индивидуальных навигационных направителей обеспечивает более точную и быструю установку транспедикулярных винтов по сравнению с интраоперационной КТ-навигацией в экспериментальном исследовании при значительно меньших финансовых затратах. 4. Использование индивидуальных навигационных направителей при винтовой фиксации показателямибезопасности С2 позвонка имплантации сопровождается и меньшим лучшими числом нейроваскулярных осложнений по сравнению с методом «free hand». 5. Применение индивидуальных навигационных направителей в грудном отделе позвоночника сопровождается лучшими показателями безопасности и точности установки транспедикулярных винтов и снижает число ревизионных вмешательств по сравнению с методом «free hand», при этом опора на остистый отросток не оказывает влияния на показатели имплантации, 32 рекомендуемым дизайном является билатеральная одноуровневая матрица с частичной опорой на дорзальные структуры позвонка. 6. Применение индивидуальных навигационных направителей в поясничнокрестцовом отделе позвоночника при установке транспедикулярных винтов по субкортикальной траектории сопровождается аналогичными показателями безопасности по сравнению с использованием интраоперационной флуороскопии, при этом сокращает время имплантации и лучевую нагрузку. 7. Применение индивидуальных моделей позвоночника улучшает показатели имплантации, сокращает время операции, операционную кровопотерю и частоту повторных операций у начинающих хирургов, снижает лучевую нагрузку на пациента и персонал по сравнению с использованием интраоперационного флуороскопического контроля. Внедрение результатов работы в практику Применение индивидуальных 3D-моделей позвоночника и индивидуальных навигационных направителей используется для повышения эффективности периоперационного планирования, повышения точности и безопасности имплантации винтовых фиксирующих систем при выполнении оперативных вмешательств на позвоночнике в условиях отделений нейрохирургических и травматолого-ортопедических отделений лечебных учреждений. Изготовление индивидуальной 3D-модели проводилось в несколько этапов, представленных на рисунке 19. 33 Рисунок 19 – Схема изготовления индивидуальной 3D-модели Для моделирования костных структур использовались данные МСКТ с толщиной среза 1 мм. При необходимости контрастирования сосудов выполнялась КТ-ангиография. Обработка DICOMфайлов осуществлялась в программах Инобитек DICOM Просмотрщик Профессиональная Редакция 1.9.0., MIMICS Research 20.0 и Horos version 3.1.1. С помощью изменения параметров ROI выделялись необходимые для последующей печати контрастные структуры. Для моделей позвонков создавался акцент на максимальное сохранение кортикального слоя кости, при подготовке сосудистых структур отсекалась капиллярная сеть. Конвертирование в STL формат проводилось в этих же программах. На этапе оптимизации вручную отсекались «лишние» фрагменты STL модели (окружающие ткани, сосуды и др.), не устранившиеся по заданным параметрам ROI из-за близкой к кости плотности контрастирования, проводилось исправление дефектов поверхности с заполнением пустот треугольниками с максимальным сохранением индивидуальной анатомии в программах Blender 2.78 и Autodesk Netfabb Premium 2017. В Cura 15.04 создавался файл печати в формате Gcode. Печать осуществлялась на трех различных принтерах по технологии FDM (Таблица 1). Таблица 1 – Используемые 3D-принтеры и материалы печати На одноэкструдерном принтере создавались костные и сосудистые структуры, а также поддержки модели из одного материала (PLA). Использование двухэкструдерного принтера позволило применить растворимые поддержки для облегчения очистки модели (PVA, HIPS). На трехэкструдерном принтере создавались комбинированные модели позвоночного столба с опухолевым 34 компонентом и сосудами, для создания модели опухоли применялся PVA или Flex, получение изображения сегментация конвертация DICOM-STL Оптимизация файла для печати печать Обработка модели валидация и контроль качества для создания сосудов - Flex. Постпроцессинговая обработка включала удаление поддержек и полировку поверхности. Для моделей с поддержками из PLA пластика использовалась механическая обработка ручными инструментами. В случае с растворимыми опорными структурами модель помещалась в емкость с водой (для PVA) или лимоненом (HIPS) нагретым до температуры 40-50 С на 3-24 часа в зависимости от объема растворяемых структур. Проектирование ИНН осуществлялось в программе Blender 2.78 на базе STL моделей, полученных по вышеописанному алгоритму. Процесс включал несколько этапов: определение оптимальной траектории винта в различных плоскостях, проектирование внешнего тубуса-направителя, опорной площадки и каркаса. Траектория моделировалась индивидуально в зависимости от типа фиксации (транспедикулярная, субкортикальная, трансламинарная) в трех проекциях для каждого выбранного позвонка. Внутренний диаметр тубуса задавался с учетом диаметра инструмента для формирования хода под винт. Опорная часть матрицы создавалась по принципу зеркального отображения дорзальных структур позвонка для достижения конгруэнтного контакта. Выбор площади и локализации опорной зоны были индивидуальным в зависимости от позвонка, планируемой траектории имплантации, особенностей оперативного доступа (Рисунок 20). Рисунок 20 – Ось имплантации винта, тубус-направитель заданного внутреннего и внешнего диаметра, выбор опорной площадки для С2 35 Каркас включал элементы, соединяющие тубусы с опорными структурами, ребра жесткости для предотвращения деформации и другие вспомогательные элементы (Рисунок 21). Рисунок 21 – Примеры проектирования каркаса и финального дизайна ИНН для С2 (cлева) и TH1 (справа) позвонков ИНН проектировались для каждого позвонка отдельно, чтобы избежать смещения ориентиров и нарушения конгруэнтности при возможном движении позвонков друг относительно друга при укладке на операционном столе, редукционных маневрах и другом механическом воздействии. Печать ИНН осуществлялась из PLA на одноэкструдерном принтере в случае PLA поддержек и на двухэкструдерном принтере при использовании растворимых поддержек. На этапе предоперационного планирования проводилось сопоставление модели и направителя с определением степени конгруэнтности поверхностей, введение винтов с последующим визуальным анализом корректности имплантации. Стерилизация моделей и направителей осуществлялась воздействием низкотемпературной плазмы перекиси водорода в аппарате «Sterrad». Интраоперационно после выполнения стандартного срединного доступа проводилось скелетирование задних структур позвонка для достижения плотного контакта матриц с костью, после чего формировался ход под винт (Рисунок 22). 36 Рисунок 22 – Этапы интраоперационного применения ИНН. Стерильная 3D модель позвонков с ИНН (A), прикладывание ИНН к С2 позвонку (В), формирование хода под винт сверлом через ИНН (С) Результаты контрольной МСКТ анализировались в программе Mimics 3D. 2.2. Роль и место 3D-моделирования в хирургии позвоночника и смежных областях 3D печать также находит применение в обучении и тренировке хирургов. Она позволяет создавать реалистичные модели органов и тканей, которые могут быть использованы для практического обучения и тренировки различных хирургических процедур. Создание анатомических моделей С помощью 3D печати можно создавать точные копии анатомических структур, таких как органы, кости и сосуды. Эти модели могут быть использованы для изучения анатомии, понимания сложных структур и отработки хирургических приемов. Симуляция хирургических процедур 3D модели органов и тканей могут быть использованы для симуляции хирургических процедур. Хирурги могут тренироваться на этих моделях, повторяя сложные операции и отрабатывая свои навыки. Это позволяет им приобретать опыт и уверенность перед реальными операциями. 37 Виртуальная реальность и дополненная реальность 3D модели могут быть использованы в сочетании с технологиями виртуальной реальности (VR) и дополненной реальности (AR). Хирурги могут использовать специальные очки или шлемы, чтобы взаимодействовать с виртуальными моделями и симулировать хирургические процедуры в реалистичной среде. Это позволяет им получить более глубокое понимание процедур и развить свои навыки. Обучение и тренировка хирургов с использованием 3D печати и сопутствующих технологий позволяют улучшить качество образования и подготовки хирургов, а также повысить безопасность и точность хирургических процедур. Одним из основных применений 3D печати в хирургии является создание моделей органов и тканей. Это процесс, при котором с помощью 3D сканирования и 3D печати создаются точные трехмерные модели анатомических структур. Для создания моделей органов и тканей сначала необходимо провести 3D сканирование пациента. Сканер создает точное трехмерное изображение анатомической структуры, которое затем обрабатывается и преобразуется в цифровую модель. Полученная цифровая модель может быть отредактирована и оптимизирована для последующей 3D печати. В процессе печати используются различные материалы, такие как пластик, резина или биосовместимые материалы, которые могут имитировать текстуру и свойства органов и тканей. Создание моделей органов и тканей имеет ряд преимуществ. Во-первых, они могут быть использованы для обучения студентов медицинских учебных заведений, позволяя им более глубоко изучать анатомию и процессы операций. Во-вторых, модели могут быть использованы для планирования сложных 38 операций. Хирурги могут изучить модель и разработать оптимальную стратегию для проведения операции. Кроме того, модели органов и тканей могут быть использованы для изготовления индивидуальных имплантатов. С помощью 3D печати можно создать точные копии органов или тканей пациента, что позволяет изготовить индивидуальные имплантаты, подходящие идеально под его анатомию. Однако, следует отметить, что создание моделей органов и тканей с помощью 3D печати имеет свои ограничения. Некоторые органы или ткани могут быть сложными для сканирования или печати из-за их сложной структуры или малых размеров. Кроме того, процесс создания моделей может быть дорогостоящим и требовать специализированного оборудования и навыков. В целом, создание моделей органов и тканей с помощью 3D печати является важным инструментом в хирургии. Оно позволяет хирургам лучше понять анатомию пациента, планировать операции и создавать индивидуальные имплантаты, что в конечном итоге приводит к улучшению результатов операций и повышению качества жизни пациентов. 2.3. Современное использование 3D-моделирования в хирургии Анатомические модели с учетом особенностей пациента могут помочь в моделировании хирургических операций, внутрипалатных дискуссиях, обсуждении вопросов, связанных с согласием пациента, и помочь снизить сопутствующие расходы на хирургическое вмешательство. Доктор Эндрю Канавати — хирург-ортопед в больнице Westmead в Сиднее, который проявляет особый интерес к клиническому и исследовательскому использованию 3D-печати. Он разработал несколько индивидуальных распечатанных на 3D-принтере спинальных направляющих для пациентов, помогающих в хирургии, и использует композитные модели, изготовленные из нескольких различных материалов Formlabs, для планирования сложных операций. 39 3D-печать опухолей : Исторически сложилось так, что исследования в области медицинской печати были сосредоточены на FDM принтерах из-за их низкой цены и повсеместного проникновения на рынок в прошлом. Доктор Канавати считает, что существует огромное преимущество в использовании SLA 3D-печати, благодаря превосходным свойствам материала конечных деталей. Такие свойства материала, например, как возможность печатать водонепроницаемые модели (чего нельзя сделать с помощью FDM), означали возможность печати и тестирования медицинских изделий более высокого качества. Однажды доктор Канавати осматривал пациента, который жаловался на боль в ногах. В молодости у пациента была диагностирована доброкачественная опухоль. Новые МРТ и КТ показали, что опухоль росла в сторону позвоночника пациента. Давя на нервы, опухоль представляла серьезную медицинскую проблему. Каждая опухоль индивидуальна, и каждый пациент индивидуален. В сложных случаях, связанных со спинным мозгом и нервами, возможность исследовать анатомию человека в трехмерном пространстве может быть разницей между успешной операцией или неудачной. Доктор Канавати решил прибегнуть к своему SLA 3D- принтеру Formlabs и фирменным смолам. На полную модель нижнего отдела позвоночника и опухоли ушло 156 мл смолы Grey Resin, что эквивалентно всего 23 долларам (рисунок 23). 40 Рисунок 23-Модель опухоли Физическая 360-градусная модель позвоночника пациента и опухоли помогает хирургам уменьшить количество ошибок и улучшить результаты лечения. Модели помогают хирургам визуализировать точки контакта между опухолью и нервными ветвями и управлять ими, что придает им большую ловкость и уверенность при операции. Это главное преимущество 3D-печати для хирургии позвоночника. Наличие собственных SLA 3D-принтеров позволяет хирургам сканировать, сегментировать и печатать модели в течение дня. В экстренных случаях, когда время имеет решающее значение, созданная на 3Dпринтере модель может информировать хирургов о решениях и придавать им дополнительную уверенность. Наличие доступа к 3D-печатной модели (рис.24) помогает в предоперационном планировании, позволяя доктору оценить возможность проведения операции. Меньшее время операции означает уменьшение напряжения спинного мозга, не вызывая прямого повреждения нервной системы. Это также позволило команде лучше понять, какая ножка (небольшая структура, похожая на стебель, соединяющая орган или другую часть тела человека или животного) являются жизнеспособными, и как лучше провести операцию. Рисунок 24- биопротез нервов на монтажной области опухоли Нервы были напечатаны при помощи Elastic Resin и помещены на напечатанную 3D-модель кости. 41 2.4. Перспективы развития 3D-технологий в хирургии Данная технология, как и любой высокотехнологичный процесс имеет как неоспоримые преимущества, так и ряд ограничений. Преимущества: 1. Повышение точности: 3D печать позволяет создавать точные модели органов и тканей, что помогает хирургам более точно планировать операции и улучшает результаты. 2. Индивидуальный подход: с помощью 3D печати можно создавать индивидуальные имплантаты и протезы, которые идеально подходят для каждого пациента, улучшая их функциональность и комфорт. 3. Улучшение обучения: 3D модели органов и тканей могут быть использованы для обучения и тренировки хирургов, что позволяет им развивать свои навыки без риска для пациентов. 4. Сокращение времени операции: благодаря предварительному планированию и созданию моделей с помощью 3D печати, хирурги могут сократить время операции и улучшить ее эффективность. 5. Улучшение коммуникации: 3D модели органов и тканей могут быть использованы для визуализации и объяснения пациентам сложных процедур, что помогает им лучше понять и принять решение о лечении. Ограничения: 1. Стоимость: 3D печать и создание моделей может быть дорогостоящим процессом, особенно для медицинских учреждений с ограниченным бюджетом. 2. Время: создание 3D моделей может занимать время, особенно для сложных и детализированных структур. Это может быть проблемой в ситуациях, требующих срочной хирургической интервенции. 42 3. Ограничения материалов: не все материалы, используемые в 3D печати, могут быть безопасными для использования внутри организма. Это может ограничить возможности создания определенных типов имплантатов или протезов. 4. Точность: хотя 3D печать позволяет создавать точные модели, некоторые детали могут быть упущены или недостаточно точно воспроизведены, что может повлиять на результаты операции. 5. Необходимость дополнительного обучения: внедрение 3D печати в хирургию требует дополнительного обучения и подготовки хирургов, чтобы они могли эффективно использовать эту технологию в своей практике. 3D печать имеет огромный потенциал для применения в хирургии и в будущем ожидается еще большее расширение ее использования. Вот некоторые направления, в которых 3D печать может иметь значительное влияние на хирургическую практику: Персонализированная медицина: С помощью 3D печати можно создавать индивидуальные имплантаты, протезы и модели органов, которые точно соответствуют анатомическим особенностям пациента. Это позволяет хирургам проводить более точные и эффективные операции, уменьшая риски и повышая успех операции. Биопечать: Биопечать – это процесс создания живых тканей и органов с использованием 3D печати и биологических материалов. В будущем, благодаря развитию технологий, возможно будет создание полноценных функциональных органов, таких как сердце, почки или печень, которые можно будет использовать для трансплантации. Это может решить проблему дефицита органов для трансплантации и спасти множество жизней. Роботизированная хирургия 43 3D печать может быть использована для создания инструментов и приспособлений для роботизированной хирургии. Это позволит хирургам проводить сложные операции с высокой точностью и меньшими рисками для пациента. Роботизированная хирургия с использованием 3D печати может стать стандартом в будущем. Обучение и тренировка: 3D печать может быть использована для создания моделей органов и тканей, которые могут быть использованы для обучения и тренировки хирургов. Это позволит им приобретать необходимые навыки и опыт без риска для пациентов. Также 3D печать может быть использована для создания симуляторов для тренировки хирургических процедур. В целом, будущее применения 3D печати в хирургии обещает революционизировать эту область медицины, улучшая результаты операций, сокращая риски и способствуя развитию новых методов лечения. 44 Заключение 3D печать имеет огромный потенциал в хирургии и уже находит широкое применение. Она позволяет создавать точные модели органов и тканей, планировать сложные операции, изготавливать индивидуальные имплантаты и обучать хирургов. Это приводит к улучшению результатов операций, сокращению эффективности времени восстановления хирургического пациентов вмешательства. и Однако, повышению необходимо учитывать ограничения и продолжать исследования для оптимизации процесса 3D печати и расширения ее применения в будущем. Медицина стала одной из первых отраслей, которая решила использовать потенциал 3D-принтеров в практических целях. Двигаясь от простого к сложному, ведущие медики подбирали способы внедрения аддитивной печати во врачебное дело. В наше время трехмерная печать используется практически во всех отраслях медицины: стоматологии, протезировании, хирургии и микрохирургии глаза, гинекологии и многих других. 3D-моделирование в медицине позволяет создавать объемные модели. Технология нашла применение в эстетической стоматологии, онкологии, отоларингологии и других сферах. Трёхмерные модели, напечатанные на основе аддитивных технологий вкупе с компьютерной томографией, стали одним из незаменимых достижений в области медицины. Трёхмерные снимки больных органов трансформируются в картинку с высоким качеством, а затем преобразуются в 3D-модели. Возможности применения 3D-моделирования в медицине. Моделирование дает возможность максимально качественно подготовиться к проведению операции и изучить особенности болезни. Например, при подготовке к операции по удалению опухоли врачи тщательно изучают размеры, форму, очертания новообразования в трехмерном измерении, чтобы понять, какую тактику выбрать во время операции. В последние годы аддитивные технологии развиваются с космической скоростью. Если раньше пользователи приобретали 3Dпринтер в качестве необычной игрушки, то 45 теперь устройства используются и в медицине, причем таким образом, о котором раньше не могли подумать ни ученые, ни врачи. 3D-принтеры не только упрощают работу, но и помогают медикам спасать жизни. Трехмерные технологии используются практически во всех сферах медицины. Возможно, когда-нибудь люди перестанут годами ждать донорских органов, а врачи смогут напечатать нужный прототип прямо в больнице. Все существующие способы трехмерной печати – стереолитография, лазерное спекание порошковых материалов, технология струйного моделирования, послойная печать расплавленной полимерной нитью, технология склеивания порошков, ламинирование листовых материалов – можно применять в целях предоперационного планирования. Выбор зависит от предпочтения авторов и доступности методов. Созданные на основе КТ или МРТ 3D- модели в точности соответствуют строению органов конкретного больного с учетом только ему присущих особенностей строения и синтопии близлежащих органов. Использование 3D-печати для предоперационного планирования операций является перспективным направлением в медицине. Создание персонализированных моделей включает в себя сканирование органов на КТ или МРТ, преобразование DICOM-файлов в STLмодель с последующей печатью на 3D-принтере. Считаю цель работы достигнутой, задачи-выполненными. 46 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 1. Коваленко, Р.А. Применение индивидуальных 3D-навигационных матриц для имплантации винтов в С2 позвонок / Р.А. Коваленко, В.А. Кашин, В.Ю. Черебилло // Материалы VIII Всероссийского съезда нейрохирургов. – 2018. С. 119. 2. Коваленко, Р.А. Применение индивидуальных 3D-навигационных матриц для транспедикулярной субаксиальной фиксации шейного отдела позвоночника — результаты проспективного двухцентрового исследования / Р.А. Коваленко, В.А. Кашин, В.Ю. Черебилло, Д.А. Пташников // Материалы VIII Всероссийского съезда нейрохирургов. - 2018. - С. 119. 3. Коваленко, Р.А. Предоперационное планирование с использованием трехмерных моделей в хирургии краниовертебральной области / Р.А. Коваленко, В.В. Руденко, В.А. Кашин, В.Н. Бикмулин // Материалы VIII Всероссийского съезда нейрохирургов. - 2018. - С. 212. 4. Коваленко, Р.А. Определение оптимального дизайна навигационных матриц при транспедикулярной имплантации в шейном и верхне-грудном отделах позвоночника / Р.А. Коваленко, В.Ю. Черебилло, В.А. Кашин и соавт. // Материалы VIII научно-практической конференции «Поленовские чтения». 2019. - С. 29. 5. Коваленко, Р.А. Аспекты дизайна индивидуальных навигационных шаблонов в хирургии позвоночника. Результаты кадавер-исследования / В.А. Кашин, Р.А. Коваленко, В.Ю. Черебилло // Материалы I всероссийской конференции молодых нейрохирургов «Нейрохирургия». - 2019. - С. 126. 6. Басков В.Е., Баиндурашвили А.Г., Филиппова А.В., Барсуков Д.В., Краснов А.И., Бортулев П.И., Поздникин И.Ю. Планирование корригирующей остеотомии бедренной кости с использованием 3D-моделирования. Часть II // Ортопедия, травматология и восстановительная хирургия детского возраста. 2019. Т. 5. № 3. С. 74–79. DOI: 10.17816/PTORS5374-79. 47 7. Баиндурашвили А.Г., Басков В.Е., Филиппова А.В., Бортулев П.И., Барсуков Д.В., Поздникин И.Ю., Волошин С.Ю., Баскаева Т.В., Познович М.С. Планирование корригирующей остеотомии бедренной кости с использованием 3D-моделирования. Часть I // Ортопедия, травматология и восстановительная хирургия детского возраста. 2019. Т. 4. № 3. С. 52–58. DOI: 10.17816/PTORS4352-58. 8. Кокушин Д.Н., Виссарионов С.В., Баиндурашвили А.Г., Овечкина А.В., Познович М.С. Сравнительный анализ положения транспедикулярных винтов у детей с врожденным сколиозом: метод «свободной руки» (invivo) и шаблонынаправители (invitro) // Травматология и ортопедия России. 2019. Т. 24. № 3. С. 53–63. DOI: 10.21823/2311-2905- 2018-24-4-53-63. 9. Семенов М.Г., Михайлов В.В., Филиппова А.В., Стеценко А.Г. 3Dмоделирование и прототипирование моделей челюстей как этап костнореконструктивных операций на лицевом отделе черепа у детей // Ортопедия, травматология и восстановительная хирургия детского возраста. 2020. Т. 3. № 1. С. 38–45. DOI: 10.17816/PTORS3138-45. 10. Белякин С. А., Хышов В. Б., Хышов М. Б. и др. Реконструкция посттравматических повреждений костей черепа и лицевого скелета с использованием перфорированных титановых пластин и сеток. Военномедицинский журнал: Теорет. и науч.-практ. журн. 2012. № 12: 12–17. 2. Большаков О. П. Развитие методов и направлений анатомических исследований. СПб.: Наука, 2020. 11. Дубровин В. Н., Баширов В. И., Фурман Я. А. и др. Оптимизация хирургического доступа уретеролитотомии с при проведении применением ретроперитонеоскопической компьютерной 3D реконструкции. Экспериментальная и клиническая урология. 2020, № 4: 86–89. 12. Полховский Д. М. Применение компьютерных технологий в стоматологии. Современная стоматология. 2018, № 1: 24–29. 48 13. Щаденко С. В., Горбачёва А. С., Арсланова А. Р. и др. 3d-визуализация для планирования операций и выполнения хирургического вмешательства (casтехнологии). Бюллетень сибирской медицины. 2019, № 4:165–171. 49