CC BY
53УДК: 6П+61(061.2)(420+571): 374-057.875
3D РЕКОНСТРУКЦИЯ, 3D МОДЕЛИРОВАНИЕ И 3D ПЕЧАТЬ КАК ФОРМА ВНЕАУДИТОРНОЙ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ УЧЕБНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТОВ (УИРС) НА КАФЕДРЕ НОРМАЛЬНОЙ АНАТОМИИ ЧЕЛОВЕКА МЕДИЦИНСКОЙ АКАДЕМИИ ИМЕНИ С.И. ГЕОРГИЕВСКОГО
В.В. Овчаренко \ В.С. Пикалюк 2, А.А.Малов \ В.П.Шкуренко \ К.А.Плеханова 3
Медицинская академия имени С.И. Георгиевского ФГАОУ ВО «Крымский федеральный университет имени В.И. Вернадского», 295006, бул. Ленина 5/7, Симферополь, Россия
1 к.мед.н., доцент кафедры нормальной анатомии Медицинской академии имени С.И. Георгиевского, ФГАОУ ВО Крымский федеральный университет имени В.И. Вернадского.
2 д.мед.н., профессор, заведующий кафедрой нормальной анатомии.
3, ассистент кафедры нормальной анатомии.
Для корреспонденции: 295006, ул. А.Невского 27а, г. Симферополь, Республика Крым
E-mail: [email protected]
РЕЗЮМЕ
Использование современных технологий анализа и визуализации данных в морфологии на кафедре нормальной анатомии Медицинской академии имени С.И. Георгиевского КФУ способствует перспективному росту будущих научных кадров, увеличению мотивации занятия научной работой студентами и формированию их последующей научной связи с базовыми морфологическими дисциплинами.
Ключевые слова: морфология, 3D реконструкция, 3D моделирование, 3D печать, УИРС.
SUMMARY
Experience of modern technologies for analyses and visualization of morphological data on Human anatomy department of Medical academy named after S.I. Georgievsky in CFU is very useful to form new scientific community. It helps to increase level of students' interest in scientific work and forms feedback with basic morphological disciplines.
Keywords: morphology, 3D reconstruction, 3D modeling, 3D printing, educational-research work of students
ЗD технологии в настоящее время прочно вошли в жизнь современного общества и нашли применение как в повседневной жизни, так и в медицинской практике, находясь на острие научно технического прогресса, являясь одним из динамично развивающихся направлений научных изысканий [1,2,3].
В настоящее время на кафедре нормальной анатомии активно используется метод 3D реконструкции по серийным гистологическим срезам, 3D реконструкции по срезам, полученным с МРТ и КТ, метод 3D печати муляжей органов на 3D принтере в научных и учебных целях.
Привлечение же студентов к данным видам научных работ способствует углубленному изучению морфологических наук, появлению навыков работы с медицинскими данными, полученными современными методами научных и клинических исследований (КТ, МРТ), освоению сложного программного обеспечения, появлению стремления к научным изысканиям.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Для реконструкции по серийным гистологическим срезам используются органы белых лабораторных крыс, полученные в ходе научных экспериментов кафедры. Для получения 3D моделей органов по данным МРТ и КТ применяется open source программа 3D Slicer (https://www.slicer.org/) и данные формата DICOM из специализированных интернет ресурсов, а также данные МРТ, КТ исследований из клиник. Для печати трехмерных объектов используется 3D принтер Prusa I3 v7, работающий под управлением программы Cura, Repiter-Host, материал для печати - пластик ABS или PLA.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Для 3D реконструкции по серийным гистологическим срезам фиксированные органы лабораторных крыс проводили по стандартной методике и заливали в парафин, после чего получали серийные срезы толщиной 5 мкм на сан-
ном микротоме. После окраски и заключения в бальзам гистопрепараты фотографировали на микроскопе Olympus CX-41. Все операции, от забора материала до получения цифровых снимков гистопрепаратов, выполняли студенты,
занимающиеся в научном кружке в лабораториях кафедры.
Далее, согласно методике проводили сначала двухмерную (рис. 1), а потом трехмерную реконструкцию органа (рис. 2).
Вставить Создать Настройка Настройка
Контур... |
о щ г;
В- model
-]■■ Low Quality
: Fieehand.10
10.bmp
■14.bmp ■ 15.bmp 16.bmp 18.bmp "llbmp 20.bmp
? + t
а к » n a - о - о
□ ■
U
&
= 163 Y = 515
C:\Doc и merits and 5,,, ¿J Rozdil 2 - Microsoft W,,, | ^.f Recon
EN ff P2 23; 55
Рисунок 1. Воспроизведен методом двумерной реконструкции целостный снимок гистологического препарата надпочечной железы крысы по нескольким смежным полям зрения.
Рисунок 2. Восстановленная методом 3D реконструкции модель надпочечной железы лабораторной крысы.
В последующем полученные модели использовали для изучения пространственного расположения элементов строения органа и проведения объемной морфометрии.
Кроме этого, студентами анатомического научного кружка совместно с кафедрой травматологии и ортопедии исследовалась возмож-
ность использования 3D реконструкции с последующей 3D-печатью на этапе предоперационного планирования и подготовки металлоконструкций в соответствии с индивидуальными анатомическими особенностями пациента. На рис.3 представлен предварительный этап работы по созданию 3D модели
студентом 5 курса Абибуллаевым И.Х. Пациентка получила травму - компрессионный перелом тела 9-ого грудного позвонка второй степени компрессии, являющийся показанием для оперативного лечения. Однако у нее был диагностирован s-образный сколиоз, что затрудняет
применение стандартных металлоконструкций для проведения заднего спондилодеза. Решено провести предоперационное моделирование при помощи создания 3D модели зоны повреждения позвоночника с последующим предварительным моделированием имплантата.
JEj 3D Slicer Version 3.6.3 File Edit View Window Help Feedback
- О X
Ei 2
- 0E0S
status compwad
Input V(rtjme u —■ f|j
" Crtaw Uu»ple
Uadc Naine|McKKl
Generate Al Wcdes 0
* liooeiMaker Parameters
Start Label |-1 4j
EM Label ||.1 jj
Joint Smoothing
Fiter Type © smc Lsphcian
Spa Norma» В PalS
" Debug
Dtiiul |
0НШВЫШЯ HSPT"
J] m
И
г
т^г
Рисунок 3. Загруженные в программу 3D Slicer данные КТ больного для последующего извлечения 3D модели участка позвоночного столба. (Выполнил студент 5 курса Абибуллаев И.Х.).
Для создания объемной модели скелета необходимо было выделить костные структуры. При этом в программе используется алгоритм, основанный на шкале Хаунсвилда, которая применяется для визуальной и количественной оценки плотности визуализируемых структур.
Она основана на ослаблении рентгеновского излучения при прохождении через определенные структуры. Полученная модель впоследствии сохраняется в формате STL, необходимом для печати органа.
j*
ЁщпгаЯВ
cxlh
I
ytf -
*4 \ f
V sM % г
"j -j. f ям Щ, sSt
f Щ <шл
Рисунок 4. Распечатанная на 3D принтере 3D модель участка позвоночного столба, идентичная
его размеру и форме у пациента.
Полученная пластиковая 3D модель зоны патологии (рис.4) и участка неизмененной ткани в истинных размерах позволила определить этапы и объем оперативного вмешательства и
предварительно индивидуально смоделировать металлоконструкции в соответствии с анатомической формой данного сегмента (рис.5).
ПРЕДОПЕРАЦИОННАЯ ПОДГОТОВКА
ТТ
II
1||
Рисунок 5. Моделирование операционного процесса. (Выполнил студент 5 курса Абибуллаев
И.Х.)
Следующим направлением работы студенческого научного кружка было создание базы анатомически достоверных моделей органов путем поиска в сети Интернет, а также при по-
мощи 3D реконструкции по данным медицинских исследований, пригодных для воспроизведения методом 3D печати и последующим использованием в учебном процессе.
Рисунок 6. Распечатанные на 3D принтере учебные муляжи ушной раковины и ствола мозга.
На рис. 6 представлены муляжи органов, распечатанных на 3D принтере студентами для использования в учебном процессе.
При изготовлении таких препаратов предпочтение отдается органам, которые или имеются в дефиците на кафедре, или в силу морфологических особенностей нестойки в условиях внешней среды (например, препараты ЦНС),
либо те, которые часто повреждаются, например, препараты черепа. К сожалению, в бесплатном доступе в сети Интернет имеется весьма ограниченное количество пригодных к вышеописанному применению моделей. Поэтому студентами кружка осваивается методика реконструкции компьютерных анатомических моделей по данным исследований, несущих в
себе трехмерную информацию о строении органа. Однако, хотя разрешение современных аппаратов КТ и МРТ достаточно высоко, в полученных «сырых» моделях часто встречаются ошибки реконструкции в виде отсутствия тонких стенок костей или, наоборот, слившиеся
образования, и такая модель нуждается в доработке - ремоделированию анатомических структур и придании модели анатомической достоверности (рис.8).
Рисунок 7. Распечатанные на ЗЭ принтере учебный муляж: части полушария головного мозга.
о • а - ✓
о£ в
Рисунок 8. Восстановленная по данным МРТ, полученным из сети Интернет и программой 3D Slicer с последующим ремоделированием тонких костных структур модель черепа человека для последующей печати на 3D принтере и использования в качестве учебного пособия (выполнил студент
3 курса Субботкин М.В.). 244
ВЫВОДЫ
Таким образом, использование 3D технологий (3D реконструкции, 3D моделирования, 3D печати), являясь инновационной, интересной, результативной, а также доступной формой научного творчества, поднимает на новый уровень форму участия студентов в научной жизни кафедры, способствует расширению кругозора и привлекает студентов к изучению современных технологий в медицине и в анатомии в частности.
ЛИТЕРАТУРА
1. Anderson C. Fast Generation of NURBS Surfaces from Polygonal Mesh Models of Human Anatomy / C. Anderson, S. Crawford-Hines // Technical Report, Department of Computer Science, Colorado State University, Fort Collins. - February 9, 2000.
2. Boissonnat J. Shape reconstruction from unorganized cross-sections / J. Boissonnat, P. Memari // Proceedings of the Fifth Eurographics Symposium on Geometry Processing, (Barcelona, Spain, July 04 - 06, 2007). - P. 89-98.
3. Snezhko E.V. External Force Generation for Object Segmentation on 3D Ultrasound Images Using Simplex Meshes / E.V. Snezhko, A.V. Tuzi-kov // Proceedings of the Pattern Recognition and Image Analysis International Conference. - 2006.
- Vol. 16. - P. 89-92.
4. Huang Q. Bayesian surface reconstruction via iterative scan alignment to an optimized prototype / Q. Huang, B. Adams, M. Wand // Proceedings of the Fifth Eurographics Symposium on Geometry Processing, (Barcelona, Spain, July 04 - 06, 2007).
- P. 213-223.
5. Svensson S. Image and Vision Computing / S. Svensson, G. Sanniti di Baja. - June 2002. - Vol. 20 (8). - P. 529-540.
