CC BY
79
<
d ш CL
Ш
О
s
л
о
84
Современные лазерные технологии в медицине
И. Е. Малов
Московский Государственный Технический университет имени Н. Э. Баумана, Москва, Россия
Рассмотрена технология лазерной стереолитографии применительно к синтезу медицинских моделей. Показаны перспективы создания узкоспециализированного лазерного стереолитографического оборудования для использования в медицине.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: лазерная стереолитография, эндопротез, диагностика, излучение.
Библиографическое описание: Малов И. Е. Современные лазерные технологии в медицине. Медицинские технологии. Оценка и выбор. 2017; 4(30): 84-87.
Modern Laser Technologies in Medicine
I. E. Malov
Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russia
The technology of laser stereolithography is considered with reference to the synthesis of medical models. The prospects of creating highly specialized laser stereolithography equipment for use in medicine are shown.
KEYWORDS: laser stereolithography, endoprosthesis, diagnostics, radiation.
For citations: Malov I. E. Modern Laser Technologies in Medicine. Medical Technologies. Assessment and Choice. 2017; 4(30): 84-87.
CL
О
LO -0 m
X
Ш
о ^
О X
X
ш
о
X
m ш
С начала этого века в медицине всё активнее используются технологии быстрого прототипирования, среди которых видное место занимает лазерная сте-реолитография, которая позволяет добиться низкой шероховатости поверхности, высокого уровня детализации и наивысшей точности построения модели. Таким образом, с помощью лазерной стереолитографии возможно получение пластиковых копий костных структур пациента, например, целого черепа либо отдельных костей, либо внутренних органов и мягких тканей.
Стереолитографические модели используются в диагностических целях для уточнения анатомической картины и характера патологии (в челюстно-лицевой хирургии процент их использования составляет -63,6%), для изготовления индивидуальных эндопро-тезов при контурной пластике опорных тканей лица и пластике дефектов нижней челюсти (48,5 %), для планирования и проведения симуляции операции на модели (36,4%), для проведения измерений и расчетов на модели (30,3%), для припасовки (определения пространственно-топологического соответствия контактных поверхностей эндопротеза поверхностям прилегающих тканей путём совмещения эндопроте-
за с пластиковым прототипом прилегающих тканей, полученным методом лазерной стереолитографии) индивидуальных конструкций и др. (15,2%). Используя сочетание автоматизированного проектирования (CAD), медицинских навыков и новейших аддитивных технологий, удается помочь пациентам с врожденными анатомическими дефектами, с деформациями после лечения злокачественных опухолей или тем, кто страдает от черепно-лицевых травм различных степеней тяжести, травм опорно-двигательной системы, а именно воссоздать эстетические и функциональные свойства репарируемых участков их тел. Опрос хирургов показал, что стереолитографические модели были признаны полезными в 93% случаев их применения [1].
Изготовление индивидуальных пластиковых медицинских прототипов методом лазерной стереоли-тографии начинается с получения данных о трехмерной структуре объектов с помощью послойной компьютерной томографии деформированного участка тела пациента. На рисунке 1 показаны примеры томограмм.
По томографическим данным с помощью специального программного обеспечения создается трёхмерная
' * A
О
Рис. 1. Примеры
томограмм,
полученных
на компьютерном
рентгеновском
спиральном томографе
в формате DICOM.
компьютерная модель объекта в STL-формате, которая представляет собой совокупность ориентированных в пространстве треугольников, без разрывов, покрывающих поверхность объекта. Для подготовки компьютерной модели к выращиванию используются специальные программные приложения, например, Magic's (фирмы Materialise). Поскольку для планирования оперативного вмешательства достаточен только необходимый фрагмент, изготовление полной модели нерентабельно, поэтому модель подвергается дополнительной обработке, в ходе которой выделяют и сохраняют нужный фрагмент. Примеры фрагментов компьютерных моделей показаны на рисунке 2. Дальнейшая обработка модели включает в себя следующие этапы: перевод трёхмерной компьютерной модели в STL-формат, проверка и корректировка STL-файла; размещение модели на рабочей площади платформы; генерация подпорок с автоматическим определением провисающих зон; сечение модели с заданным шагом; просмотр и модификация отдельных сечений. По завершении обработки построенная трехмерная модель в STL-формате подвергается процедуре сглаживания и производится её позиционирование в рабочей области [2, 3].
Информация о трёхмерной компьютерной модели передаётся с компьютера предварительной подготовки на компьютер, с помощью которого осуществляется управление работой стереолитографической установки, задаются требуемые технологические параметры и запускается процесс выращивания, который от начала до конца протекает в автоматическом режиме.
Синтез полимерного изделия заключается в послойном выращивании трехмерного объекта из жидкой фотополимеризующейся композиции (ФПК), затвердевающей под действием лазерного луча. Упрощённая схема данного процесса представлена на рисунке 3.
Жидкость заливается в бак, после чего платформа, на которой будет выращиваться модель, переводится в начальное положение, соответствующее поверхности фотополимеризующейся композиции. Затем лазерный луч последовательно обходит выбранные точки на поверхности материала. Энергия луча лазера приводит к локальной полимеризации и таким образом образует фрагменты будущего изделия. После формирования слоя деталь опускается в бак, и процесс повторяется, пока все слои не будут отработаны. Получившееся пластиковое изделие снимается с платформы вы-
85
<
d ш о.
ш
о
5 л
о
86
CL
О
LQ _0 ш
Рис. 3. Схема синтеза полимерного изделия на установке лазерной стереолитографии.
ращивания, проходит очистку, в том числе удаление подпорок, высушивается и некоторое время проходит процедуру дополимеризации в специальной камере. Таким образом, получается прототип, готовый к эксплуатации. На рисунке 4 показаны выращенные медицинские прототипы [2], [4].
Устройство и принцип работы большинства ныне существующих стереолитографов во многом аналогичны: отверждение ФПК осуществляется ультрафиолетовым (УФ) лазерным лучом, который позиционируют при помощи системы перемещения сканаторного типа.
Консервативность в применении лазеров УФ диапазона в большой степени связана со значительными успехами, достигнутыми в создании жидких ФПК. Как следствие, наряду с серийным выпуском установок, налажен и серийных выпуск нескольких видов композиций, способных полимеризоваться под воздействием УФ излучения.
Установки данного типа являются универсальными и могут быть использованы на крупных предприятиях или в специализированных центрах быстрого прото-типирования для создания моделей различных типов
и габаритов. Но применение таких систем в медицинских центрах или клиниках нерентабельно, поскольку они являются весьма дорогостоящими. Поэтому существует задача создания компактного, узконаправленного и дешёвого стереолитографического оборудования.
Данная задача может быть решена путём замены в стереолитографической установке ультрафиолетового лазера на лазер видимого диапазона. Использование лазера с диодной накачкой, работающего в зелёном диапазоне (X = 532 нм), который имеет низкое энергопотребление, сравнительно низкую стоимость, высокую надёжность в течение всего срока службы, высокое качество излучения, малые габаритные размеры и массу, а также различные режимы генерации излучения, позволяет оптимизировать разработку оборудования, снизить его стоимость и избежать ряда проблем, с которыми сталкиваются пользователи традиционных стереолитографов.
Однако зелёное излучение обладает более низкой энергией по сравнению с ультрафиолетовым и не способно полимеризовать традиционные ФПК, поэтому до сих пор оно не использовалось в данной технологии. В связи с этим была разработана ФПК способная с достаточной (для применения в стереолитографии) эффективностью полимеризоваться под воздействием излучения с длинной волны 532 нм. Новая композиция позволила уменьшить глубину полимеризации одиночного слоя в воздушной среде до 15 мкм, что, в свою очередь, повысило разрешающую способность SLA технологии [5].
Следует подчеркнуть, что использование данных технических решений позволяет не только уменьшить габаритные размеры оборудования и повысить ресурс его работы, но и улучшить - благодаря замене УФ-ла-зера на лазер видимого диапазона - экологические и санитарные условия реализации процесса, упростить требования к помещениям, в которых оборудование эксплуатируется, а также снизить стоимость изготовления установки и получаемых изделий.
В сочетании с традиционными методами сканирования (компьютерной томографией) технология лазерной стереолитографии может быть использована для улучшения качества трехмерной визуализации и
х
ш
о ^
О X
X
ш
о
X
ш
Рис. 4. Пластиковые
медицинские
прототипы,
выращенные
на установке лазерной
стереолитографии.
для моделирования сложных процедур. Такой подход позволяет детально спланировать ход хирургической операции и создать предоперационные модели для подбора и изготовления индивидуальных экзо- и эн-до- имплантатов, а также индивидуального операционного инструмента, что соответствующим образом влияет на качество медицинского обслуживания.
Таким образом, применение технологии лазерной стереолитографии для изготовления индивидуальных прототипов является перспективным направлением в медицине, и есть предпосылки к его развитию в будущем.
ЛИТЕРАТУРА
1. Реабилитация детей со сложными синдромами в черепно-челюст-но-лицевой области с использованием новых технологий. URL: http://medbe.ru/materials/detskaya-stomatologiya-i-chlkh/reabilitatsiya-detey-co-slozhnymi-sindromami-v-cherepno-chelyustno-litsevoy-oblasti-s-ispolzovaniem-/ (дата обращения: 10.01.16).
2. Малов И. Е., Шиганов И. Н. Основы послойного синтеза трёхмерных объектов методом лазерной стереолитографии. Учеб. пособие. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2006: 40 с.
3. Разработка технологии и оперативное изготовление трехмерных моделей реальных биологических объектов и операционных полей для проведения испытаний и отработки применения многофункционального манипулятора для роботоассистенции в высокоточной хирургии. ИПЛИТ РАН. 2012: 42 с.
4. Лазерная стереолитография (SLA). URL: http://3dpr.ru/lazernaya-stereolitografiya-sla (дата обращения: 11.11.17).
5. Малов И. Е. Высокоточные технологии быстрого прототипирова-ния. Образование и наука в современных условиях: материалы V Междунар. науч.-практ. конф. (Чебоксары, 09 окт. 2015 г.). Чебоксары: ЦНС «Интерактив плюс». 2015; 4(5): 204-208.
REFERENCES
1. Reabilitatsiya detey so slozhnymi sindromami v cherepno-chelyustno-litsevoy oblasti s ispol'zovaniyem novykh tekhnologiy. URL: http:// medbe.ru/materials/detskaya-stomatologiya-i-chlkh/reabilitatsiya-
detey-co-slozhnymi-sindromami-v-cherepno-chelyustno-litsevoy-oblasti-s-ispolzovaniem-/ (date of access: 10.11.17).
2. Malov I. Ye., Shiganov I. N. Osnovy posloynogo sinteza trokhmernykh ob'yektov metodom lazernoy stereolitografii. Ucheb. posobiye. M.: Izd-vo MGTU im. N. E. Baumana. 2006: 40 s.
3. Razrabotka tekhnologii i operativnoye izgotovleniye trekhmernykh modeley real'nykh biologicheskikh ob»yektov i operatsion-nykh poley dlya provedeniya ispytaniy i otrabotki primeneniya mnogofunktsional'nogo manipulyatora dlya robotoassistentsii v vysokotochnoy khirurgii. IPLIT RAN. 2012: 42 s.
4. Lazernaya stereolitografiya (SLA). URL: http://3dpr.ru/lazernaya-stereolitografiya-sla (date of access: 11.11.17).
5. Malov I. Ye. Vysokotochnyye tekhnologii bystrogo prototipirovani-ya. Obrazovaniye i nauka v sovremennykh usloviyakh: materialy V Mezhdunar. nauch.-prakt. konf. (Cheboksary, 09 okt. 2015 g.). Cheboksary: TSNS «Interaktiv plyus». 2015; 4(5): 204-208.
Сведения об авторе:
Малов Илья Евгеньевич
доцент кафедры МТ 12 МГТУ им. Н.Э. Баумана, канд. тех. наук Адрес для переписки:
Кафедра МТ 12, ул. 2-я Бауманская, д. 5, Москва 105005, Российская Федерация Тел.: +7 (909) 911-1413 E-mail: [email protected]
About the author:
Malov Ilya Evgenievich
Associate Professor at MT 12 Department of Bauman Moscow State Technical University, Candidate of Technical Sciences
Address for correspondence:
Kafedra MT 12, ul. 2-ya Baumanskaya, 5, Moscow 105005, Russian Federation
Tel.: +7 (909) 911-1413 E-mail: [email protected]
<
d ш o.
Ш
о
5 л
о
87
