CC BY
13Impact Factor: SJIF 2020 - 5.497 2021 - 5.81 УДК 616.211-002.2-06:616-097-022.36-02-092-08
СОЗДАНИЕ И ПЕЧАТЬ 3D МОДЕЛИ ФРАГМЕНТА ЛИЦЕВОГО СКЕЛЕТА ПРИ ПОМОЩИ ПРОГРАММЫ 3D SLICER
КОЧИНА ЕКАТЕРИНА ВИКТОРОВНА
Ассистент кафедры болезней уха, горла, носа, Белорусский государственный медицинский университет, г. Минск, Беларусь
Аннотация. Технологии 30 моделирования и печати прочно входят в практику современного врача. В настоящее время применение этих технологий в медицине постоянно растёт. Особенно это касается специальностей хирургического профиля. Технология трёхмерной печати находит всё большее применение при планировании и осуществлении оперативных вмешательств, о чем свидетельствует рост числа публикаций за последние 10 лет по данной тематике. Практически любой орган, фрагмент скелета или интересующая врача-специалиста область человеческого организма могут быть воспроизведены посредством 3Б печати в виде трехмерной модели. Быстрый рост популярности 3Б печати подтверждает большой потенциал этой технологии и возможности ее применения в медицине. В статье приведено описание собственного исследования в области построения и печати 3Б модели фрагмента лицевого скелета с использованием программы для 3Б моделирования 3Б Slicer. Проведен анализ возможных вариантов использования 3Б моделирования и 3Б печати для обучения и предоперационного планирования в оториноларингологии.
Ключевые слова: 3Б модель, 3Б моделирование, компьютерная томография, программы для моделирования, 3Б печать.
На сегодняшний день методы трехмерной визуализации активно находят свое применение в области медицины, развиваются новые технологии 3D моделирования и 3D печати, проводится большое количество исследований в данной области с практической целью - улучшения качества оказываемой медицинской помощи, внедрения новых способов лечения.
3D печать - это технология аддитивного (от англ. additive - добавление) производства, которая позволяет изготавливать 3D модели путем послойного нанесения материала [1]. Эту технологию также называют «быстрым прототипированием». Существующие технологии 3D печати отличаются друг от друга по типу используемого материала и способам его нанесения [2]. Исторически первой была изобретена технология стереолитографии - SLA (Stereolithography), разработанная в 1984-м и запатентованная в 1986-м году Чарльзом Халлом (Charles W. Hull). В том же 1986 году было разработано первое коммерческое устройство объемной печати (т.к. термина «3D-печать» еще не существовало, использовался другой -«прототипирование») и основана компания 3D Systems, ставшая в настоящее время одним из ведущих производителей 3D-принтеров и материалов к ним. Примерно в то же время, в 1985 году, Михаилом Фейгеном (Michael Feygin) была предложена технология ламинирования -LOM (Laminated Object Manufacturing), а в 1986 году Карл Декард и Джо Биман (Carl Decard, Joe Beaman) разработали метод селективного лазерного спекания - SLS (Selective Laser Sintering). В 1988-м Скотт Крамп (S. Scott Crump) изобрел технологию послойного наплавления - FDM (Fused Deposition Modeling), ставшую сейчас самой распространенной из-за относительной дешевизны как самих принтеров, так и расходных материалов. В следующем году он основал компанию Stratasys, а в 1991-м эта компания выпустила первый FDM-принтер.
В медицине аддитивные технологии первыми нашли применение в ортопедической стоматологии и успешно используются для изготовления сложных индивидуальных протезов или хирургических имплантатов [2, с.27-34]. Имплантаты и протезы любой возможной геометрии могут быть изготовлены переводом рентгеновских, МРТ- или КТ-снимков в модели для 3D печати с помощью специального программного обеспечения. Использование 3D
Impact Factor: SJIF 2020 - 5.497 2021 - 5.81
печати для предоперационного планирования является перспективным направлением в медицине и применяется для отработки хирургических навыков, особенно при выполнении технически сложных операций [2, с.27-34].
Созданные на основе КТ или МРТ 3D модели в точности соответствуют строению органов конкретного пациента с учетом присущих ему особенностей строения и синтопии близлежащих органов [3, с.29-31]. Благодаря трехмерному планированию, появляется возможность персонификации модели и всесторонней визуализации зоны хирургического интереса. Отработка хирургических доступов и приемов позволяет сократить время операции и длительность наркоза, уменьшить травматизацию тканей и кровопотерю. В перспективе такой метод планирования операций может стать стандартом для операций любых видов сложности у взрослых и детей. Ряд авторов указывает на такие недостатки метода, как дополнительные расходы и время, необходимое для создания трехмерной модели. Однако есть основания предполагать, что 3D-технологии со временем будут совершенствоваться и станут более доступными в медицине.
Существует множество специальных программ для 3D моделирования, которые находят своё применение в медицине. Для построения 3D моделей анатомических участков используются наборы медицинских изображений, полученных при проведении КТ или МРТ и сохраненных в формате DICOM. Качество и точность реконструкции 3D модели напрямую зависят от качества полученных первичных медицинских изображений, в связи с чем для отображения тонких деталей рекомендуется использовать компьютерный или магнитно-резонансный томограф с «шагом» менее 1 мм. Некоторые программы для моделирования находятся в открытом доступе для любого пользователя глобальной сети Internet. Одной из таких программ является 3D Slicer. Среди характеристик этого программного продукта можно отметить возможность поддержки стандарта DICOM для передачи данных изображений, удобство и простоту применения графического интерфейса [4]. В основу этой программы заложена модель лицензирования без ограничений на использование его исходного кода в выполнении моделирования. Это направлено на расширение сообщества пользователей и упрощение перехода в коммерческий продукт. С момента своего создания в конце 1990-х гг. 3D Slicer совершенствовался, и каждые 4-5 лет внедрялись значительные изменения программного обеспечения, функций и графического интерфейса.
С точки зрения клинического исследователя 3D Slicer представляет собой «рабочую станцию» для визуализации и анализа изображений, обладающий некоторыми общими функциями со стандартными, доступными в клинике программами, которые являются программой 3D визуализации при выполнении КТ или МРТ исследований. Будучи не одобренным FDA, программный продукт 3D Slicer позиционируется разработчиками как программа для использования в клинических исследованиях. 3D Slicer отличается от коммерческих аналогов, поскольку включает в себя экспериментальные инструменты, которые не входят в доступные рабочие программы, используемые в клинике [5].
Возможности визуализации программы 3D Slicer поддерживают различные инструментальные методы исследования и могут использоваться для визуализации двух-, трех- и четырехмерных данных. Поддержка трехмерных форматов пользуется наибольшей популярностью из-за значительного количества целей их использования и сопровождается применением большого количества инструментов, разработанных специально для этого типа данных. Поддержка более новых и реже используемых двух- и четырехмерных форматов данных также возможна, что несомненно является почвой для дальнейшего развития программы и расширения диапазона ее применения. 2D изображения позволяют визуализировать поперечные сечения 3D или 4D форматов, а также проводить основные манипуляции с изображениями: масштабирование, панорамирование, многоплоскостное переформатирование, перекрестное и синхронное панорамирование (прокрутка) для параллельного просмотра на нескольких устройствах [6].
При просмотре 2D изображения визуализируются три «слоя»: пользователь может выбрать «фон», «передний план», а также выбрать отдельный интересующий сегмент
Impact Factor: SJIF 2020 - 5.497 2021 - 5.81
(«метка») и объединить эти три слоя, регулируя прозрачность. 2D-визуализация в 3D Slicer также поддерживает режим «Lightbox», в котором несколько срезов из объема отображаются в виде мозаики в окне просмотра. Средства 3D просмотра позволяют визуализировать объемные данные, такие как триангулированные модели поверхностей, дорожки волокон, глифы и объемные визуализации. Двух- и трехмерные элементы можно комбинировать в средствах трехмерного просмотра, чтобы обеспечить интегрированную визуализацию различных данных для пользователя [6].
Среди некоторых недостатков в работе программы 3D Slicer следует отметить, что практически вся обработка, выполняемая отдельными модулями в 3D Slicer, происходит в контексте трехмерных данных. Как побочный эффект этого, общие инструменты 3D Slicer могут не подходить для обработки необъемных данных, таких как эндоскопические видео, УЗИ-исследования или рентгенограммы, хотя для некоторых из этих задач были разработаны специальные инструменты на основе 3D Slicer. Программа 3D Slicer не одобрена FDA, и его лицензия не претендует на клиническое использование программного обеспечения. Пользователь несет личную ответственность за соблюдение соответствующих правил безопасности и этики. Все продукты, в которых используется технология 3D Slicer, должны быть тщательно протестированы на соответствие применимым законам и правилам. Исходя из этого утверждения, технология 3D Slicer может быть внедрена в различные проекты под соответствующим контролем исследователя. В настоящее время пользователям доступна пятая версия программы Slicer. Наиболее заметными обновлениями программного обеспечения по сравнению с предыдущей (четвертой) версией стали внедрение инструментов MONAI и NVIDIA на основе искусственного интеллекта для автоматической сегментации медицинских изображений, поддержка компьютерных вычислений измерений разметки (длина, угол, среднее значение кривизны и максимальная кривизна, площадь), переработанная поддержка DICOM, улучшенный графический интерфейс [7].
В нашем исследовании проводилось построение модели фрагмента лицевого скелета в проекции левой верхнечелюстной пазухи с помощью версии пятого поколения 3DSlicer, модель пазухи представлена на рисунках 1 и 2._
шт
'] J
/
1. Рисунок 1 - 3D модель лицевого скелета, созданная в программе 3D Slicer, визуализирована передняя стенка ВЧП
Impact Factor: SJIF 2020 - 5.497 2021 - 5.81
w~ V
wwna
0ШШ
2. Рисунок 2 - 3D модель лицевого скелета, созданная в программе 3D Slicer, визуализирована медиальная стенка пазухи 3.
Полученная цифровая 3D модель напечатана на 3D принтере Raise3D Pro2 с использованием PLA-пластика. Данный принтер имеет двойной экструдер с электронным приводом подъёма, что обеспечивает быструю печать даже сложных проектов. Функциональные возможности устройства позволяют планировать большую область построения и использовать различные материалы для печати (нейлон, PLA, ABS, HIPS, PC, TPU 95A, PP, PVA, PETG, TPE, Flex, PETG, Bronze, Wood, Carbon). Повышение рабочей температуры экструдера возможно до 300 °С, а уровень шума при печати не превышает 50 дБ.
PLA-пластик, использованный для печати 3D модели, представляет собой биоразлагаемый, биосовместимый, термопластичный алифатический полиэфир, структурной единицей которого является молочная кислота. PLA-пластик производят из кукурузы или сахарного тростника. Сырьем для его получения служат также картофельный и кукурузный крахмал, соевый белок, крупа из клубней маниока, целлюлоза. Из преимуществ этого материала для 3D печати следует отметить гладкую поверхность напечатанных изделий, экономию энергозатрат из-за низкой температуры размягчения нити, простоту использования при печати, отсутствие токсичности и запаха, что допускает использование его в условиях дома или офиса.
На рисунке 3 представлена напечатанная 3D модель фрагмента лицевого скелета на основании цифровой 3D модели, созданной при помощи пятой версии программы 3DSlicer.
Impact Factor: SJIF 2020 - 5.497 2021 - 5.81
Рисунок 3 - Напечатанная на 3D принтере 3D модель фрагмента лицевого скелета
На сегодняшний день применение современных технологий 3D моделирования и печати в медицине постоянно растёт. Технология 3D печати включает в себя изготовление объектов путем нанесения материала с использованием печатающей головки, сопла или другой технологии. Это позволяет создавать объекты послойно с помощью автоматизированного проектирования. Методы трехмерной печати предполагают создание точных физических 3D моделей на основе рентгенологических данных пациента. Первый шаг заключается в получении файлов цифровых изображений на основании результатов исследований пациента, таких как КТ или МРТ. Затем используется программное обеспечение для преобразования их в цифровой 3D файл. Для изготовления хирургической модели этот новый файл может быть напечатан с использованием различных методов, таких как фотополимеризация, экструзия материала или струйная обработка связующего. Полученные хирургические модели могут выполнять три различные цели: обучение, планирование и моделирование хирургических вмешательств.
Для повышения качества преподавания создается учебная модель, позволяющая студентам и врачам проводить высококачественную хирургическую подготовку. Соответствующие качественные характеристики и ее доступная цена являются наиболее важным показателем учебных моделей. Также 3D модель может быть создана для планирования сложных хирургических вмешательств и полного понимания состояния пациента. На этих моделях могут быть выполнены измерения и хирургическая предоперационная оценка. Внедрение вышеуказанной технологии в клиническую практику может показаться довольно сложной проблемой, требующей от врачей-специалистов дополнительных навыков работы с различными видами программного обеспечения по
Impact Factor: SJIF 2020 - 5.497 2021 - 5.81
созданию и печати 3D моделей. Однако междисциплинарный подход (привлечение профильных специалистов в рамках проведения научных исследований, быстрое технологическое развитие), активное обсуждение и представление собственных результатов исследований на конференциях и в печати помогут способствовать решению этой проблемы более быстро и эффективно [8, с.53-58]. Одним из перспективных направлений использования 3D моделей в оториноларингологии является предоперационное планирование с определением минимально допустимого для выполнения успешного оперативного вмешательства размера костного дефекта передних стенок околоносовых пазух при использовании наружного доступа. Такой принцип позволит учитывать анатомические особенности строения лицевого скелета пациента, индивидуальные размеры пазух и локализацию патологического процесса, позволит повысить безопасность и эффективность хирургического вмешательства. Таким образом, следует сделать вывод о безусловной перспективности применения 3D-печати в медицине, в особенности при планировании хирургических вмешательств, что позволит учитывать индивидуальные особенности каждого пациента и повысить качество оказываемой помощи.
ЛИТЕРАТУРА
1. 3D Bioprinting in Otolaryngology: A Review / A. McMillan [et al.] // Adv. Healthc. Mater. -2023. Mar 15. doi: 10.1002/adhm.202203268.
2. Багатурия, Г. О. Перспективы использования 3D-печати при планировании хирургических операций / Г. О. Багатурия // Медицина: теория и практика. - 2016. - Т. 1, № 1. - С. 27-34.
3. Егоров, И. А. Применение технологии 3D-печати в медицине / И. А. Егоров, О. В. Семенчук // «CHRONOS»: мультидисциплинарные науки. - 2022. - Т. 6, № 3(65). - С. 2931.
4. Werz, S. M. 3D printed surgical simulation models as educational tool by maxillofacial surgeons / S. M. Werz, S. J. Zeichner, B. I. Berg, et al. // Eur J Dent Educ. - 2018. - № 22(3). - Р. 500 -505. - Режим доступа: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/29479802/. - Дата доступа: 16.04.2023.
5. Lin, W. J. A novel three-dimensional-printed paranasal sinus-skull base anatomical model / W. J. Lin, W. Lin, J. C. Lin, et al. // Eur Arch Oto-Rhino-Laryngol. - 2018. - № 275 (8). - Р. 2045
- 2049. - Режим доступа: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/29959564/. - Дата доступа: 07.04.2023.
6. Fedorov, Andriy, 3D Slicer as an Image Computing Platform for the Quantitative Imaging Network / Andriy Fedorov, Reinhard Beichel, Jayashree Kalpathy-Cramer // Magn Reson Imaging. - 2012. - Nov. - № 30 (9). - Р. 1323 - 1341. - Режим доступа: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3466397/. - Дата доступа: 17.05.2023.
7. DICOM to STL (Перевод МРТ или КТ в 3D модель). - URL: https://st3d.ru/blog/dicomtostl/ (дата обращения 25.05.2023).
8. Кочина, Е.В. Современные возможности и направления использования 3D моделирования в оториноларингологии / Е. В. Кочина, П. А. Затолока // Военная медицина -2023. - № 1.
- С. 53 - 58.
