3D-технологии моделирования в медицине

Введение
Современные методы визуализации являются важным компонентом предоперационного планирования в пластической и реконструктивной хирургии. Цель данного обзора — представить современную информацию о возможностях и перспективах использования 3D-печати при планировании сложных хирургических вмешательств. Используя персонализированную 3D-модель в качестве шаблона, бригада хирургов тщательно отрабатывает на ней оптимальный доступ, важнейшие этапы предстоящей операции, с учетом индивидуальных анатомических особенностей строения органа, его типа кровоснабжения и иннервации. Приводятся данные авторов об успехах применения предоперационного планирования с использованием объемных моделей в кардиохирургии, в трансплантологии, в пластической и реконструктивной хирургии, травматологии, урологии и во многих других областях. Эффективность операции на 3D-модели достигается за счет полной идентичности зоны хирургического интереса с органами пациента в масштабе 1:1. При этом уменьшаются временные затраты на операцию за счет слаженной работы хирургической бригады, снижается длительность наркоза, уменьшается кровопотеря. К недостатку метода можно отнести дополнительные расходы и достаточно длительное время, необходимое для создания 3D-модели. Однако, учитывая стремительное развитие цифровых технологий, можно предположить, что в ближайшем будущем использование персонализированных 3D-моделей станет доступно и в обычной клинической практике.
Цель данной работы - представить современную информацию о возможностях и перспективах использования 3D-печати для предоперационного планирова- ния в разных областях хирургии.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
1.1 Основы 3D моделирования
За последние годы увеличивается число сторонников применения 3D моделирования в качестве предоперационной подготовки [2]. Это связано с прогрессом цифровых технологий, позволяющим за относительно короткий промежуток времени создать физическую трехмерную модель любого участка тела в соотношении 1:1. Созданная модель служит идеальным «муляжом» для изучения анатомии и отработки хирургических навыков предстоящей операции с учетом индивидуальных особенностей данной анатомической области [3].
Персонификация строения органа достигается благодаря созданию 3D-модели на основе данных, полученных при компьютерной или магнитно-резонансной томографии. В основу 3D-печати (от англ. Three-Dimensional Printing Technology) заложены принципы создания объемного изделия путем его послойного наращивания. Эту технологию также называют «быстрым прототипированием», или «аддитивным производством» (от англ. Additive — добавление), в отличие от так называемого субтрактивного производства, в основе которого лежит удаление части материала (фрезерование, точение и другая механическая обработка). Первооткрывателями в этой области были Altschuler в 1973 г. и Swinson в 1975 г, которые объединили систему автоматического проектирования (САПР), или CAD (Computer Aided Design) и систему изготовления с использованием компьютерной технологии CAM (Computer Aided Manufacture) в единое производство

. Система CAD/CAM, на базе которой строится производство 3D-моделей, обычно состоят из 3 модулей:1 — сканер, сканирующий твердую модель или слепок и преобразующий их в цифровую 3D модель; 2 — программное обеспечение для дизайна, которое используется для создания цифровой модели реставрации; 3 — послойная печать модели на 3D принтере (рис. 1).
Рис. 1. Процесс 3D-печати
В отличие от производства стандартизированных продуктов, эта технология дала возможность производить персонализированные продукты, адаптированные под пользователя.
С годами 3D-печать совершенствовалась, становилась доступной. Она стала внедряться во все сферы производства, совершив, как пишут некоторые авторы, «промышленную революцию для цифровой эпохи». Однако система массового стандартизированного производства еще долго будет доминировать в промышленности. Технология же 3D печати востребована в тех отраслях, где есть потребность персонализации или в тех случаях, когда изделия невозможно создать с помощью обычных технологий, к примеру, в аэрокосмической промышленности, в модной индустрии и медицине [3, 4].
1.2 Использование 3D-модели для планирования хирургических операций
Процесс изготовления медицинской 3D-модели для планирования операции состоит из нескольких этапов (рис. 2) [5].
Рис. 2. Примерная схема построения 3D модели по Щаденко С. В. [5].
На первом этапе происходит формирование набора медицинских изображений, которые получены при КТ или МРТ и сохраняются в виде 2D-срезов в формате данных DICOM [5]. 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 томограф или магнитно-резонансный томограф с «шагом» менее 1 мм. На втором этапе набор полученных 2D-изображений в DICOM-формате подвергается обработке с целью улучшения их качества, а именно повышения контрастности, четкости, фильтрации шумов. На третьем этапе происходит регистрация улучшенных медицинских изображений с целью их приведения к единой системе координат [1] и выполнение сегментации для формирования точной анатомической компьютерной 3D-модели. В результате математического моделирования поверхности получаются цифровые воксельные модели в формате STL (Stereolithography).. Преобразование DICOM-файлов в STL формат занимает около 30 минут. На четвертом этапе реконструированная 3D-модель используется хирургом для детального осмотра зоны интереса с целью анализа ее геометрических размеров, синтопии, выявления аномалий и отклонений в строении. После реконструкции компьютерной 3D-модели и формирования диагноза, на пятом этапе происходит импортирование модели в CAD-систему для предоставления хирургу возможности манипулирования виртуальным изображением