Zgłoś błąd Państwowa Akademia Nauk Stosowanych w Chełmie, we współpracy z Warszawskim Uniwersytetem Medycznym w Warszawie oraz Centrum Medycznym AURISMED, prowadzi badania nad opracowaniem modeli dydaktycznych dla studentów kierunków medycznych, wykorzystując dostępne na rynku możliwości druku 3D.
W ramach realizowanych prac badawczych, skoncentrowano się na możliwości wykorzystania drukarek 3D, które są dostępne w laboratoriach Państwowej Akademii Nauk Stosowanych w Chełmie, w Depułtyczach Królewskich.
Dlaczego wybrano druk 3D?
Drukarka 3D jest teraz powszechnym urządzeniem, który znajduje się w praktycznie każdej uczelni wyższej, szkołach średnich, a także często w naszych domach. Nawet w takich nietypowych sytuacjach, jak pandemia Covid-19, technologia ta okazała się niezwykle pomocna, jak mieliśmy okazję przekonać się podczas akcji druku przyłbic na skalę całego kraju, w której również wzięła udział nasza Uczelnia. Wydawałoby się więc, że drukowanie modeli 3D to już rutynowa czynność. Czy aby na pewno?
Państwowa Akademia Nauk Stosowanych w Chełmie podjęła swoje pierwsze kroki w wykorzystaniu druku 3D już kilka lat temu. Współpraca z prof. dr hab. n. med. Kazimierzem Niemczykiem, kierownikiem Katedry i Kliniki Otorynolaryngologii, Chirurgii Głowy i Szyi WUM, stała się kluczowym punktem rozpoczęcia badań. W ramach tych prac, zastosowano inżynierię odwrotną, co oznacza, że z uzyskanego skanu określonej części, utworzono przestrzenny model 3D.
Nasze pierwsze badania i druki 3D dotyczyły części anatomicznych. Ich fundamentalnym aspektem było stworzenie ścieżki umożliwiającej tworzenie dokładnych modeli 3D kości skroniowej, odwzorowujących preparat prosektoryjny, użytego w badaniach obrazowania. W celu uzyskania trójwymiarowych obrazów struktury pustek powietrznych, konieczne było zastosowanie techniki mikro-CT, co wymagało wykorzystania rentgenowskiego mikro-tomografu GE phoenix v | tome | xs (General Electric Measurements, Stany Zjednoczone).
Rys. 1. Mikro-tomograf rentgenowski GE phoenix v | tome | xs
Bazując na skanie kości skroniowej, z którym uzyskano co najmniej 1000 projekcji rentgenowskich, przeprowadzono analizę budowy pustek powietrznych. Wstępnie obrazy poddano procesowi filtrowania i binaryzacji. Następnie, wykorzystując zdefiniowaną zamkniętą powierzchnię, utworzono siatkę trójkątów, która została oznaczona w odpowiednich regionach. Za pomocą algorytmu rekonstrukcji przeprowadzono operację renderowania powierzchniowego, co pozwoliło stworzyć skan modelu 3D kości skroniowej. Efekt tej pracy został uchwycony na dołączonej fotografii.
Rys. 2. Skan modelu 3D kości skroniowej po wykonaniu operacji renderowania powierzchniowego.
Kolejnym krokiem w kierunku wytworzenia modeli 3D kości skroniowej było przygotowanie pliku na potrzeby drukowania przestrzennego. Utworzona bryła i jej powierzchnie zostały wyeksportowane do formatu STL. W celu wykonania modelu zastosowano technologię druku FDM, która polega na budowaniu kolejnych warstw poprzez nakładanie stopionego materiału zgodnie z wcześniej obliczonymi ścieżkami druku. Do realizacji modelu z wykorzystaniem przygotowanego pliku wykorzystano drukarkę 3D Fortus 360 mc (Germany).
Fot. Drukarka 3D Fortus 360 mc.
Optymalizując planowany model 3D kości skroniowej, bryłę podzielono na warstwy, z których każda miała grubość równą 0,1778 mm. Analiza 248 warstw pozwoliła określić najkorzystniejszą grubość, która nadawała się do druku, tak aby pożądane elementy kości skroniowej były widoczne, w tym strzemiączko, kowadełko, ślimak, kosteczki i kanały.
W celu zapewnienia poprawności wydruku, przystąpiono do naprawy ścieżek druku, poprzez zamknięcie przerwanych obwiedni. Przykład takiej warstwy ze ścieżkami druku, w której obwiednia została zamknięta, został przedstawiony na zdjęciu.
Rys. 3. Przykład warstwy ścieżki druku z zamkniętą obwiednią.
Następnie zilustrowano wydruk warstw przedmiotowego modelu, prezentujący przekroje kości skroniowej o ustalonej grubości równej 3 mm.
Rys. 4. Wydruk 3D warstw kości skroniowej: symulacja rozłożenia elementów do druku w obszarze roboczym drukarki
Rys. 4. Wydruk 3D warstw kości skroniowej: wydruk warstw z tworzywa ABS-M30.
W ten oto sposób powstał wydrukowany model 3D kości skroniowej, stanowiący dokładne odzwierciedlenie preparatu prosektoryjnego.
Rys. 5. Model 3D kości skroniowej.
Rys. 5. Model 3D kości skroniowej.
Rys. 5. Model 3D kości skroniowej.
Rys. 5. Model 3D kości skroniowej.
Poniżej przedstawiono przykłady wybranych projekcji rentgenowskich kości skroniowych.
Rys. 6. Przykłady wybranych projekcji rentgenowskich kości skroniowych.
Rys. Przykłady wybranych projekcji rentgenowskich kości skroniowych.
Rys. Przykłady wybranych projekcji rentgenowskich kości skroniowych.
Rys. Przykłady wybranych projekcji rentgenowskich kości skroniowych.
Rys. Przykłady wybranych projekcji rentgenowskich kości skroniowych.
Rys. Przykłady wybranych projekcji rentgenowskich kości skroniowych.
Rys. Przykłady wybranych projekcji rentgenowskich kości skroniowych.
Rys. Przykłady wybranych projekcji rentgenowskich kości skroniowych.
Następnie dokonano szczegółowej analizy modelu, wyodrębniając kowadełko, strzemiączko oraz ślimak, które zilustrowano na projekcji rentgenowskiej kości skroniowej: a) kowadełko, b) strzemiączko, c) ślimak.
a) kowadełko
b) strzemiączko
c) ślimak
W dalszej kolejności, definiując określoną warstwę koloru przypisaną do jego gęstości, wyodrębniono ślimak.
Ślimak – Model 3D
Na podstawie gęstości poszczególnych części anatomicznych możemy wydzielić te, które nas interesują, a następnie wyeksportować je do pliku STL, aby wydrukować gotowy model 3D. W ten sposób narodził się pomysł wydruku pełnego fantomu, który mógłby służyć jako pomoc dydaktyczna dla studentów nauk medycznych.
Obecne technologie skłaniają nas do prowadzenia prac badawczych nad zastosowaniem wyodrębnionych modeli 3D poszczególnych części anatomicznych w zakresie wytwarzania przyrostowego, przy użyciu fotopolimerowej technologii. Metoda ta umożliwia wykorzystywanie różnych rodzajów żywic, które są utwardzane za pomocą światła UV podczas druku. Szeroka gama materiałów bazowych oraz możliwość ich mieszania w jednym procesie druku pozwala m.in. na symulację zabiegów chirurgicznych poprzez tworzenie struktur, które imitują tkanki za pomocą materiałów o różnej twardości, a także umożliwia drukowanie w pełnej kolorystyce.
Technologia ta pozwala na mieszanie do 7 materiałów bazowych w jednym procesie druku, w tym różnych rodzajów materiału modelowego, takich jak transparentne, kolorowe, elastyczne o różnej twardości, sztywne z właściwościami tworzyw sztucznych i wiele innych. To łączenie wielu materiałów o różnych właściwościach fizycznych daje nieograniczone możliwości w tworzeniu modeli anatomicznych, które w obrębie jednej bryły mogą posiadać wiele cech, takich jak różnorodność kolorystyczna, transparentność i różnorodność właściwości fizycznych, w tym twardości.
Wskazane rozwiązanie pozwala nie tylko na szerokie możliwości edukacyjne w zakresie medycyny, ale również na projektowanie narzędzi i planowanie/doskonalenie zabiegów, co prowadzi do znaczących korzyści wynikających z oszczędności czasu potrzebnego na ich przygotowanie i przeprowadzenie.
Państwowa Akademia Nauk Stosowanych w Chełmie składa serdeczne podziękowania firmie Prosolutions za wydrukowanie przedmiotowej kości skroniowej przy użyciu fotopolimerowej technologii, z wykorzystaniem żywicy, która w procesie druku jest utwardzana światłem UV. W druku modelu kości skroniowej zastosowano żywicę o skali twardości Shore’a 45.
Zespół badawczy:
- prof. dr hab. n. med. Kazimierz Niemczyk, Kierownik Katedry i Kliniki Otorynolaryngologii, Chirurgii Głowy i Szyi WUM
- dr Maria Alicja Małkowska, Prezes Zarządu Dyrektor Generalny w AURISMED S.A.
- dr n. med. Tomasz Wojciechowski, Rezydent w Klinice Otolaryngologii, Chirurgii Głowy i Szyi WUM
- dr inż. Ireneusz Usydus, Paweł Jarosz, Dawid Ostrowski, Piotr Różański, Państwowa Akademia Nauk Stosowanych w Chełmie
