3D моделирование в медицине – «Использование 3D технологии в медицине. Медицинские 3D модели Технологии 3D печати позволяют врачам оперативно получать недорогие 3Д модели, для планирования.». Скачать бесплатно и без регистрации.

Содержание

3Д моделирование в косметологии, пластической хирургии

В медицине активно используются все виды современных технологий, в том числе и 3D технологии. Это касается не только 3D печати и 3D сканирования, но и 3D моделирования, которое по сути не требует особых затрат, а лишь владение специализированными программными средствами (медицина).

При помощи 3D моделирования в медицинской сфере решается ряд задач:

  • визуализация изменений в косметологии и пластической хирургии;
  • моделирование протезов и имплантатов с анатомической точностью;
  • при работе с 3D сканами и данными компьютерной томографии планирование операций;
  • объемное моделирование работы отдельных органов и систем человека;
  • моделирование ортопедической обуви и ушных вкладышей и т.д.

3D моделирование может осуществляться в стандартных или специализированных медицинских программах. Существует ряд программных сред, которые позволяют смоделировать условия операции, то есть симуляторы, используемые для обучения и планирования.

Самыми активными отраслями медицины в области использования 3D моделирования являются косметология, пластическая хирургия и протезирование. В первых двух наибольшую роль будет играть визуализация, так как пациент чаще всего обращается к специалистам в данной области за максимальным эстетическим эффектом (медицина). Визуализация позволяет подобрать оптимальные варианты лечения или изменения, произвести предварительную оценку изменений и их целесообразность.

В протезировании без 3D моделирования обойтись очень сложно, даже невозможно. Причем независимо от масштабов, будь это маленькая коронка зуба или целый экзоскелет 3D моделирование позволяет все работы сделать быстро и максимально индивидуализировать готовое изделий. То есть это значит, что еще на этапе проектирования оно будем максимально учитывать анатомические особенности и потребности пациента.

3D моделирование имплантатов позволяет создавать анатомически точные детали тела человека. Это может быть кусок черепа, кость, хрящи, позвонок и т.д. Апеллируя точными 3D сканами можно смоделировать изделие, максимально соответствующее реалиям.

Использование 3D технологий и в частности 3D моделирования позволяют оказывать качественные услуги пациентам, лечить их быстрее, в соответствии с потребностями. А в результате все это преследует лишь одну важнейшую цель – существенно улучшить качество жизни человека, особенно тех, кто отличается ограниченными возможностями в силу ряда причин.

Если вы не владеет навыками 3D моделирования, или необходимо решить сложную задачу, то специалисты нашей компании готовы оказать вам услуги 3D моделирования. Все что вам нужно. Это связаться с нашими сотрудниками, поставить им задачу, а они подберут максимально качественное решение и оперативно выполнят все работы по 3D моделированию.

преимущества для врачей и пациентов

Мировая медицина активно внедряет в практику новейшие технологии и прорывные разработки ученых с 2010 года. Применение 3D-печати в отечественной клинической практике пока фрагментарно, но интерес общественности, государства и докторов к перспективной технологии усиливается с каждым годом. Осенью 2016 г. состоялась первая конференция по биотехнологиям, персонализированной медицине и тканевой инженерии “Биотехмед”.

Эксперты области и министр здравоохранения РФ подтвердили ценность современных методик и оборудования и признали, что биомедицинские технологии, 3D-сканирование и печать откроют новые возможности врачам и помогут повысить качество и доступность медицинской помощи в стране.

Как технологии меняют повседневную деятельность докторов и жизнь пациентов? Что готовы предложить здравоохранению сегодня?

Медицина, возможно, последняя индустрия с высоким уровнем риска, которая до сих пор не репетирует перед началом “игры”. Пилоты отрабатывают взлеты и посадки на реалистичном симуляторе, футболисты проводят несколько предматчевых тренировок, где многократно прогоняют передачи и комбинации, которые помогут им забить мяч в ворота соперника во время игры.

Тренировки в сфере здравоохранения проходят по принципу: увидел операцию один или несколько раз, провел такую же операцию самостоятельно, затем обучил другого специалиста. Таким образом, доктора практикуются на тех самых пациентах, которым оказывают медицинскую помощь.

Как врачу оттачивать мастерство проведения сложнейших операций по удалению опухолей головного мозга, как репетировать операции при пороках сердца или редких детских заболеваниях (врожденной диафрагмальной грыже или гидроцефалии), когда ошибка может стать фатальной?  

2 операции — 1 разрез

В этом вопросе способны помочь трехмерные технологии совместно с компьютерной диагностикой. 3D-дизайнеры и инженеры задействуют оперативную информацию о состоянии организма человека в виде набора снимков внутренних органов (компьютерной и магнитно-резонансной томографий) и воссоздают на ее основе сложные физические объекты.

 3d-модели для хирургического вмешательства

3D-модели для предоперационной практики. Источник фото: Boston children’s hospital

Напечатанные на профессиональном 3D-принтере модели костей и органов, системы нервов и сосудов мозга пациента служат имитацией реального фрагмента организма человека. Эти модели хирурги используют для дооперационной практики и планирования. Врач отрабатывает ход вмешательства и хирургические манипуляции, пока не найдет оптимального пути решения проблемы. Поэтому на операцию он идет с детальным пониманием клинического случая и четким планом действий.

Современные медицинские 3D-продукты — ортезы, каппы для коррекции прикуса и слуховые аппараты — технологически объединяет одно: персонализация производства.

Изделие создают на основе 3D-сканирования пациента, которое в точности воспроизводит индивидуальные анатомические особенности. Так врачи повышают эффективность лечения для конкретного человека, а пациенты получают максимально удобные в быту изделия.  

Прозрачная альтернатива брекетам

Американская компания разработала каппы, или элайнеры, для коррекции прикуса Invisalign. Как и брекеты, каппы выравнивают положение зубов.

3D-элайнеры справляются с задачей в среднем на 20-30% быстрее брекет-систем, так как работают более точечно. При этом они удобнее, эстетичнее и незаметнее брекетов.

 3d-каппы для коррекции прикуса

Каппы для выравнивания зубов. Источник фото: Invisalign

На основе 3D-сканирования челюсти конкретного человека дизайнеры визуализируют процесс движения целого ряда или отдельных неровных зубов и изготавливают персонально для пациента серию капп. Желаемого прикуса можно добиться через 18 месяцев. Таков средний срок курса лечения с применением элайнеров, по сообщению представителей стартапа 3DSmile, который развивает технологию в России с 2014 года.

Скорость, высокая точность и возможность производства уникального для каждого пациента медицинского изделия — ключевые особенности технологий 3D-сканирования, моделирования и печати, которые позволяют оперативно создавать качественную медицинскую продукцию без повышения затрат, а за счет упрощения производственного цикла.

Слуховой аппарат на заказ за 4 часа

Технология производства традиционных моделей слуховых аппаратов базируется на разработках второй половины 20 века и заключается в заготовке мастером индивидуального корпуса по слепку слухового прохода пациента с помощью пресс-формы и многоэтапной ручной обработки.

Длительный и трудоемкий процесс требует высокого мастерства и не исключает дополнительной работы мастера по подгонке корпуса под пациента.

Теперь для подготовки индивидуального внутриушного слухового прибора вместо 12 этапов требуется всего 4, вместо 3 дней — 4 часа.

Процедура 3d-сканирования уха

Сканирование слухового канала. Источник фото: Uvero

Производственный цикл 3D-печатных внутриушных вкладышей для усиления звука выглядит так:

  1. 3D-сканирование слухового канала пациента.

  2. Подготовка и шлифовка цифровой модели в программе. На этом же этапе генерируется фиксирующая форма, размещается вентиляционный канал (изготовить вручную такие отверстия сложных форм и размеров невозможно), проектируется место под электронику.

  3. 3D-печать изделия.

  4. Интеграция электроники в распечатанную 3D-деталь.

За день один оператор отправляет на печать более сотни индивидуальных внутриушных вкладышей. При этом, специализированное программное обеспечение исключает риск человеческой ошибки и необходимость дальнейшей подгонки прибора — вкладыш и корпус аппарата изначально создаются анатомично.

_________________________________________________

Таким образом, внедрение современных методик в практическое здравоохранение обогащает инструментарий врача и выводит медицину на новый уровень: через разработку и производство средств дооперационной симуляции повышают безопасность хирургического вмешательства и минимизируют риски врачебной ошибки;  через оперативное создание высокоточной продукции “под пациента” (с учетом специфики его анатомии и патологии) — улучшают эффективность и качество медицинской помощи.

В долгосрочной перспективе, по прогнозам Минздрава, переход к новой высокотехнологичной медицине способен увеличить среднюю продолжительность жизни в стране на 25-30 лет. За счет каких открытий и разработок удастся добиться таких результатов, и где граница между реальными возможностями и ограничениями 3D-технологий, —  на эти вопросы попробуем ответить в следующих статьях.

 

3D технологии в медицине

Грудная клетка — теперь в 3D

Все чаще появляются новости о 3D-печати органов и частей тела. И очередная сенсация, которая ставит медицину на совершенно новый уровень, пришла из Испании. Врачи спасли больного саркомой, напечатав ему новую грудную клетку на 3D-принтере. В ходе лечения хирургам пришлось удалить значительную часть грудной клетки 54-летнего пациента, которая была поражена злокачественной опухолью, но благодаря новейшим технологиям удалось создать имплантат из титана, заменивший поврежденные кости.

Операция беспрецедентная — до этого ни 3D-моделлеры, ни хирурги не решались браться за задачи такой сложности. Модель грудной кости и реберной клетки воссоздана на основе снимка высокой четкости, сделанного при помощи томографа, и распечатана на принтере Arcam (стоимостью 1,3 млн долларов).

В торакальной хирургии известны случаи замены грудных ребер титановыми имплантатами, но есть проблема — со временем традиционные крепления ослабевают и требуется повторная операция, что для пациента с саркомой было бы крайне нежелательно. Поэтому биоинженеры в данном случае предложили принципиально новый тип креплений для длительного использования.

Пациент выписан спустя 12 дней после операции и быстро идет на поправку.

3D-защита от мошенников

И еще одна новость про то, как 3D-технологии делают невозможное возможным. Сегодня рынок наводнен подделками всевозможных вещей от таблеток до мотоциклов. Годовой оборот мирового рынка контрафактных товаров составляет 1, 8 млрд долларов, и, судя по тенденциям, это не предел.

Доступный способ защиты оригинальных лекарств придумали британские технологи. 3D-штамповка, «встроенная в процесс» литья таблетки, представляет собой ряд небольших выемок строго определенной глубины, расположенных на поверхности препарата.

Такой штрих-код кодирует производителя, серию и номер партии лекарственного средства. С помощью специального сканера врачи и пациенты смогут точно определить подлинность препарата.

Технология подходит не только для таблеток, но для любых литых и формованных изделий из пластмасс, эластомеров и композиционных материалов. Поэтому разработчики собираются предложить свое изобретение производителям швейцарских часов, подделка которых также невероятно популярна у мошенников всего мира. В массовое производство новинку планируют внедрить в 2016 году.

Альцгеймер заразен? Нет!

А вам щекочут нервы медицинские страшилки, которыми нас регулярно потчуют СМИ? Журналисты готовы из любого непримечательного факта раздуть угрозу мирового масштаба. Но проходит время — и вот уже Эболы никто не боится, про птичий грипп забыли, а над коровьим бешенством посмеиваются.

И вдруг в сентябре очередная сенсация — «болезнь Альцгеймера может быть заразна и передается при переливании крови»! Как вам понравится перспектива впасть в маразм из-за донора с Альцгеймером? Страшно?

Зато ученых так просто не напугать, поэтому они спокойно все объяснили. Весь сыр-бор разгорелся из-за одного небольшого исследования, в ходе которого при вскрытии в мозге восьми молодых пациентов нашли скопления аномального белка бета-амилоида, характерного для болезни Альцгеймера. В детстве всем этим людям для лечения низкорослости вводили гормон роста, извлеченный из гипофизов покойников, в том числе страдающих болезнью Альцгеймера. Отсюда возникла идея о том, что Альцгеймер может передаваться при медицинских вмешательствах.

Но дело в том, что амилоидные бляшки сами по себе не означают наличия или даже зарождения болезни Альцгеймера. На самом деле до сих пор даже не установлено, является ли бета-амилоид причиной или следствием болезни. Кроме того, для Альцгеймера обязательно присутствие аномального тау-белка и массовое разрушение нейронных связей — чего у погибших пациентов обнаружено не было. Так что на этот раз ученые загубили панику на корню, и совершенно правильно сделали.

Сам себе виртуальный Фрейд

И напоследок новость от психологов. Они наглядно продемонстрировали справедливость утверждения, что «все ответы находятся внутри нас», и сделали это весьма остроумным способом.

Добровольцев, принявших участие в уникальном эксперименте, погружали в глубокую виртуальную реальность с помощью специальной гарнитуры и датчиков. При этом создавалась иллюзия полного присутствия в комнате с двумя персонажами — «клоном» самого участника и знаменитым психоаналитиком Зигмундом Фрейдом (при разработке виртуального пространства авторы предварительно убедились, что образ Фрейда является не только авторитетным, но и хорошо узнаваемым).

Испытуемый мог «перемещать сознание», оказываясь попеременно то виртуальным собой, то «Зигмундом Фрейдом». Далее участников просили осуществить два различных диалога.

В первом варианте диалога доброволец от имени своего клона озвучивал проблему, а рекомендации по решению этой проблемы давал уже «переместившись во Фрейда». Вторым вариантом был разговор клона в духе «сам с собой», проще говоря, участник пытался самостоятельно прийти к каким-то выводам.

Эксперимент показал, что советы «профессионального психоаналитика» были более точными и оказали на всех добровольцев существенно большее влияние, чем «собственные».

Специалисты считают, что благодаря подобным экспериментам открываются принципиально новые возможности для когнитивной психотерапии, а также любого вида деятельности, связанного с принятием решений.

Ирина Кайнова, Ксения Скрыпник

Фото thinkstockphotos.com

обзор последних достижений медицинской 3D-печати

Если предположить, что наиболее вероятная причина неудачного исхода с существующим протезом кроется в неправильной посадке, то возможность создания индивидуального протеза, который сможет в точности заполнить костно-воздушный разрыв, с наименьшей вероятностью приведет к неудаче, — говорит автор исследования доктор Джеффри Хирш (Jeffrey Hirsch), доцент кафедры радиологии Университета штата Мэриленд в Балтиморе, в своем интервью для HCB News. — Наше исследование показывает, что в разных ушах даже на субмиллиметровом уровне присутствуют мельчайшие отличия, которые могут быть с точностью переданы с помощью 3D-моделирования.

Наглядное сравнение размером монеты и напечатанного на 3D-принтере протеза среднего уха

По мнению ученого, данный метод может улучшить хирургическую процедуру, которая часто терпит неудачу из-за неправильных размеров протезных имплантатов. В проведенном исследовании четыре хирурга осуществили введение имплантов в четыре разных средних уха. Все хирурги смогли точно совместить модель протеза с височной костью, содержащей среднюю и внутреннюю части уха. Шансы на такой исход при обычном протезировании равны 1:1296.

Хирш объяснил, что предоставляемая 3D-моделированием возможность видеть комплексные анатомические отношения позволяет выйти на новый уровень изучения, понимания и медицинского планирования.

Следующим шагом для исследователей будет разработка биосовместимого материала. В качестве такой платформы группа исследователей рассматривает использование выращенных стволовых клеток.

4 декабря 2017 года Управление США по контролю за пищевыми продуктами и лекарственными средствами (FDA)выпустило новые рекомендации по созданию медицинских моделей с помощью 3D-принтеров. В руководстве подробно рассмотрены аспекты проектирования и испытания моделей, а также требования к их качеству.

Хотя трехмерная печать относится к относительно новым технологиям, она уже нашла широкое применение в клинической практике – например, ее используют для воссоздания точных копий сложных анатомических структур и имитаций хирургических операций. Заметив стремительную эволюцию этой технологии, FDA выпустило специальные рекомендации, чтобы помочь производителям более эффективно выводить на рынок 3D-печатные модели.

Пример 3D-печати части черепа

В рекомендациях, разработанных на основе совместного семинара FDA с группой независимых экспертов RSNA в области 3D-печати от 31 августа 2017 года, основное внимание уделяется техническим аспектам 3D-печати.

Рекомендации включают разделы по дизайну и процессу производства, испытанию моделей и составлению инструкций. В разделе производственного процесса рассматриваются технические аспекты 3D-печатных моделей. При создании моделей на основе изображений, например, полученных при КТ-сканировании, должны учитываться минимальное качество изображения и его разрешение, алгоритмы обработки изображений, которые могут изменять размеры модели по сравнению с реальными органами, а также сохранность и определимость анатомических ориентиров, используемых для адаптации модели.

В разделе по испытанию моделей приводятся требования к их описанию, результатам механических испытаний, измерению размеров, характеристикам материала, стерилизации и биосовместимости. Согласно третьему разделу, каждое устройство должно иметь инструкцию, где будут указаны идентификатор пациента, назначение модели и его окончательный дизайн, а также предупреждение о необходимости предварительного обследования пациента для исключения любых изменений, которые могут отличать модель от реальной анатомической структуры.

В октябре 2017 года группа американских инженеров и ученых разработала новый комплекс для диагностики инфекционных заболеваний «на местах», в которой в качестве детектора используется обычный мобильный телефон и диагностический чип размером с кредитную карточку. Решение создано с использованием технологий 3D-печати.

На 3D-принтере напечатали мобильный детектор инфекций

Низкая стоимость, портативность, а также использование обычного мобильного телефона в качестве детектора делает этот диагностический комплекс незаменимым для диагностики инфекционных заболеваний в условиях ограниченных ресурсов или когда результат диагностики нужен немедленно. Интеграция диагностической платформы с современными мобильными коммуникационными системами позволит осуществлять персонализированное лечение пациентов и мониторинг эпидемиологической ситуации.

При этом время получения результатов диагностики сравнимо с временем проведения аналогичных тестов в условиях стационарной лаборатории — около 30 минут. Для сбора и интерпретации в режиме реального времени изображений ферментной умножающей реакции, которая осуществляется в кремниевом микрофлюидном чипе, служащем для визуального отображения результатов тестов, используется обычный смартфон.

Сам комплекс состоит из обычного смартфона и портативного гнезда-подставки, напечатанной на 3D-принтере и содержащей оптико-электронную «начинку», а также специальный интерфейс для камеры смартфона. Работающее в смартфоне приложение осуществляет сбор результатов проведенных с помощью микрофлюидного чипа тестов и данных о пациенте, которые затем передаются в облачную базу данных.

В ходе демонстрационных испытаний комплекс был использован для качественного и количественного анализа в капли крови инфекций, вызывающих заболевания органов дыхания у лошадей – лихорадки Зика, лихорадки Денге и лихорадки Чикунгунья.

В августе 2017 года СМИ сообщили о разработке аспирантов Антверпенского университета (Бельгия), которая сможет облегчить жизнь глухих людей. С помощью 3D-принтера молодые ученые изготовили роботизированную руку, способную выполнять роль сурдопереводчика. Изобретение получило название ASLAN (Antwerp’s Sign Language Actuating Node).

Сурдопереводчики зачастую в дефиците, вот почему и было решено создать недорогую автоматизированную систему, которая сможет переводить текст на язык жестов.

Распечатанная на 3D-принтере роботизированная рука заменит сурдопереводчика

  Скажем, глухому человеку нужно явиться в суд, или же слабослышащий студент присутствует где-то на занятиях. Вот ситуации, в которых людям с проблемами слуха требуются сурдопереводчики, но нередко бывает так, что этих специалистов трудно быстро найти. В подобных обстоятельствах недорогая система, такая как ASLAN, может стать решением проблемы, — рассказывает профессор Антверпенского университета Эрвин Смет (Erwin Smet), слова которого приводит издание Medgadget.  
  Я говорил с друзьями о нехватке сурдопереводчиков в Бельгии, особенно во Фландрии, где нужны специалисты, знающие фламандский жестовый язык. Нам захотелось решить проблему. Еще мне нужен был проект по робототехники для моей диссертации, так что мы совместили две задачи, — дополняет Стейн Хайс (Stijn Huys), один из создателей роботизированного сурдопереводчика.  

Собранная изобретателями роботизированная рука состоит из 25 пластиковых деталей, распечатанных на 3D-принтере и приводится в действие с помощью 16 сервоприводов, за управление которыми отвечает платформа Arduino, сообщает Tech Crunch. В планах разработчиков – система с двумя роботизированными руками и лицом для передачи эмоций.

Пока существует только опытный образец устройства, но энтузиасты намерены довести проект до конца и сделать материалы своей работы общедоступными, чтобы желающие смогли самостоятельно изготовить робота-сурдопереводчика.

В июле 2017 года Швейцарский федеральный технологический институт Цюриха (ETH Zurich) представил искусственное сердце, созданное при помощи трехмерной печати. На момент анонса выполненное из силикона изделие было далеко от стадии коммерческой готовности.

Искусственное сердце весом 390 граммов и объемом 679 кубических сантиметров напечатано на 3D-принтереметодом литья по выплавляемым моделям. Левый и правый желудочки разделены не перегородкой, а специальной камерой, наполненной сжатым воздухом. Надуваясь и сдуваясь, эта камера имитирует сокращение мышц человеческого сердца и качает кровь.

К моменту демонстрации искусственного сердца оно поддерживает лишь 3000 ударов, то есть может работать от 30 до 45 минут. Для проверки работы сердца ученые использовали передовую тестовую среду, имитирующую сердечно-сосудистую систему человека, и жидкость, имеющую сравнимую с кровью вязкость. Функционирование приспособления запечатлели на видео.

  Наша цель — создать искусственное сердце, которое по размерам, форме и функциям было бы сопоставимо с человеческим”, — говорит Николас Корс (Nicholas Cohrs), участник исследовательской группы, занятой в реализации проекта. — Это была проверка технической осуществимости. Наша задача заключалась не в том, что создать сердце, готовое к имплантации, а в том, чтобы думать о новом направлении разработки искусственных сердец.  

К 2017 году от сердечной недостаточности страдает около 26 млн человек. Большинство из них безнадежно ждут доноров, которые бы обеспечили им новое сердце. Таким пациентам устанавливают специальные кровяные насосы, которые облегчают работу сердца, однако они могут вызывать серьезные осложнения и не предоставляют пациентам пульс.

В мае 2017 года стало известно о 3D-печати яичников, которые позволили бесплодным мышам рожать. Ученые намерены тестировать разработку на людях.

Ученые Северо-западного Университета Чикаго создали искусственный яичник, позволяющий полностью восстановить репродуктивную функцию. В ходе эксперимента бесплодной лабораторной мыши был имплантирован протез, созданный с помощью трехмерной печати. Впоследствии мышата (трое из семи) смогли питаться молоком матери и получить здоровые пометы.

Биопротезы яичников состоят из пористого каркаса из желатиновых чернил, который заполнен фолликулами — крошечными содержащими жидкость мешочками, где хранятся незрелые яйцеклетки. Организм мыши-реципиента фактически координировал развитие тканей яичников, и поток крови через поры помог превратить имплантированную структуру в функциональный биопротез.

Впрочем, стоит отметить, что был напечатан не весь яичник целиком, так как он слишком сложный орган. Ученые создали соединительнотканную основу яичника: принтер заряжали желатином, который получали из коллагена, одного из главных белков соединительной ткани – коллаген был в той форме, в которой он обычно присутствует в яичниках животных. Затем в полученную (напечатанную) желатиновую основу погружали мышиные фолликулы с яйцеклетками внутри.

Пока неясно, подойдет ли такой протез человеку, так как женские фолликулы намного больше и растут быстрее. Однако ученые обещают провести исследования, направленные на развитие идеи в человеческом направлении.

  Целью проекта является восстановление фертильности и эндокринного здоровья молодых пациенток, больных раком, которые были стерилизованы во время лечения рака яичников, — заявила в интервью профессор Северо-Западного университета в Чикаго Тереза Вудруф.­  

В конце октября 2016 года исследователи Гарвардского университета сообщили о создании первого в мире сердца на чипе, напечатанного на 3D-принтере. Новая разработка позволит проводить связанные с работой сердца эксперименты без участия подопытных людей и животных, говорится на сайте университета.

Результаты самого исследования, проведенного учеными Гарвардской школы инженерного проектирования (Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences) и прикладных наук и Института биотехнологий им. Виза (Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering), опубликованы в журнале Nature Materials.

Сердце на чипе выполнено из полупрозрачного синтетического материала, имитирующего структуру и функции сердечной ткани. В устройстве располагаются микроскопические датчики, способные отслеживать биение при воздействии на чип различных лекарственных средств и токсинов, выделяемых различными болезнетворными микроорганизмами.

Напечатанный на 3D-принтере орган не может служить имплантантом для человека, а предназначен лишь для проведения научных исследований. Благодаря новой технологии можно будет воспроизводить наследственные заболевания в лабораторных условиях с воссозданием клеток конкретного пациента, а также испытывать на искусственно выращенных тканях различные методы лечения, чтобы выбрать наиболее действенный.

В октябре 2016 года стало известно о том, что в медицинских учреждениях Дубая появятся 3D-принтеры, печатающие точные макеты органов пациентов, которые предстоит оперировать. Благодаря новой технологии планируется повысить точность и эффективность хирургических операций.

Как сообщает издание Gulf News, все больницы, находящиеся под контролем Управления здравоохранения Дубая (Dubai Health Authority, DHA) на территории Объединенных Арабских Эмиратов (ОАЭ), будут оснащаться оборудованием для 3D-печати протезов конечностей и зубов, имитирующих переломы слепки и моделей человеческих органов для имитации операций перед непосредственным операционным контактом с пациентом.

Хирурги Дубая будут тренироваться на 3D-моделях органов перед операциями

По словам вице-президента ОАЭ и правителя Дубая шейха Мухаммеда бин Рашида Аль-Мактума (Mohammed bin Rashid Al Maktoum), эта инициатива ускорит проведение медицинских процедур, сократит расходы и поможет докторам планировать сложные хирургические операции.

  Кроме того, 3D-печать улучшает точность клинической подготовки. Мы будем печатать все модели органов пациентов, используя базовые возможности компьютерной томографии, чтобы помочь врачам имитировать операции и визуализировать всевозможные ситуации, — сообщил Аль-Мактум.  

По его словам, регуляторы ОАЭ работают над тем, чтобы законы соответствовали быстрому развитию технологий объемной печати. Не далек тот день, когда клиенты смогут распечатывать различные предметы в специальных киосках, поэтому очень важно определить четкие правила управления любым видом 3D-печати, добавил шейх.

Использование 3D-принтеров в медицинских целях стало частью стратегии Дубая по развитию 3D-печати, в задачи которой входит превращение города в лидирующий центр этой технологии к 2030 году. Ожидается, что все новые здания в Дубае к этому моменту будут на 25% состоять из деталей, напечатанных на 3D-принтерах.

В апреле 2016 года стало известно о том, что южнокорейские хирурги смогли напечатать на 3D-принтере модель черепа и использовать его на живом человеке. Операция прошла успешно и помогла спасти человеческую жизнь, говорится в публикации на сайте 3Dprint.com.

В больницу при университете Чунан (Chung-Ang University) в Южной Корее поступила 60-летняя пациентка с жалобой на внезапную головную боль. У нее диагностировали субарахноидальное кровоизлияние. После тщетных попыток остановить смертельное кровотечение врачи приняли решение удалить часть черепа, чтобы уменьшить давление на мозг, вызванное его отеком.

В Южной Корее успешно пересадили напечатанный на 3D-принтере череп

Во время операции в месте удаленной части черепа возникла недостаточность кровоснабжения мозга, в результате чего потребовалась пересадка черепа. В итоге было принято решение об имплантации трехмерной модели черепной коробки.

Доктора больницы привлекли специалистов Корейского института промышленных технологий в провинции Канвондо. Они сканировали черепную коробку пациентки при помощи компьютерной томографии и создали точную трехмерную копию органа. При помощи специального оборудования модель была распечатана. Ее изготовили из чистого титана, который принято считать одним из лучших материалов для создания имплантов. Этот металл является легким, прочным и инертным, он имеет низкую вероятность отторжения организмом.

Операция по вживлению напечатанного на 3D-принтере черепа завершилась успешно. Профессор отделения нейрохирургии университета Чунан Квон Чжонтек (Kwon Jeong-tek) отметил, что создание синтетических имплантов и металлических пластинок, используемых для соединения костных отломков, давно применяется для замены элементов черепа человека, однако данная технология всегда была несовершенной.

На вебинаре, который провела организация Society for Imaging Informatics in Medicine (SIIM) в конце марта 2016 года, доктор Университета Юты Джастин Крамер (Justin Cramer) перечислил основные программные продукты, которые могут использоваться для трехмерной печати в медицине.

  • Horos. Это бесплатная программа для просмотра рентгеновских снимков, а также изображений, полученных в результате магнитно-резонансной томографии и компьютерной томографии. Этот продукт с открытым исходным кодом имеет достаточно продвинутую функциональность в части 3D-рендеринга, в том числе инструмент визуализации поверхностей. Файлы могут быть экспортированы в формат STL для вывода на 3D-печать. Недостатком Horos является отсутствие возможности сегментации изображения — разделения на пиксели с целью упрощения и/или изменения представления снимка, чтобы его было легче анализировать, сказал Крамер.

Напечатанный на 3D-принтере протез руки

  • Blender. Это приложение также имеет открытый исходный код, а его одним из главных достоинств является очень активное интернет-сообщество, которое постоянно разрабатывает новые дополнения для этого продукта. Он функциональнее Horos, но труднее в освоении, подмечает Джастин Крамер.
  • SketchUp. Программа позволяет моделировать различные трехмерные объекты и имеет достаточно широкие возможности. Для Крамера наибольшую пользу представляет функция конвертирования STL-файлов в формат Collada, с которым совместимо приложение Apple iBooks. SketchUp когда-то распространялся бесплатно, но к апрелю 2016 года он стоит $695. Образовательные учреждения (или те, у кого есть доступ к электронной почте в домене .edu) могут бесплатно скачать специальную версию программы.
  • Materialise. Сам Университет Юты, известный своими достижениями в области трехмерной печати, пользуется САПРбельгийской компании Materialise. Речь идет о программе для обработки изображений Mimics и продукте 3-matic. Последний позволяет изменять геометрию, перестраивать сетку и создавать трехмерные текстуры, легкие конструкции и конформные структуры на уровне STL, готовя компьютерные модели для 3D-печати.

При выборе софта для 3D-принтеров Джастин Крамер рекомендует руководствоваться простым правилом: для начинающих подойдут бесплатные варианты, но если планируется создавать точные анатомические модели для профессионального использования, то лучше приобрести мощный платный продукт, поскольку с его помощью можно создавать более качественную модель.

В конце марта 2016 года медицинская организация Society for Imaging Informatics in Medicine (SIIM) провела вебинар, в ходе которого радиологи из Университета Юты рассказали о возможностях своей новой лаборатории для 3D-печати. Ее особенностью является использование недорогого оборудования.

Для трехмерной печати было выбрано моделирование методом наплавления (FDM). Технология предполагает создание трехмерных объектов за счет нанесения последовательных слоев материала, повторяющих контуры цифровой модели.

Трехмерная модель позвоночника (слева), напечатанная на 3D-принтере

По словам доктора наук из Университета Юты Эдварда Квигли (Edward Quigley), метод наплавления является универсальным и дешевым способом создания объемных объектов, именно поэтому его часто используют для разработки медицинских 3D-принтеров начального уровня.

В Университете Юты сконструировали на основе FDM дешевый принтер, позволяющий печатать хрупкие и сложные анатомические модели, применяемые для образовательных целей. Для получения более точных и наглядных прототипов специалисты добавили в оборудование режимы цветной печати. Однако несмотря на все достижения процесс моделирования остается нелегким: очень часто происходит большой сбой, в результате которого 24-часовая печать объекта заканчивается лишь кучей расплавленного пластика, сетует Квигли.

Впрочем, были и успешные эксперименты в университете. Один из них изображен на иллюстрации выше. На картинке слева можно видеть напечатанную на 3D-принтере нейлоновую модель, демонстрирующую шейные позвонки, позвоночные артерии, дуральный мешок и спинной мозг. Справа показана виртуальная версия, на основе которой создавался физический прототип.

Эдвард Квиглин отметил, что 3D-печать может использоваться для проведения исследований, интраоперационного планирования операций, в сердечно-сосудистой и легочной хирургии. Такие технологии особенно полезны в травматологии, а также могут применяться, к примеру, для создания направляющей для биопсийной иглы или направляющей втулки для сверления зубов, добавил он.

 

Источник

Исследователям часто приходится работать в неведении, когда происходят постепенные изменения в ходе гистогенеза и развития сердечной мышечной ткани, поскольку нет легких неинвазивных способов измерения функциональных характеристик ткани, — говорит ведущий автор исследования Йохан Ульрик Линд (Johan Ulrik Lind). — Интегрированные датчики позволяют исследователям постоянно собирать данные в то время, пока ткань созревает и улучшает сократительную способность.  

Применение 3D печати в медицине / Materialise corporate blog / Habr

Не все части нашего тела имеют одинаковый «срок годности», и все чаще современная медицина преподносит нам образцы искусственных «деталей» взамен поношенных.

Но как совместить изготовленный на конвейере имплантат с всегда неповторимым пациентом?
Как избежать болезненной процедуры подведения человека под искусственные стандарты?
Как превратить долгую операцию в простую и быструю замену «деталей»?

На помощь медицине приходит технология 3-D печати.

Меняю сустав по фотографии

Крупнейшие современные 3-D принтеры позволяют распечатать деталь высотой в человеческий рост. Неудивительно, что технологиям быстрого прототипирования находится применение и в медицине, а именно, – для воссоздания тех частей человеческого тела, которые были повреждены или пришли в негодность.

Материалы, используемые в трехмерной печати, не подходят для замены «сносившейся детали» в нашем организме – но эта технология дает возможность создавать медицинские инструменты, которые изготовляются под заказ для каждого пациента, в соответствии с его недугом и анатомическими особенностями.

Такие методы активно воплощаются в жизнь компанией Materialise, успешно сотрудничающей с медицинскими учреждениями разных стран мира. Программное обеспечение, изначально создававшееся программистами компании для моделирования объектов для 3-D печати, сейчас приспособлено к подготовке и планированию операций по замене суставов, челюстей, а в более тяжелых случаях – целых участков лицевого черепа. На входе специалисты Materialise получают снимки отсканированного участка тела, а на выходе в распоряжение хирурга поступают направители для сверл и лезвий, идеально соответствующие анатомическому строению пациента.

Утром – снимки, вечером — план

Одним из первых программных продуктов компании, нашедших применение в медицине, является Mimics – программа, позволяющая превратить набор томографических снимков в трехмерную модель в STL-формате (этот формат 3-D принтер способен преобразовать в реальный объект). На этом этапе осуществляется сегментация, т.е. создание на каждом снимке маски, совпадающей своими контурами с интересующим хирурга участком тела. Затем набор масок пересчитывается программой в объемный «портрет» кости.

Ряд операций, таких, как установка имплантата челюсти или коленного сустава, уже не первый год подготавливают инженеры Materialise. Сотрудники компании имеют огромный опыт в этой сфере. Как правило, планирование хирургического вмешательства осуществляется инженерами в специально разработанных программах SurgiCase (в ортопедии) и SimPlant (в стоматологии).

Например, при работе с коленным суставом сотрудник обозначает на трехмерных STL-моделях костей точки и линии, соответствующие осям и направлениям вращения, сгиба и взаимного давления в суставе, подбирает имплантанты необходимого размера, следит за соблюдением всех условий, указанных хирургом. Согласно заданным точкам программа автоматически рассчитывает все параметры, влияющие на размещение имплантатов в колене, и, как результат, находит оптимальное расположение направителей для инструментов хирурга.

Готовый план поступает врачу, для удобства которого создана доступная программа Signature, позволяющая легко просматривать и корректировать параметры будущей операции.

Подписано в печать!

Наконец, вся совокупность данных импортируется в 3-matic – редактор для работы с файлами STL-формата. Программа имеет обширнейшие возможности, в числе которых –приложения, позволяющие, используя точную модель костной поверхности и параметры планирования, создавать направители, которые соответствуют операбельному участку с точностью до долей миллиметра.

Из 3-matic-а STL-модели экспортируются в готовом к печати формате, после чего поступают в распоряжение инженеров, отвечающих за его успешное изготовление. Спустя время хирург получает по почте готовые направители – инструменты, позволяющие быстро, точно и безопасно провести запланированную операцию. В дополнение к ним можно заказать и модели самих костей – для предварительного ознакомления.

Это настолько удобно и практично, что многие хирурги постоянно практикуют данный метод – за несколько лет существования проекта сотрудники Materialise подготовили тысячи операций на суставах, а департамент, отвечающий за стоматологическую сферу, был выделен в дочернюю компанию Materialise Dental (жители России, Украины и др. стран постсоветского пространства имеют возможность в прямом смысле соприкоснуться с продукцией компании Materialise – с нами сотрудничают многие отечественные стоматологические клиники).

Продолжение следует

Опыт в сфере ортопедии и стоматологии дает возможность распространять такой подход на другие части тела. На подходе – операции на бедренном суставе, в активной разработке находится технология по установке сердечных имплантатов.

Однако программное обеспечение, разработанное компанией, используется не только в подготовке стандартных имплантаций. Средства Mimics`а и 3-matic-а позволяют осуществлять уникальные операции, благодаря возможности воссоздать любой отсканированный участок организма и построить сложнейший 3-D объект, отвечающий этому участку анатомически. Но подробнее об этом – в другой раз.

Даниил Ткачев,
Инженер по качеству Ортопедического направления Materialise

Применение 3D-печати в медицине

Технология 3D-печати появилась благодаря открытию американского изобретателя Чарльза Халла в 1983 году и постепенно распространилась по всем сферам производства.

Применять технологию в мировом здравоохранении начали с 2000-х годов. С тех пор использование трехмерной печати в медицинских целях значительно эволюционировало. Что же произошло за эти 30 лет в индустрии, какие изменения заставили ученых поверить в разрешение сложнейших вопросов медицины?

5 прорывных шагов в развитии 3D-печати

  1. Первые 3D-принтеры.

    Вскоре после оформления патента на устройство для 3D-печати, компания Халла 3D Systems выпустила в продажу первый 3D-принтер (1988 г.). В связи с высокими затратами на оборудование сначала право на использование технологии зарегистрировали крупные промышленные корпорации, но вложения быстро окупались, и трехмерную печать стали применять в архитектуре, образовании, картографии и в розничной торговле.

    История открытия 3D-печати

    В ходе изготовления небольших пластиковых деталей для будущего прототипа вместо закрепления ультрафиолетовым излучением отдельных тонких слоев фоточувствительных полимеров, Ч. Халл наложил друг на друга тысячи еще более тонких слоев пластика и на каждый такой слой нанес эпоксидную смолу, которую ранее использовал для выполнения покрытий, и уже полученную форму закрепил ультрафиолетом. В результате эксперимента стало ясно, что принцип послойного наложения и склеивания пластика позволит создавать трехмерные объекты любой формы.

  2. Технология впервые применена в медицине.

    В 1999 г. группа ученых и врачей института регенеративной медицины Уэйк Форест (США) имплантировали пациенту орган, выращенный в лаборатории на основе клеток самого пациента. Операция стала прецедентом создания с помощью компьютерной томографии и 3D-принтера точной копии органа пациента — мочевого пузыря.

  3. Создана функционирующая печень.

    Ученые института Уэйк Форест создали функционирующую печень на основе био-чернил. В этот раз они не просто напечатали базу для наложения живой ткани, а точно воспроизвели ткань печени. Хотя орган не подлежал пересадке, эксперимент стал впечатляющим подтверждением концепции печати органов и тканей.

  4. Изобретены 3D-печатные инструменты для хирургов

    С 2006 по 2014 года изобрели и ввели в практику хирургические инструменты: анатомические 3D-модели, учебные пособия, имплантаты и протезы, выполняемые на заказ.

    3d-модель черепа для нейрохирургии

    3D-модель для нейрохирургического планирования (Военно-медицинский центр Уолтера Рида). Источник фото: NCBI

  5. Проведена операция по реконструкции лица.

    В 2014 году хирурги из Суонси восстановили лицо мотоциклиста, который получил серьезные повреждения в дорожной аварии. Стивен Пауэр стал первым в мире пациентом с черепно-лицевой травмой, для лечения которой на каждом этапе врачи использовали 3D-печать.


С тех пор мы регулярно встречаем новости об успешных операциях по вживлению имлантатов или трансплантации костей и суставов, напечатанных на 3D-принтере. Сообщения о совместном успехе ученых, докторов и инженеров приходят из Китая, США, стран Европы.

Как развиваются технологии в России?

  • Нижегородские врачи приволжского федерального медицинского исследовательского центра (ФГБУ «ПФМИЦ» Минздрава России) в 2016 году провели две успешные операции по вживлению протезов тазобедренных суставов, напечатанных на 3D-принтере.
  • Специалисты лаборатории Томского государственного университета изобрели вариант костной ткани на основе фосфора и кальция. Ученые предположили, что созданная из костей животных ткань, а, следовательно, биосовместимая с человеческим организмом, способна со временем заменить титановые имплантаты.
  • В клинике при Санкт-Петербургском государственном педиатрическом медицинском университете успешно проводят операции с применением смоделированных органов для подготовки к вмешательству при пороках сердца. Теперь для спасения ребёнка вместо нескольких сложных операций понадобится одна — длительная, но менее рискованная.
Продумываем доступ правильный, как выбрать тактику необходимую для данной операции, выбрать тип операции. Потому что при сложных врождённых пороках сердца с непростой гемодинамикой детали имеют колоссальное значение. И правильный подход к операции будет иметь либо положительный, либо отрицательный результат. Евгений Кулемин, кардиохирург

Что такое 3D-печать?

Трехмерная печать, или аддитивные технологии, — способ производства, в котором цельные трехмерные объекты создаются путем последовательного послойного нанесения материалов. Используются пластик, металл, керамика, порошок, жидкости и даже живые клетки.

Аддитивное производство — противоположность субтрактивному производству и традиционным методам, фрезеровке и резке, где облик изделия формируется за счет удаления лишнего, а не послойного соединения материалов.

Этапы создания 3D-объекта:

  • Моделирование объекта в компьютерной программе
  • Печать
  • Пост-обработка

3 преимущества технологии:

Скорость печати, высокая точность и построение объекта в желаемой геометрической форме.

Создание сложных и анатомически точных медицинских структур и воплощение в трехмерные осязаемые объекты стало возможно благодаря переводу данных двухмерных радиографических изображений, таких как рентгеновские снимки, МРТ (магнитно-резонансная томография) или КТ-снимки (компьютерная томография) в цифровые файлы и дальнейшему преобразованию виртуальной модели в цельное трехмерное изделие.

Чем 3D-печать полезна медицине?

  • Высокая точность 3D-печати костей скелета или областей мозга с новообразованиями помогают врачам и студентам медицинских вузов изучать материал, практиковаться и планировать хирургические манипуляции.
  • Изготовление имплантатов и протезов на заказ по индивидуальным анатомическим параметрам пациента упрощает работу врача и повышает приживаемость имплантата или протеза.
  • Создание новых тканей и органов на основе клеток пациента, или биопечать, дает надежду врачам и пациентам на решение проблемы нехватки доноров и материала для пересадки органов и тканей.

    ухо на 3d-принтере

    Ухо, выращенное на основе клеток пациента, в лаборатории института Уэйк Форест. Источник фото: National Geographic

За 16 лет применения 3D-печати в медицине врачи во всем мире провели сотни успешных операций, а ученые продолжают исследовать возможности технологии. Западные исследователи назвали 2016 год переломным для аддитивного производства в медицине. Об открытиях, примерах и возможных вариантах использования технологии 3D-печати в здравоохранении мы продолжим рассказывать в разделе Новости.

Обзор технологий 3D печати в медицине.

Сегодня мы бы хотели рассказать о перспективных технологиях 3D печати в медицине.

В настоящее время широко известны применения технологии 3D печати в таких областях медицины, как протезирование или стоматология.

Однако, давайте заглянем в те области, которые только начинают осваиваться энтузиастами, и посмотрим как двигается дело в различных странах:

Германия
Так, например, немецкие ученые разработали печать костных хрящей, для людей, получивших травмы. Они могут сделать имплант для носа, ушей или коленных чашечек. Как утверждает профессор Матти Кести (Matti Kesti), эта революционная технология поможет многим людям, и значительно снизит потребность в использовании доноров. Доклинические испытания на животных начнутся в ближайшее время, и врачи очень надеются что эта 3D технология очень поможет многим жертвам, получившим тяжелые травмы.
Китай
Но не только хрящи печатают на принтерах. Китайские ученые успешно совместили технологию 3D биопечати с имплантацией. Совсем недавно в военной больнице в Сиане успешно напечатали ортопедическую кость для кролика. Как поясняют ученые, костные дефекты, вызванные тяжелыми травмами или даже опухолями создают большие проблемы для врачей-ортопедов. В настоящее время, нет безопасных и эффективных методов лечения, хотя технология 3D печать может существенно помочь. Разработка одинаковых биомиметических искусственных костных структур, которые разделяют все физические и химические характеристики кости может обеспечить простое решение для трансплантации. В качестве изначальных испытаниях на животных, использование 3D печати было настолько успешным, что ожидается, что подобные 3D импланты могут быть сделаны для людей с дефектами костей в ближайшем будущем.
Италия
А вот итальянские ученые из студии МНОХ недавно опубликовали исследование, в котором они предполагают, что их технология поможет заменить людям глаза. С помощью сложнейших печатных технологий создается искусственная сеть зрительных нервов. Эта технология поможет обрести зрение тем людям, для которых слепота казалась неизлечимым приговором, а также тем, кто страдает неизлечимыми заболеваниями глаз.

Исследователи из МНОХ придумали уже несколько проектов, связанных с 3D печатью глазных яблок, которые они собираются осуществить к 2027 году.

Россия
В конце октября прошлого года, ученые Первого МГМУ им. И.М. Сеченова анонсировали проект, включающий в себя печать щитовидной железы и протестировать ее на живом организме — мыши. Необходимые элементы для печати — тканевые сфероиды — ученые получают методом последовательной обработки клеток из ткани пациента. Далее создается трехмерная модель органа, конвертируется в специальный файл и передается на 3D-принтер, печатающий клетками. К сожалению, у нас не получилось собрать гарантированно — проверенную информацию о судьбе проекта, но вот что мы нашли: ‘в апреле 2015 года, в российской лаборатории биотехнологических исследований 3Д Биопринтинг Солюшенс, резиденте БМТ кластера Фонда «Сколково» напечатан органный конструкт щитовидной железы мыши. Если напечатанная железа приживется у мыши, это станет научным прорывом в 3D печати органов’. ИсточникМы в компании IGo3d Russia, внимательно следим за развитием событий во многих отраслях применения 3D печати и искренне радуемся, что в России, не смотря на высокий уровень ‘закрытости информации’ прослеживаются интересные и перспективные разработки, на уровне мировых.

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о