Готовый перевод Low-cost 3D Printing for Science, Education and Sustainable Development / Доступная 3Д печать для науки, образования и устойчивого развития: 19. Отпечатанные в 3D анатомические копии в образовательных и медицинских целях для стоматологической хирургии: практические проекты с точки зрения устойчивого развития

Паоло Росси, Карло Кампана
Международная кооперация стоматологов, негосударственная организация
Европейский центр международного обучения гигиене полости рта, Турин, Италия
paolorossi64@hotmail.com
Radiologia Trevenezie, Монфальконе, Бассано-дель-Граппа
3dprinterpooling, Италия
info@radiologiatrevenezie.it

Введение
Современные отделения цифровой рентгенологии анализируют костные структуры человеческого тела при помощи трехмерных изображений, подходящих для морфологических исследований.

Использование конического рентгеновского луча (компьютерная томография коническим лучом, Cone Beam Computed Tomography - CBCT, Прим. ред.) позволяет, в частности, обнаруживать сплошные массивы тканей. Поглощенные дозы ионизирующего излучения немного выше, чем у прежней рентгенографии и снижены на 70% по сравнению с традиционной компьютерной томографией. Использование ядерного магнитного резонанса позволяет получить детали мягких и твердых структур без использования рентгеновских лучей.

Эти изображения очень полезны для практического и правильного плана хирургических вмешательств в комплексных анатомически участках, таких как череп и верхнечелюстные кости, при рассматривании, например, структуры костей верхней челюсти, чтобы определить расположение подходящей поверхности для удаления кости, или для ее вставки куда необходимо.

Предложенный метод – система, которая делает возможными сборку анатомических копий в форме анатомической медицинской модели профессиональными стереолитографическими машинами или с помощью 3D принтеров, которые обычно можно найти на рынке по доступной цене.

Цель состоит в том, чтобы обеспечить доступ к методу уже использующемуся в челюстно-лицевой хирургии, но до настоящего времени сдерживаемого чрезвычайно ограниченным количеством клинических случаев из-за его высокой стоимости, и распространить его максимально возможному количеству пользователей в дидактических, образовательных целях и с целью улучшения взаимодействия между пациентом и операторами.

Двух - и трехмерная медицинская обработка изображений в зубной рентгенологии: от файлов Dicom до понимания толщины изображения

Тесное сотрудничество между рентгенологией и стоматологией развивается через определение вопросов, относящихся к жалобам пациентов. Сравнивая рентгенологическое исследование, Вы можете следовать, главным образом, двумя путями: исследования первого уровня, обычно двухмерные изображения, выполненные прямым сканированием; и исследования второго уровня, которые объединены в то, что мы называем «трехмерные анализы». Последнее представляет интерес для развития стереолитографических медицинских моделей.

Начальной точкой является файл «Dicom - Цифровая обработка и передача изображений в медицине», формат обмена изображения только для медицинского использования, обычно используются для двух – и для трехмерных изображений. Обычный диск, полученный посредством процесса дигитализации, составлен из растрового изображения и текстового файла, который может содержать данные пациента и облучения испускаемого во время выполнения исследования; все это образует файлы Dicom.

Двумерное медицинское изображение Dicom, обычно используемое стоматологами

Говоря компьютерными терминами, мы анализируем изображения, состоящие из точек, и оцениваем в значениях, которые соответствуют «градациям серого» в медицинских изображениях, полученных путем считывания отпечатка с электронного сенсора, освещенного рентгеновскими лучами. Все эти значения, помещенные в шаблон определенного размера, порождают рентгенографическое изображение.

Когда мы говорим о трехмерном изображении, мы должны представить, что пиксели, характеризуемые «градациями серого», формируют объем, и таким образом матрица имеет дополнительную характеристику - «толщину». Комплексность медицинских данных, полученных из трехмерных обзоров, выполненных машинами, такими как CT (компьютерная томография) или MRI (магнитно-резонансная томография), являются частным примером разделения объема на отдельные слои («осевая декомпозиция»). Если Вы представите пациента в вертикальной позиции, осевые срезы – это изображения, ориентированные параллельно земле.

Осевое изображение CBCT и трехмерное получение объема: понятие толщины

На компьютере мы получаем не единственный файл Dicom, а их последовательность, каждый из которых содержит осевое изображение, характеризующееся толщиной, и таким образом, файл Dicom описывает все «значения серого», составляющие определенную толщину исследуемого объема. Толщина и осевые последовательности – начальная точка построения анатомической копии для 3D принтеров. Фактически, выбирая значение толщины при формировании Dicom последовательности, полученной при помощи компьютерной томографии, мы можем задать объем анализируемых данных при производства 3D модели и определить их качество. Например, малая толщина образует много «слоев» объема, давая возможность увеличить точность модели, но это также увеличивает ошибки в описании анатомической модели. С другой стороны, большее значение толщины может привести к утрате важных анатомических деталей.

Рисунок модели сделанной с высоким значением толщины: это не стоматологические детали, невозможно определить анатомические элементы

Рисунок модели с корректным значением толщины: анатомические элементы определимы

Обратное проектирование и реализация STL файла: Трехмерная печатаемая модель

Анатомическая стереолитографическая модель является представлением в масштабе 1:1 реальной модели: пациента. Все переходы пост-обработки, ведущие от захвата сканированной анатомической части реальной напечатанной трехмерной анатомической копии следуют за процессом "обратного проектирования".

Инженерный анализ: от фактической модели до 3D воспроизведения

Конический луч компьютерной томографии, используемый в стоматологической рентгенологии, характеризуется очень хорошей диагностикой отношения риск/преимущества для пациентов, но при использовании источника излучения низкой мощности он не в состоянии создать точную аналогию между «значениями серого» и анатомическими тканями пациента. До сих пор, нет шкалы(такой как, например, шкала Хоунсфильда для многослойной компьютерной томографии полного сканирования тела), который описывает четкое отношение между реальными тканями и радиодиагностическими изображениями.

Анализ пределов градаций серого

Первый шаг в реализации стереолитографического файла «STL» в области медицины - пороговая обработка, на этом этапе после анализа степеней яркости, составляющих медицинское изображение, осевые кадры «обработаны», сегментированы на участки, характеризуемые интервалами уровней яркости. Все анатомические участки, выбранные на данном этапе, составят трехмерную модель.

В этой точке, трехмерная модель содержит много «шума» и, особенно на уровне выпуклых участков рта, на уровне реконструкции зубов это плохо определимо и нереалистично. Причиной для этого является известный в области медицинских снимков феномен рассеивания в дентальной области вследствие наличия металлов или пломбирующих материалов. Эти материалы, подвергаясь рентгеновским лучам, дают серые следы, которые выводят на экран случайные диапазоны и нюансы вокруг места, где находится металл или пломбы.

Чтобы достигнуть большей четкости областей, где присутствует рассеивание, мы приступаем к «очистке» на каждом осевом изображении - мы начали устранять из сегментированной области что-либо, дающее «шум» 3D модели.

На этом этапе файл готов к преобразованию в STL файл и, после проверки отсутствия каких-либо «отверстий», которые могут повлиять на 3D печать, мы запускаем процессы стереолитографической печати.

Медицинская модель, изготовленная на основании магнитно-резонансной томографии: воспроизведение мягких тканей

Изучение восьмого зуба с 3D предоперационной моделью

Большой кистозный остеолиз, изучение при помощи двойной модели, первое – внутреннее изображение и второе – полностью воспроизведенная челюстная кость

Использование 3D копий для дидактической программы вмешательства

В стоматологии процессы челюстно-лицевой хирургии и зубы теперь успешно воспроизводятся в 3D, верхняя челюсть с выделением верхнечелюстных пазух, крыловидного отростка, скул или всей нижней челюсти, с нижним альвеолярным каналом определяются, исходя из полученных при цифровой рентгенологии данных. (CT зубное сканирование, обмотка, конусный луч, и т.д.).

Учебный план вмешательства в восьмой зуб

Учебный план предварительного имплантирования

Анатомическое копирование позволяет хирургу не только изучить и проработать операцию, чтобы выполнить, но также и смоделировать все фазы хирургии. Например, начиная с модели, мы можем упростить реконструкцию атрофий моделированием уже вне ротовой полости, части разнородных костей с предельной точностью, или смоделировать установку зубных имплантов, оценивая в первую очередь объем кости и плотность, строение верхнечелюстных пазух, или даже разработать хирургический эндопротез сосуда, используя тот же 3D принтер, или может быть выполнен с чрезвычайной простотой в нашей доверенной лаборатории. Чтобы производить анатомические копии, нам необходимы только Dicom-данные компьютерной томографии пациента. Однако, специализированное программное обеспечение позволяет добиться «чистых результатов» из разнородных данных, путем коррекции снимков согласно потребностям и преобразованию, при необходимости, к определенному формату файла. Файлы, обработанные таким образом, отправляются в 3D принтер, производя анатомические копии.

Материалы, используемые для создания анатомических копий, различаются по свойствам в зависимости от их применения, но по существу это специальные термопластические смолы ABS или стерильные полиамиды, которые сертифицированы для клинического применения. Затем, как только мы разрабатываем и моделируем вмешательство на копии, все материалы могут быть стерилизованы и использоваться для пациента, значительно уменьшая время операции, дискомфорт пациента и риск осложнений.

Пример использования 3D модели для практики в консервативной терапии

В итоге, проектирование вне полости рта и среда моделирования позволяют избежать любой хирургической неожиданности, например, вскрытия края слизистой десен, определять точный контрольный список необходимых материалов, размера и типа имплантов, количество биоматериала, размер остеосинтетических винтов или штифтов, и т.д. Это проверенная, очень полезная для обучения сложным случаям и для начальной подготовки операторов консервативная и экстрактивная терапия.

Переведено на Нотабеноиде
http://notabenoid.org/book/41907/161495

Переводчики: Woolpit, alex_itz