Реферат аддитивные технологии в медицине

Обновлено: 17.05.2024

Применение передовых методов работы в стоматологии характеризует быстрое внедрение инновационных предложений, способствующих повышению престижа специальности. Большой интерес у практикующих врачей вызывают аддитивные технологии, включающие способы послойного наращивания и синтеза объектов [7]. Широкое применение получили фаббер-технологии – современные методы производства, основанные на поэтапном формировании изделия путем добавления материала на платформу или заготовку [5]. Аддитивные технологии начали развиваться в 1980-х как методы производства деталей, основанные не на их механической обработке, а на послойном изготовлении изделий в виде трехмерной модели и непосредственного получения готовых функциональных образцов, которые не требуют механической пост-обработки.

Технологии аддитивного производства совершили значительный рывок в развитии благодаря быстрому совершенствованию электронной вычислительной техники и программного обеспечения процессов [2].

Наиболее заинтересованные отрасли в применении аддитивных технологий – это авиакосмическая, автомобиле- и машиностроение, медицина в части протезирования, то есть те области, в которых существует потребность изготовления высокоточных изделий и их прототипов в кратчайшие сроки [1, 4]. Преимуществом аддитивных технологий следует считать возможность одновременного изготовления значительного числа мелких объектов сложного дизайна в течение единого цикла.

В стоматологии аддитивные технологии могут использоваться в различных разделах от изготовления ортопедических конструкций до хирургических лицевых имплантатов. Так, перспективным направлением считается моделирование индивидуальных зубных протезов (коронок, мостов). С помощью 3D принтеров изготавливают инструменты для хирургических вмешательств: скальпели, щипцы, зажимы и т.д., что повышает качество оперативной работы. Возможности аддитивных технологий заключаются в создании конструкций необходимой геометрической формы [1, 2]. В области имплантологи воспроизведение оптимальной текстуры тканей челюсти в шаблонах улучшает процесс остеоинтеграции устройств.

Изготовление хирургических шаблонов 3-D способами нашло широкое применение во многих специализированных учреждениях благодаря способности точного позиционирования инструментов при высоком качестве, обеспеченном аддитивной технологией. При этом сохраняется строгая индивидуализированность каждой детали [3, 7].

Наиболее широко в стоматологии используют биосовместимые материалы, такие как хирургическая сталь, титановые сплавы, что обусловлено коррозийной стойкостью этих металлов и способностью создавать защитный оксидный слой [1, 3].

В технологии селективного лазерного сплавления используются мелкие порошки, что позволяет создавать высокую геометрическую точность и упругость, отвечающую показателям костной ткани [2, 8].

Первой областью применения в стоматологии стало изготовление хирургических шаблонов в имплантологии (методом стереолитографии). Затем была разработана технология лазерного спекания каркасов из неблагородных металлов. Возможность изготавливать детали сложной конфигурации в небольшом количестве представляет большой интерес для стоматологов. Специалисты считают, что сочетание аддитивных технологий и субтрактивной обработки обеспечивает экономически выгодное исполнение образцов с высокой точностью последующей фиксации.

В стоматологии используются различные аддитивные технологии, главным образом стереолитография (SLA), техника облучения через маску (DLP), Polyjet-техника и лазерные технологии (SLS, SLM) [7].

В технике лазерной стереолитографии объект формируется послойно из специального жидкого фотополимера, затвердевающего под действием лазерного излучения. Существует вариация данной технологии – SLA-DLP, в которой вместо лазера используется DLP-проектор (в этом случае слой формируется сразу целиком, что позволяет ускорить процесс печати).

При селективном лазерном спекании (SLS) объект формируется из порошкового материала путем его плавления под действием лазерного излучения [3, 6].

Электронно-лучевая плавка (SLD/DMLS) – способ, когда объект формируется путем плавления металлического порошка электронным лучом в вакууме.

3D-печать аналогична технологии SLS: объект формируется из порошкового материала путем склеивания, с использованием струйной печати для нанесения жидкого клея [2, 7, 8].

Цель настоящего исследования – анализ опыта работы для оценки перспектив дальнейшего внедрения аддитивных технологий в стоматологии.

Материал и методы

В качестве примера использования аддитивных технологий в области стоматологии приводим производство хирургических шаблонов для установки внутрикостных имплантатов с последующим моделированием ортопедических конструкций. Стандартный процесс изготовления шаблонов можно разделить на следующие шаги:

1 шаг. При первом посещении врача-ортопеда, пациенту выдаётся направление на КЛКТ (Конусно-лучевая компьютерная томография) исследование, что позволит построить компьютерную 3D модель костных тканей, зубного ряда и расположения нервных каналов в челюсти пациента. Все эти данные используются для планирования расположения имплантатов (рис. 1) .

Рис. 1а. При первом посещении врача-ортопеда, пациенту выдаётся направление на КЛКТ (конусно-лучевая компьютерная томография) исследование.

Рис. 1б. При первом посещении врача-ортопеда, пациенту выдаётся направление на КЛКТ (конусно-лучевая компьютерная томография) исследование.

Рис. 1в. При первом посещении врача-ортопеда, пациенту выдаётся направление на КЛКТ (конусно-лучевая компьютерная томография) исследование.

2 шаг. При помощи интраорального (внутриротового) сканера создается 3D модель зубного ряда с мягкими тканями, что позволяет визуально точно определить уровень расположения десны.

3 шаг. При помощи специализированного программного обеспечения совмещаются эти две 3D модели в один 3D объект для дальнейшей работы (рис. 2) .

Рис. 2а. При помощи интраорального (внутриротового) сканера создается 3D модель.

Рис. 2б. Специализированное программное обеспечение совмещает модели в один 3D объект, моделируется предполагаемая ортопедическая конструкция для детального представления прохождения шахт винтов фиксации изделия к имплантатам.

4 шаг. На совмещённом 3D объекте моделируется предполагаемая ортопедическая конструкция для детального представления о прохождении винтами фиксации изделия к имплантатам специальных шахт-каналов в кости.

5 шаг. Производится моделирование хирургического шаблона с использованием данных, полученных на предыдущих шагах, а именно, выбранной системы имплантатов, плана лечения и анатомических особенностей челюстной области пациента.

6 шаг. Файл смоделированного с помощью компьютерной программы хирургического шаблона отправляется на 3D печать.

7 шаг. В отпечатанный хирургический шаблон вставляются металлические гильзы, которые выполняют роль направляющих каналов и ограничителей для хирургических фрез при прохождении костных тканей (рис. 3) .

Рис. 3. Хирургический шаблон для установки имплантатов, выполненный методом 3D печати.

8 шаг. Контроль изделия, очистка, проверка на предмет качественной фиксации во рту пациента. Если результат работы соответствует заданным требованиям, то проводят подготовку шаблона для использования в операции установки имплантатов.

Результаты исследования

Первым этапом работы являлась профессиональная гигиена и санация полости рта пациента. Обязательным требованием для выполнения хирургического вмешательства служила качественная индивидуальная гигиена полости рта.

Понятие аддитивных технологий. Развивающиеся области медицины. D-печать – инструмент хирурга. Доступность биосовместимых материалов. Моделирование коронок и остовидных протезов. Хирургические кондукторы и шаблоны. Кинетика распада и побочные продукты.

Подобные документы

Основа доказательственной медицины как новой технологии сбора, анализа и интерпретации научной информации. История принятия Хельсинской декларации. Изучение принципов доказательной медицины. Характеристика основных причин ее появления и уровней.

реферат, добавлен 27.09.2017

Анализ доказательств кризиса западной модели медицины (патоцентризм, недостатки в технологии в диагностике и лечебной практике). Описание новой парадигмы медицины, основанной на саноцентризме, её теоретические, методологические и методические основы.

статья, добавлен 01.11.2018

Составные части бюгельных протезов, их преимущества над съемными пластиночными. Опорно-фиксирующие приспособления съемных протезов, телескопические системы их фиксирующих элементов. Фиксация протезов с помощью замковых креплений (аттачментов).

реферат, добавлен 17.03.2020

Определение дефектов твердых тканей коронки зуба. Виды зубных протезов, используемых при дефектах коронок зубов. Штифтовые конструкции и их элементы. Показания к их применению. Психотерапевтическая подготовка больных к ортопедическим манипуляциям.

лекция, добавлен 09.09.2017

Особливості варіантної анатомії людей юнацького віку, зокрема їх коронок. Дослідження взаємозв’язку між розмірами зубів з різними варіантами їх розташування. Розробка "карт-схем" найбільш поширених варіантів будови коронок зубів людей юнацького віку.

автореферат, добавлен 28.10.2015

Показания и противопоказания к применению штампованной коронки. Материалы, используемые для изготовления коронок и их модификаций. Склейка частей и подготовка к паянию мостовидного протеза зубной челюсти. Показания и противопоказания к протезированию.

курсовая работа, добавлен 11.05.2016

Классификация массовых журналов о медицине. Реклама лекарственных средств, больниц и клиник. Обзор достижений косметологии и стоматологии. Эстетическая реставрация зубов. Эпиляция и пластические операции. Технологии лечения стрессов и нервных расстройств.

реферат, добавлен 30.10.2014

Необходимость проведения ортопедического лечения у детей. Применяемые методы при IV стадии поражения зубочелюстной системы. Фиксирование колпачков и установка частичных или полных съемных протезов с помощью фосфат-цемента, достоинства конструкций.

курсовая работа, добавлен 21.02.2014

Классификация стоматологических цементов, их основные свойства, состав. Применение для пломбирования корневых каналов, временных и постоянных зубов, фиксации вкладок, искусственных коронок, мостовидных протезов (до 3 единиц), ортодонтических конструкций.

презентация, добавлен 13.06.2016

Основные этапы и принципы изготовления протезов, их содержание и механизм: клинический и лабораторный. История возникновения стоматологии и современные достижения в данной области. Применение индивидуальных ложек, закономерности и методы их изготовления.

Один из ключевых факторов в медицине – точность, ведь малейшая ошибка в расчетах может иметь фатальные последствия. И здесь 3D-печать подходит как нельзя лучше, ведь ее главные преимущества – свобода проектирования и высокая точность при создании конечных продуктов.

Преимущества аддитивных технологий для медицины

Главные и бесспорные преимущества:

Высокая точность, позволяющая учесть индивидуальные особенности человека.
Возможность создания конструкций любой сложности. напечатанных изделий.
Сокращение сроков производства (в том числе за счет отсутствия оснастки), и как следствие – ускорение оказания медицинской помощи.
Экономия трудовых и материальных ресурсов.
Снижение себестоимости изделий.
Большой выбор инновационных материалов.

Ваше медицинское учреждение заинтересовано во внедрении 3D-технологий? Закажите бесплатные тестовые услуги 3D-сканирования и 3D-печати!

Что можно напечатать на 3D-принтере, чтобы повысить эффективность лечения

Можно напечатать следующие изделия:

Макеты органов, тканей и костей при планировании операций;
протезы, имплантаты, хирургические шаблоны в хирургии и стоматологии;
ортопедические стельки, корсеты и другие ортезы;
слуховые аппараты;
мастер-модели для медицинских изделий;
прототипы корпусов медицинских приборов;
продукция медицинской косметологии.

3d-сканирование и программное обеспечение в медицине

Медицинское ПО Materialise Mimics позволяет создавать анатомически точные 3D-модели / Фото: Materialise

С помощью 3D-сканера можно за считанные минуты получить точную трехмерную модель нужного объекта (кости, стоматологического слепка и т.д.), затем обработать полученные данные в специальном программном обеспечении и напечатать модель или готовое изделие на 3D-принтере, либо изготовить его традиционным способом. При этом отпадает необходимость хранить слепки и образцы – все 3D-модели сохраняются в цифровом архиве. При необходимости их можно оперативно откорректировать и переслать по интернету коллегам в любую точку Земного шара.

Планирование успешной операции с помощью точных макетов

Создание точных 3D-моделей костей, частей тела, тканей или органов позволяет провести наглядную демонстрацию патологий в масштабе 1:1. Врач может точно оценить размер патологии и расположение прилегающих тканей перед началом операции. В случае пересадки трехмерные модели помогают разработать подробные и индивидуальные планы операций и подобрать точно подходящие органы.

Типичный пример 3D-печати в медицине: предоперационный макет из фотополимера, изготовленный в нашем демозале на принтере ProtoFab / Фото: iQB Technologies

Детализированная модель, напечатанная на 3D-принтере, и ее анатомически оптимальное положение помогают хирургу при сверке на всех ключевых этапах операции. Точное позиционирование патологии и кровеносных сосудов в режиме реального времени дает возможность повысить эффективность операции и снизить риски.

Изменение напечатанных анатомических моделей в соответствии с фактическим состоянием органов – один из важнейших методов применения аддитивных технологий. Такая возможность не только экономит ценное время хирургов, но и повышает точность прогнозирования болезней.

Макеты, модели, прототипы из пластиков

Создание кастомизированных стелек с помощью 3D-принтера Sharebot Q, который помог достичь великолепных результатов со сложными в использовании гибкими эластомерами

Существует несколько технологий пластиковой печати, в том числе моделирование методом послойного наплавления (FDM), лазерная стереолитография (SLA), селективное лазерное спекание (SLS). Первая из них использует в качестве расходного материала термопластиковую нить или гранулы, вторая – фотополимерную смолу, третья – полиамидные или модифицированные порошки.

Процесс 3d-печати в медицинских целях

Создание печатного продукта происходит в несколько этапов:

Сбор данных пациента с использованием различных методик (КТ, МРТ, УЗИ, ПЭТ, 3D-сканирование).
По результатам исследований выбирается целевая область и создается 3D-модель в программном обеспечении.
На базе созданной 3D-модели печатается точная копия объекта.
На напечатанной модели моделируется хирургическая операция.

Протезы и имплантаты

Трехмерная печать металлами позволяет создать изделие с заданной сложной геометрией, идеально подходящее конкретному пациенту. Топологическая оптимизация решает такие важные для протезирования задачи, как:

создание цельнометаллической конструкции любой необходимой формы;
облегчение веса протеза;
повышение прочности изделий за счет микроскопических полостей, которые обеспечивают миграцию собственных клеток костной тканей больного;
создание протезов с пористой структурой, способствующей более быстрому вживлению.

Благодаря индивидуальному протезу тазобедренного сустава пациент смог вернуться к нормальной жизни / Фото: Materialise

Использование из металлических сплавов (в первую очередь – титановых) используется при протезировании костей челюстно-лицевой области, межпозвоночных дисков, ключиц, коленных суставов, лопаток, тазобедренных костей. В стоматологии эти материалы применяются для изготовления цельных имплантатов, а также металлических основ коронок и мостов из титана, кобальт-хрома и других сплавов.

Наиболее важными особенностями напечатанных металлических протезов являются идеальная точность их соединения с телом и отсутствие реакции отторжения.

Примеры применения на практике

Реконструкция дефекта скуловой кости по SLM-технологии

43-летний мужчина обратился в отделение с тяжелым дефектом левой средней зоны лица, который он получил 6 годами ранее в результате автомобильной аварии. Поврежденная кость была восстановлена с помощью индивидуального титанового имплантата, напечатанного на аддитивной установке SLM Solutions. Спроектированный на компьютере имплантат обладал идеальной геометрией, а операция по его установке прошла именно так, как было запланировано. Наблюдение за пациентом в течение следующего года не выявило никаких осложнений.

отличная биосовместимость и интеграция биоимплантата в ткани;
уменьшение веса титанового изделия за счет создания его полой версии;
ускоренная интеграция благодаря наполнению имплантата материалом, взятым из подвздошной кости пациента;
готовое изделие идеально подошло к поврежденному участку и не требовало подгонки во время операции;
полное отсутствие осложнений и побочных эффектов после установки имплантата.

Как создавалась точная модель позвоночника и трахеи

Своим практическим опытом применения 3D-печати в медицинских целях делятся специалисты компании ProtoFab. Представители Третьей больницы Пекинского университета обратились в ProtoFab с просьбой создать точную трехмерную модель позвоночника и трахеи пациента для подготовки к предстоящей операции. Вызванные заболеванием осложнения не позволяли хирургу ввести трубку в трахею для выполнения операции. Врачам требовалась модель, с помощью которой они могли бы практически оценить различные способы решения этой проблемы.

Данные компьютерной и магнитно-резонансной томографии были импортированы в специализированное медицинское программное обеспечение, позволяющее преобразовывать все эти данные в 3D-модель. Используя это ПО, специалисты ProtoFab смогли увидеть проблемные области трахеи пациента.

На следующем этапе нужно было непосредственно напечатать модель. Она позволила врачам провести перед операцией анализ абсолютно точной копии трахеи и прилегающей области и принять подготовительные меры, которые в противном случае были бы невозможны.

Изготовление протезов

Команде исследователей из Chabloz Orthopédie (Франция) удалось создать уникальный и по-настоящему революционный протез. Компания работала с Дени Готье, у которого было ампутировано предплечье. Сначала специалисты провели 3D-сканирование здоровой руки пациента с помощью сканера peel 3d, чтобы получить ее зеркальное отображение. Оставшаяся часть ампутированной руки также была отсканирована для достижения удобной и эргономичной посадки протеза.

Далее команда приступила к проектированию CAD-модели и разработке миоэлектрического протеза. Аккумуляторы, кабели датчиков и искусственная кисть были интегрированы с изготовленным предплечьем. Сам протез был разработан в САПР и напечатан на 3D-принтере. Для воссоздания различных компонентов предплечья использовалась технология HP Jet Fusion. После изготовления все детали прошли финишную обработку и были покрашены.

Использование трехмерного сканирования и печати гарантирует не только правильную посадку приспособления, но и дает полную свободу движений. Вам известно, что созданные на 3D-принтере детали на 20% легче, чем их аналоги из углеродного или стекловолокна? Такие изделия обладают еще и необходимой жесткостью, твердостью и долговечностью.

Протезирование тазобедренного сустава

Институт травматологии и ортопедии им. Р.Р. Вредена совместно с ЛЭТИ (Санкт-Петербург) провели работу по созданию протеза тазобедренного сустава из титана. На основе КТ был создан пластиковый макет кости. Следующий этап – проектирование имплантата и корректировки по его позиционированию на кость. Затем, после того как врачи провели планирование операции на макете, протез был напечатан на 3D-принтере. Пациент, у которого в результате травмы был практически разрушен тазобедренный сустав, встал на ноги.

Печать роговицы глаза

В 2018 году британские ученые впервые смогли напечатать роговицу на 3D принтере. Теперь они могут использовать объёмную печать при изготовлении роговицы глаза из стромальных клеток. Они также создали специальные биочернила, которые состоят их клеток стромы роговицы живого донора. Также в состав входит коллаген и альгинаты. Белок составляет основу. Поместив полученное вещество в принтер, за 10 минут была напечатала здоровая роговица, которая была жизнеспособна больше недели.

Технология нуждается в клинических испытаниях, но надежда на массовую печать роговицы глаза существует.

Трехмерная печать моделей сосудов

Напечатанные на 3D-принтере модели для систем моделирования операций реалистично отображают сложную систему кровеносных сосудов / Фото: ProtoFab

Аддитивное производство шаблонов

Традиционно для планирования остеотомии используются рентгеновские снимки. Однако на двухмерных снимках не отражается фактическое состояние костей. В связи с этим 60% операций не дают положительный результат. Решить данную проблему помогут шаблоны, напечатанные компанией Materialise. Производство таких шаблонов не требует больших затрат, и они доступны всем пациентам.

Актуальность 3d-моделирования в будущем

Благодаря инновациям, о которых мы рассказали в этой статье, удается повысить надежность операций, сэкономить время, снизить производственные расходы и стоимость конечных изделий, а главное – улучшить и продлить жизнь пациентов.

Наряду с совершенствованием аддитивного оборудования ведется активная работа по созданию новых материалов для медицинских целей. С помощью аддитивных технологий можно будет, к примеру, напрямую печатать изделия из керамики, а также создавать цельные зубные протезы, включая зубы и десны, из биосовместимых материалов.

Направление современной медицины, с которым связывают прорыв в лечении болезней и патологий в обозримом будущем, – трехмерная печать тканей, кровеносных сосудов и органов, или 3D-биопринтинг. Ведущие научные и медицинские центры разрабатывают новые технологии и проводят клинические исследования в этой области.

Достижения аддитивных и биомедицинских технологий будут способствовать развитию бионического моделирования и 3d-печати тканей и органов, что позволит сохранить здоровье и спасти жизни огромному числу людей.

Помощь IT-индустрии в период пандемии коронавируса

Множество компаний поддерживают медицинские учреждения в период пандемии COVID-19. Поставщики медицинского оборудования не справляются с нагрузкой, особенно это связано с защитными средствами (респираторы, маски, экраны). Во всем мире трехмерная печать стала оказывать реальную помощь, выражающуюся в производстве прототипа клапана, который устанавливается в респиратор. Поставщик Lonati SPA в Италии смог напечатать клапан из PA12. Производительность составляла от 100 штук в сутки, а цена была минимальная.

В Великобритании многие производители перестроились на изготовление оборудования для вентиляции легких. Одна из компаний изготавливала детали из металлов и полимеров, которые помогли в производстве зажимов, креплений и корпусов. Благодаря лазерному спеканию можно производить одновременно десятки деталей, не требующих обработки.

Компанией ProtoFab была разработана защитная маска из мягкого полипропилена высокого качества. Она имеет особую конструкцию, которая разделяет дыхание через рот и нос, удобна в использовании и устойчива к любой температуре. Благодаря сменным фильтрам маска прослужит долго.

В нашем блоге мы продолжим знакомить вас с темой внедрения 3d-печати в медицине. Следите за публикациями!

Измеритель диаметра, измеритель эксцентриситета, автоматизация, ГИС, моделирование, разработка программного обеспечения и электроники, БИМ

3D-печать от компании Stratasys для многих в первую очередь ассоциируется с широко известной технологией FDM и ее промышленными термопластиками. Однако у компании есть еще одно очень интересное направление – технология PolyJet – метод аддитивного производства из фотополимеров, с помощью которого можно создавать точные, гладкие прототипы, конечные детали и оснастку, в том числе для медицины и стоматологии. Технология PolyJet похожа на струйную 2D-печать, но вместо чернил подаются струи жидкого фотополимера, который последовательно укладывает слои в соответствии с геометрией моделируемой детали.

Количество одновременно печатаемых деталей одной высоты практически не влияет на время их изготовления, что важно при больших объемах печати. Причина кроется опять же в особенностях технологии.

Высокая объемная точность (до одной десятой миллиметра при толщине слоя моделирования 14-28 микрон) является, безусловно, основным преимуществом этого способа 3D-печати. Благодаря ему можно создавать сложные геометрические формы, в том числе с тонкими стенками, причем с использованием широчайшего спектра материалов, не доступных в других аддитивных технологиях. Более того, возможно сочетать в одной детали несколько различных по своим физическим свойствам материалов – жестких и мягких, разноцветных, прозрачных, полупрозрачных и непрозрачных.

Процесс 3D-печати по технологии PolyJet, как и все технологии Stratasys, максимально прост, понятен и состоит из трех этапов:

1. Подготовка данных. Программное обеспечение подготовки к печати автоматически рассчитывает нанесение фотополимера и вспомогательного материала на основе CAD-файла 3D-модели. Оператору необходимо лишь расположить модели на виртуальном рабочем столе, хотя и здесь можно положиться на программу, позволив ей автоматически расположить детали в рабочей зоне.

2. Изготовление. Микропорции жидкого фотополимера, поступая через сопла печатающей головки, укладываются слой за слоем и отверждаются с помощью УФ-излучения. Если для элементов конструкции детали требуется опора, 3D-принтер так же слой за слоем печатает поддержку из вспомогательного материала.

3. Удаление вспомогательного материала. Вспомогательный материал легко удаляется вручную, вымывается водой под давлением или растворяется в ванне со специальным раствором.

То, что технология обеспечивает высокую точность, детализацию, гладкость поверхностей изготавливаемых моделей ценно для любой области ее применения. Однако особое внимание в компании Stratasys уделяется ее применению в области медицины, где существует не только огромный спрос, но и очень важен индивидуальный подход при изготовлении каждой модели.

ИНДИВИДУАЛЬНЫЕ СЛУХОВЫЕ АППАРАТЫ

Использование специальных биосовместимых модельных материалов позволяет изготавливать полноценный и функциональный конечный продукт – заушные слуховые аппараты. Эти материалы обладают необходимыми прочностными характеристиками при высоком качестве печати для каждого индивидуального изделия.

ПОДГОТОВКА К ХИРУРГИЧЕСКИМ ОПЕРАЦИЯМ

Все чаще при планировании хирургических операций прибегают к технологиям 3D-печати на основе данных, сгенерированных специализированным программным обеспечением, или, например, полученных при проведении магнитно-резонансной томографии. Модели, полученные на основе таких данных и напечатанные по технологии Polyjet, отличаются высочайшей точностью и реалистичностью.

Не так давно в Санкт-Петербургском государственном педиатрическом медицинском университете 3D-печатный макет сердца не только послужил пособием для подготовки двух операций, но и позволил медикам объяснить и наглядно показать суть проблемы переживающим родителям. Осязаемая трехмерная модель реалистично отображает расположение сосудов, мышц и других анатомических деталей. Врачи получают наиболее наглядную картину больного органа и могут прорабатывать тонкости предстоящих хирургических операций.

Это, конечно, во всех смыслах выдающийся пример того, как применение 3D-печати в медицине помогает спасать жизни. А вот использование аддитивных технологий в стоматологии, пожалуй, без преувеличения становится рядовым делом. Для этого направления у Stratasys даже есть отдельная линейка принтеров серии Dental.

МОДЕЛИРОВАНИЕ КОРОНОК И МОСТОВИДНЫХ ПРОТЕЗОВ

Традиционные методы с использованием литья, воска и длительных доработок уходят в прошлое. Многочисленные ручные операции требуют массу времени, высокой квалификации и в итоге не гарантируют необходимую точность. Применимая для этих задач аддитивная технология проста, точна, удобна в использовании, позволяет значительно сократить время подготовки и изготовления, и, кроме того значительно удобней для хранения и работы с данными, обеспечивая стопроцентную повторяемость изготовления стоматологических изделий (что важно в случае их поломки или утери). Полученные модели максимально соответствуют форме и положению в полости рта. А быстрое цифровое производство позволит оперативно подобрать необходимые параметры и геометрию будущих протезов, а самое главное, – в точности с представлением хирурга и ожиданиями пациента. Сканирование, обработка файлов и печать – всего три автоматизированные операции в технологическом процессе, и на выходе – качественный результат.

ЛИТЬЕВЫЕ МОДЕЛИ ЧАСТИЧНЫХ СЪЕМНЫХ ПЛАСТИНЧАТЫХ ПРОТЕЗОВ

Этот процесс, один из самых технически сложных в зубном протезировании, становится с использованием 3D-печати более легким, предсказуемым и в какой-то мере даже обыденным. Материал MED610, будучи биосовместимым, может быть еще использован для получения литьевых моделей съемных частичных протезов из хромокобальтовых зубных каркасов.

ИЗГОТОВЛЕНИЕ ДИАГНОСТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ

Диагностические модели зубов, напечатанные на основе отсканированных индивидуальных слепков либо полученных напрямую из ротовой полости при помощи цифровых технологий, необходимы для точных измерений и подбора элементов лечебной аппаратуры. Данные сканирования, либо сами слепки передаются в специализированные лаборатории 3D-печати, и там по ним получают готовые диагностические модели. Это позволяет использовать все преимущества современных цифровых технологий даже при отсутствии специального оборудования в самой клинике. Для создания диагностических моделей применяют материал VeroGlaze (MED620), который сертифицирован по ISO для использования в ротовой полости. Оттенки материала позволяют добиться лучшего соответствия натуральным цветам.

ХИРУРГИЧЕСКИЕ КОНДУКТОРЫ И ШАБЛОНЫ

Это специальная съемная оснастка, позволяющая хирургу во время операции точно позиционировать место и направление ввода имплантата – строго индивидуальных параметров для каждого пациента, исходя из особенностей строения челюстей. Шаблоны бывают двух типов.

Хирургический шаблон с направляющими втулками малого диаметра для сверления.
Имплантологический шаблон со втулками большого диаметра, что позволяет через них не только сверлить, но и устанавливать имплантаты без снятия шаблона.

Доктор выбирает вариант шаблона исходя из клинической ситуации.

Удобство и преимущество применения цифровой технологии заключается в том, что вся информация от обработанного компьютерно-томографического снимка до непосредственно создания шаблона, содержится в едином формате. После печати на 3D-принтере в шаблон запрессовываются титановые втулки, которые точно определяют направление и глубину сверления. Иногда там же предусматривают втулки для фиксирующих винтов для обеспечения жесткого крепления шаблона на челюсти. Изделие можно использовать практически сразу после изготовления. Существенное достоинство – это то, что шаблон собирается в одном месте, быстро, точно и не требует специализированной лаборатории. Наиболее широко используемый материал для печати хирургических шаблонов – MED610.

ПРИМЕРОЧНЫЕ ВИНИРЫ

Винирование – это процедура восстановления внешней стороны зубов путем наложения на них винира – тонкой пластинки из фарфора, керамики или композитного материала. Сегодня такую услугу предлагают многие стоматологические клиники, но не многие могут предложить пациенту увидеть окончательный вариант реставрированных зубов еще до изготовления окончательных керамических виниров. С оборудованием Stratasys это стало доступно. Для изготовления реалистичных моделей виниров используют непрозрачный материал различных оттенков VeroGlaze (MED620), который служит основой композита, полученного смешением с материалами MED690 и VeroWhitePlus. После примерки и утверждения моделей пациентом врачи приступают к изготовлению окончательных виниров, которые после надежной фиксации используются на постоянной основе.

ЭЛАЙНЕРЫ

Элайнеры или стоматологические каппы – это съемные ортодонтические аппараты для коррекции прикуса, представляющие собой специальные накладки на зубы из биосовместимого пластика. Будучи прозрачными и практически невидимыми, элайнеры сегодня успешно вытесняют традиционные брекеты. Процесс их производства таков. Врач-ортодонт делает гипсовый слепок или оцифровывает полость рта с помощью интраорального сканера, фотографирует лицо и зубы пациента, а затем составляет рецепт, согласно которому разрабатывается виртуальный план лечения. После этого создаются трехмерные компьютерные модели челюстей с анализом движения зубов в нужных направлениях, на основе которых изготавливается (а все чаще это делается на 3D-принтерах) оснастка для термоформовки элайнеров из PETG-материала. Завершает процесс обрезка полученных образцов. В результате пациент получает для каждой челюсти комплект прозрачных капп с плавно изменяющейся геометрией для комфортного исправления прикуса.

КАППЫ

Каппы – это съемные конструкции, выполненные из эластомерного полиуретана либо силикона различной степени твердости и толщины. Окружая зубы со всех сторон и соединяя в единый блок, они позволяют укрепить их при повышенной подвижности в случае пародонтоза, защитить от повышенного стирания во время сна или повреждений, например, во время занятий спортивными единоборствами и т.д. Для изготовления мастер-моделей оснастки под термоформовку капп используется 3D-печать из материала VeroGlaze (MED620).

ТОЧНЫЕ МОДЕЛИ ЧЕЛЮСТЕЙ

Как мы видим из приведенных примеров, современная стоматология активно заимствует передовые цифровые технологии. Ведущие зарубежные и российские клиники охотно переходят на менее затратные и более быстрые технологии, задавая тем самым современный стандарт качества в стоматологии. Недаром, например, такая компания, как Stratasys, для нужд зуботехнических лабораторий предлагает целую линейку специальных принтеров серии Dental с различными возможностями по размерам рабочей зоны, производительности, а также по количеству используемых материалов. Возможно, вы даже не догадываетесь, что ваш врач-дантист уже давно использует такие современные методы для лечения ваших зубов.

В XXI веке в медицине реализовались многие научные идеи, которые когда-то казались фантастикой, – например, роботохирургия или бионические конечности. Немалая заслуга в недавних успехах медицины принадлежит аддитивным технологиям. Сегодня на 3D-принтере изготавливают модели частей тела и протезы, а в обозримом будущем обычной практикой станет 3D-печать искусственных органов и лекарств.

Один из ключевых факторов в медицине – точность, ведь малейшая ошибка в расчетах может иметь фатальные последствия. И здесь 3D-печать подходит как нельзя лучше, ведь главные преимущества этой технологии – свобода проектирования и высокая точность при создании конечных продуктов. По сравнению с традиционными методами, возможность печати уникальных единичных или мелкосерийных изделий со сложной геометрией открывает путь к более быстрому и экономичному производству.

Фото: Materialise

Преимущества аддитивных технологий для медицины

3D-технологии имеют бесспорные преимущества:

Высокая точность, позволяющая учесть индивидуальные особенности человека.

Возможность создания конструкций любой сложности.

Облегчение веса напечатанных изделий.

Сокращение сроков производства (в том числе за счет отсутствия оснастки), и как следствие – ускорение оказания медицинской помощи.

Экономия трудовых и материальных ресурсов.

Снижение себестоимости изделий.

Большой выбор инновационных материалов.

Благодаря этим особенностям оборудование можно использовать как в специализированных клиниках, так и в обычных государственных учреждениях.

Что можно напечатать на 3D-принтере, чтобы повысить эффективность лечения

Практикуется печать следующих изделий:

макеты органов, тканей и костей при планировании операций;

протезы, имплантаты, хирургические шаблоны в хирургии и стоматологии;

ортопедические стельки, корсеты и другие ортезы;

мастер-модели для медицинских изделий;

прототипы корпусов медицинских приборов;

продукция медицинской косметологии.

Такой обширный перечень позволяет ускорить и упростить процесс изготовления жизненно важных вещей для пациентов.

3D-сканирование и программное обеспечение в медицине

Медицинское ПО Materialise Mimics позволяет создавать анатомически точные 3D-модели / Фото: Materialise

С помощью 3D-сканера можно за считаные минуты получить точную трехмерную модель нужного объекта (кости, стоматологического слепка и т.д.), затем обработать полученные данные в специальном программном обеспечении и напечатать модель или готовое изделие на 3D-принтере, либо изготовить его традиционным способом. При этом отпадает необходимость хранить слепки и образцы – все 3D-модели сохраняются в цифровом архиве. При необходимости их можно оперативно откорректировать и переслать по интернету коллегам в любую точку Земного шара.

Планирование успешной операции с помощью точных макетов

Изменение напечатанных анатомических моделей в соответствии с фактическим состоянием органов – один из важнейших методов применения 3D-технологий. Такая возможность не только экономит ценное время хирургов, но и повышает точность прогнозирования болезней.

Печать макетов, моделей и прототипов из пластиков

Производительное и экономичное решение для создания предоперационных макетов и моделей медицинских изделий – 3D-печать из пластиков. Существует несколько технологий пластиковой печати, в том числе моделирование методом послойного наплавления (FDM), лазерная стереолитография (SLA), селективное лазерное спекание(SLS). Первая из них использует в качестве расходного материала термопластиковую нить или гранулы, вторая – фотополимерную смолу, третья – полиамидные или модифицированные порошки.

FDM-, SLA- или SLS-принтер станет выгодным решением для предприятий, выпускающих медицинскую технику: быстрое прототипирование корпусов приборов с помощью аддитивных технологий в несколько раз ускоряет процесс разработки продукта.

Процесс 3D-печати в медицине

Создание печатного продукта происходит в несколько этапов:

Сбор данных пациента с использованием различных технологий (КТ, МРТ, УЗИ, ПЭТ, 3D-сканирование).

По результатам исследований выбирается целевая область и создается 3D-модель в программном обеспечении.

На базе созданной 3D-модели печатается точная копия объекта.

На напечатанной модели моделируется хирургическая операция.

3D-печать протезов и имплантатов из металла

Для изготовления протезов и имплантатов используются разные технологии и материалы – от пластиков до металлов. 3D-печать металлами позволяет создать изделие с заданной сложной геометрией, идеально подходящее конкретному пациенту. Топологическая оптимизация решает такие важные для протезирования задачи, как:

создание цельнометаллической конструкции любой необходимой формы;

облегчение веса протеза;

повышение прочности изделий за счет микроскопических полостей, которые обеспечивают миграцию собственных клеток костной тканей больного;

создание протезов с пористой структурой, способствующей более быстрому вживлению.

3D-печать из металлических сплавов (в первую очередь – титановых) используется при протезировании костей челюстно-лицевой области, межпозвоночных дисков, ключиц, коленных суставов, лопаток, тазобедренных костей. В стоматологии эти материалы применяются для изготовления цельных имплантатов, а также металлических основ коронок и мостов из титана, кобальт-хрома и других сплавов.

Наиболее важными особенностями протезов, созданных с помощью 3D-печати металлами, являются идеальная точность их соединения с телом и отсутствие реакции отторжения. Создание протезов на 3D-принтере обходится дешевле и требует меньше времени.

Примеры применения на практике

Реконструкция дефекта скуловой кости по SLM-технологии

Восстановление обширного дефекта скуловой кости – сложная хирургическая операция, в ходе которой необходимо сделать лицо пациента симметричным, пропорциональным и анатомически естественным. 43-летний мужчина обратился в отделение с тяжелым дефектом левой средней зоны лица, который он получил 6 годами ранее в результате автомобильной аварии. Поврежденная кость была восстановлена с помощью индивидуального титанового имплантата, напечатанного на аддитивной установке SLM Solutions. Спроектированный на компьютере имплантат обладал идеальной геометрией, а операция по его установке прошла именно так, как было запланировано. Наблюдение за пациентом в течение следующего года не выявило никаких осложнений.

Результаты применения 3D-технологий:

отличная биосовместимость и интеграция биоимплантата в ткани;

уменьшение веса титанового изделия за счет создания его полой версии;

ускоренная интеграция благодаря наполнению имплантата материалом, взятым из подвздошной кости пациента;

готовое изделие идеально подошло к поврежденному участку и не требовало подгонки во время операции;

полное отсутствие осложнений и побочных эффектов после установки имплантата.

Получение таких результатов дала надежду на успешное использование аддитивных установок при хирургических операциях.

Как создавалась точная модель позвоночника и трахеи

Своим практическим опытом применения 3D-печати в медицине делятся специалисты компании ProtoFab, производящей широкий ассортимент SLA-принтеров и материалов. Представители Третьей больницы Пекинского университета обратились в ProtoFab с просьбой создать точную трехмерную модель позвоночника и трахеи пациента для подготовки к предстоящей операции. Вызванные заболеванием осложнения не позволяли хирургу ввести трубку в трахею для выполнения операции. Врачам требовалась модель, с помощью которой они могли бы практически оценить различные способы решения этой проблемы.

Изготовление протезов с помощью 3D-технологий

Команде исследователей из Chabloz Orthopédie (Франция) удалось создать уникальный и по-настоящему революционный протез. Компания работала с Дени Готье, у которого было ампутировано предплечье. Сначала специалисты провели 3D-сканирование здоровой руки пациента с помощью сканера peel 3d, чтобы получить ее зеркальное отображение. Это было сделано для того, чтобы спроектированное изделие идеально повторяло пропорции здоровой конечности. Оставшаяся часть ампутированной руки также была отсканирована для достижения удобной и эргономичной посадки протеза.

Дени Готье с готовым протезом

Далее команда приступила к проектированию CAD-модели и разработке миоэлектрического протеза. Аккумуляторы, кабели датчиков и искусственная кисть были интегрированы с изготовленным предплечьем. Сам протез был разработан в САПР и напечатан на 3D-принтере. Для печати различных компонентов предплечья использовалась технология HP Jet Fusion. После изготовления все детали прошли финишную обработку и были покрашены.

Использование 3D-сканирования и 3D-печати гарантирует не только правильную посадку приспособления, но и дает полную свободу движений. Новый подход к проектированию протезов позволяет профессионалам разрабатывать решения, обладающие небольшим весом и легко кастомизируемые. Вам известно, что созданные на 3D-принтере детали на 20% легче, чем их аналоги из углеродного или стекловолокна? Такие изделия обладают еще и необходимой жесткостью, твердостью и долговечностью.

Позже этот инновационный протез совместили с кистью BeBionic, одной из самых продвинутых бионических конечностей, и по индивидуальным параметрам были изготовлены ультрасовременные миоэлектрические предплечье и кисть. Случай Готье – отличный пример инновационного использования технологий 3D-измерений и 3D-печати.

Протезирование тазобедренного сустава

Институт травматологии и ортопедии им. Р.Р. Вредена совместно с ЛЭТИ (Санкт-Петербург) провели работу по созданию и 3D-печати протеза тазобедренного сустава из титана. На основе КТ был создан пластиковый макет кости. Следующий этап – проектирование имплантата и корректировки по его позиционированию на кость. Затем, после того как врачи провели планирование операции на макете, протез был напечатан на 3D-принтере. Пациент, у которого в результате травмы был практически разрушен тазобедренный сустав, встал на ноги.

Печать роговицы глаза

Эта разработка очень важна для всего мира, так как эта часть глаза в любой момент может пострадать от ожога, инфекции или травмы. Миллионы человеку по всему миру нуждаются в пересадке, и не могут себе её позволить, так как настоящего донорского материала не хватает.

Технология нуждается в клинических испытаниях, но надежда на массовую печать роговицы глаза существует.

3D-печать моделей сосудов

Модели кровеносного сосуда и аневризмы / Фото: ProtoFab

Важнейшую роль для полноценной эмболизации внутричерепной аневризмы играют устойчивое положение микрокатетера и его оптимальная форма. С помощью 3D-принтера можно напечатать модели кровеносного сосуда и аневризмы, которые помогут хирургу лучше понять анатомическую структуру. Правильная формовка микрокатетера при внутричерепной аневризме – сложный процесс, и врачам, которые в первый раз сталкиваются с данной методикой, необходимо длительное обучение. Для наглядной демонстрации кровеносных сосудов и аневризмы можно использовать модель, напечатанную на 3D-принтере в натуральную величину.

Напечатанный хирургический шаблон / Фото: ProtoFab

Аддитивное производство шаблонов

Традиционно для планирования остеотомии используются рентгеновские снимки. Однако на двухмерных снимках не отражается фактическое состояние костей. В связи с этим 60% операций не дают положительный результат. Решить данную проблему помогут 3D-шаблоны, напечатанные компанией Materialise. Производство таких шаблонов не требует больших затрат, и они доступны всем пациентам.

Актуальность 3D-моделирования в будущем

В последние годы уделяется все большее внимание 3D-печати в медицине и ее преимуществам – высокой точности, производительности и возможностям кастомизации. Наряду с совершенствованием 3D-оборудования ведется активная работа по созданию новых материалов для медицины. С помощью аддитивных технологий можно будет, к примеру, напрямую печатать изделия из керамики, а также создавать цельные зубные протезы, включая зубы и десны, из биосовместимых материалов.

Направление современной медицины, с которым связывают прорыв в лечении болезней и патологий в обозримом будущем, – 3D-печать тканей, кровеносных сосудов и органов, или 3D-биопринтинг. Ведущие научные и медицинские центры разрабатывают новые технологии и проводят клинические исследования в этой области.

Достижения аддитивных и биомедицинских технологий будут способствовать развитию бионического моделирования и 3D-печати тканей и органов, что позволит сохранить здоровье и спасти жизни огромному числу людей.

Помощь IT-индустрии в период пандемии коронавируса

Множество компаний поддерживают медицинские учреждения в период пандемии COVID-19. Поставщики медицинского оборудования не справляются с нагрузкой, особенно это связано с защитными средствами (респираторы, маски, экраны). Во всем мире 3D-печать стала оказывать реальную помощь, выражающуюся в производстве прототипа клапана, который устанавливается в респиратор. Поставщик Lonati SPA в Италии смог напечатать клапан из PA12. Производительность составляла от 100 штук в сутки, а цена была минимальная.

В Великобритании многие производители перестроились на изготовление оборудования для вентиляции легких. Одна из компаний изготавливала детали из металлов и полимеров, которые помогли в производстве зажимов, креплений и корпусов. Благодаря технологии лазерного спекания можно производить одновременно десятки деталей, не требующих обработки.

В нашем блоге мы продолжим знакомить вас с темой внедрения 3D-печати в медицине. Следите за публикациями!

Читайте также: