3D Akadémia | Egészségügyi 3D nyomtatás útmutató
Összefoglaló az egészségügyi 3D nyomtatás módszereiről letölthető útmutatóval CT felvételek DICOM fájljainak 3D nyomtatásához nemcsak orvosok számára.
orvosi 3D nyomtatás, egészségügy, orvos, szakember, 3d nyomtatás, smart healthcare, ct, mri, mr, ct felvétel, 3d nyomtatható, 3d modell, orvos, szakorvos, fogászat, fémnyomtatás
5484314
post-template-default,single,single-post,postid-5484314,single-format-standard,ajax_fade,page_not_loaded,smooth_scroll,,wpb-js-composer js-comp-ver-4.12.1,vc_responsive

Hogyan készül 3D nyomtatható modell CT- és MRI-felvételekből? – desktop 3D nyomtatók az egészségügyi 3D nyomtatás szolgálatában

A 3D nyomtatás és 3D szkennelés kapcsán számos kutatási területről hallhattunk már az orvostudományban, azok rendszerint azonban a tudományos fantasztikum műfajába tartoznak. Olvashattunk korábban 3D nyomtatással előállított állati és emberi szövetről, valamint fémnyomtatással készült titán implantátumokról, amelyeket életmentő műtétek során már sebészek sikerrel be is ültettek a szerencsés páciensekbe. Sőt, nemrégiben olvashattunk biokompatibilis anyagból nyomtatott speciális, beültethető alkatrészekről, amelyek szív- és tüdőbeteg emberek életét menthetik majd meg a jövőben.

 

Az orvostudomány régóta használ 3D-s technológiákat diagnosztikai célokra. Legkorábban talán a sebészet és a fogászat területein merült fel az igény a roncsolásmentes, 3D-s vizsgálati módszerekre. Régebben a leghatékonyabb roncsolásmentes vizsgálati módszer a röntgensugárral történő átvilágítás volt, amely azonban csupán síkbeli eredményeket tudott produkálni, azaz csak a sugárt kibocsátó vetületi nézőpontból lehetett megvizsgálni az adott területet. Mára azonban már nem kell a világ legkorszerűbb orvosi kutatólaborjaiba látogatnunk, ha arra vagyunk kíváncsiak, hogyan menthetnek emberi életeket a 3D nyomtatók. Sokszor ugyanis nem beültethető protézisekre van szüksége a gyógyító szakembernek, pláne nem bioplotterekkel készített élő szövetmintákra. A sebészek nagy részének (és persze a pácienseknek) már az is óriási segítség, ha a beteg felnyitása nélkül, fizikai valójában tudnak 3 dimenzióban megvizsgálni egy törött csontot vagy sérült belső szerveket.

Akik sokat olvasnak a témáról, vagy már volt szerencséjük részt venni a 3D nyomtatás, 3D szkennelés vagy 3D modellezés képzéseink valamelyikén, tudják: 3D nyomtatáshoz mindenképpen szükségünk van egy 3D-s modellre (általában .stl file), amelyet felszeletelve a 3D printerek rétegről rétegre elkészítik a fizikai, kézzel fogható objektumot. Ez a fajta átjárhatóság a fizikai és a virtuális térbeliség között rendkívül fontos, nem csupán az űrkutatás, az autóipar vagy a design számára, de az egészségügyi vizsgálatok és beavatkozások számára is kulcsfontosságú jelentősséggel bír.

 

Egy sebész számára például hatalmas segítség, ha egy törött csontot vagy szerkezetet a beteg felnyitása nélkül, a diagnosztikai CT-felvételek alapján 3D nyomtatott modell formájában is meg tud vizsgálni, megnézheti a nehezen hozzáférhető helyeket, sőt, esetleg el is próbálhatja az operációt, minimalizálva ezzel a sebészi beavatkozás közben fellépő komplikációk esélyét. Az eredmény pedig számokban mérhető: egy bonyolultabb műtét akár órákkal lehet rövidebb, ha a szakember tudja, mivel találkozik majd a páciens felnyitása után. Ezzel kevesebb az altatásban töltött idő, a rövidebb operációnak hála csökken a fertőzések veszélye is, így végső soron az egyszerű asztali 3D nyomtatók is képesek életeket menteni.

egészségügyi 3D nyomtatás útmutató CT felvételek 3D nyomtatásához

Letölhető egészségügyi 3D nyomtatás útmutató lépésről lépésre:
Hogyan készíthetünk CT felvételekből 3D nyomtatásra is alkalmas STL fájlokat?

Név*:


Email cím*:


Telefonszám*:


Cég/Intézmény*:


Habár óriási az anatómiai modellek szakirodalma, tankönyvi ábrákból mégsem a leghatékonyabb a belső szerveink megismerése. De ez nem is meglepő, hiszen a valóságban nincs két egyforma ember. Ez igaz az egészséges emberi szervezetre is, de a különböző fejlődési rendellenességek esetében vagy baleseti sérüléseknél még inkább így van: ahány fejlődési rendellenesség, ahány deformitás, ahány sebesülés, annyiféle különböző formát ölthetnek belső szerveink vagy éppen csontjaink. A modern kor sebészeinek amúgy is sokkal könnyebb dolga van, mint pár évtizeddel korábbi kollégáiknak, akiknek néhány statikus röntgenfelvétel alapján kellett elképzelniük, mivel találkoznak majd a páciensben, amikor felnyitják – feltéve, hogy a műtendő szerv egyáltalán felismerhető volt a röntgenképen -, s ezen ismeretek birtokában kellett előre megtervezniük a műtéti beavatkozást.

 

A modern kori orvostudományban már olyan korszerű képalkotó eljárások segítik az orvosokat, amelyek kontrasztanyag befecskendezésével az érrendszert vagy a lágyszöveteket is láthatóvá teszik, sőt azokról háromdimenziós, a számítógép képernyőjén tetszőlegesen nagyítható és forgatható virtuális modelleket készítenek. Egy hatalmas különbség azonban van a virtuális és a 3D nyomtatott anatómiai modellek között: A digitális 3D geometrián még mindig nem lehet előre kipróbálni a mozdulatokat; tesztelni, hogy a műszerek hogyan férnek hozzá az operáció során feltárni kívánt területhez.
Egészen olcsó 3D nyomtatók segítségével azonban a műtendő szerv speciális, non-invazív képalkotó módszerekkel – CT-vel, MR-rel – létrehozott virtuális 3D-s modelljét valóságos, tapintható és manipulálható test formájában hozza létre, amelyen az elváltozás részletei kiválóan tanulmányozhatók, és a műtét előre “elpróbálható”. A majdani valóságos műtétet lényegesen lerövidítheti, és sok váratlan komplikációt előre kivédhet, amennyiben a sebészi csapat a 3D nyomtatott PLA modell segítségével mintegy előre begyakorolhatja az operációt, és nem a műtőasztalon fekvő kinyitott betegben szembesül először a valós helyzettel.

3d nyomtatott egészségügyi modell
orvosi 3D modell előkészítése 3D nyomtatásra

Az orvosok beszámolói alapján a komplexebb, több órás operációk sikeres kimenetelét összetettségükből adódóan a műtéti beavatkozás alapos megtervezésének pontossága vetíti előre, és ebben nyújt egyedülálló segítséget a 3D nyomtatás. A betegről CT vagy MR technológiával készült felvételeket felhasználva a 3D nyomtatók tökéletes, akár életnagyságú modelleket készítenek, amely lehetővé teszi a műtétre való alapos felkészülést, jelentősen növelve az orvos magabiztosságát és csökkentve a váratlan helyzetek kialakulásának valószínűségét. A DICOM fájlok konvertálása 3D nyomtatható STL fájlokká szerencsére mindössze néhány egyszerű lépés, amelyet bármely egészségügyi szakember könnyen elsajátíthat.

egészségügyi 3D modell nyomtatásra veló felkészítés előtt

Azoknak, akik nem dolgoznak vele nap mint nap, álljon itt a CT felvétel magyarázata: “ A komputertomográfia a hagyományos Röntgen-átvilágítási technika szellemes továbbfejlesztése. A tomográfiás felvétel esetében vékony, síkszerű röntgensugár-nyalábbal világítják át a vizsgált objektumot. Az objektum mögött elhelyezett detektor egy vonal mentén érzékeli, hogy a sugárnyalábból hol és mennyi nyelődött el. Az ábrán egy tojásdad, kisebb áteresztőképességű maggal bíró testet világít át a síkszerű röntgensugár-nyaláb. A háttérben a detektor által észlelt intenzitás görbéje látható. A sugárnyalábbal ugyanebben a síkban több irányból is átvilágítják a testet, és a mért intenzitásgörbékből kibontakozik az adott síkban (szeletben) elhelyezkedő részletek rajza. A síkot ezután arrébb tolják és újra körbeforgatják. Az eljárás befejeztével a vizsgált test térbeli szerkezete feltérképezhető. „Szerkezeten” itt a röntgensugáráteresztő-képesség szempontjából megkülönböztethető részletek elrendeződése értendő.” (wikipedia)

Ezen felvételek megfelelő szűrésével beállítható például, hogy a csontszerű, kemény anyagok kontúrja látszódjon élesen, de akár lágy szövetekre is optimalizálhatjuk a felvételeket. Egy speciális szoftver ezen szeletek összefűzésével, majd megfelelő távolságban a Z tengely mentén egymásra helyezve őket, a kontúrokra összefüggő felületet feszít, amely felülethálót 3D modellező szoftverek segítségével javítva és bezárva 3D nyomtatásra alkalmas, digitális 3D modell készíthető. Bár elsőre annak hangzhat, az eljárás egyáltalán nem bonyolult. Bárki számára elsajátíthatók a lépések, és nem igényelnek drága orvosi szoftvereket sem: ingyenes és/vagy open-source eszközök segítségével tökéletesen kivitelezhető az átalakítás, ha tudjuk, mit mivel szeretnénk elérni. Aki kíváncsi arra, hogyan lehetséges mindez, megismerheti a módszert, ha letölti az általunk elkészített egészségügyi 3D nyomtatás útmutatót. Az oktatóanyag segítségével bárki begyakorolhatja a műveletet az otthoni számítógépén is, és akár ki is nyomtathatja saját agyát vagy csontjait egy olcsó asztali 3D nyomtató segítségével, mint például a Makerbot Replicator+, az open-source Ultimaker vagy a nagyfelbontású Form 2 3D nyomtató.

 

Ma már a világ számos részén élnek az orvosok a 3D nyomtatás nyújtotta lehetőségekkel. A rétegről rétegrő történő olcsó, gyors és egyedi digitális gyártástechnológia egyszerűsítheti és gyorsíthatja az összetett csonttörések és feljlődési rendellenesség következtében létrejött csontszöveti elváltozások műtéti korrekcióját, például úgy, hogy a rögzítésre szolgáló csavarok pontos helyzetét, hosszát és lefutásának irányát a 3D nyomtatással készült modellnek hála előre meg tudják határozni. Könnyen belátható tehát, hogy a 3D nyomtatott, méretpontos modellek hatalmas segítséget nyújtanak az optimális műtéti eljárás megválasztásában, az egyes lehetséges beavatkozások kivitelezhetőségének előre megítélésében, így komoly kockázatoktól kímélik meg a pácienseket.

3D nyomtatott orvosi modellek

Ami talán meglepő, hogy nem csupán műtétek megtervezésére, de hajszálpontosan illeszkedő csontpótlások elkészítésére is alkalmas lehet egy egyszerű, műanyagszálolvasztásos (FDM) technológiát használó asztali 3D nyomtató. Az eljárás során a páciens sérült csontszövetéről készült CT felvételek alapján, egy speciális szoftver segítségével létrehozzzák a 3D nyomtatáshoz szükséges STL adatállományt. Ezután már csak egy gombnyomás választ el minket a törött csontszövetbe nagy pontossággal illeszkedő pótdarab 3D nyomtatásától. Természetesen, mivel nem speciális, biokompatibilis anyaggal dolgozó méregdrága 3D nyomtatóról beszélünk, az így elkészült darab még nem alkalmas közvetlenül implantációra, hiszen az anyaga, amely rendszerint biológiailag lebomló PLA, vagy ipari ABS. Ezek a hétköznapi műanyagok sem a csonttal szemben támasztott szilárdsági követelményeknek, sem a megfelelő sterilizálhatóság elvárásainak nem felelnek meg. Azonban a pótdarabot szilikonnal körülöntve, majd a megkötött szilikonból azt kiemelve és a képződött üregbe csontcementet préselve néhány óra leforgása alatt megkaphatjuk az immár beültetésre is alkalmas, teljesen személyre szabott csontpótlást.

 

Természetesen nem az asztali, műanyaggal dolgozó 3D nyomtatók képezik az orvostudományban alkalmazott 3D nyomtatási technológiák csúcsát. Azonban be kell látni, hogy számos feladatra kínálnak olcsóbb és gyorsabb megoldást, mint a többszázmillió forintos, speciálisan egészségügyi célokra fejlesztett szekrény méretű 3D nyomtatók. Mint sok más esetben, a megoldás az egyensúly megtalálásában rejlik, ahol egyik technológia kiegészíti a másikat és így felesleges kiadásokat és időt sporolhatnak az egészségügyi szakemberek.

 

Az orvostudományban különlegesen izgalmas megoldást jelentő fémnyomtatók például többszáz millió forintba kerülnek. Ezek viszont akár orvosi titánnal is képesek nyomtatni, mely még a hagyományos, forgácsoláson alapuló gyártástechnológiánál is sterilebb. Ráadásul a rétegről rétegre történő lézerolvasztásos eljárásnak köszönhetően sokkal organikusabb felület is elérhető, amely könnyebben beépül a beteg csontszövetébe, minimalizálva ezzel a kilökődés és a fertőzés veszélyét. A speciális titán implantátumokat még bevonhatják orvosi biokerámia réteggel is, így teljesértékű, beültethető csontpótlás készíthető digitálisan, közvetlenül 3D nyomtatással. A kevésbé drága, de még mindig több tízmilliós, akár 16 mikron precizitásra képes ipari SLA 3D nyomtatók szintén népszerűek az egészségügyben, azonban a gép ára mellett az alapanyag sem olcsó (min. nettó 70 000 Ft/kg). Ezzel szemben egy műanyagolvasztásos FDM 3D nyomtató mindössze nettó 5-6 ezer Ft/1 kg alapanyagáron képes akár 50 mikron pontossággal teljesíteni egy sor kulcsfontosságú orvosi 3D nyomtatás feladatot.

3d nyomtatott csontpótlás fémből

A hazai piacon a FreeDee Printing Solutions rendelkezik az egyik legnagyobb FDM asztali 3D nyomtató kínálattal. Emellett október eleje óta a főképp fogászok és ékszerészek számára izgalmas asztali Form 2 sztereolitográfiás 3D nyomtató is bekerült a portfólióba, amely biokompatibilis, FDA pecséttel rendelkező orvosi célú alapanyagból is képes 25 mikron precizitással nyomtatni. Év eleje óta pedig a FreeDee jóvoltából is elérhető az orvosi titán alapanyaggal működő fémnyomtatás is, a világhírű angol Renishaw cég technológiája révén. A fogászati és sebészeti implantátumok nyomtatására alkalmas technológia egyedülálló a világon, a CT felvételekből vagy például az Artec Spider és Eva professzionális, nagyfelbontású 3D szkennereivel beolvasott geometriai adatok alapján a szakemberek néhány perc alatt el tudják készíteni a 3D nyomtatható modellt.

3D nyomtatott titán csontpótlás
Form 2 nyomtatóval készült fogászati 3D nyomtatás