Использование 3D моделирования в сфере медицины

Введение

На сегодняшний день, 3D технологии становятся всё более распространёнными. Они находят своё место во множестве сфер, и как показывает практика – это не просто временный тренд, а скорее важное направление для будущего развития. Сложно не заметить, как активно они внедряются даже туда, где раньше казалось невозможным.

3D печать используется при создании моделей органов, которые, по словам некоторых врачей, значительно упрощают подготовку к операциям. Есть даже случаи, когда на основе таких моделей делали импланты, подходящие по форме конкретному пациенту. Правда, такие технологии пока что доступны далеко не всем клиникам. Особенно в регионах, где даже базовое оборудование иногда устаревает.

Объекты и методы исследования

В этом исследовании в основном рассматривается техническая сторона применения 3D моделирования в медицине. В центре внимания находятся цифровые модели анатомии человека, которые создаются на основе данных с медицинской визуализации. Задача работы – посмотреть, какие способы используются для создания этих моделей, как они обрабатываются и как вообще применяются в медицине – в разных её областях.

Источники данных

Для создания 3D моделей берутся исходные данные с КТ, МРТ и УЗИ [1]. Всё это сохраняется в формате DICOM – он считается стандартом хранения медицинских снимков. Чтобы модели были более чёткие и пригодные к работе, изображения обычно проходят предобработку. Например, убирают шумы, выравнивают контрастность и исправляют разные артефакты (которые бывают особенно на МРТ).

Программы и инструменты

Для того чтобы обрабатывать и смотреть эти изображения используются разные программы. Основные из них:

• 3D Slicer – бесплатная программа с открытым кодом, умеет много чего, от анализа снимков до визуализации
• Mimics – удобная платформа, особенно часто используется в медицине, позволяет делать точные модели
• OsiriX – в основном подходит для просмотра мед изображений, есть опции для 3D реконструкции

С помощью этих инструментов можно выделить нужные участки в теле, собрать 3D модель и подготовить ее для печати.

Сегментация и 3D реконструкция

Сначала проводят сегментацию – то есть отделяют нужные объекты на снимке. Тут есть разные методы.

• Пороговая сегментация (делит по интенсивности пикселей);
• Региональный рост (от «затравки» в стороны);
• Активные контуры (используются математические функции для границ);
• Машинное обучение – нейросети тоже стали применять, особенно для сложных структур.

После этого делают 3D модель. Для этого чаще всего используется алгоритм Marching Cubes, он превращает плоские данные в объёмную поверхность. Потом можно сохранить модель в STL или OBJ – это форматы, которые подходят для печати.

3D печать и физические модели

Полученные модели можно печатать. Всё зависит от задач:

• FDM – дешёвый способ, наплавляется пластик слоями;
• SLA – смола и лазер, точная, но дороже;
• SLS – лазер спекает порошок, выходит крепко и точно.

Что выбрать – зависит от того, какую деталь печатаем и насколько нужна прочность и точность [2].

Связь с хирургией

Иногда эти модели подключают к хирургическим системам навигации. Тогда врач может прямо во время операции видеть, где находится инструмент относительно органа. Это сильно помогает в нейрохирургии и при операциях на лице, потому что там нужна максимальная точность. И в ортопедии тоже применяют [3].

Результаты и обсуждение

Во время этого исследования было рассмотрено, как трехмерное моделирование можно применить в ортодонтии. Целью было сделать цифровую модель челюсти пациента – на основе сканов – потом её немного доработать и подготовить к печати на 3D-принтере. Эта модель нужна была не только чтобы показать сам клинический случай, но и чтобы продемонстрировать как можно планировать лечение.

Построение модели челюсти и этап перед печатью

На первом этапе нужно было получить максимально точный «слепок» челюсти, и это можно сделать с помощью интраорального сканера. Скан был экспортирован в формате STL, с последующей обработкой его в программах Meshmixer и Blender. Тут нужно было аккуратно убрать артефакты (а они часто появляются после сканирования) (рис. 1).

Рис. 1. Исходная модель челюсти после сканирования

Дальше была чистка сетки: уменьшение количества полигонов, при этом соблюдение формы (рис. 2). В конце модель проверялась на герметичность и ошибки в сетке – это важно иначе при печати могут возникнуть проблемы [4].

Рис. 2. Модифицированная и очищенная модель, готовая к печати

Когда модель была уже распечатана, её использовали в двух направлениях. Во-первых, пациенту можно наглядно объяснить суть его ситуации – показать на конкретной физической модели (рис. 3). Во-вторых, врач обсудил варианты лечения – какие капы можно использовать, как скорректировать прикус и так далее.

Рис. 3. Фото физической 3D-модели челюсти

Таким образом врач получил хороший инструмент для планирования и анализа, пациент – больше понимания. Вся процедура от скана до готовой модели занимает один рабочий день.

Заключение

Использование 3D в стоматологии и ортодонтии даёт значительный эффект. Особенно когда надо быстро показать пациенту его ситуацию или заранее определить, как будет выглядеть результат. Всё, конечно, держится на том, насколько точно были сделаны сканы и пост-обработка.

Программ для создания такого рода моделей много, но в основном для технических работ используется Exocad, для печати на принтерах используются «слайсеры», как Meshmixer.

Подводя окончательные итоги, стоит отметить что использование 3D в медицинской практике, это не просто тренд, а логичный шаг вперед, в сторону прогресса. Со временем данная технология и процессы будут развиваться и улучшаться, что делает данную технологию незаменимой.