Труды VI Межвузовской научной школы молодых специалистов «Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии, медицине», 21-22 ноября 2005 г. Под редакцией Б.С.Ишханова, Л.С.Новикова, НИИЯФ МГУ, 2005 г., с. 112-117

Компьютерное моделирование и лазерная стереолитография в торакальной хирургии.

А.В.Евсеев, Е.В.Коцюба, С.А.Майорова Институт проблем лазерных и информационных технологий РАН.
Л.А.Брусова, И.П.Брусов, С.А.Перфильев Центральный научно-исследовательский институт стоматологии
А.А.Адамян Научно исследовательский институт хирургии им.А.А.Вишневского
1.Введение.
    Современные методы быстрого прототипирования /1/ позволяют решить большинство проблем, связанных с изготовлением пластиковых копий компьютерных моделей, которые были созданы программным обеспечением для трехмерного проектирования, например САПР. Однако часто появляется необходимость быстрого изготовления копий реальных объектов, например, в таких областях, как археология, медицина и др. Следовательно, актуальной является задача быстрого и точного преобразования данных, полученных с помощью измерительных машин, томографов и других средств контактной и бесконтактной диагностики объектов в их вещественные копии.
    Широкое внедрение в медицинскую практику компьютерной томографии и развитие методов быстрого прототипирования, одним из которых является лазерная стереолиграфиия, стимулировали работы по развитию методов оперативного изготовления индивидуальных имплантатов с целью внедрения их медицинскую практику. В медицине, в настоящее время, пластиковые модели, изготовленные методом лазерной стереолитографии, наиболее широко используются в черепно-лицевой хирургии, при подготовке и планировании операций по устранению врожденных и посттравматических дефектов и изготовления индивидуальных имплантантов /2/.
    Целью данной работы являлось построение по результатам рентгеновской томографии компьютерных моделей грудной клетки, изготовление методом лазерной стереолитографии пластиковых копии ее фрагментов и разработка методики их использования при изготовлении силиконовых имплантатов.

2. Методика эксперимента.

    Эксперимент включал в себя:
  1. Обследование пациента на рентгеновском компьютерном томографе в Центральном научно-исследовательском институте стоматологии (ЦНИИС).
  2. Предварительную обработку результатов томографического исследования, с целью получения упорядоченного набора томограмм (аксиальные срезы) в виде файлов в формате DICOM.
  3. Пересылку томограмм по сети INTERNET в Институт проблем лазерных и информационных технологий РАН (ИПЛИТ РАН).
  4. Преобразование томограмм в трехмерную компьютерную модель в формате STL.
  5. Изготовление пластиковой копии фрагмента грудной клетки методом лазерной стереолитографии.
  6. Изготовление силиконового имплантата для устранения косметического дефекта спины и поясницы, развившегося вследствие деформации грудного и поясничного отделов позвоночника.

2.1. Компьютерная томография.

Томографическое исследование пациентки К. (22 года) проводилось в ЦНИИС на рентгеновском томографе MEDICAI SYSTEM фирмы GENERAL ELECTRONICS (GE). В результате был получен пакет томограмм (полутоновых изображеий) в виде файлов в формате DICOM, который по сети INTERNET был передан в ИПЛИТ РАН.

Пакет томограмм состоял из 216 файлов (110 МБ) в формате DICOM, которые представляли изображения аксиальных срезов, полученных с шагом 1 мм. Размер изображения был 512 x 512 пикселей, размер пикселя на изображениях был равен 0.49 x 0.49 мм.

2.2. Построение трехмерной компьютерной модели

Обработка томограмм и построение трехмерной компьютерной модели проводилось на IBM PC совместимом компьютере.

Для предварительного просмотра томограмм использовалась программа XnView (http://www.XnView.com), которая позволяет просмотривать файлы в формате DICOM и конвертировать их в любой удобный IBM PC совместимый формат.

Просмотр томограмм показал, что для построения адекватной компьютерной модели грудной клетки изображения нуждаются в редактировании, так как необходимо построить как костные, так и хрящевые фрагменты грудной клетки. Яркость этих объектов на томограммах значительно различалась и на томограммах присутствовали фрагменты объектов с яркостью меньше костных, но больше (или равных) хрящевых. Попытка построить компьютерную модель по исходным томограммам приводит к тому что, либо из-за отсутствия хрящевых фрагментов модель получается на полной, либо выделить грудную клетку в компьютерной модели не удается совсем. Поэтому проводилось редактирование томограмм. Для этого с помощью XnView томограммы конвертировались из формата Dicom в формат PCX, который удобно редактировать в пакете PhotoShop.

томограмма грудной клетки - один из срезов томограмма грудной клетки - один из срезов после редактирования
а)
б)
Рис.1. Одна из томограмм до (а) и после (б) редактирования.

В качестве примера на Рис.1 приведены аксиальные срезы до и после редактирования. Отредактированный набор томограмм в формате PCX использовался для построения трехмерной компьютерной модели.
Компьютерная модель грудной клетки Компьютерная модель грудной клетки - фрагмент
а)
б)
Рис.2. Компьютерная модель грудной клетки (а) и ее фрагмент (б), который изготавливался на ЛС-400/Э

Для построения модели в формате STL использовалась программа 3DView разработанная в ИПЛИТ РАН. Эта программа работает под операционной системой OS/2 в версии eComStation. Процедура преобразования томограмм подробно описана в /3/. На Рис.2а приведена компьютерная модель грудной клетки, полученная в результате обработки отредактированных томограмм программой 3Dview.

Дальнейшее обработка компьютерной модели в STL формате проводилась программой Magics фирмы Materialize. Для планирования операции и изготовления силиконового имплантата не требовалось изготовление всей грудной клетки, а был необходим только ее фрагмент в области дефекта. Эта область интереса вырезалась из построенной компьютерной модели (Рис.2б). Дальнейшая обработка этого фрагмента модели включала его позиционирование в рабочей области, верификацию, генерацию подпорок и разбиение на слои. Расчет траектории лазерного луча для воспроизведения сечений выполнялся программой CliTgf на управляющем компьютере установки ЛС-400/Э.

2.3. Изготовление пластиковой модели фрагмента грудной клетки.

Пластиковая копия фрагмента грудной клетки изготавливалась на установке лазерной стереолитографии ЛС-400/Э, разработанной и изготовленной в ИПЛИТ РАН. Эта установка позволяет изготавливать пластиковые копии компьютерных моделей с габаритыми размерами 400 x 400 x 220мм слоями толщиной 0.05-0.3 мм.

Так как компьютерная модель не содержала элементов с размерами меньше 0.5 мм, то пластиковая модель изготавливалась из фотополимеризующейся композиции ИПЛИТ-3 (разработанной в ИПЛИТ РАН) слоями толщиной 0.2 мм. Для ИПЛИТ-3 этот режим обеспечивает максимальную производительность установки и, следовательно, наибольшую оперативность изготовления пластиковой копии.

После завершения процесса послойного «выращивания» пластиковая модель извлекалась из установки и отделялась от съемной рабочей платформы установки. Далее удалялись подпорки, модель промывалась в ацетоне марки ВЧ, продувалась сжатым воздухом и 30 минут сушилась в УФ камере. После этого производилась шлифовка областей контакта подпорок с моделью, по реперным точкам проверялось соответствие пластиковой модели ее компьютерному образу и окончательно обработанная модель передавалась в ЦНИИС.

2.4. Изготовление силиконового имплантата.

Изготовление имплантата производилось в Центральном научно-исследовательском институте стоматологии в группе имплантологии и эктопротезирования под руководством профессора Брусовой Л.А. Для устранения деформации грудной клетки было решено изготовить индивидуальный имплантат из силикона.

Сложность моделирования имплантата заключалась в том, что необходимо было изготовить имплантат значительного объема и установить его в зоне наиболее подвижной части спины.

Пластиковая модель фрагмента грудной клетки и имплантатТолько наличие пластиковой модели фрагмента грудной клетки позволило справиться с этой непростой задачей. Обжав восковой пластиной все выступающие реберные дуги на пластиковой модели, и набрав недостающий объем, осталось добиться симметрии, ориентируясь на здоровую часть спины. Для обеспечения подвижности имплантат был разделен на 3 части (Рис.3).

Стереолитографическая модель позволила точно определить места разделения имплантата на части, оптимально рассчитать границы с позвоночником и нижним краем лопатки, а также рассчитать толщину имплантата под лопаткой, что обеспечило ее беспрепятственную экскурсию.

Присутствие пластиковой модели фрагмента скелета и восковой модели имплантата рядом с операционным столом не просто облегчает хирургу ориентацию в оперативном пространстве, а исключает возможность ошибок связанных с атипичным строением костных структур, мышц и внутренних органов.

Операция была проведена в Научно исследовательском институте хирургии им. А.А.Вишневского, профессором Адамяном А.А. Результат операции хороший.

3. Результаты эксперимента и их обсуждение.

Компьютерная томография, компьютерное моделирование и лазерная стереолитография были применены для изготовления силиконового имплантата, предназначенного для устранения косметического дефекта спины и поясницы, развившегося вследствие деформации грудного и поясничного отделов позвоночника при наличии S-образного искривление всего позвоночного столба. В данной ситуации опора и фиксация силиконового имплантата была возможна только к реберным дугам в достаточном удалении от позвоночного столба. Без стереолитографической модели моделирование имплантата было возможно настолько грубо и приблизительно, что делало операцию достаточно рискованной.

Данный клинический пример - наиболее типичный случай подготовки к хирургической операции с помощью расчетов произведенных по стереолитографической модели.

Успех, достигнутый в исправлении такой нетривиальной деформации, позволяет надеяться на применение метода изготовления стереолитографических моделей в решении все новых проблем.

Авторы выражают признательность и благодарность члену-корреспонденту РАН Панченко В.Я. за поддержку данной работы.

Литература.

1. "Stereolithography and other RP&M technologies", ed. P. F. Jacobs. 1995, Dearborn, MI: Society of Manufacturing Engineers, 451 p.

2. A.V.Evseev, S.V.Kamaev, E.V.Kotsuba, M.A.Markov, M.M.Novikov, V.Y.Panchenko, V.K.Popov, ⌠Computer biomodeling and laser stereolithography ■, Eighth International Conference on Laser and Laser Information Technologies; Vladislav Y. Panchenko, Nikola V. Sabotinov; Eds., Proc. SPIE Vol. 5449, p. 188-201, 2004

3. Абрамов С.С., Болдырев Н.И., Евсеев А.В, Коцюба Е.В., Новиков М.М., Панченко В.Я., Семешин Н.М. Оптическая техника, 1 (3), 45 (1998).

[ Обратно ]  27.05.2006