3D-сеанс визуализации

Широким фронтом

Первое применение в здравоохранении 3D-печать нашла в краниопластике, когда при помощи 3D-принтера изготавливались детали для закрытия дефектов черепа, рассказывает Николай Кульберг, руководитель отдела разработки средств медицинской визуализации «НПЦ медрадиологии». Сегодня широкое распространение 3D-печать получила в стоматологии, где за счет применения современных технологий значительно повышается скорость и качество изготовления протезов, имплантов, элайнеров. Для этого по результатам сканирования строится 3D-модель изделия, идеально подходящая пациенту, и, в зависимости от поставленных задач, производится печать образца. При этом могут применяться такие технологии 3D-печати, как послойное наплавление, селективное лазерное спекание, стереолитография.

Кроме того, 3D-печать применяется и в других областях здравоохранения, таких как протезирование, изготовление моделей для обучения и макетов для предоперационного планирования, а также таких вспомогательных элементов, как шаблоны для сверления, отмечает эксперт.

С появлением 3D-принтеров потребительского класса, которые стоят менее 2000 евро, многие больницы начинают присматриваться к этой области более предметно.

«3D-принтинг последние 3-4 года очень активно развивается во всем мире, потому что стали доступны сами принтеры, - поясняет директор «НПЦ медрадиологии», главный специалист по лучевой диагностике города Москвы профессор Сергей Морозов. - Появились компании, в том числе и в России, которые предлагают услуги по распечатке объемных моделей для здравоохранения. Важно, что лучевая диагностика обеспечивает связку между данными визуализации и их печатью, и врач-рентгенолог вместе с медицинским физиком, IT-специалистом может подготовить правильное отображение анатомических структур для дальнейшей их печати. Со своей стороны врач-хирург, который проводит какую-то операцию, может высказать свои пожелания».

КТ vs МРТ

«Наиболее подходящими видами лучевой диагностики для моделирования объектов для 3D-печати являются КТ и МРТ, - говорит руководитель отдела разработки средств контроля и технического мониторинга «НПЦ медрадиологии» Кристина Сергунова. - Так, на базе кафедры травматологии, ортопедии и хирургии катастроф ПМГМУ им. И.М. Сеченова в ГКБ им. С.П. Боткина с 2015 года применяется технология 3D-печати для планирования первичного и ревизионного эндопротезирования тазобедренного сустава с использованием изображений, полученных на компьютерном томографе и обрабатываемых инженером».

По ее словам, по данным КТ также изготавливаются стереолитографические шаблоны для планирования параметров и локализации дентальных имплантов, при этом 3D-модель, полученная по результатам компьютерной томографии, совмещается с оптическим сканом силиконового оттиска полости рта. По полученным изображениям могут быть изготовлены модели костей для обучения и принятия решений в ортопедии.

МРТ позволяет получать трехмерные изотропные объемы данных, которые можно транслировать в модель для печати. Кроме того, данный вид лучевой диагностики характеризует и физико-химические свойства исследуемого объекта, что расширяет информационное содержание модели. Так, например, исходные данные, полученные в результате проведения магнитно-резонансной ангиографии, позволяют печатать 3D-объекты для предоперационного планирования. Однако при МРТ отмечаются пространственные искажения, значительно большие, чем при КТ. Они, как правило, обусловлены неоднородностью магнитного поля. В связи с этим больший интерес при построении 3D-модели по МР-изображениям представляет относительный контраст, показывающий особенности строения органа. Кроме того, возможно совместное использование результатов КТ и МРТ, как это происходит при планировании лучевой терапии. В этом случае результаты компьютерной томографии позволяют построить анатомически точное изображение, а данные магнитно-резонансной томографии предоставляют дополнительную информацию о строении тканей, добавляет эксперт.

Простое и сложное

Не стоит забывать, что помимо покупки 3D-принтера для объемной печати в медицине требуется особое программное обеспечение, позволяющее проводить сегментацию данных для построения 3D-модели, совместимой с возможностями принтера. Часто это можно сделать с помощью общедоступных программ по рентгенологической визуализации или недорогих коммерческих программ. Также существует программное обеспечение с открытым исходным кодом и программы, доступные в интернете.

Сегментация – преобразование двухмерных изображений в 3D-объекты – может выполняться автоматически, полуавтоматически (например, по алгоритмам прорисовки отдельных частей модели) и вручную. В зависимости от структуры, представляющей интерес, этот процесс может быть довольно простым (особенно, когда между соседними объектами есть значительный контраст – как между костями и мышцами на КТ). В других случаях работа по сегментации очень сложна: к примеру, если требуется дифференцировать серое и белое вещество на КТ головного мозга. Поэтому целесообразно взвешенно подходить к выбору методов визуализации и не забывать о возможностях контрастирования.

Когда желаемая структура сегментирована, она экспортируется как STL-файл (стереолитография) и в дальнейшем преобразуется программой в алгоритм перемещения печатающей головки 3D-принтера. Есть и другой путь – отправить модель внешнему поставщику, специализирующемуся на трехмерной печати.

Залог успеха

Примечательно, что отношение современных отделений разной направленности к 3D-печати различается – в некоторых она активно развивается, а руководство других отмечает, что не видит в нем особой необходимости. Поэтому залогом успешного внедрения этой технологии в больничную практику служит мультидисциплинарный подход. За рубежом (например, на базе Университетского госпиталя в Базеле, Швейцария) существуют примеры плодотворного сотрудничества рентгенологов и челюстно-лицевых хирургов, энтузиазм которых позволил отдельным клиникам накопить значительный опыт в подготовке, проведении и использовании 3D-печати в лечении больных.

В Университетском госпитале Базеля лаборатория трехмерной печати находится в отделении радиологии, поскольку она находится на пересечении многих дисциплин и лучше других развивается в отношении информационных технологий. Швейцарские врачи отладили простой процесс создания заказов для 3D-печати, который пересылается из общей клинической информационной системы на e-mail лаборатории. В зависимости от вида задания ответственность за выполнение задачи берет на себя либо радиолог, либо хирург (в сложных случаях они работают вместе). Сотрудничество с Швейцарским университетом прикладных наук позволяет врачам использовать современные биомедицинские 3D-принтеры (они способны создавать модели из биосовместимых материалов).

По словам швейцарцев, преимущества этого сотрудничества стали очевидны сразу же после открытия 3D-лаборатории в июне 2016 года. За первые 6 месяцев ее работы было создано более 250 3D-моделей, и во многих случаях это улучшило качество диагностики и лечения больных. Количество запросов в лабораторию продолжает расти.

Еще одним преимуществом внедрения 3D-печати швейцарские медики называют переосмысление роли врача-радиолога, который, работая над созданием моделей, вплотную приближается к клинической практике (тогда как и клиницист становится «чуть-чуть радиологом»), что в конечном итоге обогащает обоих специалистов с профессиональной точки зрения.

«Одной из проблем внедрения 3D-принтинга в России является неготовность клиницистов использовать такие возможности – врачи достаточно консервативны, - утверждает профессор Морозов. - Подавляющее большинство хирургов продолжает использовать метод планирования операций, который на английском называется window glazing, то есть рассматривание снимков перед окном. Это дает очень приблизительную информацию об анатомических структурах. Поэтому очень важно создавать образовательные программы, распространять информацию о возможностях применения 3D-принтинга. Надеюсь, что с каждым годом таких проектов будет все больше».