Изготовление индивидуального имплантата, протеза или направляющего шаблона с использованием CAD / CAM / CAE-систем состоит из нескольких этапов :
1. Получение данных о рельефе поверхности и внутреннюю структуру объекта исследования, преобразование полученной информации в цифровой формат и ее импорт в программную среду CAD.
Рисунок 1. CAD — Отсканированный участок зубов с анализом окклюзии зубов — агностиков.
2. Построение виртуальной геометрической модели будущей конструкции с помощью компьютерной техники, экспорт модели в программную среду, которая реализует метод конечных элементов.
3. Инженерный анализ конструкции в CAE-программах и оптимизация модели на основе полученных данных.
Рисунок 2. Высокоточная 3D печать зубов методом послойного нанесения фотополимера.
4. Непосредственное изготовление изделия медицинского назначения с помощью фрезерных устройств с числовым программным управлением или 3D-принтеров методами быстрого прототипирования.
В некоторых случаях в соответствии с клиническими задачами или для упрощения процесса моделирования во избежание значительных затрат времени и ресурсов вычислительной техники отдельные этапы можно опустить.
Технологические решения, применяемые для выполнения этих этапов в разных CAD / CAM- системах медицинского назначения, могут существенно отличаться. В связи с этим рассмотрим основные этапы CAD / CAM / CAE процесса подробнее.
Сбор и предварительная обработка входных данных. На этом этапе можно выделить следующие варианты получения информации о строении исследуемого участка организма:
1) трехмерное сканирование поверхности объекта с помощью оптических и механических устройств, способных прочитать информацию о рельефе поверхности и переводить ее в цифровой формат.
Оптические (лазерные) 3D-сканеры превращают свет, отраженный от поверхности исследуемого объекта (твердые ткани зуба, поверхность челюсти), на электрические импульсы, которые оцифровываются и поступают в компьютер для дальнейшей обработки.
3D сканеры так же можно применять для сканирования поверхности жестко закрепленных трупных челюстей, удаленных зубов и пр. Возможности применения таких сканеров ограничены объектами небольшого размера с относительно ровной поверхностью без резких углублений и поднутрений. Кроме того, сканирование поверхности не дает никакой информации о внутренней структуре объекта исследования;
2) проведение КТ с последующей обработкой полученной информации является основным источником входных данных для CAD / CAM-технологий в хирургической стоматологии и челюстно-лицевой хирургии. КТ позволяет не только получить данные о геометрии объекта исследования, но и исследовать особенности его внутренней структуры и определить соотношение с другими анатомическими образованиями, в том числе мягкотканными.
3) построение трехмерной модели на основе различных алгоритмов.
Компьютерное моделирование изделия медицинского назначения. Моделирование протезов, имплантатов, направляющих шаблонов и т.д. осуществляется в специальных CAD-программах. Особенностью медицинских CAD-систем является упрощение программного интерфейса, максимально понятное визуализация объекта моделирования и высокий уровень автоматизации процесса. Процесс начинается с создания и анализа трехмерной модели участка организма, где планируется установка протезной / лечебной конструкции или проведения хирургического вмешательства. После всестороннего анализа клинической ситуации врач формирует ориентировочный план лечения, который может предусматривать установку той или иной искусственной конструкции (протез, имплантат, фиксатор, компресийно-дистракционный аппарат и т.д.). После этого он переходит к геометрическому моделированию этой конструкции на экране монитора.
Виртуальная модель, созданная на этом этапе, позволяет хирургу максимально учесть пожелания пациента, объяснить ему в доступной и наглядной форме особенности хирургического вмешательства, которое планируется, и его ожидаемый результат. При необходимости модель может быть использована для экспертной оценки плана хирургического лечения в режиме телеконсультации, к которой могут быть привлечены ведущие специалисты в отдаленных клиниках (другой город, государство).
Изготовление индивидуального изделия медицинского назначения. Существует несколько методов изготовления индивидуальных изделий медицинского назначения с помощью СAD / CAM-технологий.
1. Изготовление путем вырезания из фабричной заготовки с помощью фрезерных станков с числовым программным управлением. Важной характеристикой таких устройств является количество степеней свободы при обработке детали. Чем больше степеней свободы, тем сложнее деталь может быть изготовлена. Станки, которые используют на сегодняшний день, бывают с 3, 4 и 5-осевыми степенями свободы (линейные перемещения и углы вращения). Современные фрезерные устройства, которые применяют для изготовления изделий медицинского назначения, могут работать с титаном, диоксидом циркония, кобальт-хромовым сплавом, пластмассой, гидроксиапатитом, воском и т. д.
2. Изготовление методом быстрого прототипирования, так называемая 3D печать. Метод позволяет создавать модели разнообразной конфигурации и сложности в максимально короткие сроки. Его используют в аэрокосмической отрасли, архитектуре, электронике, ювелирном деле, приборо- и машиностроении. Методики 3D печати в медицине появились в конце 80-х годов XX в. В Украине их применили впервые в клинической практике на кафедре хирургической стоматологии и челюстно-лицевой хирургии НМУ имени А.А. Богомольца в 2001г.
Стереолитография — это метод прямого формообразования трехмерных объектов путем послойного наращивания материала, что позволяет изготавливать макеты, прототипы, шаблоны, пресс-формы и разнообразные детали по их трехмерным компьютерным моделям. Создание предметной стереолитографической модели позволяет хирургу точно разобраться в особенностях анатомии пациента, определить методику хирургического вмешательства и тщательно спланировать его ход, выполнить отдельные этапы операции на модели, подготовить инструментарий и необходимые устройства в соответствии с имеющейся клинической ситуации (изгиб пластин, подбор оптимальных элементов фиксации, фрез, сверл, долот по типам и размерам и т.д.). Это способствует уменьшению продолжительности оперативного вмешательства, повышению качества проведения операции и уменьшает риск врачебной ошибки.
Для создания 3D модели используют устройства, которые называются 3D-принтеры. Представителями этих устройств являются ZCorp, Objet, EOS и другие. Для изготовления моделей медицинского назначения чаще используют принтер Objet Geometries, который характеризуется малой толщиной полимеризующего слоя (0,016-0,030 мм), и высокой точностью воспроизведения геометрических деталей (± 0,05 мм). Устройство может работать с различными типами пластических материалов, разного цвета и прозрачности.
3D печать предусматривает разбивку виртуальной компьютерной 3D-модели, представленной в формате STL, на тонкие слои.
В основе всех имеющихся CAD / CAM-систем лежит единый универсальный алгоритм. В то же время в различных областях медицины для решения различных клинических задач могут быть применены различные подходы к особенностям получения входных данных, програмного обеспечения для их обработки, методики изготовления конечного продукта (изделия медицинского назначения).