Виготовлення індивідуального імплантата, протеза або направляючого шаблону з використанням CAD/CAM/CAE-систем складається з декількох етапів:
1.Отримання даних про рельєф поверхні і внутрішню структуру об’єкта дослідження, перетворення отриманої інформації в цифровий формат та її імпорт в програмне середовище CAD.
Малюнок 1. CAD – відсканована ділянка зубів з аналізом оклюзії зубів – агностиків.
2. Побудова віртуальної геометричній моделі майбутньої конструкції за допомогою комп’ютерної техніки, експорт моделі в програмну середу, яка реалізує метод кінцевих елементів.
3. Інженерний аналіз конструкції в CAE-програмах і оптимізація моделі на основі отриманих даних.
Малюнок 2. Високоточний 3D друк зубів методом пошарового нанесення фотополімера.
4. Безпосереднє виготовлення вироба медичного призначення за допомогою фрезерних пристроїв з числовим програмним управлінням або 3D-принтерів методами швидкого прототипування.
У деяких випадках відповідно до клінічних завдань або для спрощення процесу моделювання, щоб уникнути значних витрат часу і ресурсів обчислювальної техніки окремі етапи можна опустити.
Технологічні рішення, застосовувані для виконання цих етапів в різних CAD/CAM-системах медичного призначення, можуть істотно відрізнятися. У зв’язку з цим, розглянемо основні етапи CAD/CAM/CAE процесу детальніше.
Збір і попередня обробка вхідних даних. На цьому етапі можна виділити наступні варіанти отримання інформації про будову досліджуваної ділянки організму:
1) тривимірне сканування поверхні об’єкта за допомогою оптичних і механічних пристроїв, здатних прочитати інформацію про рельєф поверхні і переводити її в цифровий формат.
Оптичні (лазерні) 3D-сканери перетворюють світло, відбите від поверхні досліджуваного об’єкта (тверді тканини зуба, поверхня щелепи), на електричні імпульси, які оцифровуються і надходять в комп’ютер для подальшої обробки.
3D сканери так само можна застосовувати для сканування поверхні жорстко закріплених трупних щелеп, видалених зубів та ін. Можливості застосування таких сканерів обмежені об’єктами невеликого розміру з відносно рівною поверхнею без різких поглиблень і підвнутрішній. Крім того, сканування поверхні не дає ніякої інформації про внутрішню структуру об’єкта дослідження;
2) проведення КТ з наступною обробкою отриманої інформації є основним джерелом вхідних даних для CAD/CAM-технологій в хірургічній стоматології та щелепно-лицевій хірургії. КТ дозволяє не тільки отримати дані про геометрію об’єкта дослідження, а й дослідити особливості його внутрішньої структури і визначити співвідношення з іншими анатомічними утвореннями, в тому числі мякотканинними.
3) побудова тривимірної моделі на основі різних алгоритмів.
Комп’ютерне моделювання вироба медичного призначення. Моделювання протезів, імплантів, направляючих шаблонів і т.д. здійснюється в спеціальних CAD-програмах. Особливістю медичних CAD-систем є спрощення програмного інтерфейсу, максимально зрозуміла візуалізація об’єкта моделювання і високий рівень автоматизації процесу. Процес починається зі створення і аналізу тривимірної моделі ділянки організму, де планується встановлення протезної/лікувальної конструкції або проведення хірургічного втручання. Після всебічного аналізу клінічної ситуації лікар формує орієнтовний план лікування, який може передбачати встановлення тієї чи іншої штучної конструкції (протез, імплантат, фіксатор, компресійно-дистракційний апарат і т.д.). Після цього він переходить до геометричного моделювання цієї конструкції на екрані монітора.
Віртуальна модель, створена на цьому етапі, дозволяє хірургу максимально врахувати побажання пацієнта, пояснити йому в доступній і наочній формі особливості хірургічного втручання, яке планується, і його очікуваний результат. При необхідності модель може бути використана для експертної оцінки плану хірургічного лікування в режимі телеконсультації, до якої можуть бути залучені провідні фахівці у віддалених клініках (інше місто, держава).
Виготовлення індивідуального виробу медичного призначення. Існує кілька методів виготовлення індивідуальних виробів медичного призначення за допомогою СAD/CAM-технологій.
1. Виготовлення шляхом вирізання з фабричної заготовки за допомогою фрезерних верстатів з числовим програмним управлінням. Важливою характеристикою таких пристроїв є кількість ступенів свободи при обробці деталі. Чим більше ступенів свободи, тим складніше деталь може бути виготовлена. Верстати, які використовують на сьогоднішній день, бувають з 3, 4 і 5-осьовими ступенями свободи (лінійні переміщення та кути обертання). Сучасні фрезерні пристрої, які застосовуються для виготовлення виробів медичного призначення, можуть працювати з титаном, діоксидом цирконія, кобальт-хромовим сплавом, пластмасою, гідроксиапатитом, воском і т. д.
2. Виготовлення методом швидкого прототипування, так званий 3D друк. Метод дозволяє створювати моделі різноманітної конфігурації і складності в максимально короткі терміни. Його використовують в аерокосмічній галузі, архітектурі, електроніці, ювелірній справі, приладо- і машинобудуванні. Методики 3D друку в медицині з’явилися в кінці 80-х років XX ст. В Україні їх застосували вперше в клінічній практиці на кафедрі хірургічної стоматології та щелепно-лицевої хірургії НМУ імені О.О. Богомольця в 2001 р.
Стереолітографія – це метод прямого формоутворення тривимірних об’єктів шляхом пошарового нарощування матеріалу, що дозволяє виготовляти макети, прототипи, шаблони, прес-форми і різноманітні деталі по їх тривимірним комп’ютерним моделям. Створення предметної стереолітографічної моделі дозволяє хірургу точно розібратися в особливостях анатомії пацієнта, визначити методику хірургічного втручання і ретельно спланувати його хід, виконати окремі етапи операції на моделі, підготувати інструментарій та необхідні пристрої відповідно до наявної клінічної ситуації (вигин пластин, підбір оптимальних елементів фіксації, фрез, свердел, доліт за типами та розмірами і т.д.). Це сприяє зменшенню тривалості оперативного втручання, підвищенню якості проведення операції і зменшує ризик лікарської помилки.
Для створення 3D моделі використовують пристрої, які називаються 3D-принтерами. Представниками цих пристроїв є ZCorp, Objet, EOS і інші. Для виготовлення моделей медичного призначення частіше використовують принтер Objet Geometries, який характеризується малою товщиною полімеризіційного шару (0,016-0,030 мм), і високою точністю відтворення геометричних деталей (± 0,05 мм). Пристрій може працювати з різними типами пластичних матеріалів, різного кольору і прозорості.
3D друк передбачає розбивку віртуальної комп’ютерної 3D-моделі, представленої в форматі STL, на тонкі шари.
В основі всіх наявних CAD/CAM-систем лежить єдиний універсальний алгоритм. У той же час, в різних областях медицини для вирішення різних клінічних завдань можуть бути застосовані різні підходи до особливостей отримання вхідних даних, програмного забезпечення, для їх обробки, методики виготовлення кінцевого продукту (вироби медичного призначення).