Применение аддитивных технологий для разработки съемных кистевых протезов

Application of additive technologies for the development of removable wrist prostheses

 

Авторы:

Пелешок Степан Андреевич

ВМА имени С.М. Кирова, Санкт-Петербург, Россия

Peleshok Stepan Andreevich

S. M. Kirov Military Medical Academy, St. Petersburg, Russia

Панферов Михаил Андреевич

ВМА имени С.М. Кирова, Санкт-Петербург, Россия

e-mail: misch.panferov2011@yandex.ru

Panferov Mikhail Andreevich

S. M. Kirov Military Medical Academy, St. Petersburg, Russia

e-mail: misch.panferov2011@yandex.ru

Павлов Алексей Алексеевич

ВМА имени С.М. Кирова, Санкт-Петербург, Россия

Pavlov Aleksey Alekseevich

S. M. Kirov Military Medical Academy, St. Petersburg, Russia

 

Аннотация: Применение технологий трехмерной печати в медицине стремительно набирает обороты, что в свою очередь открыло новые возможности в хирургии кисти. Протезы рук, выполненные с использованием технологии полимерной 3D-печати, являются распространённым средством для пациентов с врожденными дефектами или приобретенными травмами руки. Аддитивные технологии позволяют обеспечить дешевое и доступное производство кистевых протезов, а информационная модель протеза, выполненная в CAD программах, позволяет масштабировать модель и легко настроить под пациента, сохраняя свою эстетику и функциональность.

Abstract: The use of three-dimensional printing technologies in medicine is rapidly gaining momentum, which in turn has opened up new opportunities in hand surgery. Prosthetic hands made using polymer 3D printing technology are a common tool for patients with congenital defects or acquired hand injuries. Additive technologies make it possible to provide cheap and affordable production of hand prostheses, and the information model of the prosthesis made in CAD programs allows you to scale the model and easily adjust it to the patient, while maintaining its aesthetics and functionality.

Ключевые слова: 3D-печать, аддитивные технологии, протезирование, кисть, моделирование.

Keywords: 3D printing, additive technologies, prosthetics, hand, modeling.

Тематическая рубрика: Медицина и психология.

 

ВВЕДЕНИЕ.

Травма верхних конечностей считается одной из наиболее распространённых зон повреждений в травматологии и составляет 29.9% от других частей тела.

В наши дни 3D-печать все чаще находит свое применение в таких областях медицины, как челюстно-лицевая хирургия, стоматология, нейрохирургия травматология и ортопедия. Трехмерная печать является формой аддитивного производства, при котором трехмерный объект создается путем последовательного нанесения материала тонкими слоями. Предшественником аддитивных технологий является субтрактивное изготовление моделей, путем механического вырезания из заготовки требуемых фрагментов. Очевидными преимуществами аддитивных технологий над субтрактивным изготовлением моделей выделяют снижение затрат и отходов, формирование сложной геометрии, ускоренный процесс изготовления.

Целью данной работы является рассмотрение метода производства кистевых протезов с использованием аддитивных технологий. Актуальность данной работы заключается в перспективе развития аддитивных технологий в медицинской отрасли.

МЕТОДЫ И РЕАЛИЗАЦИЯ.

Технологию создания съемных индивидуальных протезов кисти можно условно разделить на 3 основных этапа: Получение данных изображения, Цифровая обработка изображения и трехмерная печать. Подробная схема технологии представлена на рисунке 1.

Рис.1. Схема технологии изготовления съемных индивидуальных протезов кисти.

На первом этапе создания кистевого протеза производится получение первичных данных для моделирования протеза. К основным способам получения исходных данных для построения 3D-модели относят КТ, поверхностное сканирования целой конечности или с помощью виртуального донора. КТ считается наиболее предпочтительным видом сканирования, так как полученные изображения имеют наибольший контраст между мягкими тканями и костями. Толщина среза при выполнении компьютерной томографии должна составлять не менее 1 мм[2]. Для формирования 3D-модели сканированной части тела применяются слайсеры, позволяющие обработать изображения КТ и облако точек при поверхностном сканировании. Полученная 3D-модель в ходе медицинского обследования верхней конечности импортируется в ПО для последующего формирования модели кистевого протеза.

Рис. 2. Основные способы получения первичных данных: а) КТ б) 3D-сканирования целой конечности в) виртуальный донор.

На втором этапе производится моделирование в CAD программах кистевого протеза, его креплений, механизмов, а также формируется будущий дизайн. Наиболее популярными ПО для решения задач моделирования протезов выделяют: Blender, 3D’s MAX, Geomadgic Freeform Plus, Компас 3D, Autodesk MeshMixer, SolidWorks. Перечисленные программы могут использоваться, как для точечного решения задач по моделированию, так и для последовательного выполнения, используя их в связке.

Рис. 3. Процесс моделирования кистевого протеза в ПО Blender.

Рис. 4. Готовая 3D модель кистевого протеза: а) с гибким соединением б) с жестким соединением.

Готовая модель протеза позволяет получить его зеркальную копию протеза для другой конечности или отмасштабировать ее по размерам, учитывая индивидуальные особенности пациента. Это может быть применимо для пациентов с травмой обеих конечностей или для быстро меняющихся размеров кисти в ходе их роста, например, у детей.

Наиболее распространенным и экономичным методом 3D-печати, доступным в настоящее время, является моделирование методом послойного наплавления (FDM – Fused deposition modeling). Материал, используемый для печати методом FDM, расплавляется внутри нагретого канала сопла экструдера и выдавливается через него на подвижную платформу и связывается с материалом, уже ранее осажденным на платформе.

На 3 этапе производится импорт 3D-модели протеза в слайсер для создания задания 3D-принтера на печать. Импортируемая модель размещается на виртуальном столе, задаются настройки, учитывающие характеристики принтера и тип печатающего материала. После чего слайсер нарезает модель на слои и подготавливает файл-задание для 3D-принтера в формате GCode.

Рис. 5. Размещение модели в слайсере.

Полученный GCode файл отправляется на 3D-принтер для выполнение послойной печати протеза. В процессии работы устройства печатная головка принтера наносит полимера с заданной толщиной слоя согласно настройкам, указанным в слайсере. Процесс печати изделия требует жесткого контроля со стороны оператора, допущенного к работе с оборудованием.

Рис. 6. Печать протеза на 3D-принтере.

После завершения работы принтера напечатанные детали подвергаются обработке (механической, химической), производится сборка протеза. Обработка деталей напрямую зависит от типа применяемого полимера. Например, дихлорэтан подходит для полилактида (PLA), ацетон для Акрилонитрила-бутадиена стирола (ABS), механическая обработка абразивами для полиэтилентерефталата гликоля (PETG).

Рис. 7. Готовое изделие.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Применение аддитивных технологий в разработке кистевых протезов является универсальным средством, позволяющим быстро и эффективно, с минимальными затратами на материалы разработать необходимые медицинское оснащение для пациентов с травмами верхних конечностей. В рамках текущей работы был получен протез, который может быть использован после аппаратного и программного оснащения для людей с травмами кисти.  

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Crowley C, Birchall M, Seifalian AM. Trachea transplantation: from laboratory to patient. J Tissue Eng Regen Med 2014, 9: 357–67.

2. Хоминец В.В. 3D-печать шин и лонгет для иммобилизации переломов костей и предплечья: методические рекомендации / В.В. Хоминец, С.А. Пелешок, М.В. Титова, Д.А. Волов, И.А. Юшин. – СПБ.: Историческая иллюстрация, 2021. – 36с.: ил.

3. Lee W, Pinckney J, Lee V, et al. Three-dimensional bioprinting of rat embryonic neural cells. NeuroReport 2009, 20: 798–803.