Technologie VR i druku 3D w procesie projektowania implantów czaszki

Specyfika procesu wytwarzania implantów twarzoczaszki polega na jednoczesnym zachowaniu optymalnych właściwości mechanicznych przy właściwym odwzorowaniu kształtu ubytku. O ile w przypadku wszczepów wykorzystywanych w przypadku innych zabiegów (np. ortopedycznych) najważniejszym kryterium są odpowiednie parametry fizykochemiczne, tak implanty czaszkowe muszą zachowywać konkretną geometrię tak, aby wyglądała jak naturalny element ciała pacjenta.

Aby osiągnąć optymalny kształt wszczepialnej płytki inżynierowie bazują na wynikach obrazowania medycznego (np. skanach tomografii komputerowej wykonanej przed resekcją), bazując na symetrycznym kształcie twarzy. Naukowcom z 3M Centrum Innowacji w Buckley (3M BIC), którzy  w ramach projektu badawczego dotyczącego opracowania optymalnego sposobu zespalania kości twarzoczaszki wykorzystali dwie cieszące się coraz większą popularnością technologię – drukowanie przestrzenne oraz koncept wirtualnej rzeczywistości (VR).

Implanty wykorzystywane w rekonstrukcji kości czaszki muszą wykazywać właściwą porowatość, która zwiększy adhezję komórek kościotwórczych pozwalając na prawidłową osteointegrację wszczepu z tkanką. Co więcej, implanty umieszczane w okolicach mózgu nie mogą wykazywać tendencji do gwałtownych zmian temperatury (jak szybkie nagrzewanie się), co dyskwalifikuje większość materiałów metalicznych. Ze względu na łatwość formowania kształtu oraz właściwości zbliżone do tych wykazywanych przez strukturę kości (np. moduł Young’a) do wszczepów twarzoczaszki stosuje się materiały polimerowe, m.in. popularny w branży addytywnej tworzywo termoplastyczne PEEK.

Specjaliści z 3M BIC w oparcie o dane z badań tomografii komputerowej przygotowali realnych rozmiarów modele czaszki przy zastosowaniu dwóch technologii druku przestrzennego – FDM oraz selektywnego spiekania proszków polimerowych. Wydruku w klasycznej technice nanoszenia roztopionego materiału został zrealizowany na drukarce 3D MakerBot z standardowego materiału PLA. Natomiast czaszka wytworzona w technologii SLS została wytworzona na wysokobudżetowej drukarce 3D EOS P110, części parku maszynowego Centrum Innowacji w Buckley. Jako materiał wykorzystano proszek nylonowy ze względu na właściwości mechaniczne, wysoką wytrzymałość czy odporność na ścieranie.

Projektowanie implantów już na poziomie wirtualnego modelu pozwala na precyzyjne określenie wymiarów pożądanego implantu a także określenie, czy zaplanowana geometria jest odpowiednia dla danego przypadku.

Dane zebrane podczas badania tomografem komputerowym posłużyły badaczom również jako baza do przedstawienia wirtualnego modelu przy wykorzystaniu technologii wirtualnej rzeczywistości. Przy pomocy darmowego oprogramowania OsiriX udał się przekonwertować obrazy uzyskane w trakcie badania, uwzględniając jedynie struktury kostne kostne czaszki co pozwoliło na uzyskanie wirtualnego modelu gotowego do projekcji VR.

Jak przyznaje, jeden z pracowników 3M BIC, Michael Wilson prezentowanie wyników badań lekarzom w postaci VR może okazać się dużo bardziej przystępną niż surowe dane wprost z badania CT czy MRI. Przekłada się to na oczywiste korzyści – lepsze zrozumienie konkretnego przypadku skutkuje lepszą efektywność pracy chirurga oraz wysoką jakością wykonywanych zabiegów. Obecnie zespół prowadzi kolejne projekty wdrażające nowoczesne technologie w świt medycyny – tym razem obiektem ich badań są kości ramienia oraz nadgarstka.

Źródło: develop3d.com