САПР и медицина

Когда мы говорим о САПР, обычно на ум приходят примеры из промышленного производства, архитектуры, строительства. Если поставить вместе САПР и медицину, сначала срабатывает тот же стереотип – производство медицинского оборудования и инструментов. Но, оказывается, медики нашли более разностороннее применение продукции нашей отрасли. Приведем несколько примеров.

Стоматология

DentCAD

За основу для работы в DentCAD берутся данные трехмерного сканирования слепка зубов пациента. Получение слепка полости рта выполняется точно так же, как и при традиционных методиках зубопротезирования. Готовый гипсовый слепок сканируется в специальном бесконтактном трехмерном сканере.

Результатом сканирования и основой для работы DentCAD является трехмерная компьютерная геометрическая модель участка полости рта, на котором планируется установить зубной протез. Далее пользователь должен выбрать из базы данных DentCAD наиболее подходящий по форме зуб и доработать его средствами DentCAD до нужной формы. Поставляемая с DentCAD база данных содержит модель коронок под каждый зуб. Для редактирования геометрии используются интуитивно понятные функции скульптурного моделирования. При необходимости, 3D-модель изделия можно отмасштабировать с желаемым коэффициентом. Большинство типовых процедур, таких как моделирование поверхности прикуса, нижней кромки коронки и цементной прослойки между обточенным зубом и коронкой, выполняются автоматизировано.

Ортопедия

Расчет напряжений и деформаций шейки бедра.

В качестве основной системы проектирования в Synergy Surgical Technologies используют AutoCAD Mechanical Desktop и технологии твердотельного моделирования. После анализа и обмера поврежденной кости или сустава для пациентов проектируется и изготавливается индивидуальный имплантат или протез, точно соответствующий анатомии больного.

Протез бедренного сустава, спроектированный в AutoCAD.

В «Российском научном центре «Восстановительная травматология и ортопедия» им. акад. Г.А. Илизарова» используют решения АСКОН КОМПАС-3D для проектирования широко известных аппаратов для автоматического удлинения конечностей.

Компьютерная модель аппарата Илизарова.

Перспективное направление показано в исследованиях Washington State University. 3D- принтер в этих исследованиях использовался для восстановления недостающих фрагментов костной ткани. Технология испытана на животных и показала должную эффективность.

Исследование провела группа специалистов под руководством профессора Сасмиты Боуз (Susmita Bose) и ее мужа Амита Бандиопадхай (Amit Bandyopadhyay).Боуз и ее коллеги в течение четырех лет разрабатывали оптимальный состав для изготовления протезов костей. В качестве материала основы они остановились на ортофосфате кальция (кальциевая соль фосфорной кислоты, Ca₃(PO₄)₂). Из него изготавливается каркас протеза, который впоследствии покрывали предшественниками клеток костной ткани.

Чтобы улучшить характеристики искусственных костей, к основному материалу добавляется диоксид кремния и оксид цинка. После этого каркас термически обрабатывается в специальной печи при температуре 1250 градусов Цельсия. Прочность материала на сжатие после термообработки увеличивается в 2,5 раза.

Костные имплантаты, выращенные в 3D принтере.

Благодаря добавкам также увеличивается скорость образования костной ткани на поверхности протеза. В ходе лабораторных экспериментов, формирование новой ткани началось уже в течение недели после покрытия каркаса клетками-предшественниками.

Исследователи предложили использовать эту технологию при лечении различных повреждений костей. Точные размеры и форму дефекта той или иной кости определяются при помощи компьютерной томографии. По полученной 3D модели печатается" каркас протеза, покрывается слоем костной ткани и имплантируется пациенту. В марте 2011 года на конференции TED (Technology Entertainment and Design) в калифорнийском городе Лонг-Бич был представлен принтер для печати человеческих органов. Используя собственные ткани пациента, устройство послойно воспроизводит структуру заданного органа, включая сосуды. Весь процесс занимает от шести до семи часов.

Сосудистая хирургия

Пять институтов из Fraunhofer объединили свои усилия в 2009 году, чтобы создать биосовместимые искусственные кровеносные сосуды. Казалось, практически невозможно построить такие структуры, как капиллярные сосуды, которые очень малы и сложны, особенно их ответвления и пространства между ними. Но на помощь пришли технологии аддитивного производства, быстрое прототипирование позволяет строить индивидуальные заготовки в соответствии с любой сложной 3D моделью. Теперь ученые работают над переносом этой технологии для создания микроструктур биоматериала путем объединения двух различных методов: технологии 3D печати и многофотонной полимеризации.

Искусственные сосуды

Струйный 3D принтер может очень быстро создавать 3-мерные твердые тела из различных материалов. Это уже позволяет создавать микроструктуры, но технологии 3D печати по-прежнему слишком неточны для тонких структур капиллярных сосудов. Поэтому исследователи решили совместить эту технологию с двухфотонной полимеризацией. Краткое, но интенсивное воздействие лазерных импульсов на материал стимулирует молекулы в очень маленькой зоне, где происходит «сшивание» молекул и материал становится эластичным. Таким образом создаются высокоточные упругие конструкции в соответствии с 3D моделями.

Для производства 3-мерные упругих тел необходимо иметь правильный материал. По этой причине исследователи придумали специальные краски. Кровеносные сосуды должны быть гибкими и упругими и взаимодействовать с природной тканью. Для этого синтетические сосуды создаются с такой структурой поверхности, что живые клетки могут на ней закрепиться. Ученые интегрировали измененные биомолекулы - такие, как гепарин и пептиды - внутрь стенок искусственных сосудов. Они также разрабатывают чернила изготовленные из гибридных материалов, которые содержат смесь синтетических полимеров и биомолекул с самого начала. На втором шагом эндотелиальные клетки, которые формируют внутренний слой стенки каждого сосуда, прикрепляются в систему искуственных трубок Руководитель проекта Гюнтер Товар (Günter Tovar) подчеркивает, что «подкладка важна, чтобы быть уверенным, что компоненты крови не прилипают к стенкам, а происходит их дальнейшая транспортировка». В результате сосуд работает точно таким же образом, как его естественной аналог из живых клеток.

По словам доктора Гюнтера Товара, эта технология может быть использована для самых различных целей. К примеру, станет возможным создание искусственных органов, основанных на замкнутой системе. Исследователи представили результаты своих разработок на выставке Biotechnica, которая прошла с 11 по 13 октября 2011 года в Ганновере.

CAS – хирургические САПР

Методы лучевой диагностики позволили врачам существенно повысить точность диагностики до и в процессе хирургической операции. Быстрое развитие методов компьютерной графики обеспечило высококачественную 3D визуализацию анатомических структур пациента, при этом хирурги и члены хирургических бригад получили возможность точно позиционировать хирургический инструмент в анатомическом поле и наблюдать его визуальное отображение. В результате оказалось возможным последовательно и непрерывно наращивать сложность и точность хирургических операций, сокращать время хирургического вмешательства и повышать его эффективность. Возможности достаточно точных 3D моделей и методов визуализации прижизненной анатомии пациента и патологических процессов позволили разработать ряд методик и программных средств по предоперационному и интраоперационному планированию хирургического вмешательства и обеспечить поддержку принятия решений при подготовке хирургических операций

Задачу автоматизированного сопровождения работы хирурга во многих случаях можно рассматривать как техническую задачу и использовать для ее решения эффективные и проверенные методы и технологии компьютерной графики и CAD/CAE/CAM систем. В настоящее время такой подход, в основном, реализуется с помощью специальных технологий подготовки хирургического вмешательства, включая диагностику, а также предоперационное планирование и интраоперационное сопровождение. Первоначально они назывались Image Guided Surgery технологиями, а затем Computer Aided или Assisted Surgery – CAS технологиями. Работы над этими технологиями в странах Запада были начаты в середине 90-х годов прошлого века и в настоящее время эти методы достаточно широко используются в западной медицине. CAS технологии также менее инвазивны чем традиционная хирургия.

Помимо использования традиционных 3D пакетов, появились специализированные продукты CAS. Одним из «передовиков» этого направления является американская компания Medtronic Navigation, выпускающая комплекс StealthStation S7. При разработке S7 компания Medtronic Navigation решила не отказываться от отлично зарекомендовавшего себя двухмодульного дизайна станции. Предлагается навигационная станция, разделенная на два модуля – модуль хирурга-оператора и модуль ассистента. Большой монитор повышенной четкости обеспечивает хирургу легкий и быстрый доступ к интересующей его информации, тогда как все конфигурационные и подготовительные операции выполняются на модуле ассистента где установлен дополнительный монитор, «мышь», клавиатура и другие необходимые органы управления.

Планирование траектории дренирования внутримозговой гематомы на навигационной станции Stealth Station Medtronic по КТ головного мозга

Новая оптическая камера SPECTRA с увеличенной зоной обзора (зона эффективного покрытия 2,05х1,47х1,85м) дает Вам еще больше свободы в расположении системы в Вашей операционной и конфигурации операционного поля. На сегодняшний день, используемая в StealthStation S7 камера предоставляет самую большу зону покрытия (”видимости” навигационных инструментов). Кроме того общая площадь, занимаемая системой, теперь меньше чем у предыдущих версий станции, так что теперь Вы можете использовать больше оборудования в своей операционной а также проводить операции с помощью Stealth Station S7 в малых операционных.

Пример ПО для S7: черпно-лицевая хирургия, позвоночник, ЛОР и нерохиругия.

Обновленные и переработанные версии навигационного программного обеспечения, перенесенные на единую платформу Synergy позволяют для каждого хирурга персонально задать перечень выполняемых операций, используемого оборудования, инструмента а так же – формат размещения оборудования в операционной. Такая гибкость позволит существенно сократить время подготовки к операции так как она может быть полностью выполнена младшим мед. персоналом.

Технологии CAS получили настолько широкое распространение, что в 2000 году было организовано International Society for Computer Aided Surgery -международное общество, развивающее и пропагандирующее системы автоматизированного проектирования в хирургии. ICAS ежегодно проводит специализированную конференцию CARS (Computer Assited Radiology and Surgery).

Робот-хирург

Da Vinci – робот, предназначенный для выполнения сложных операций на внутренних органах через точечные отверстия. Манипуляторы повторяют малейшее движение рук хирурга, но при этом отсекают дрожь в руках и случайные резкие движения. Благодаря таким вымеренным действиям время восстановительного периода у пациента после операции значительно сокращается. Da Vinci оснащен функцией удаленного управления, что позволяет врачам проводить операции на расстоянии. В настоящее время системы da Vinci работают почти в 500 хирургических клиниках по всему миру. Выполнены тысячи роботизированных операций. По сообщению компании «Старген», представляющий Da Vinci в России, 85% всех урологических и более 70% гинекологических операций в США уже выполняют только роботы.

Хирургическая система da Vinci в действии.

Хирургическая система da Vinci состоит из эргономичной консоли хирурга, стойки с четырьмя интерактивными роботизированными руками у операционного стола, высокопроизводительной системы обзора InSite® и патентованных инструментов EndoWrist®. Вооруженные современнейшей роботизированной технологией, движения рук хирурга масштабируются, фильтруются и равномерно преобразуются в точные движения инструментов EndoWrist. В итоге, создается интуитивный интерфейс с превосходными хирургическими возможностями.

На протяжении уже 10 лет только одна компания выпускает роботов-хирургов серийно – это компания Intuitive Surgical и ее роботизированный хирург Da Vinci. Стоимость робота Da Vinci в CША составляет 2 миллиона долларов,а России он обходится в 2.7 миллиона долларов. Министерство образования и науки хочет, чтобы у России был свой отечественный робот-хирург. В Министерстве образования и науки РФ решили использовать достижения отечественной робототехники в хирургии, и заказали разработку первого российского робота-хирурга. Он будет представлять из себя манипулятор для «роботоассистенции в высокой хирургии». Создание такого робота оценили в 198 миллионов рублей. Осталось найти исполнителя –кто возмется?