SiNAPSA, sobota, 29. april 2017

eSiNAPSA

Spletna revija za znanstvenike, strokovnjake
in nevroznanstvene navdušence

Tiskanje tridimenzionalnih modelov v medicini

Andrej Vovk

Povezava digitalnega in realnega sveta s tridimenzionalnim (3D) tiskalnikom nam omogoča, da natisnemo praktično karkoli si zamislimo, oziroma karkoli lahko narišemo na računalniku: od predmetov za osebno rabo do delov letalskega trupa, človeškega telesa1 in celo ogrodja hiš. Začetki 3D tiskanja segajo na začetek osemdesetih let 20. stoletja z iznajdbo stereolitografskega postopka, pri katerem se plasti fotopolimerov strjujejo z ultravijoličnim (UV) laserjem. Šele zadnja leta je tehnologija ob zmogljivejših računalnikih, s potekom prvih patentov tiskanja v treh dimenzijah, iznajdbo novih metod in materialov za tiskalnike 3D modelov ter z izvedbo namiznih tiskalnikov, dosegla velik vzpon in si s cenovno ugodnimi rešitvami zagotovila široko dostopnost. Govori se celo o tretji industrijski revoluciji.

Andrej Vovk

Seveda različne metode tiskanja omogočajo uporabo različnih materialov in vsaka metoda ima svoje prednosti in slabosti. Razlike so že pri pripravi modela v enem od mnogih 3D računalniških programov, potem pa sledi posameznemu tiskalniku prilagojen postopek razreza modela na rezine in dodajanjem podpornih struktur, kjer je to potrebno.

Sprva se je 3D tiskanje zaradi visoke cene naprav uporabljalo le v industriji za hitro izdelavo prototipov (ang. rapid prototyping). Z razvojem novih metod tiskanja z različnimi materiali se 3D tiskanje uveljavlja na mnogih področjih — od tekstilne in obutvene industrije, avtomobilske industrije, gradbeništva in arhitekture, modnega oblikovalstva, robotike, izobraževanja in znanosti, farmacije, do različnih medicinskih implantatov in protez, ter celo živih tkiv in hrane.

V medicini uporaba tomografov za slikanja notranjih struktur človeškega telesa (magnetna resonanca (MR) – mehka tkiva, računalniška tomografija (CT) – kosti) z dodatno računalniško obdelavo omogoča prikaz posameznih organov ali delov telesa. Ti pa so lahko seveda zanimivi in uporabni tudi kot natisnjeni 3D modeli. Nekaj možnosti uporabe natisnjenih modelov so načrtovanje in optimizacija kirurškega pristopa, trening izvedbe operacije ter klinično izobraževanje. Mnoge bolnišnice po svetu že uporabljajo 3D modele za načrtovanje operacij ter izobraževanje kirurgov in informiranje pacientov (Malezija2, USA-Stanford3, Japonska4). Tehnologiji slikanja in nato tiskanja omogočata tudi izdelavo personaliziranih implantov in prvi znani uspešni primeri so vsaditev titanijeve spodnje čeljusti v Belgiji (2012)5, implantata medenice iz titanove zlitine v Veliki Britaniji in plastične traheje pri ameriškem dojenčku (2013)6. Največja uporaba personaliziranih 3D natisnjenih modelov je predvidena za slušne pripomočke in v dentalni industriji7. Zadnji odmevni medicinski primer iz decembra 2015 je bila uspešna zamenjava vratnih vretenc pri pacientu z diagnosticiranim rakom na hrustancu v hrbtenici (chordom) s 3D natisnjenim modelom dveh vretenc. Še veliko zanimivih primerov uporabe 3D tiskalnikov na področju medicine je opisanih v preglednih člankih, kot sta Three-Dimensional Printing and Medical Imaging: A Review of the Methods and Application (Marro, 2016)8 in članek Medical Applications for 3D Printing: Current and Projected Uses (Ventola, 2014)9.

Naše izkušnje z izdelavo 3D modela možganov

Proces priprave 3D modela poteka v več stopnjah, ki ji opisujemo v nadaljevanju.

1. Zajemanje podatkov s tomografom

Prvi korak pri pripravi modela je slikanje oziroma zajemanje strukture želenega organa. Glede na lastnosti slikanega tkiva izberemo primerno metodo. Za slikanje mehkih tkiv se največkrat uporablja neinvazivno MR slikanje, za kosti in posebna kontrastna slikanja se uporablja CT. Pri slikanju s tomografom se moramo zavedati omejitve ločljivosti 3D zajemanja, ki je pogojena z debelino rezine. Pri današnjih kliničnih tomografih, vključno z našim na Medicinski fakulteti v Ljubljani, je najmanjša velikost voksla (točke v 3D prostoru) okoli 0,5 mm x 0,5 mm x 0,5 mm in s tem je pogojena tudi najmanjša strukturna sprememba, ki jo lahko določimo in uporabimo za pripravo 3D modela.

2. Segmentacija

Slika 1
Slika 1. Prikaz segmentiranih možganov v programskem paketu FreeSurfer. Na sliki levo so v sagitalnem pogledu obarvane strukture: belina je prikazana z zeleno barvo. Med modro in rdečo obrobo se nahaja sivina oziroma možganska skorja. Z rjavo so označeni mali možgani. V sredini pa so v drugih barvah deloma vidne še limbične strukture.

Drugi korak je razmejevanje oziroma členitev 3D slike na področja, ki nas zanimajo (tkiva, organi, kosti). Za segmentiranje lahko najdemo na spletu mnogo odprtokodnih in prosto dostopnih programskih paketov. Vendar pa se segmentacijski algoritmi med seboj razlikujejo in da dosežejo čim boljšo natančnost, so programske rešitve največkrat specializirane za posamezne organe. Pri tem lahko predpostavljajo in uporabljajo za predlogo neko naravno obliko organa, na kar moramo biti seveda pozorni. Za segmentacijo glave oziroma možganov sta najbolj znana odprtokodna programska paketa FreeSurfer in FSL.

Zelo uporabna sta tudi odprtokodna programska paketa 3Dslicer in ImageJ, ki omogočata uporabo različnih metod segmentiranja za specifične organe.

Slika 2
Slika 2. Prikaz segmentiranja s 3Dslicer-jem. Na zgornji sliki je prikazana rekonstrukcija kosti hrbta, spodaj pa v aksialnem, sagitalnem in koronarnem pogledu CT slika z enostavno nivojsko (threshold) segmentacijo kosti v zeleni barvi.

Izviren način segmentacije z uporabo lokalnih statistik, ki je lahko uporabljen na različnih področjih, je prikazan v članku avtorja tega prispevka10.

3. Pretvorba volumskega modela v površinski model

Programska oprema 3D tiskalnikov zahteva površinski oziroma mrežni model objekta, ki ga želimo natisniti. Paket FreeSurfer že vsebuje tak program, lahko pa za kreiranje in optimiziranje mrežnega modela uporabimo tudi druge odprtokodne programe, kot so MeshLab, AFNI/SUMA ter Osirix. Pri izdelavi modela z uporabo slojevitih tehnologij je treba 3D model razdeliti na sloje. Sloji so lahko različno debeli. V ta namen je bil pripravljen format datoteke .stl (STereoLitography), ki omogoča relativno enostaven razrez modela na sloje in ustvarjanje zaprtih 2D kontur, ki jih 3D tiskalnik nato zapolni z dodajnim materialom. S tem se izboljša nadzor porabe tiskanega materiala.

Slika 3
Slika 3. Prikaz mrežne strukture v programu FreeSurfer. Ploskovni model je sestavljen iz mreže povezanih trikotnikov.

4. Obdelava mrežnega modela in pretvorba v format za tiskanje

Zelo uporabno orodje za končno obdelavo modela je odprtokodno orodje Blender. Poleg preverjanja mrežnega modela, ki ima lahko nezaključene površine, ki se ne držijo glavnega objekta, omogoča Blender tudi odstranitev teh anomalij, dodajanje novih površin in mrežnih struktur ter spreminjanje delov objekta. Ko smo zadovoljni z modelom, ga izvozimo v format STL, ki je med programskimi orodji za 3D tiskalnike najbolj razširjen.

5. Izdelava strojne kode za 3D tiskalnik (G-code)

Zadnji korak pred tiskanjem je generiranje ukazov za 3D tiskalnik. Tudi tu obstaja več odprtokodnih programov: Slic3R, Cura, SuperSkein, SkeinForge … Tiskanje poteka po slojih, tako da program določi za vsak sloj pot brizganja ali laserja. Po vsakem sloju se brizgalna glava oziroma laser dvigne na višji nivo (pri nekaterih tiskalnikih se spreminja višina prijemalne mize in ne svetlobnega vira). V programu je treba izbrati tip tiskalnika s katerim bomo tiskali, saj so s tem pogojeni parametri od velikosti tiska, hitrosti premikanja glave, možnosti uporabe različnih materialov za tiskanje in s tem nastavitve gretja tako podložne plošče kot brizgalnih glav (če uporabljamo ekstruzijski tiskalnika). Pri tiskalnikih s ciljnim nalaganjem mora program za tiskanje poskrbeti tudi za generiranje podpornih struktur.

Slika 4
Slika 4. Prikaz podpornih struktur. Ekstruzijski tiskalniki zahtevajo podporne strukture za previsne predele modela.

6. Tiskanje in obdelava modela

Tiskanje s tiskalniki s ciljnim nalaganjem je zelo dolgotrajno, saj je pri tipičnih namiznih tiskalnikih z debelino rezine okoli 0,1 mm hitrost omejena na okoli 100 mm/s. Seveda je čas tiskanja odvisen od zahtevnosti in velikosti modela, vendar če na grobo ocenimo, smo za objekt na sliki 4, glavo pomanjšano na 50 %, potrebovali okoli 9 ur. Če uporabljamo dve barvi, se čas tiskanja lahko tudi podvoji, saj se mora druga glava brizgalnika, da ne bi topila materiala, med delovanjem prve ohladiti do primerne temperature.

Pri segmentaciji in pretvorbi iz volumskega v mrežni prostor se lahko pojavi veliko nepravilnosti11. Pomembno je preverjati korake obdelave pri pripravi 3D modela in mogoče na koncu ponovno poskenirati natisnjen 3D model ter v računalniškem okolju preveriti ujemanje »živega« in natisnjenega modela. Poleg tega je treba pri modelih, ki so namenjeni učenju in pripravi operacij, poskrbeti za realističnost modela3.

Izdelava natisnjenih 3D modelov v medicini je kompleksen postopek in zahteva sodelovanje strokovnjakov z različnih področij. Začne se pri radiološkem inženirju, ki s čim boljšo resolucijo in kontrastom poslika želeni predel oziroma organ. Nato potrebujemo strokovnjaka, ki z avtomatskimi ali polavtomatskimi metodami segmentira 3D sliko, jo prevede v mrežni ali površinski model, ter po potrebi še obdela v posebnih oblikovalskih programih. Končno tiskanje oziroma sam 3D tiskalnik pa zahteva tudi strokovnjaka, ki pripravi tiskalnik (skrbi za čistočo, pripravlja material za tiskanje), nadzoruje potek tiskanja ter na koncu očisti, obrusi ali spolira natisnjen 3D model. Čeprav se veliko bolnišnic odloča za nakup lastnih 3D tiskalnikov, je smiselno preučiti, v kolikšnem času se taka investicija obrestuje ter koliko časa bomo zadovoljni s tehnologijo tiskalnika, saj se to področje razvija neverjetno hitro9. Različne tehnologije 3D tiskanja omogočajo uporabo različnih materialov in natančnosti tiskanja ter seveda različne hitrosti tiskanja. Cenovno najbolj ugodno je ciljno nalaganje (ang. Fused Deposition Modeling), ki je sicer počasno, a ponuja uporabo najrazličnejših materialov13. V članku avtorja CC. Ploch (2016)3 je časovno in finančno opisana izdelava personaliziranega modela možganov z uporabo ekstruzijskega tiskalnika. Skupno so za izdelavo porabili 24 ur in cena materiala je znašala 50 $. V drugem članku avtorja V. Waran-a (2014)2 pa je opisana izdelava bolj realističnega modela glave z možgani, v katerih je vraščen tumor. Tiskanje so izvedli s Stratasys polijet tehnologijo, kjer je cena barvnega modela možganov s tumorjem znašala 600 $.

V medicini je že razširjena uporaba 3D tiskalnikov za izdelavo personaliziranih protez, ki zaradi dobrega prileganja omogočajo hitrejše in uspešnejše operacije. Medtem ko se za učne pripomočke večkrat uporablja cenovno ugodnejša metoda s ciljnim nalaganjem, je za natančnejše 3D modele bolj uporabna stereolitografska metoda 3D tiskanja. Še bolj revolucionarne spremembe obljublja tehnologija tiskanja inkjet, ki omogoča doziranje kapljic najrazličnejših kemijskih in bioloških struktur tudi do velikosti 10 pikolitrov (10-11 litra). V strokovni literaturi je že mogoče najti objave o tiskanju tkiv in organov kot npr. kolenski meniskus, srčno zaklopko, spinalni disk, uho12. Poleg personalizirane velikosti organa v primeru transplantacij, bo natisnjen organ iz matičnih celic pacienta združljiv s pacientovim telesom in to bo pomenilo veliko uspešnejše in cenejše zdravljenje. Tudi v farmaciji se obeta personalizacija in celo časovno doziranje zdravil, seveda ko bodo farmacevtska podjetja pokazala zanimanje za to. Tehnologija 3D tiskanja predstavlja takšne revolucionarne spremembe, da si – še posebno v znanosti – ne smemo dovoliti zamujanja pri izkoriščanju vseh možnosti, ki nam jih taka tehnologija ponuja.

Opomba:
a Ekstruzijski tiskalniki ali t.i. tiskalniki s ciljnim nalaganjem (FDM ali FFF) so 3D-tiskalniki, pri katerih se material za tiskanje v nitki, debeline 1,7 ali 3 mm, navit na kout potiska skozi grelno šobo. Za tiskanje se uporablja polimere različnih trdot in barv.

    ___
  1. Ory Wiesel, et al 2016. Three-dimensional printing models in surgery. Images in Surgery. 

  2. Vicknes Waran, et al 2014. Utility of multimaterial 3D printers in creating models with pathological entities to enhance the training experience of neurosurgeons. J Neurosurg. 

  3. Caitlin C. Ploch, et al 2016. Using 3D Printing to Create Personalized Brain Models for Neurosurgical Training and Preoperative Planning. World Neurosurg. 

  4. Soejima Y, et al 2016. Three-dimensional Printing and Bio-texture Modeling for Preoperative Simulation in Living Donor Liver Transplantation for Small Infants. Liver Transpl. 

  5. Transplant jaw made by 3D printer claimed as first - BBC News 2015; Available from: http://www.bbc.com/news/technology-16907104. 

  6. Bartlett S, 2016. Printing organs on demand. Lancet Respir Med. 1(9):684. 

  7. 3D Printing in Medical and Dental Markets: An Opportunity Analysis and Ten-Year Forecast, Smartech; 2015. Available from: http://smartechpublishing.com/reports/ 3D-printing-in-medical-and-dental-markets-an-opportunity-analysis-and-ten-y. 

  8. Marro A, et al 2016. Three-Dimensional Printing and Medical Imaging: A Review of the Methods and Application. Curr Probl Diagn Radiol. 

  9. Ventola CL, 2014. Medical Applications for 3D Printing: Current and Projected Uses. P&T. 

  10. Vovk A, et al 2011. Uporaba statističnih podpisov za izdelavo verjetnostnih map zdravih in obolelih možganov - nov diagnostični pripomoček?. Zdravniški vestnik. 

  11. Huotilainen E, et al 2014. Inaccuracies in additive manufactured medical skull models caused by the DICOM to STL conversion process. J Craniomaxillofac Surg. 

  12. 3D Printer filament comparison guide. Available from: https://www.matterhackers.com/3D-printer-filament-compare 

  13. Gross BC., et al 2014. Evaluation of 3D printing and its potential impact on biotechnology and the chemical sciences. Anal Chem. 

dr. Andrej Vovk, univ. dipl. inž. el.
Center za klinično fiziologijo
Medicinska fakulteta
Univerza v Ljubljani

Recenziral:
asist. Marko Jerman, univ. dipl. ing.
Laboratorij za alternativne tehnologije
Fakulteta za strojništvo
Univerza v Ljubljani

Prejeto: 12. 8. 2016
Sprejeto: 9. 1. 2017
Objavljeno 31. 1. 2017