3D в хирургии.

Часть 1. Вступительная.

Многие в своих блогах пишут о своих успехах в мире 3д. Но в основном специфика не очень разнообразна - виз, геймдев, анимация, реклама и тд.

3d используется гораздо шире в наши дни. Просто остальные отрасли довольно специфические и не многие о них вообще слышали. Я немного это исправлю.

А расказывать я вам буду о 3d в медицине, а точнее в хирургии, а точнее в протезировании. Рассказ будет, так сказать, из первых уст, так как это то, чем я занимаюсь на работе.

Отечественная медицина не очень жалует 3d вернее эти технологии уже есть у нас, но распространены они не широко. Я работаю не на отечественную медицину и поэтому технологии с которыми работаю одни из передовых.

Итак. В Европе есть очень много людей нуждающихся в замене суставов. Это может быть коленный сустав или же сустав бедра. И в последнее время начали производить протезы межпозвоночных дисков. Да и еще много всего но работаю я с этими.

Чем отличается европа от отечественного производителя, так это индивидуальным подходом, а не штамповкой типовых образцов рекордными партиями. Собственно об этом и будет статья - как делают индивидуальные протезы с использованием 3d.

Сразу хочу сказать, что весь процесс я описать не смогу - присутствуют элементы коммерческой тайны, но они к делу не относятся, ведь упор буду делать именно на использование виртуального пространства.

Часть 2. Подготовка пациента.

Где-то в Европе, есть пациент, которому нужно провести операцию по замене сустава. В подавляющем большинстве - это пожилые люди у которых в силу возраста стирается поверхность хряща в суставе либо же разрушается кость. Их направляют к хирургу, который их отправляет на СT сканер (по нашему томограф). 

Сканер сканирует нужную часть тела, обычно ногу, если нужна замена сустава колена или бедра. Сканирование идет с шагом 0.5 мм. По итогу имеем секвенцию снимков с поперечным сечением ноги. Вот пример. 

Вот наш отдел как раз и работает с этими снимками.

Часть 3. Soft.

Задачи у нас весьма специфические, поэтому программное обеспечение - тоже не особо известно широкому кругу людей и даже тридешникам. Работаю в программе под названием Mimics 16. Вот ссылка на офф сайт http://biomedical.materialise.com/mimics

Это неизвестная у нас программа и довольно известная во всем остальном мире но сугубо в околомедицинских кругах. Основана она на моделировании 3д объектов по маскам в 3х проекциях. Но знатокам зебр сразу хочу сказать что это не шадоубокс а скорее очень отдаленное сплайновое моделирование.

Главной особенностью программы, является автоматическое разделение градаций серого на полученых изображениях согласно тканям организма. Поясню. При сканировании человека снимок формируется согласно ослаблению рентгеновских лучей проходящих через ткани. К примеру кости при таком методе исследований будут всегда светиться в одном диапазоне серого, мышцы - в другом. Программа обрабатывая снимки оставляет тот диапазон серого который обычно относится к интересующей нас ткани и на основании узора на изображении создает маску. Вот как на этом изображении - создалась маска желтого цвета повторяющая контур кости. 

Маска создается сразу на каждом снимке , а их может быть очень много.

Вот на основании этой маски как раз и проходит расчет первичной 3д модели. Как видим модель крайне шумная. 

И это при том, что в данном случае мы имеем почти идеальные по качеству снимки сканера. Что бы это исправить мы применяем алгоритм сглаживания (функция wrap). Он очень отдаленно напоминают функцию smooth в обычных 3d редакторах .

Вот, модель стала выглядеть уже получше. Но мы можем сделать еще лучше. Для этого используем еще одну функцию - smooth. На этот раз это действительно функция smooth.

Но так бывает очень редко, когда попадаются идеальные снимки. Во всех остальных случаях приходиться работать руками. Тоесть править маску согласно контуру. Время это занимает разное от 40 минут и до нескольких дней на один случай. Несколько дней это уже экстремальные варианты, когда снимок сильно засвечен уже имеющимся у пациента протезом. 

Немного о форматах файлов. Базовый формат программы - (.mcs). А формат экспорта - (.stl)

Вот именно .stl файлы 3d моделей мы и получаем на выходе.

Часть 4. Что дальше?

А дальше эти 3d модели отправляются на печать. После печати получаются вот такие вот модели. 

Модели соотносятся с реальными костями в соотношении 1 к 1. Они выполняют 2 функции.

Первая - еще до операции хирург может посмотреть и покрутить в руках кость с которой ему предстоит работать.

Ко второй же функции относится то, что эти 3д модели используются в виртуальном пространстве, что бы сделать специальный, индивидуальный режущий блок для операции. Эту работу делаем тоже мы в SolidWorks, но к сожалению расказать про эти блоки я не могу, так как это собственность компании на которую я работаю. В общих чертах, это специальная распорка, которая имеет несколько поверхностей касания с конкретной костью (для каждой кости и пациента идет своя распорка) и несет она направляющие для пилы хирурга. Во время операции, что бы поставить протез необходимо из головки кости сделать особой формы фигуру, что бы протез мог фиксироваться на ней. И во время операции хирург добравшись до кости ставит на нее эти распорки, фиксирует их винтами и при помощи специальной пилы срезает часть кости. Затем установка протеза и реабилитация пациента.

Немного все сумбурно вышло но вот одна из практических сторон применения 3d. Ниже приведу еще пару скринов и видео самой операции для смелых. Делаем мы не только кости на которых будут проводиться операция, но и другие для соответствующих расчетов центра тяжести и нагрузки.

P.S. С удовольствием бы почитал о применении 3d в других отраслях. Если кто может, то продолжите эстафету.