3D-макетирование в ветеринарной ортопедии
Ортопедия

3D-макетирование в ветеринарной ортопедии

Авторы: Усов С. Ю., Соломин Л. Н.,. Зеленевский Н. В.  Клиника «ЛенОблВет», г. Колпино. 

Ключевые слова: компьютерная томография (КТ), 3D-моделирование, 3D-печать
копий органов, планирование операций.

Современные ортопедические операции требуют качественной предоперационной
подготовки. Приводится алгоритм изготовления 3D-макетов органов, пригодных не только для предоперационного планирования, но и для разработки техники
операционного вмешательства.

Введение

Современная российская ветеринария проходит этап информационного и технического оснащения, поэтому становится очевидным недостаточность использования только рентгеновских снимков (аналоговых или цифровых) для планирования ортопедических операций. Все больше в своей практике ветеринарные врачи-ортопеды используют такие диагностические методы, как артроскопия, магнитно-резонансная томография (МРТ), компьютерная томография (КТ) с последующей трехмерной визуализацией органов.
В современную практическую ветеринарию внедряются новые техники: TTA, TTO, CUE, PAUL, TPLO, PGR, устранение угловых деформаций (CORA), тотальное эндопротезирование и т.д. Все эти хирургические вмешательства требуют тщательного предоперационного планирования, поэтому получает развитие и техническая база. Уже несколько лет назад на вооружение ветеринарных врачей стали приходить рентгенологические аппараты с цифровой обработкой изображений, что значительно упростило этапы диагностики и предоперационного планирования.
Со временем диагностика и операции становились все сложнее, а применяемые технологии диагностики и планирования (рентгеновские снимки) перестали удовлетворять врачей-практиков (например, суперпозиция – наложение друг на друга теней исследуемых костей), поскольку в некоторых случаях это не дает возможности оценить состояние костей в суставах и т.д., поэтому появление компьютерных и магнитных томографов в ветеринарной практике стало необходимостью.
Томографы дают последовательные срезы (аксиальные или другие), благодаря чему ветеринарные специалисты получают возможность изучать интересующие области без наложений. Но срезы – это лишь последовательные двухмерные изображения, надо
обладать очень хорошим «объемным» мышлением, чтобы оперировать этими
данными. На помощь врачам пришло современное программное обеспечение, которое позволило на основе последовательных срезов получать наиточнейшие трехмерные модели исследуемых объектов, а также проводить необходимые измерения и т.д.

Цель наших исследований – разработать, реализовать и начать внедрение
метода создания идентичных копий костей, вовлеченных или не вовлеченных в патологический процесс, применяя современное оборудование, доступное в России.

Актуальность

Актуальность выполненной нами работы не вызывает сомнений. После внедрения этой технологии в практическую ветеринарию значительно повысится качество оказываемых услуг: мы будем иметь в своем распоряжении наглядные примеры для определения состоятельности выбранной методики и технической базы для ее осуществления.

Результаты исследований и их обсуждение

Этапы создания макета (рис. 1–5).
Первым этапом в создании 3D-модели органа является компьютерная томография животного или части его тела с пораженными органами. В нашем случае это грудная конечность собаки, исследуемая на 16-срезовом компьютерном томографе КТ-000000 РЭ фирмы PHILIPS-ЭЛЕКТРОН (рис. 1).

Грудную конечность исследовали от когтевых фаланг до лопатки в режиме костного протокола, с толщиной среза 0,75 мм, с наложением. В результате было получено 700 последовательных срезов. Затем приступали к трехмерному моделированию. Процесс был разделен на три этапа.

Первый этап заключался в создании 3D-моделей всех костей конечности; второй
этап – создание отраженных 3D-моделей и третий – создание 3D-моделей необходимых костей или их фрагментов.

Поскольку программное обеспечение компьютерного томографа, на котором выполнялось исследование, позволяло создавать трехмерные модели, но не позволяло сохранять их в формате, пригодном для объемной печати, нам пришлось пройти этап создания трехмерных моделей на основе последовательных срезов.

Для построения трехмерных моделей мы использовали следующее программное обеспечение: программу для просмотра файлов – XnView, программу для очистки файлов – DicomCleaner, построитель 3D-изображений – автоматический Osirix и ручной DeVIDE, графический редактор – Photoshop, трехмерный графический редактор – Rhinoceros и ряд других вспомогательных программ. В результате мы выполнили все задачи, необходимые для достижения поставленной цели. 3D-печать производилась на ZPrinter 650.

Процесс объемной печати заключается в следующем:
  • Созданные трехмерные модели проходят проверку на пригодность к печати, и их переносят в программное обеспечение 3D-принтера.
  • Оператор ПК распределяет необходимое количество моделей в объеме виртуальной камеры, соответствующей реальной камере, в которой происходит печать.
  • После выполнения всех необходимых проверок запускают печать. Для этого в камеру насыпается порошок слоем 0,0875 мм, после чего над всей площадью порошка проходит печатающая головка принтера, которая под контролем программного обеспечения наносит клей в необходимые места, затем опять наносится слой порошка. Таким образом печатается слой за слоем, пока печатающая головка не нанесет последнюю каплю клея: печать может длиться более 10 часов.
  • После окончания печати лишний порошок убирают, а объекты извлекают из камеры. Объекты в данный момент хрупкие, поэтому их переносят в специальную камеру для процесса отверждения (рис. 6); копии опускают на 3–5 минут в цианоакрилатную ванну, затем их из нее вынимают на просушку (рис. 7). В целом процесс отверждения занимает несколько часов. В результате мы получаем точные 3D-копии исследуемых органов (в нашем случае – костей).
Новейшие технологии в ветеринарной ортопедии
Важно, что получаемая копия органа полностью соответствует оригиналу (рис. 8). Для наших исследований были взяты кости грудной конечности собаки: в большей степени нас интересовал скелет предплечья в норме и при патологии. В результате мы получили объемные модели лучевой и локтевой костей с учетом всех видовых и возрастных особенностей этих органов у конкретной собаки. На них можно проводить все виды макроморфологических измерений, что дает неограниченные возможности для изучения закономерностей онтогенеза органов живого животного, не прибегая к традиционным методам исследования после эвтаназии.

Мы исследовали деформированные кости противоположной грудной конечности этой же собаки (рис. 9). Произведя работу в той же последовательности, получили 3D-модели лучевой и локтевой костей. На ней легко читаются патологические изменения в виде краниального дугообразного изгиба луча и, как следствие, значительного увеличения межкостного пространства.

С подобными моделями можно производить практически любые манипуляции: их можно измерять, на них можно чертить, их можно сверлить и пилить, в них можно вкручивать винты саморезы или спицы, выполнять их рентгенографию. То есть теперь стало возможным не только спланировать операцию, но и частично «отрепетировать» алгоритм ее проведения уже в реальных условиях.
Выводы
Предложенный метод создания 3D-моделей органов, имеющий большое практическое значение в хирургии в целом и ортопедии в частности, может быть использован для проведения научных исследований по изучению онтогенеза органов одной и той же особи на протяжении всей жизни.

Литература:
  1. Евсеев А. В., Коцюба Е. В., Майорова С. А. и др. Компьютерное моделирование и лазерная стереолитография в торакальной хирургии. Труды VI Межвузовской научной школы молодых специалистов «Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии, медицине», 21–22 ноября 2005 г. Под редакцией Б. С. Ишханова, Л. С. Новикова, НИИЯФ МГУ, 2005 г., с.112–117.
  2. Зеленевский Н. В., Хонин Г. А. Анатомия собаки и кошки. – СПб.: Периферия, 2009. – 198 с.
  3. Зеленевский Н. В., Международная ветеринарная анатомическая номенклатура. Пятая редакция. – СПб, Лань, 2013. – 400 с.
  4. Stereolithography and other RP&M technologies, ed. P. F. Jacobs. 1995, Dearborn, MI: Society of Manufacturing Engineers, 451 p.
  5. Evseev A. V., Kamaev S. V., Kotsuba E. V., Markov M. A., Novikov M. M., Panchenko V. Y., Popov V. K. Computer biomodeling and laser stereolithography. Eighth International Conference on Laser and Laser Information Technologies; Vladislav Y. Panchenko, Nikola V. Sabotinov; Eds., Proc. SPIE Vol. 5449, p. 188–201, 2004.