Дипломна робота РОЗРОБКА ЗАГАЛЬНОГО ПРОЦЕСУ ТА НОВІ ПОЛІМЕРНІ СПОЛУКИ
Дипломна робота РОЗРОБКА ГЕНЕРАТИВНОГО ПРОЦЕСУ ТА НОВИХ ПОЛІМЕРНИХ СПОЛУК ДЛЯ ПЕРСОНАЛІЗОВАНИХ ІМПЛАНТАТІВ ЧЕРЕПА ТА ЛИЦЯ, подана Алоїсом Антоном Податковим для здобуття вченого ступеня доктора медичних наук (доктор мед. експериментальної нейротравматології під керівництвом наукового керівника ун-ту проф. у докторі in rer.nat Ute Schäfer Graz 22 травня 2016 року
Свідченням заявляю на свою честь, що написав даний твір самостійно та без сторонньої допомоги, що я не використовував жодних джерел, крім поданих, і що я позначив уривки, взяті дослівно, або стосовно змісту як такого. Грац 22 травня 2016 року Алоїс Антон Податковий е. I
Подяки На цьому місці я хотів би висловити вдячність усім людям, які підтримали мене у підготовці цієї тези. Моя особлива подяка пані унів.-проф. у докторі в ретр. нац. Уте Шефер та ун-т - доц. Д-р мед. Горду фон Кампе за можливість та впевненість у можливості взяти участь у проекті. Я також хотів би подякувати пану Муаммеру Юкалю за вступ до цієї теми, всю допомогу та приємну співпрацю. Моя заслуга пані маг. A (FH) Ульріке Зефферер за її організаційну підтримку. Велике спасибі моєму партнеру та всім друзям, які охоче віддали свій цінний час, щоб підтримати мене різними способами. Перш за все, я хотів би подякувати своїм батькам та братам та сестрам за їх постійну підтримку. ii
Зміст КАТАЛОГИ. VII СПИСОК ФІГУР. VII СПИСОК СТОЛІВ. VII СПИСОК СКОРОЧЕНЬ. VIII ОСНОВНА ЧАСТИНА. 1 1 ВСТУП. 2 1.1 СПОСІБ. 2 1.2 3D-ДРУК. 4 1.3 ПЛАСТИКА. 6 1.4 НАЛАШТУВАННЯ ПРОБЛЕМИ. 7 2 МАТЕРІАЛ І МЕТОДИ. 9 2.1 ДИЗАЙН ДИЗАЙН. 9 2.2 РОЗВИТОК ПРОЦЕСУ. 10 2.2.1 Оцінка імплантатів. 11 2.3 ТЕСТУВАННЯ ТВАРИН. 12 2.4 СПОЖИВКИ. 13 2.5 ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНЕ НАЛАШТУВАННЯ. 14 2.5.1 Хірургічні методи. 14 2.5.1.1 Краніотомія. 16 2.5.1.2 Реімплантація. 17 2.5.1.3 Самостійна імплантація. 18 2.5.2 Контрольні групи. 19 2.5.2.1 Здоровий контроль. 19 2.5.2.2 Контроль клею. 19 2.5.2.3 Контроль анестезії. 19 2.5.3 Післяінтервенційна допомога. 20 2.5.4 Візуалізація. 21 2.6 ЦИФРОВА ТА СТВОРЕННЯ МОДЕЛІ. 21 2.6.1 3D-модель кістки. 21 2.6.2 Моделювання сітки. 22 2.7 ВИРОБНИЦТВО ІМПЛАНТА. 26 2.7.1 3D-друк. 26 до н
2.7.2 Підготовка імплантату. 26 2.8 ЗБІР І АНАЛІЗ ДАНИХ. 27 2.8.1 Евтаназія та видалення органів. 2.8.8 Мікротомія та імуногістохімічне фарбування. 27 2.8.3 Протокол роботи. 28 2.8.4 Кількісна оцінка. 28 3 РЕЗУЛЬТАТИ. 29 3.1 ЦИФРОВА І ДИЗАЙН ІМПЛАНТАТІВ. 29 3.1.1 Створення моделі. 29 3.1.1.1 Одноетапне зображення. 30 3.1.1.2 Двоступеневе зображення. 32 3.1.2 Методи моделювання. 34 3.1.2.1 Метод 1: Дзеркало. 34 3.1.2.2 Метод 2: Клітка. 35 3.1.2.3 Метод 3: Попереднє/Опублікування. 35 3.1.2.4 Завершення методів. 36 3.1.3 Вибір методу. 38 3.1.3.1 Тривалість. 38 3.1.3.2 Відмінності. 39 3.1.4 Оцінка імплантатів. 39 3.1.5 Остаточне проектування імплантату. 40 3.1.5.1 Тривалість. 41 3.1.5.2 Вимоги до місця для зберігання. 41 3.2 ПРОЦЕДУРА ТЕСТУ. 43 3.2.1 Контрольна група. 43 3.2.2 Хід операції. 43 3.3 КЛІНІЧНИЙ РОЗВИТОК. 45 3.3.1 П’ять днів спостереження. 46 3.3.2 Два тижні спостереження. 47 4 ДИСКУСІЯ. 48 СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ. 55 vi
Списки Перелік рисунків РИСУНОК 1.1 МОДЕЛЮВАННЯ НЕПОЛАДОВОГО ВЛАДУВАННЯ. 5 РИСУНОК 2.1 - ЕКСПЛУАТАЦІЙНІ ВМІСТИ. 16 РИСУНОК 2.2 - КІСТКОВА МОДЕЛЬ. 22 РИСУНОК 2.3 ВІДБОРНЕННЯ КІСТКОВОЇ МОДЕЛІ. 23 РИСУНОК 2.4 КРОКОВИЙ КОНСТРУКЦІЯ ІМПЛАНТАТІВ. 25 РИСУНОК 3.1 - СТВОРЕННЯ КІСТКОВОЇ МОДЕЛІ. 30 РИСУНОК 3.2 ПРОЦЕС СЕГМЕНТАЦІЇ. 31 РИСУНОК 3.3 - ПОРІВНЕННЯ ЗНАЧЕНЬ ГРАНИЦІ. 32 РИСУНОК 3.4 МЕТОД 1: ДЗЕРКАЛО. 34 РИСУНОК 3.5 - МЕТОД 2: КЛІТКА. 35 РИСУНОК 3.6 - МЕТОД 3: ПЕРЕД/ПІСЛЯ. 36 Рисунок 3.7 Імплантаційний край. 36 РИСУНОК 3.8 - ПОРІВНЕННЯ МЕТОДІВ МОДЕЛЮВАННЯ. 37 РИСУНОК 3.9 - ТРИВАЛІСТЬ ПЕРЕКЛАДУ. 38 РИСУНОК 3.9 ОЦІНКА ІМПЛАНТАТІВ. 40 РИСУНОК 3.11 - BOXPLOT: ДІАПАЗОН ТРИВАЛІСТІ ПРОЕКТУВАННЯ. 41 РИСУНОК 3.12 ВИДАЛЕННЯ ІНФОРМАЦІЙНОГО ЗМІСТУ. 42 РИСУНОК 3.13 - ФІТ. 44 РИСУНОК 3.14 - ВИМІРЮВАННЯ ТІЛА перед та після втручання. 45 Список таблиць ТАБЛИЦЯ 2.1 СПИСОК ХІРУРГІЧНИХ МАТЕРІАЛІВ. 13 ТАБЛИЦЯ 3.1 СТВОРЕННЯ КІСТКОВИХ МОДЕЛЕЙ ПЕРЕД/ОПИСАННЯМИ У 3D-СЛІСЕРІ. 33 ТАБЛИЦЯ 3.2 - ПОРІВНЕННЯ МЕТОДІВ МОДЕЛЮВАННЯ. 39 ТАБЛИЦЯ 4.1 - ЧАСТОТА БІФРОНТАЛЬНИХ/БОКОВИХ КРАНІОТОМІЙ. 52 vii
Список скорочень A AAN. Анексат, антиседан, розчин NaCl (0,9%) змінного струму. контроль наркозу АМ. виробництво добавок B або . або CAD. Комп’ютерне проектування CAM. Комп’ютерне виробництво CH2O. Формальдегід CH3OH. Метанол cmh2o. Сантиметровий стовпчик води з ЧПУ. комп'ютеризований числовий ЦП управління. Центральний процесорний блок КТ. Комп’ютерна томографія D DICOM. Цифрова візуалізація та комунікація в медицині F FDM. моделювання плавленого осадження G GC. GPU для контролю клею. Блок обробки графіки H H2O2. Перекис водню HA. Гідроксиапатит HC. здоровий контроль К кгкг. Кілограм маси тіла kv. Кіловольт М ма. Мільямпс МБ. Мегабайт мм рт. Ст. Міліметри ртуті N NaCl. Хлорид натрію NRRD. Майже необроблені растрові дані P PBS. фосфатно-сольовий сольовий розчин PEEK. Поліетеретеркетон ПММА. Поліметилметакрилат поліарил. Поліарилетеркетон ПП. Поліпропілен PSI. специфічний для пацієнта імплантат R RAM. Оперативна пам’ять S SI. самостійний імплантат SLA. стереолітографія (апарат) СЛС. селективне ЛАЗЕРНЕ спікання STL. Стереолітографія T TR. Пороговий діапазон RPM. Обороти в хвилину УФ. Ультрафіолет V пор. Порівняти VRML. Мова моделювання віртуальної реальності L LASER. посилення світла за рахунок стимульованого випромінювання viii
Процес селективного ЛАЗЕРНОГО спікання (SLS) використовує подібний підхід. Затвердіння відбувається за рахунок цілеспрямованого плавлення пластику, кераміки або металевого порошку високоенергетичним ЛАЗЕРОМ. У стереолітографії (SLA), навпаки, фотоактивні синтетичні смоли стимулюються до полімеризації за допомогою УФ-ЛАЗЕРУ. Іншим методом є моделювання плавленого осадження (FDM) .За допомогою цього способу виробництва плавимі пластмаси зріджуються через нагріту форсунку, а потім осідають у бажаному місці. Після того, як відповідний рівень охолоне і затвердіє, цей процес повторюється шар за шаром, тим самим нарощуючи об'єкт. Цей метод дозволяє використовувати різні пластмаси. На рисунку 1.1 показано схематичне зображення згаданого процесу. Рисунок 1.1 Моделювання плавленого осадження: схематичне зображення виробництва імплантатів; Візуалізація з Blender v2.75a; З .: власна ілюстрація, заснована на [27] 5
Проблема, однак, полягає у використанні існуючої моделі кістки, щоб зробити висновок про видалений шматок кістки і, отже, про форму імплантату. Зрештою повинні бути розроблені необхідні механізми виявлення та алгоритми. Вимоги до цієї процедури включають якнайшвидше перетворення даних, а також високий ступінь точності підгонки, щоб забезпечити одноетапну процедуру без додаткових модифікацій. Цей крок був виконаний вручну для цього проекту. Перевірка точності придатності та застосовності технологічного ланцюга нарешті здійснюється шляхом розробки та впровадження моделі тварин. Інший фокус - аналіз можливих клінічних ефектів в результаті втручань. Весь проект також присвячений питанню можливих істотних змін у процесі виробничого процесу. Для цього досліджують механічні та фізичні властивості імплантатів FDM. Крім того, проводиться імуногістохімічний аналіз мозкових оболонок та кори на потенційні запальні реакції. Аналіз та опис цього питання не є предметом даної роботи. 8-й
2.3 Тестовані тварини Тест проводили на самцях щурів Sprague Dawley (Charles River, Bois des Oncins) у віці від десяти до 49 тижнів. На початку дослідження середня маса тіла становила 510 (SD: ± 43) g. Тварин ідентифікували за допомогою кодованого штампування вух, а також безперервної нумерації з постійним маркером на переході тулуб-хвіст. Щурів утримували в стайні для дрібних тварин відділу біомедичних досліджень без спеціальних карантинних заходів у стерильних умовах. Температура в приміщенні становила 20 ± 4 за Цельсієм при відносній вологості повітря 30-70%. Ритм дня і ночі регулювався штучним освітленням з автоматичним таймером кожні 12 годин. Воду та стандартну гранульовану чау отримували за бажанням. Тварин утримували у групах з максимум трьох тварин у євростандартних клітинах типу IV (1354G, Tecniplast, Buguggiate) на підстилковому шарі з пилоподібних тирси та деревної вовни. За необхідності щурів переміщували з інтервалом від двох до трьох тижнів. Перевірка персоналу по догляду за тваринами проводилася кілька разів на день. 12-й
2.5.1.1 Краніотомія Операційну зону звільнили від хутра за допомогою електричної бритви, захищаючи вібриси, а потім продезінфікували тампоном із ізопропанолу. Згодом череп був вирівняний і зафіксований у стереотаксичних рамках. Рисунок 2.1 - оперативні втручання: візуалізація з Blender v2.75a, вигляд з бокового-заднього на передній; A) схематична проекція шкірного розрізу B1) щілиноподібна краніотомія B2) видалення кісткового клаптя C1) контроль клею C2) самоімплантація C3) імплантація з друкованим FDM; Питання: власна ілюстрація. Розріз шкіри на U-подібній формі довжиною близько 15 мм, що перетинає середню лінію, був зроблений без пошкодження фасції скроневого м’яза (див. Рис. 2.1 A). Окістя в значній мірі втягнуто і оголено основний череп. 16
Вихідне значення збільшено. Як алгоритм вибірки був використаний метод лінійної інтерполяції [38]. Отримані файли NRRD були тимчасово збережені для подальшої обробки. Рисунок 2.2 - Модель кістки: створення моделі на основі визначення порогового значення, вигляд зверху: передньо-латерально на задній; Знімок екрана з 3D Slicer v4.4.0 Використовуючи функцію обсягу обрізання, цільовий обсяг був обмежений ділянкою між найбільш бічними розширеннями лямбда-шва та вінцевим швом як потилично, так і рострально, а також виступами крист скроневої кістки латерально. Сегментація проводилася за допомогою визначення порогового значення в модулі редактора. Велика різниця в щільності між кістками та м’якими тканинами забезпечила точну диференціацію [20]. Нижній поріг становив 47% від максимального значення, яке визначало верхню межу. За допомогою прапорця гладка модель була створена модель гладкої кістки на основі карти міток та експортована як файл STL. На рисунку 2.2 представлена модель готової кістки. 2.6.2 Моделювання сітки Подальшу обробку та моделювання проводили за допомогою програмного забезпечення для комп’ютерної графіки 3D із відкритим кодом (Blender v2.75a, Blender Foundation, Амстердам). 22-го
Рисунок 2.4 Покрокова конструкція імплантату, вигляд з передньої частини, скріншот з Blender v2.75a A) Екструзія базового тіла B) Відображення краю імплантату після віднімання з кістковою моделлю C) Прогрес після використання модельних інструментів D) Готовий імплантат після випрямлення поверхні; Питання: власне представлення У режимі ліплення, краї та п’єдестал були додатково адаптовані. Для цього було відключено дзеркальне відображення вздовж осі X. Щітка F Scrape/Peak була обрана за допомогою функції Enable Dyntopo. Розмір пензля встановлювався на 50 пікселів, незалежно від коефіцієнта масштабування. Значення міцності становило 0,3. Параметр Автозгладжування був відрегульований до 1 відсотка (0,01 [безрозмірний]) від можливого максимального значення. Нерівності були усунені за допомогою ефекту зішкрябування та досягнення зменшення окружності з урахуванням первинного контуру (див. Малюнок 2.4-С). Щоб уникнути гострих кутів, переважна основа була закруглена за допомогою вищезазначеної функції. Щоб не застосовувати без потреби, проводили віднімання з рівнем, максимально наближеним до черепа. 25-й
3 Результати 3.1 Оцифрування та дизайн імплантатів 3.1.1 Створення моделі Розроблено та оцінено два різні процеси для створення кісткової моделі. Перший метод описує процес на основі одноразової процедури візуалізації. Створення кісткової моделі на основі двоступеневої візуалізації також використовує функцію реєстрації для узгодження до- та післяопераційних зображень. Основні цифри для створення моделей наведені нижче. Наведені терміни стосуються тривалості розрахунків при створенні моделі, створеної для ілюстративних цілей. Для розробки методу були зроблені перед- та післяопераційні КТ-зображення двох щурів (див. Пункт 2.2.1.). 29
Процес розрахунку для передискретизації даних із подвійними параметрами інтервалу між зображеннями та методом лінійної інтерполяції зайняв 352 секунди. Функція обрізки обрізання зайняла 67 секунд. Загалом, зменшення обсягу даних вимагало тривалості 6 хвилин 59 секунд. Розрахунок кісткової моделі проводили у три етапи. Сегментацію кістки проводили за допомогою сірого фільтра (див. Малюнок 3.2). Градуювання прямо пропорційне значенню поглинання рентгенівських променів. Рисунок 3.2 Процес сегментації: вибіркове представлення кісткових структур; Знімки екрана з 3D-Slicer v4.4 A) рідні КТ-зображення B) накладена карта етикеток (охра); Питання: власна презентація У серії тестів, проведених самостійно, нижнє граничне значення 47% від максимального значення виявилося найкращим компромісом між насиченістю деталей та поданням артефактів. За верхній поріг було взято максимальне значення. На рисунку 3.3 показано різну точність відображення для відповідних діапазонів порогових значень (TR). 31
Рисунок 3.6 - Метод 3: Pre/Post, передньо-бічний вигляд, візуалізація з Blender v2.75a; З .: власна ілюстрація 3.1.2.4 Завершення методів Будь-які альвеоли, які були розкриті під час краніотомії, залишались після віднімання у вигляді вузькорозширених крайок імплантату (див. Малюнок 3.7). Рисунок 3.7 Поля імплантату: розширення з вузькою базою після проведення процесу віднімання; Знімок екрана з Blender v2.75a Через збільшення розміру можливе вбудовування дефекту вважалося неможливим. В результаті бігунів видалили. Остаточний процес адаптації країв імплантатів, як описано в пункті 2.6.2, проводився однаково для всіх трьох методів і тривав 10 хвилин. Остаточна форма моделей імплантатів, що виготовляються по-різному, показана на малюнку 3.8. 36
Рисунок 3.8 - Порівняння методів моделювання, візуалізація з Blender v2.75a, вигляд зверху: передньо-латерально до заднього (кожен ліворуч), вид знизу: передньо-медіальний до заднього (кожен праворуч); A1 & B1) Спосіб 1: Дзеркало A2 & B2) Спосіб 2: Клітка A3 & B3) Спосіб 3: Pre/Post; З .: власна ілюстрація 37