Некоторое время назад ко мне обратился инженер медицинского центра с интересным и сложным проектом. Пациенту необходимо было изготовить индивидуальный эндопротез тазобедренного сустава. В отличии от стандартных конструкций центр планировал изготовить уникальную персонализированную модель, которая подошла бы с максимальной точностью.
Ранее пациенту установили искусственный протез, который не прижился. Требовалась повторная операция по замене и установке новой модели. Обычно медицинский центр заказывал модели протезов стороннему разработчику, однако стало понятно, что быстрее, эффективнее и экономичнее делать их самостоятельно. Это удобно хирургам и выгодно пациентам.
До встречи со мной сотрудники центра проанализировали разные средства моделирования и пришли на консультацию с задачей. Как эксперту по Fusion 360 мне требовалось оценить, возможно ли сделать точную модель эндопротеза средствами программы.
Ранее я работал с 3D -сканами сложных объектов – элементов обуви, художественных изделий. Поэтому я знал, как работать с такими моделями во Fusion 360, как их обрабатывать и где могут быть сложности. В данном случае предстояло работать с поверхностью кости, полученной при помощи компьютерной томографии. Я понимал, что в проекте высокие требования к точности работы, так как результатом будет хирургическая операция по установке титанового эндопротеза реальному человеку.
Я решил, что благодаря удобству и возможностям работы с разными типами моделей во Fusion 360 я смогу разработать методику и найти инструменты для решения этой задачи. Разработанная методика, инструменты и подход должны были стать основой для создания модели эндопротеза.
Я интегрировал все свои знания для того, чтобы в итоге медицинский центр получил точную персонализированную модель эндопротеза. Для реализации проекта требовалось разработать методику моделирования медицинских объектов во Fusion 360 и адаптировать методику под конкретную задачу. Важной частью работы также стала вторая задача по передаче знаний инженерам центра для дальнейшей самостоятельной работы без моей помощи.
Проект осложнялся тем, что моделирование на основе скана кости – это работа на глаз, здесь нет абсолютной точности и симметрии. Поэтому для создания методики моделирования я погрузился в область медицинских знаний на стыке с геометрией, а также работал с исходными сетчатыми моделями.
Обычно инструменты автоматизированного проектирования работают с точной геометрией. При моделировании машиностроительной детали инженер знает размеры и оси симметрии. В медицинских проектах мы работаем со сканом кости, а такие документы обязательно содержат ошибки и неточности. Важно, что в этом проекте необходимо было научиться строить точную модель на основе неточных данных со сканов.
Ранее подобные хирургические работы проводились на основе 2D рентгеновских снимков и связанных с этим многолетних методических данных. Это двухмерные модели. Во Fusion 360 же мы получаем возможность работать с трехмерной моделью кости, которая видна со всех сторон.
В ходе работы мы с инженерами центра адаптировали старые знания об особенностях строения костей к новому подходу на основе 3D модели. Полученная после компьютерной томографии 3D модель имеет неточное пространственное положение из-за неровного положения тела пациента во время процедуры. Поэтому согласование системы координат и правильное позиционирование модели таза в пространстве — это первая и очень важная задача, с которой начинается моделирование эндопротеза во Fusion 360.
В каждом проекте по моделированию нужно проанализировать задачу, оценить факторы риска и разбить работу на несколько этапов.
Работа по созданию эндопротеза делится на следующие этапы:
1. Первичная обработка скана кости, подготовка сетчатой модели
2. Позиционирование модели кости в пространстве
3. Работа с твердотельной геометрией, создание конструкции эндопротеза
4. Согласование модели протеза с костью в областях прилегания
По каждому из этих этапов была разработана методика на основе инструментов Fusion 360.
Всего во время проекта пришлось работать одновременно с разными типами данных: сетчатые полигональные поверхности, твердотельные аналитические модели, поверхности T-Spline , а также большое количество элементов вспомогательной геометрии. Эти данные благодаря «всеядности» Fusion 360 я собрал в одном проекте.
В ходе работы стало понятно, что для таких сложных моделей инженерам требуются или большие вычислительные мощности, или оптимизация моделирования. Поэтому я предложил методику моделирования протезов с учетом текущих мощностей заказчика.
Работа проходила в режиме удаленных консультаций во время карантина 2020 года. Мы организовали совместную работу во Fusion 360 и использовали Zoom для созвонов. На реализацию проекта потребовалось около 6 месяцев.
В итоге центр начал проводить операции по установке индивидуальных протезов на основе самостоятельно разработанных моделей.
Перед операцией титановый протез примеряют к напечатанной пластиковой модели кости для проверки точности позиционирования. После операции установки индивидуального протеза хирурги отслеживают, как приживается протез и как восстанавливается подвижность суставов пациента. Наблюдения показывают, что операции по установке индивидуальных протезов на основе моделей Fusion 360 проходят успешно.
Знание методики моделирования помогает инженерам создавать индивидуальные протезы самостоятельно на базе центра без привлечения сторонних организаций. Команда врачей и инженеров может реализовать все этапы разработки эндопротеза на своей площадке, что в целом влияет на стоимость, сроки и эффективность лечения пациентов.
Проект наглядно показал, что будущее персонализированной медицины уже наступило.
