«Это будет особенность Башкирии»: как 3D-технологии выведут медицину республики на новый уровень

Наука в Башкирии не стоит на месте, но открытиям наших ученых уделяют незаслуженно мало внимания. И зря: совсем скоро республика может стать территорией аддитивных технологий — цифровую 3D-печать собираются использовать в медицине.

О том, что это такое и как получить 3D-модель органа человека по реальным данным пациента, UFA1.RU рассказали специалисты аддитивных технологий.

Эта лаборатория открылась в УГАТУ совсем недавно. Будущие инженеры объединились со студентами уфимского медуниверситета, чтобы помочь не только врачам, но и обычным людям сделать их восстановление после травм эффективным и комфортным.

— В 2018 году наш университет выиграл грант Росмолодежи на проведение Всероссийских соревнований по проектированию и прототипированию робототехники, его провели в октябре, — рассказывает начальник отдела по работе с молодыми учеными УГАТУ Наталья Минасова. — Команды студентов в течение пяти дней в онлайн-режиме проектировали и печатали с помощью аддитивных технологий отдельные детали. В итоге из этих деталей получился робот — копия промышленного манипулятора, который захватывал конкретную деталь, переносил ее по определенной траектории и насаживал на штырь. Соревнования проходили в Екатеринбурге, участвовали в них и молодые специалисты предприятий.

Вскоре на базе оборудования — роботов, 3D-принтеров и компьютеров — создали Центр коллективного пользования уфимского авиационного университета «Цифровые технологии». В декабре провели межвузовские соревнования с БГМУ. Два дня команды на основе снимков МРТ строили компьютерные модели поврежденного органа, восстанавливали подвижность, если это было возможно, оптимизировали структуру и отпечатывали поврежденный орган на 3D-принтере.

Все это нужно, чтобы показать, как медработники могут использовать современные технологии при подготовке к операциям и лечении.

— Мы помогаем медикам отработать принципы персонифицированной медицины — той, которая предназначена для конкретного больного, — дополняет заведующий лабораторией аддитивных технологий УГАТУ Вадим Смирнов.

— Это планирование операций, визуализация пораженных органов, моделирование поведения опорно-двигательного аппарата для последующего расчета и изготовления имплантов. Например, у нас есть почка с новообразованиями. Естественно, она не для лечения, а для визуализации и для принятия решения о том, как убрать нездоровую область. Это является одной из методик быстрого прототипирования — то есть оперативного создания прототипа какой-то части человеческого тела, например, колена, мениска, — говорит Вадим Смирнов.

Оказалось, что подобная работа по развитию аддитивных технологий и быстрого прототипирования ведется в данном университете в течение последних 10 лет. Знания студентов применяются на практике с помощью специального оборудования российского производителя «Пикассо». Впоследствии эти принтеры планируется использовать для нужд машиностроения. По словам вузовских ученых, сейчас аддитивные технологии переживают бум своего развития. Они позволяют изготавливать любые детали, начиная с тех, которые описываются математическими методами, и заканчивая конкретными изделиями машиностроения, которые можно получить в металле. Причем на изготовление таких деталей, полученных из объемного чертежа, вместо нескольких месяцев уходят считанные часы.

— В качестве примера можно рассмотреть визуализацию конкретного заболевания — аневризма сосудов головного мозга. Эта деталь изготовлена как составная — та, которую хирург может увидеть на операции, рассекая ткани больного. Мы это можем сделать, не причиняя больному никакого вреда. Деталь полностью разбирается. Сейчас разработано очень большое количество материалов для 3D-принтеров, которые являются биосовместимыми, прочными, сгорают без остатка. Мы можем сделать для детали керамическую форму, в которую потом залить металл и получить настоящий протез, — демонстрирует Вадим Смирнов.

— Существуют очень большие возможности по изготовлению изделий с внутренней структурой — сотовой. Соты могут быть как небольшие, так и гигантские. Изделия могут казаться сплошными снаружи и практически пустыми изнутри. Их можно применять в авиации при создании высокотехнологичных конструкций для экономии топлива и энергии. В конце концов, аддитивные технологии позволяют получить изделие, которое невозможно сделать другими способами.

Новый бренд для республики

Если говорить простым языком, то аддитивные технологии — это постепенное, многослойное изготовление изделий. Нет ограничений по форме, оборудованию по оснастке. Создаются уникальные и удивительные вещи — с отверстиями, перегородками, с дизайном от природы. Сфера применения таких технологий широкая — от промышленности, медицины до творчества (те же самые киберручки, которыми можно рисовать в пространстве).

— Мы рассчитываем, что в Башкирии будет создан кластер аддитивных технологий, предназначенный для высокотехнологичных отраслей промышленности. Потому что в республике есть потребители такого рода технологий, научные центры, которые могут изучать, разрабатывать их и внедрять. Мы надеемся на помощь руководства республики и правительства. У нас есть программа действий, которая позволит, по примеру Татарстана, создать кластер высокотехнологичного производства на 3D-печати. Это будет особенность Башкирии, которая позволит привлечь инвестиции и оставить в республике «мозги» — выпускников вузов, молодых перспективных ребят, которые сейчас, к сожалению, уезжают за пределы РБ, — считает Вадим Смирнов.

«Умное» протезирование

Александр Бикмеев, доцент кафедры высокопроизводительных вычислительных технологий и системы УГАТУ рассказал, как и почему выбирают органы для 3D-моделирования.

— По результатам исследований, таких как КТ или МРТ, мы восстанавливаем 3D-геометрию при помощи специализированных компьютерных программ. Далее из этой 3D-модели мы формируем специальные поверхности, которые в дальнейшем идут на печать специалистам по аддитивным технологиям. В дальнейшем мы используем модели для различных расчетов. Мы планируем получить распределение напряжения, деформации и другие механические характеристики тех органов или деталей, которые мы восстановили по результатам КТ. И дальше уже посмотреть, какой вариант протезирования будет лучше с точки зрения снижения нагрузки, как на конечную конструкцию, так и на другие органы человека. С этими задачами наши студенты удачно справились. Результаты передали конструкторам, которые доработали эти модели.

Специалист показал, как работа по созданию 3D-модели выглядит на деле.

— В программе есть несколько предустановленных вариантов. Специалист выделяет цветом ту часть, которая и станет 3D-моделью. При помощи специальных масок на чертеже можно по необходимости обрезать деталь. Затем восстанавливается 3D-геометрия. Конечная модель выгружается в специальный файл и загружается в другую программу, где сглаживается. Эта форма в конечном итоге отправляется специалистам. В результате получается реальный протез — он немного увеличен в размерах, чтобы медики лучше воспринимали, как он размещается в кости, а также для удобства работы с ним.

Начальник управления информационных технологий БГМУ Азат Билялов рассказал, в каких областях медицины применяются 3D-модели органов.

— Этот совместный проект создан для того, чтобы объединить усилия в области медицины. По сути, мы этим проектом убиваем двух зайцев: готовим специалистов, которые могут работать в области медицины, и помогаем нашим студентам-медикам понимать технические детали современного производства и информационных технологий. Современные технологии очень помогают хирургам в проведении операций, — говорит Азат Билялов.

По словам Азата Билялова, все направлено на то, чтобы как можно быстрее восстановить пациентов. Компьютерное моделирование и прототипирование позволяют снизить риски во время операции, после нее и исключить осложнения. Ведь с помощью 3D-моделей врачи могут воочию видеть нужные органы и их участки.

3D-моделирование активно используется в нейрохирургии, урологии, травматологии. Модели выполняются исходя из данных реальных пациентов, которые впоследствии будут прооперированы. Такие модели будут использованы в реальной хирургической практике в БГМУ.