3D-моделирование эндопротеза в Autodesk Fusion 360: история успеха

Предлагаем вниманию читателей статью о медицинском моделировании за авторством Павла «Дяди Паши» Медведева — эксперта компании Autodesk, популярного блогера и участника 3Dtoday, известного циклом обучающих материалов по Fusion 360.

Некоторое время назад ко мне обратился инженер медицинского центра с интересным и сложным проектом: необходимо было изготовить индивидуальный эндопротез тазобедренного сустава. В отличие от стандартных конструкций центр планировал изготовить уникальную персонализированную модель, которая подошла бы пациенту с максимальной точностью.

Модель тазобедренного сустава. Центр ротации

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 нашей встречи сотрудники центра проанализировали разные средства моделирования и пришли на консультацию с конкретной 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 — во Fusion 360, поэтому знал, 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 модели, так как результатом будет хирургическая операция по установке титанового эндопротеза реальному человеку.

Модель подошвы обуви

Для реализации проекта требовалось разработать методику моделирования медицинских объектов во Fusion 360, а затем адаптировать эту методику под конкретную задачу создания персонализированной модели эндопротеза. Важной частью работы также стала передача 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.

Работа в процессе. Моделирую во Fusion 360

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: такие документы обязательно содержат ошибки и неточности, а значит необходимо было научиться строить точную модель на основе неточных данных со сканов.

Ранее подобные хирургические работы проводились на основе двухмерных моделей: 2D-рентгеновских снимков и связанных с этим многолетних методических данных. 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 того, что во время процедуры пациент лежит неровно, 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.

Поиск плоскости симметрии и выставление модели таза по горизонтали

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: сетчатыми полигональными поверхностями, твердотельными аналитическими моделями, поверхностями T-Spline, а также большим количеством элементов вспомогательной геометрии. Эти данные благодаря «всеядности» Fusion 360 я собрал в одном проекте.

Поиск центра ротации

Работа проходила в режиме удаленных консультаций во время карантина 2020 года. Мы организовали совместную работу во Fusion 360 и использовали Zoom для общения. На реализацию проекта потребовалось около шести месяцев.

Результат вдохновляет: медицинский центр начал проводить операции по установке индивидуальных протезов на основе самостоятельно разработанных моделей.

Перед операцией титановый протез примеряют к 3D-печатной пластиковой модели кости для проверки точности позиционирования. После операции по установке 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.

Автор: Павел Медведев, разработчик авторского курса по основам Fusion 360, сертифицированный инструктор Autodesk, участник программы Autodesk Expert Elite. Область интересов: от создания устойчивых параметрических моделей до генеративного дизайна. Автор Youtube-канала «АддиКтивные технологии» и ведущий блога на 3Dtoday.

Материал публикуется с разрешения компании Autodesk.

А у вас есть интересные новости? Поделитесь с нами своими разработками, и мы расскажем о них всему миру! Ждем ваши идеи по адресу news@3Dtoday.ru.