3D tlač a operačné plánovanie
História 3D tlače
Prvé 3d tlačiarne boli zostrojené v 80-tych rokoch 20-teho storočia (1981 – Hideo Kodama – tlač fotopolymérmi, 1984 – Charles Hull – vynález stereolitografie, 1988 – Scott Crump – technológia FDM, tlače z plastových vlákien). Odvtedy sa procesy 3d tlače v mnohom zásadne vyvinuli a technológia ako celok významne dospela. Veľké rozšírenie 3D tlače v poslednej dobe umožnilo vypršanie viacerých zásadných patentov práve z obdobia osemdesiatych rokov, vďaka ktorému je dnes už 3D tlač oveľa lepšie dostupná technológia. Firmy, ktoré v osemdesiatych rokoch s danou technológiou začínali, vyrástli z malých start-upov, ktorým vtedy prikladal dôležitosť len málokto, na multimiliardové koncerny (STRATASYS, EOS, 3D systems a mnohé ďaľšie). V súčasnosti je k dispozícii obrovské množstvo rôznych vyspelých technológii 3D tlače, ktoré umožňujú tlač z rôznych materiálov a vývoj exponenciálne napreduje.
3D tlač v medicíne
Tak ako v mnohých iných oblastiach si 3D tlač našla rozsiahle využitie aj v zdravotníctve. Keďže každý jedinec je individuálny a jedinečný, 3D tlač ako spôsob vytvárať “výrobky na mieru” a individualizovane má v zdravotníctve veľmi jasné uplatnenie. Žiadna iná metóda CAD/CAM výroby neponúka toľko možnosti výroby ľubovoľnej architektúry objektu a toľko kombinácii rôznych materiálov s rôznymi vlastnosťami. Zaujímavou oblasťou 3D tlače je aj jej aplikácia v relatívne novo vzniknutých odvetviach regeneratívnej medicíny a tkanivového inžinierstva. Za posledné roky a doslova mesiace sa dosahujú doteraz pre mnohých nemysliteľné medzníky v rámci biologickej regenerácie tkanív. 3D tlač hrá v týchto odvetviach kľučovú úlohu a vďaka jej utilizácii a v spolupráci s pokrokom v biochemických, farmakologických a iných medicínskych vedách ako napríklad genetika, histológia či molekulárna biológia, sa predpokladá v najbližších desiatkach rokov možnosť regenerácie tkanív až celých orgánov. Využitie 3D tlače v zdravotníctve je skutočne rozsiahle a je ťažké nájsť disciplínu medicíny kde si nenájde inovatívne uplatnenie. Pre zubné lekárstvo je oblasť 3D tlače zvlášť zaujímavá, či už vo využití v protetike, endodoncii či implantológii alebo aj pre plánovanie operačných zákrokov v našej sesterskej disciplíne – maxilofaciálnej chirurgii.
Operačné plánovanie v maxilofaciálnej chirurgii
V chirurgických odvetviach, kde sa operácie vykonávajú často krát na zložitých anatomických štruktúrach, je využitie 3d tlače výborným pomocníkom pre zdravotníckych profesionálov. Môže slúžiť pre prípravu modelov operovaného tkaniva, ktoré sú zhodnotené predoperačne. Chirurg má lepšiu možnosť sa s operovanou štruktúrou zoznámiť dopredu, vizuálne a hapticky si ju zhodnotiť a aj vďaka nej sa bližšie pripraviť na postup operácie. Táto štruktúra môže byť v rôznych prierezoch rozdelená, či už virtuálne pred tlačou alebo dodatočne fyzicky ako vytlačený model a je možné na nej skúmať komplexnú vnútornú anatómiu. V prípade použitia vhodných materiálov je možné chirurgický zákrok dopredu na vytlačenej štruktúre previesť, čo má význam v prípade príprav na komplexné operácie a v prípade vzdelávania či tréningu zákrokov.
Základným predpokladom pre využitie týchto techník je získanie špecifických 3D dát na základe 3D rádiodiagnostických vyšetrení a pomocou techník povrchového skenovania. Pre získanie virtuálneho 3D počítačového modelu anatomických štruktúr, sa v oblasti maxilofaciálnej chirurgie najčastejšie využíva 3D rtg , ako MSCT (Multi-slice computed tomography) alebo CBCT (Cone-beam computed tomography) vyšetrenie. V menšej miere sa využíva tiež MRi vyšetrenie alebo 3D ultrazvuk. V maxilofaciálnej chirurgií a v zubnom lekárstve sa tiež využíva povrchové skenovanie dnes najmä intraorálnych skenerov resp. skenerov odtlačkov a modelov (Trios, iTero, Medit, Kodak), ktoré generujú 3D súbor pomocou odrazu svetelných lučov od povrchových skenovaných štruktúr. Do budúcnosti sa predpokladá nárast využívania aj skenovacích techník tváre a prepojenie týchto dát s inými uvedenými modalitami.
Z údajov získaných z týchto diagnostických modalít (väčšinou vo formáte DICOM) sa softvérovo generuje – segmentuje 3D štruktúra (Anatomage, Blue Sky Bio, 3DSlicer, ITK-SNAP). Následne sa vygenerovaný 3D súbor (najčastejšie vo formáte STL) vhodne geometricky upraví v 3D modelovacom softvéri (Materialise mimics, Blender, Meshmixer) a následne spracuje na formát, ktorý číta konkrétna 3D tlačiareň. Zjednodušene je možné povedať že objekt, ktorý získavame z rezov vygenerovaných z 3D CT upravíme a spojíme do jedného modelu a následne zase narežeme na vrstvy tak, aby 3D tlačiareň zas mohla jednotlivé vrstvy na seba ukladať. Teda pri procese 3D tlače dochádza k výrobe objektu pomocou “lepenia” vrstvu po vrstve. Tento process ukladania vrstiev je univerzálny pre všetky typy 3d tlačiarní. Vďaka tomuto princípu je možné vytvárať objekty s veľmi zložitými geometriami, čo je spomedzi iných výrobných procesov unikátne. Tieto štyri dôležité kroky v rámci fabrikácie modelu – softvérová segmentácia z formátu DICOM, dodatočná úprava v 3D modelovacom softvéri, softvérová úprava modelu pre 3D tlač (slicing) a samotná tlač určujú aj mieru dimenzionálnej presnosti a úroveň detailov na vytlačenom objekte. Každá potencionálna chyba v rámci týchto krokov vnáša do výsledku nepresnosť.
Na konci tohoto procesu je vytlačený model, ktorý slúži na prípravu zákroku pre operačný tím, na zhodnotenie a prípadne vyskúšanie postupu a prípravu operačných pomôcok. V rámci softvérovej analýzy 3D tlačenej anatomickej štruktúry je tiež možné dopredu pripraviť chirurgické operačné šablóny, ktoré majú význam pre perioperačné navádzanie zákroku. Môžu slúžiť na presné vedenie rezu na tvrdých tkanivách v dopredu danom umiestnení, hĺbke a dopredu danom uhle, na presné zavedenie implantátov či na presne navádzanú resekciu tvrdého tkaniva. Tiež je možné si dopredu podľa 3D tlačeného modelu pripraviť rôzne pomôcky ako napríklad rekonštrukčnú platňu v prípade veľkých resektívnych operácii. Dané pomôcky ako rekonštrukčné platňe alebo titanové náhrady tvrdých tkanív je dnes možné pomocou 3D tlače možné aj priamo produkovať.
Biovoxel technologies zabezpečuje tlač orgánových a tkanivových štruktúr.