چاپ سه بعدی در حال تحول و پیشرفت صنایع مختلف است و صنعت پزشکی نیز از این قاعده مستثنی نیست. مزایای بی شماری وجود دارد که چاپ سه بعدی در این زمینه به منظور بهبود و نجات جان بیماران ارائه میدهد. کاربرد پرینت سه بعدی در صنعت پزشکی باعث پیشرفت این صنعت شده است؛ از معرفی داروهای پیشگام گرفته تا فناوری‌های پیشرفته‌ای که در اتاق اورژانس جان بسیاری را نجات میدهند. پرینت سه‌بعدی دهه‌ها است که در زمینه‌های گوناگون پزشکی به کار گرفته میشود.
در مقاله پیش رو، به بررسی مزایای پرینت سه بعدی در صنعت پزشکی و تاثیرات جایگزینی روش پرینت سه بعدی از جهات مختلفی از قبیل :
۱-نمونه سازی تجهیزات بیمارستانی
۲-آسان تر شدن زنجیره عرضه و تامین
۳-صرفه جویی در زمان و هزینه ها
۴-ساخت مدل‌های سفارشی بر اساس آناتومی بیمار
۵-ساخت وسایل کمکی و اصلاح ناهنجاری‌های ارتوپدی و.. خواهیم پرداخت.
۱.نمونه سازی تجهیزات بیمارستانی به کمک پرینت سه بعدی
یکی از اصلی ترین تاثیرات پرینت سه بعدی در صنعت پزشکی، نقش آنها در فرآیند نمونه سازی تجهیزات بیمارستانی است.
در حال حاضر حدود ۵۰۰ شرکت و کسب و کار کوچک، در صنایع مختلف از روش های نمونه‌سازی سریع به کمک پرینت سه بعدی استفاده میکنند. این کار سبب کاهش هزینه‌ها، ایجاد شبکه ارتباطی وسیع‌تر و بهبود روز‌افزون محصولات میشود. ساخت نمونه اولیه در حقیقت رکن اساسی فرآیندهای طراحی به شمار می‌رود.
ایده‌ها و مفاهیمی که در اثری پنهان هستند با وجود یک پیش‌نویس فیزیکی از آن، نمایان می‌شوند و از طرف دیگر تنها با کسری از کل هزینه‌های مربوط به روش‌های سنتی تولید، قطعات کاربردی تولید و تست می‌شوند.
ظهور نسل پرینترهای سه بعدی رومیزی این امکان را برای ما به ارمغان آورده اند که در یک روز نمونه‌های اولیه را با سرعت و تعداد بالاتر تولید کنیم، سپس با امکان توسعه محصول شرکت‌ها میتوانند محصولات توسعه یافته خود را سریع‌تر از رقبای صنعتی به بازار عرضه کنند.
مدل‌های قابل تست یا نمونه‌های اولیه‌ای که با هدف آزمون قابلیت اجرای ایده‌ها (POC) ساخته می‌شوند به طراحان صنعتی کمک میکنند علاوه بر اعتبار سنجی ایده‌ها و فرضیه‌ها، دوام یک محصول را بسنجند.
مهندسان با استفاده از پرینت سه بعدی نمونه‌های اولیه‌ی با کیفیتی می‌سازند به گونه‌ای که تمام و کمال محصول نهایی در آن نمود پیدا میکند. با این کار قبل از اینکه سرمایه هنگفتی در بخش تهیه ابزار هزینه شود، درک کلی طراحی، عملکرد، تناسب و قابلیت تولید آن ساده‌تر میشود.
به کمک فناوری پرینت سه بعدی شرکت‌های تولید تجهیزات پزشکی میتوانند کار خود را وسعت ببخشند و همزمان با کاهش هزینه‌ها و زمان تولید در تامین نیازهای متغیر این حوزه پویا عمل کنند.
- بررسی یک نمونه عملی از استفاده از پرینت سه بعدی درنمونه سازی و تست در بحث توسعه محصول
دستگاه نشانگر تنفس (BPD) شرکت Coalesce با هدف ارزیابی دیجیتال و نمایش جریان دمی افرادی که دچار بیماری آسم هستند، طراحی شد. پزشکان بالینی با استفاده از دستگاه‌های اسپیرومتر عملکرد ریه بیمار را ارزیابی میکنند؛ این دستگاه‌ها بسیار بزرگ و گران قیمت‌اند و مدل‌های قابل حمل فناوری و دقت کافی را ندارند. مدل BPD جایگزینی ارزان و قابل حمل است. نمونه اولیه این دستگاه باید سطح صاف، استحکام و دوام محصول نهایی را نشان بدهد و همچنین همه بخش‌های نصب شده را روی تخته مدار درونی دارا باشد.
به مدت چندین سال این شرکت، استریولیتوگرافی (SLA) پرینت سه بعدی پروژه های خود را به شرکت‌های خدماتی برون‌سپاری می‌کرد. آنها انواع راهکارهای نمونه‌سازی را آزمایش کردند که برای مثال روش چاپ سه بعدی لایه گذاری رسوب مذاب (FDM) یکی از آنها بود، اما در آخر دریافتند فناوری پرینت سه بعدی SLA از نظر کیفیت بی همتاست.
برای آشنایی بیشتر با تفاوت دو روش پرینت سه بعدی SLA و پرینت سه بعدی FDM میتوانید اینجا را مطالعه کنید.
نتیجه چه بود؟ با روی آوردن به روش پرینت سه بعدی به صورت انحصاری (درون تشکیلات خودشان)، حجم زیادی از هزینه‌ها و زمان را ذخیره کردند.
| مورد تمام شده برای محصول | چاپ سه بعدی شخصی | برون سپاری چاپ سه بعدی |
|---|---|---|
| هزینه | ۱۱ پوند | ۲۵۰ پوند |
| مدت زمان کلی | ۱ تا ۲ روز | ۱ تا ۲ هفته |
۲.آسان ترشدن زنجیره عرضه تجهیزات پزشکی با استفاده از پرینت سه بعدی
بی شک یکی دیگر از خدمات پرینت سه بعدی به صنعت پزشکی، نقش آن در آسان تر کردن زنجیره تامین و عرضه است.
اتفاقات غیرمنتظره مانند وقوع بلایای طبیعی یا نارآمی‌های سیاسی میتوانند در هر صنعتی تاثیر مستقیمی روی زنجیره عرضه و تامین داشته باشند. در زمینه مراقبت‌های پزشکی چنین اتفاقاتی اختلال شدیدی در امر مراقبت از بیماران به وجود می‌آورد چرا که فراوانی تجهیزات مراقبت فردی و به طور کلی دستگاه‌های حیاتی مورد نیاز کاهش پیدا میکند.
گاهی به دلیل افزایش قیمت در بازارهای آزاد، بیمارستان‌ها و همه سیستم‌های مربوط به مراقبت پزشکی در موارد اورژانسی مجبور می‌شوند برای تهیه تجهیزات و تدارکات ضروری با یکدیگر رقابت کنند. به همین علت عده‌ی زیادی تا کنون به پرینت سه بعدی خانگی علاقه نشان داده‌اند تا بیمارستان‌ها در زمینه زنجیره تامین خود مستقل عمل کنند.
تقریبا هر قطعه‌ی پلاستیکی را که بتوان در فضای نرم‌افزارهای کامپیوتری طراحی کرد قابل چاپ است؛ در نتیجه‌ی چنین قابلیتی بیمارستان‌ها میتوانند خودشان بخش‌های مختلف یک قطعه ای که نیاز به تعویض دارد را بسازند، از جمله این تجهیزات میتوان به نوعی دستگاه کمک‌تنفسی به نام ونتیلاتور اشاره کرد که که ظرفیت درمان بیماران مبتلا به نارسایی تنفسی را افزایش میدهد.
یکی دیگر از دلایل مهمی که موسسات پزشکی جهت پاسخ به نیازهای ضروری خود، این روزها به پرینت سه بعدی روی آورده‌اند این است که پرینترها عملکرد یگانه‌ای ندارند. یک روز تجهیزات مراقبت‌های فردی و روز دیگری ملزومات عمل‌های جراحی را با آن پرینت میکنید و به این ترتیب پرینترهای سه بعدی هر روز بیشتر از پیش در زمینه‌های مختلف پزشکی استفاده می‌شوند.
همچنین میتوان با استفاده از چاپگر های سه بعدی ارزان به مناطق دور افتاده یا محروم خدمات درمانی بهتری ارائه داد، به عنوان مثال در کشورهای جنگ زده. آنها یک راه حل مقرون به صرفه برای افرادی هستند که توانایی خرید پروتز ندارند. تجهیزات پزشکی کم هزینه نیز در کشورهای فقیر و مناطق دور افتاده اهمیت دارد. مناطقی وجود دارند که زیرساختهای جادهای برای ارائه تجهیزات پزشکی بسیار بد است. چاپ سه بعدی چاپ وسایل مورد نیاز در آن روستاها را بدون نیاز به حمل و نقل منظم آسان میکند.
- یک نمونه از تاثیر پرینت سه بعدی بر زنجیره تامین در زمان بحران
جالب است بدانید در زمان کرونا و کمبود ابزار نمونه گیری ویروس کووید ۱۹، یکی از فناوری هایی که به کمک بشر آمد ، فناوری پرینت سه بعدی بود.
فکر میکنید آزمایشگاه دندانپزشکی ROE چگونه به تولید تجهیزات پزشکی برای مبارزه با COVID-19 اختصاص یافت؟
مسئله: کمبود ابزار نمونه‌گیری ویروس کووید ۱۹
شیوع ویروس کووید ۱۹ در سال ۲۰۲۰ زندگی مردم جهان را به شدت دچار اختلال ساخت. صنعت دندانپزشکی یکی از صنایعی بود که در پی این همه‌گیری به شدت آسیب دید به طوری که بیشتر دندانپزشکی‌های ایالات متحده تا حد انجام موارد اورژانسی محدود شدند. حجم کار آزمایشگاه‌های دندانپزشکی به طور متوسط ۹۲% کاهش یافته و یک سوم آزمایشگاه‌ها به طور کامل تعطیل شدند.
آزمایشگاه دندانپزشکی ROE، یکی از بزرگترین آزمایشگاه‌های ایالات متحده در این زمینه، از این اتفاق مستثنی نبود. به محض آنکه تعداد سفارش‌های دریافتی آنها به صفر رسید، مجبور شدند بیشتر پرسنل کاری خود را مرخص کنند و آینده مبهمی انتظار آنها را می‌کشید.
راه حل: چاپ سه بعدی ابزار نمونه‌گیری
مجتمع دندانپزشکی ROE سپس تصمیم گرفت ابزار و ماشین‌آلات پرینت سه بعدی خود را برای تولید تجهیزات مراقبت‌های فردی و ملزومات پزشکی دوباره به کار بیندازد، به گونه‌ای که تنها در یک روز ۱۵۰۰۰ سواب نمونه‌گیری از حلق و بینی تولید کرد. این سواب‌ها در جمع‌آوری و تست انواع نمونه‌های کووید ۱۹ اهمیت ویژه‌ای دارند. این آزمایشگاه تا کنون موفق شده است ۱۷۵ نفر از کارکنان خود را به کار برگرداند و فرماندار اوهایو، مایک دی‌واین شخصا از آنها به خاطر زحماتشان در مبارزه با همه‌گیری کرونا قدردانی کرد.
۳.صرفه جویی در زمان و هزینه ها
هزینه‌های مربوط به بخش خدمات بهداشتی، چه برای بیمارستان‌ها و چه برای شرکت‌های بیمه همیشه رقم بالایی بوده و است. در ادامه به تاثیر پرینت سه بعدی در کاهش این هزینه ها و صرفه جویی در زمان، میپردازیم.
همانطور که میدانید چاپ سه بعدی اجازه چاپ سه بعدی تجهیزات پزشکی و آزمایشگاهی را فراهم میکند. این امر هزینه ها و زمان صرف شده در انتظار دریافت یک دستگاه پزشکی جدید از تأمین کنندگان خارجی را به شدت کاهش میدهد. علاوه بر این، فرآیند تولید و کاربردهای دیگر نیز آسانتر است. این باعث میشود تجهیزات به آسانی در دسترس باشند و به مناطق کم درآمد یا با دسترسی دشوار اجازه میدهد تا تجهیزات پزشکی چاپ سه بعدی را به راحتی دریافت کنند.
با استفاده از چاپ سه بعدی بیمارستان‌ها قادرند انواع قطعات تعویضی گران قیمت را خودشان جایگزین کنند. گاهی با خراب شدن یک لوله یا گیره پلاستیکی، همه دستگاه باید تعویض شود. اما به کمک پرینت سه بعدی و صرف تنها یک دلار برای رزین مورد نیاز، قطعه مورد نظر در مدت نصف روز جایگزین میشود.
به ازای هر پرینت، مقدار قابل توجهی در هزینه‌ها صرفه جویی میشود و نمود این امر در تولید خصوصی تراشه‌های میلی‌سیال قابل مشاهده است. این تراشه‌ها کاربرد فراوانی در بخش‌های مختلف پزشکی دارند که از جمله آنها میتوان به کشت و رشد سلول‌های بنیادی جنین در محیط آزمایشگاهی اشاره کرد. همچنین از آن جا که معمولا چنین تراشه‌هایی به صورت سفارشی ساخته می‌شوند، هزینه گزافی به دنبال دارند و مدت زمان ساخت یک نمونه اولیه از آنها ممکن است دوماه طول بکشد. در عوض دستگاه پرینت سه بعدی SLA درون آزمایشگاه خودتان هر نوع هندسه‌ای را چاپ میکند و تنها بعد از چند ساعت تراشه را به شما تحویل میدهد و نه چند ماه.
تراشه‌های میلی‌سیال استاندارد که در قالب شیشه‌های حکاکی شده ساخته می‌شوند و میتوانند عملکرد اساسی از خود نشان دهند معمولا به اندازه ۷۰ دلار یا بیشتر هزینه بر می‌دارند. اما اغلب اوقات پرینت سه بعدی هزینه‌ای به مراتب کمتر به دنبال دارد. برای نمونه یک تراشه بزرگ در کمتر از مدت چهار ساعت چاپ میشود و در ساخت آن ۵۷ میلی‌لیتر رزین شفاف کار برده میشود؛ هزینه تولید قطعات کوچک و نازک‌تر حدود ۸.۵۵ دلار میشود که البته باید در نظر داشت مدت زمان پرینت و هزینه مورد نیاز بازهم قابل کاهش است.
| فناوری | هزینه | مدت زمان کلی |
|---|---|---|
| SLA | ۸.۵۵ دلار | ۳ ساعت و ۵۶ دقیقه |
| لیتوگرافی (حکاکی) | ۷۳.۷۵ دلار | ۲ روز یا بیشتر |
- یک مثال عینی از تاثیر استفاده از فناوری پرینت سه بعدی در کاهش هزینه ها
شاید برایتان جالب باشد که بدانید با استفاده از فناوری پرینت سه بعدی از صرف ۸ هزار پوند و دو ساعت زمان در یک جراحی، در بخش پیشگام علمی نخاعی بریتانیا کاسته شد.
پزشکان به واسطه بخش‌های همکار خود در Axial3D، میتوانند از پرینترهای سه بعدی مقرون به صرفه استفاده کنند. به همین دلیل جراحان متخصص میتوانند به کمک عواملی چون ساخت مدل‌های تشریحی آناتومی بیمار، برنامه‌ریزی‌های قبلی را با دقت بالایی بهبود ببخشند.
هر زمان که ممکن باشد تیم آنها سعی میکند با ایجاد کمترین تهاجم و بهره‌گیری از اصول پیشرفته جراحی، ناراحتی‌ها و مدت زمان بهبود بیمار را به حداقل ممکن برسانند.
به علاوه مدل‌های سه بعدی چاپ شده سبب شده است تیم پزشکی ابتدا با بیمار و خانواده او درباره موارد پیش بینی شده صحبت کند و هرگونه خطر احتمالی را برای آنها شرح دهند.
دکتر بووی قبل از اقدام اصلی، به انجام یک عمل جراحی شبیه سازی شده پرداخت که در نهایت بیشتر از ۱۲۰ دقیقه از مدت زمان جراحی پیچیده و اصلی کاسته شد و همچنین از پرداخت حدود ۸ هزار پوند از بودجه بیمارستان جلوگیری به عمل آمد. دیگر آنکه به واسطه شبیه سازی، در طول جراحی بیمار خون کمتری از دست داد و به خوبی با تیم جراحی ارتباط برقرار کرد.
۴.ساخت مدل‌های سفارشی بر اساس آناتومی بیمار
در حال حاضر یکی از موارد استفاده مهم فناوری پرینت سه بعدی در بیمارستان‌ها، ساخت مدل‌های سفارشی و خاص بر اساس آناتومی بیماران است.
با توجه به سی‌تی اسکن و نمونه ام‌آی‌آر بیمار، پزشکان میتوانند با استفاده از نرم‌افزارهای تقسیم بندی مدل سه بعدی مورد نظر را تهیه کنند. سپس مدل‌ها را میتوان بلافاصله به پرینتر سه بعدی انتقال دهند.
چاپ مدل‌های تشریحی به چند هدف بسیار مهم انجام میشود. اول آنکه در هنگام جراحی به عنوان راهنمای برش استفاده میشود. در زمان‌های دیگر نیز به کمک آن بیمار آموزش‌های مورد نیاز را دریافت میکند تا به واسطه درک بهتری از مراحل درمان، قدم مهم بعدی در جراحی برای او مفهوم شود. همچنین مدل‌های پرینت شده بر اساس آناتومی بیمار در طول عمل جراحی مدت زمان عمل را به اندازه قابل توجهی کاهش میدهند که این امر اغلب منجر به بهبود نتایج بالینی و کاستن خطرات تهدید کننده بیمار میشود.
راز واقعی پرینت سه بعدی و اینکه چرا این فناوری پس از زمان کمی برای تولید مدل‌های خاص بیماران انتخاب شد، بیشتر از همه به دلیل گستره وسیع مواد مورد استفاده در فرآیند پرینت سه بعدی است. از مواد نرم‌تر مانند رزین الاستیکی برای شبیه سازی بافت و عروق استفاده میشود. مواد سخت اما مانند رزین سفید، در شبیه سازی خطوط استخوان به کار برده می‌شوند. در تولید مدل‌های پیچیده‌تر آناتومی نیز، رزین شفاف برای ساخت مجموعه‌ای با استخوان‌های بسیار و عروق رنگی استفاده میشود.
روند کلی کار از مرحله اسکن تا ساخت مدل های سه بعدی
تولید فایل‌های قابل پرینت و ساخت مدل‌های سه بعدی در جریان کاری تصویربرداری پزشکی، به اصلاحات جزیی و ملاحظات ویژه‌ای نیاز دارد.
روش منتخب را میتوان در سه مرحله خلاصه کرد: دریافت تصویر، بخش بندی تصویر و چاپ سه بعدی.
- دریافت تصویر
اولین مرحله، گردآوری تصویر مورد نظر است که همیشه در ترکیب روند کاری قرار داشته است. متداول‌ترین انواع تصویربرداری که مناسب فناوری چاپ سه بعدی‌اند، سی تی اسکن و ام آر آی هستند. به طور کلی هر نوع داده حجمی تصویری را میتوان پرینت کرد که البته برای تمایز بافت‌ها کنتراست کافی را داشته باشد. سی تیِ پرتویی مخروطی معمولا در تصویربرداری مربوط به دندان، گوش و حلق و بینی کاربرد دارد اما گاهی کنتراست آن از سی تی سنتی پایین تر است که در این صورت تقسیم‌بندی و بخش‌بندی تصویر را دشوار می‌سازد. در بخش دوم این مقاله می‌خوانید که که چگونه اسکن بیمار را برای چاپ مدل‌های سه بعدی تنظیم کنید.
- بخش بندی تصویر
هدف اصلی این مرحله در حقیقت کاستن پیچیدگی تصویر اصلی است که با توجه انگیزه درمانی بعضی از بخش‌ها دست‌نخورده باقی مانده و جدا می‌شوند. پس از آن که رادیولوژیست فایل‌ها را با فرمت مخصوص گردآوری میکند، می‌بایست نواحی مورد نظر را جدا کند تا نمونه قابل پرینت آنها را ارائه دهد. در واقع فرآیند شناسایی و جداسازی بافت‌ها و نواحی خواسته شده، بخش بندی نام دارد. با توجه به میزان پیچیدگی مدل، این مرحله ممکن است زیر نظر رادیولوژیست، توسط یک تکنسین رادیولوژی انجام بگیرد یا اینکه رادیولوژیست مستقیم این فرآیند را به پایان برساند. زمانی که بخش بندی تصویر به پایان می‌رسد، جهت تایید نهایی جراح نتیجه را بررسی میکند.
برای انجام بخش بندی نرم‌افزارهای رایگان و غیر رایگان مختلفی وجود دارد. (در پایان این بخش نام آنها در یک لیست ارائه شده است.) پیش از آنکه یکی از نرم‌افزارها را انتخاب کنید الزامات قانونی موقعیت جغرافیایی، آیین‌نامه مقرر در موسسه کاری و هدف استفاده خود را در نظر داشته باشید.
مراحل بخش بندی نواحی مورد نظر به دو صورت دستی و خوکار می‌تواند انجام شود. از جمله روش‌های خودکار میتوان به آستانه گذاری، تشخیص لبه و رشد منطقه اشاره کرد. در روش آستانه گذاری از پارامترهایی استفاده میشود که قابل شناسایی و با نواحی گزینش شده متناسب باشند، مانند بخش‌هایی از یک استخوان که در مقایسه با بافت استخوانی اطراف خود تراکم بیشتری دارد.
ساز و کار آستانه گذاری باید دائما پویا باشد و الگوریتم پیچیده‌ای در ثبت عواملی چون پارازیت‌های سی تی دارد و همچنین سخت‌شدگی پرتو ممکن است منجر به تولید نتایج نامطلوبی شود. روش خودکار دیگری که وجود دارد رشد منطقه نام دارد، در این شیوه الگوریتم‌ها، واکسل ها (کوچکترین جز ساختاری یک تصویر سه بعدی) را با توجه به شباهت و تقسیم‌شدگی و اینکه به کدام منطقه تعلق دارند، نسبت به واکسل های دیگر تعیین میکنند. در این روش ممکن است تنظیمات و اصلاحات اضافی نیاز باشد.
بعد از آنکه بخش بندی به پایان رسید، نمونه‌های تقسیم شده را به فرمتی تبدیل کنید که در پرینتر سه بعدی قابل استفاده باشد. فرمت فایل معمولا STL یا OBJ است.
بعد از تبدیل فرمت فایل‌ها می‌بایست تنظیمات فیزیکی لازم را که در مدل سازی سه بعدی متداول است به عمل آورید؛ مثلا سطوح را صاف و هموار کنید، سوراخ‌ها را پر و دیگر موارد جزئی را اصلاح کنید. هر تکنیسنی می‌تواند این تنظیمات را با استفاده از نرم‌افزارهای CAD یا CAM انجام بدهد و البته همیشه پزشک باید نتیجه را تایید کند تا مطمئن شوید خروجی کار شما از نظر بالینی قابل استفاده است.
پس از اینکه DICOM به دست رادیولوژیست برسد، باید مناطق مورد نظر را انتخاب کند تا برای چاپ سه بعدی قابل ارائه باشد. نرم افزار: ITK-Snap
- پرینت سه بعدی
فایل آماده شده را میتوان صادر و برای ساخت مدل به حافظه پرینتر ارسال کرد. هنگامی که می‌خواهید یکی از فناوری‌های پرینت سه بعدی را انتخاب کنید باید عوامل بسیار مهمی را در نظر داشته باشید؛ مانند هزینه پرینتر، نرم‌افزار و مواد، سرعت پرینت، دقت و وضوح چاپ. میزان آسانی کار با آن و دسترسی به خدمات مصرف کننده و در آخر هم جنس موادی که می‌خواهید پرینت بگیرید؛ به طوری که آیا ماده مورد نظر زیست سازگار است و در مصارف خاص قابلیت استریل شدن دارد یا خیر؟
قطعه پرینت شده باید با ایزوپروپیل الکل (IPA) شست و شو داده شود تا رزین اضافی از سطح آن زدوده شود؛ همچنین با توجه به نوع ماده به کار رفته و کاربرد قطعه، مدل در یک محفظه پخت باید تحت عملیات پخت تکمیلی قرار بگیرد. مدلهایی که از جنس رزین‌های زیست سازگار ساخته می‌شوند قبل از استفاده حتما باید مرحله پخت تکمیلی را سپری کنند. استحکام و پایداری رزین‌های استاندارد شرکت Formlabs مانند رزین سفید و رزین شفاف، پس از عملیات پخت تکمیلی افزایش پیدا میکنند.
تنظیم اسکن بیمار برای مدل های سه بعدی
برخی از اسکن‌های تصویربرداری پزشکی متداول را نمی‌توان به مدل‌های با کیفیت سه بعدی تبدیل کرد؛ به طوری که در آخر ساختار آناتومی مورد نظر واضح و دقیق باشد. انواع رادیوگرافی‌های ساده (X-rays) و سونوگرافی‌ها معمولا در پرینت سه بعدی استفاده نمی‌شوند و به طور کلی چنین روش‌های تصویر برداری توصیه نمی‌شود.
همان طور که پیش تر گفته شد، متداول‌ترین روش‌های تصویربرداری موجود برای ارزیابی ساختارهای داخلی، سی تی اسکن و تصویربرداری ام آر آی است. این اسکن‌ها میتوانند فایل‌هایی با فرمت مناسب تولید کنند. فرمت پزشکی (DICOM)، فرمت استاندارد ذخیره سازی و انتقال تصاویر است که مانند لایه‌های پی در پی عمل میکنند.
اما نکته‌ای که وجود دارد این است که فرمت‌های استاندارد پزشکی یا همان (DICOM) را نمی‌توان در نرم‌افزارهای طراحی سه بعدی ویرایش، یا فایل آنها را مستقیم برای پرینتر ارسال کرد. پس برای تبدیل فرمت این فایل‌ها، به فرمتی که برای چاپ سه بعدی مناسب باشد، مانند فایل‌های STL و OBJ، نیاز دارید.با استفاده از یک نرم‌افزار جداگانه باید مساحت سطح مورد نظر را حساب کنید. سطح انتخاب شده سپس به یک مدل سه بعدی تبدیل میشود.
تقریبا همه فایل‌های DICOM اگر از جزئیات کافی برخوردار باشند (مانند برش های نازک)، قابلیت تبدیل به فرمت‌هایی را دارند که با استفاده از آنها ساختار خواسته شده را پرینت بگیرید.
معیاری برای تهیه ی یک اسکن پزشکی قابل چاپ سه بعدی
هنگامی که داریم یک اسکن سی تی یا ام آر آی را به یک مدل سه بعدی تبدیل می‌کنیم، اولین چیزی که باید به آن توجه کنیم این است که نیاز داریم چه چیزهایی را نشان بدهیم؛ استخوان‌ها، رگ‌ها، و اندامهای صلب را باید به روش‌های مختلفی مدل‌سازی کنیم. یک مدل با ساختارهای منسوخ‌شده نه تنها از دقت مدل کم میکند، بلکه تولیدکردنش هم سخت‌تر میشود. اسکنی که مشخصه‌های مناسبی داشته باشد کار ایجاد مدل سه بعدی قابل پرینت را راحت‌تر میکند. کنترایت داخل وریدی و ضخامت برش، ویژگی‌هایی هستند که باید به آنها توجه کنیم.
اگر بخواهیم ساختارهای استخوانی را به‌صورت سه بعدی مدل‌سازی کنیم، تصاویر بدون کنتراست معمولا برای داشتن یک پرینت با جزئیات بالا بهتر هستند. برای مدلهایی که شامل ارگان‌های صلب، تومورها، یا ساختارهای عروقی هستند، تقریباً همیشه باید از اسکن‌هایی استفاده کنیم که کنتراست آنها افزایش پیدا کرده است.
اثر کنتراست داخل وریدی در این دو تصویر محوری (عرضی) سی تی اسکن بالای شکم نشان داده شده است. در اسکن دست راست آئورت تقویت شده است، در حالی که در اسکن سمت چپ آئورت کاملاً شبیه به بافت های نرم مجاور به نظر می رسد. کنتراست امکان جداسازی ساختارهای مورد نظر را در مرحله در پسا پردازش فراهم می کند. نرم افزار: Embodi 3D
زمانی که داریم برای تهیه یک مدل سه بعدی برنامه‌ریزی می‌کنیم، علاوه‌بر تقویت کنتراست، ضخامت برش و تفکیک‌پذیری هم به همان اندازه مهم هستند و باید به آنها توجه کرد. اکثر اسکن‌هایی که ازنظر بالینی سودمند هستند، با تفکیک‌پذیری کافی برای پرینت سه بعدی، به دست می‌آیند. با این حال، اگر سعی کنید یک مدل آناتومی را از اسکنی که برش‌های ضخیمی دارد به صورت سه بعدی پرینت کنید، مدل نهایی شما ضمخت میشود. براساس منابع مختلف هنگام تولید یک مدل سه بعدی، آنچه مهم است این است که از اسکن‌هایی استفاده کنید که ضخامت برش‌هایشان از ۲۵/۱ میلی متر کمتر باشد.
ضخامت برش‌هایی که اسکن سی تی یا ام آر آی می‌گیرد، مستقیماً به جزئیات تولیدشده در یک اسکن سه بعدی ترجمه میشود. باتوجه به آیتم انتخابی، انتخاب تصاویر باید با واکسل‌های همسانگرد ۲۵/۱ میلی‌متری یا کمتر بازسازی شود. براساس ارائه‌ای که مایو کلینیک در مارس سال ۲۰۱۶ منتشر ساخت، برش‌هایی با ضخامت ۵/۱ تا ۳ میلی‌متر برای ساختارهای بزرگتر، و برش‌هایی با ضخامت ۷۵/۰ برای استخوان‌های ریز به کار می‌رود. مقاطع ضخیم‌تر ممکن است دقت مدل را به خطر بیاندازد، درحالیکه مقاطع بسیار باریک (مثلاً کوچک‌تر از ۲۵/۰ میلی‌متر) ممکن است، به ویژه وقتی مصنوع تصویر وجود داشته باشد، به تقسیم‌بندی گسترده و اصلاح STL نیاز داشته باشند.
مدل‌های قلبی که مقاطع ۵/۰ میلی‌متری دارند از دقت کافی برخوردار هستند، اما اشیاء باریک مثل کف حدقه چشم به مقاطع باریک‌تری نیاز دارند. معمولاً، مقاطع ضخیم‌تر باعث می‌شوند که مدل‌های پرینت‌شده واضح نباشند یا دقت کمتری داشته باشند. از طرفی، مقاطعی که به‌طور غیرضروری نازک باشند معمولا عملیات پسا پردازش را تا حدی زیادی طولانی می‌سازد.
۵.ساخت وسایل کمکی و اصلاح ناهنجاری‌های ارتوپدی
برای اولین بار به کمک فناوری پرینت سه بعدی امکان ساخت ارتزهای متناسب و سفارشی به وجود آمده است که این ارتزها همه جا موجودند، مقرون به صرفه و بسیار موثر هستند.
ساخت پروتز به روش قدیمی بسیار گران است، زیرا آنها باید برای هر فرد شخصی سازی شوند. چاپگرهای سه بعدی به کاربران آزادی انتخاب میدهند، به عنوان مثال طرحها، فرمها، اندازهها و رنگهای مختلف پروتزهای آنها. این امر هر قطعه چاپ شده سه بعدی را شخصی میکند. چاپگرهای سه بعدی همچنین اجازه میدهند پروتزها با قیمت کمتر در دسترس بیشتری قرار گیرند.
در ساخت سفارش‌های مربوط به تجهیزات ارتوپدی، از هر دو دستگاه پرینت سه بعدی استریولیتوگرافی (SLA) و دستگاه پرینت سه بعدی زینترینگ لیزری گزینشی (SLS) میتوان استفاده کرد. پرینترهای سه بعدی SLS، از پودر نایلون جهت ساخت قطعات محکم و سبک استفاده میکنند. این دستگاه‌ها در مقایسه با روش‌های قدیمی ریخته‌گری که هنوز در این حوزه به کار گرفته می‌شوند، در هر دو قابلیت شکل‌دهی و عملکرد فوق العاده عالی عمل میکنند.
تجهیزات ارتوپدی و ارتزها که در حال حاضر وجود دارند به طور کلی به هنگام استعمال ناراحتی ایجاد میکنند و ممکن است منجر به به درد و تحریکات پوستی شوند، اغلب اوقات این عوارض آنقدر شدید است که کودکان تمایلی به استفاده از آنها نشان نمیدهند. به علاوه در عمل ممکن است قیمت این لوازم چهار رقمی شود که در این صورت پرداخت هزینه‌های خرید ارتزها برای بیشتر خانواده‌ها، دشوارتر خواهد شد.
۶.آموزش بهتر پزشکان و متخصصان به کمک پرینت سه بعدی
مزیت مهم دیگری که استفاده از پرینت سه بعدی برای صنعت پزشکی به همراه دارد، آموزش دستیاران پزشکی، همراهان بیمار و دانشجویان است. چاپ سه بعدی نقش مهمی در تعلیم پزشکان آینده و آماده شدن برای عملیات واقعی دارد. تصاویر دو بعدی مفید هستند. با این حال، آنها تجسم کمی ارائه میدهند و بخش واقعی انسان را نشان نمیدهند.
از طرف دیگر چاپ سه بعدی مدلهایی را ارائه میدهد که واقع بینانه به نظر میرسند و از قسمتهای واقعی انسان تقلید میکنند. این امر باعث میشود فرایند عملیاتی دقیق تر و موثرتر باشد. پزشکان میتوانند روی اندامهای چاپ شده سه بعدی تمرین کنند.
این روش بسیار دقیق تر از آموزش روی اعضای بدن حیوانات است. آموزش با استفاده از قطعات چاپ سه بعدی شبیه به بدن انسان، کیفیت مهارتهایی را که پزشکان در طول آموزش و درمان پزشکی بیماران کسب میکنند افزایش میدهد.
۵ حوزه پزشکی که بیشترین استفاده از فناوری پرینت سه بعدی را دارند
در حوزه رادیولوژی، کلید تشخیص و ارتباط پزشکان در حقیقت کاربرد گسترده تجسم پیشرفته است. در روش‌های سنتی، تجسم و تصویر سازی با استفاده از صفحات دو بعدی و در فرمت سی تی اسکن و ام آر آی انجام می‌شده است؛ به همین دلیل توسعه دهندگان نرم‌افزار اخیرا ابزاری طراحی کرده‌اند که به کمک آن تصاویر تشخیصی در قالب یک تفسیر سه بعدی از آناتومی بدن بازسازی میشود.
در میان گزینه‌های مختلف تصویرسازی سه بعدی، مدل‌های سه بعدی پرینت شده در واقع نمونه‌های پیشرفته‌ای هستند که مزیت‌های بیشتری به همراه دارند؛ مانند وجود بازخورد لمسی؛ و دیگر اطلاعات نیز ملموس هستند به طوری که انواع تصویرسازی‌هایی که پیش تر گفتیم از چنین ویژگی‌هایی برخوردار نیستند.
هنگامی که ناهنجاری شدید پای بیمار را نمی‌توان با تصاویر دوبعدی کاملاً مفهوم‌سازی کرد، جراحان از یک مدل تشریخی سه‌بعدی پرینت شده کمک می‌گیرند تا با تجهیزات لازم برای اصلاح راه رفتن فرد برنامه‌ریزی کنند و البته با پرسنل بخش بالینی و متخصصان رزیدنتی ارتباط داشته باشند.
برای مثال، در انگلیس یکی از متخصصان جراحی‌های ارتوپد هنگام تصمیم‌گیری برای جراحی آسیب غیر طبیعی ساعد یک پسر جوان، با معاینه مدل سه بعدی سفارشی توانست به راه حل مناسبی با ریسک بسیار پایین دست یابد.
عمل جراحی موفقیت آمیز بود و کم تر از ۳۰ دقیقه زمان برد؛ یعنی بیشتر از ۳ ساعت از زمان مقرر در برنامه اصلی اتاق عمل کاسته شد و ۵۵۰۰ دلار از بودجه بیمارستان ذخیره شد. به دنبال آن نیز بیمار مدت زمان کمتری را در بخش مراقبت‌های پس از عمل سپری کرد و سریع تر بهبود یافت.
سخن آخر
موانع موجود در مسیر پزشکی دقیق و فردی، همواره در حال کاستن هستند. ظهور پرینترهای رومیزی مقرون به صرفه سبب شده است افراد حوزه مراقبت‌های پزشکی در همه تخصص‌ها، قابلیت تولید مدل‌های آناتومی را بر اساس نیاز بیمار داشته باشند به گونه‌ای که نتایج کار اثربخش باشد. در برخی موارد هزینه پرینتر در ابتدا زیاد به نظر می‌رسید، اما پس انجام جراحی و صرفه جویی در زمان و بودجه اتاق عمل، به گونه‌ای که در فرآیند پیچیده عمل از مدل سه بعدی پرینت شده جهت آماده سازی استفاده شده بود، قیمت بالای پرینتر جبران شد.
«تعریف پزشکی همه جا یکسان نیست، و اگر ابزاری مانند پرینتر سه بعدی رومیزی به شما کمک کند به راه حل‌های پزشکی منحصر به فردی دست پیدا کنید، استفاده از آن به بهترین شکل ممکن کار دشواری نخواهد بود.»
دکتر تاد گلدشتاین (PHD)_ مدرس موسسه پژوهشی و پزشکی فاینشتاین و مدیر آزمایشگاه چاپ سه بعدی سلامت و سرمایه‌گذاری نورث ول
