Skanowanie 3D & Druk 3D & medycyna

Maszyny optyczne oraz stykowe mają swoje ograniczenia, jednak wszystko można w sprytny sposób obejść. Pomiary optyczne mogą nie przynosić oczekiwanych efektów podczas pomiarów powierzchni połyskliwych, obiektów odbijających lub przepuszczających światło. Przeszkody te można pokonać, stosują specjalny spray matujący powierzchnie. Pomiary stykowe natomiast ogranicza sztywność powierzchni. Te specjalistyczne urządzenia opto-elektroniczne, pozwalają na pomiary obiektów znacznie różniących się gabarytowo. Skanować można nawet otoczenie.

Jak już wiadomo, skanować można niemalże wszystko, z większym lub mniejszym powodzeniem, min. w zależności od powierzchni obiektu, dokładności urządzenia skanującego, jego typu.  Uzyskane chmury punktów są łączone, czyszczone z szumów, a następnie tworzona jest z nich siatka trójkątów. Model poddawany jest często optymalizacji – usuwane są małe elementy, stosowane są uproszczenia, miejsca które nie mogły zostać zeskanowane, wypełnione, generowane są powierzchnie. Kolejno model eksportowany jest do odpowiedniego formatu tj. STP, STL czy IGS. Cyfrowy model może być modyfikowany w odpowiednim oprogramowaniu. A co z gotowym modelem? Można go wydrukować na drukarce 3D.

Głównym zastosowaniem skanerów 3D jest właśnie  szybkie prototypowanie (ang. Rapid Prototyping). Formaty w jakim dane wychodzą z procesu skanowania umożliwia bezpośrednio ich wykorzystanie do druku przestrzennego – jest to jedna z zalet pomiarów 3D. Odpowiednio przygotowany plik może być od razu eksportowany i drukowany. Druk 3D znajduje zastosowanie
w różnych dziedzinach, jak zostało wcześniej wspomniane w również w szeroko pojętej medycynie. Drukować można protezy, endoprotezy, zęby, części mechaniczne, zastosowań jest wiele. Na różnorodność wykorzystania wpływa, ilość metod drukowania przestrzennego jakie obecnie mamy do dyspozycji. Najczęściej stosowana jest metoda przyrostowa FFF (ang. Fused Filament Fabrication). Innymi powszechnie znanymi są, selektywne spiekanie proszków - SLS (ang. Selective Laser Sintering) oraz stereolitografia - SLA (ang. Stereolotography).

Drukować możemy części mechaniczne o skomplikowanych kształtach, ich modelowanie od podstaw niepotrzebnie wydłużałoby pracę, dlatego wykorzystuje się skanowanie 3D, aby proces przebiegł sprawniej. Przykładami takich obiektów są części silnika, elementy samolotów, pociągów, turbiny, obudowy etc. Na co dzień nikt nie zwraca uwagi, że to z czym styka się każdego dnia mogło zostać zeskanowane i powielone przez drukarkę 3D. Z dnia na dzień pojawiają się nowe pomysły na połączenie druku 3D oraz skanowania 3D. Ważnymi obszarami ich współdziałania jest medycyna, badania i rozwój, architektura, budownictwo.

Połączenie skaningu oraz przestrzennego prototypowania pozwala na stworzenie spersonalizowanych obiektów, takich jak dedykowane protezy, endoprotezy, modele pozwalające zaplanować skomplikowana operację. Medycyna rozwija się między innymi dzięki możliwościom jakie daje jednoczesne korzystanie z obu dziedzin. Ciekawym i ekonomicznym rozwiązaniem jest drukowanie metodą FFF protez dla dzieci. Rozwijają się one szybko, rosną, protezy wykonywane innymi metodami są dużym obciążeniem finansowym. Przykładem może być proteza  leja kikuta oraz przedramienia dla dziecka. Taka proteza mogłaby kosztować nawet 14 tys., jednak wykorzystując skanery oraz metody addytywne koszty można znacząco zmniejszyć. Skanować można bezpośrednio kikut oraz druga rękę, której odbicie lustrzane zostanie wykorzystane do wykonania niewykształconego lub utraconego przedramienia. Drugim bardziej praktycznym sposobem jest wykonanie odlewu kikuta, który można skanować wielokrotnie w zależności od tego czego brakuje, co należy doskanować. Dodatkowym atutem wykonania odlewu na potrzeby skanowania jest niezależność od osoby dla której wykonuje się model, nie trzeba umawiać się na spotkania i obawiać się o pominięcie któregoś z pomiarów. Zaletą odlewu jest jego nieruchomość, ciało ludzkie podczas pomiaru może drgać co wpływa niekorzystnie na wyniki skanowania, wprowadza szumy. Im większe szumy, tym więcej dodatkowej pracy związanej z ich usuwaniem. Wliczając w koszty próbne wydruki, które służą do dopasowania protezy do pacjenta, koszty związane z pracą drukarki, osoby projektującej, filament (zakładając, że proteza zostanie wykonana metodą FFF) oraz obróbkę wykończeniową, końcowa cena będzie co najmniej o połowę niższa. Za każdym razem kiedy poprzednia proteza nie będzie spełniała już swojej funkcji, dziecko z niej wyrośnie, gotowy projekt wystarczy przeskalować i ponownie wydrukować. Oprócz protez można wykonywać również covery oraz endoprotezy – wymaga to jednak zastosowania innych metod druku i wiąże się z restrykcyjnymi zasadami, jakie musza spełniać, przede wszystkim biozgodności i biokompatybilności.

Podkreślanymi wielokrotnie zaletami skanowania 3D jest krótki czas skanu, bezpieczeństwo oraz dokładność wykonania, wszystkie te zalety wpływają na stosowanie skanerów w medycynie. Korzystając z technologii światła strukturalnego można być pewnym jego 100% bezpieczeństwa dla ludzkiego organizmu. Faktem jest, że promieniowanie magnetyczne może doprowadzić do zniszczenia lub uszkodzenia sprzętu medycznego. Promieniowanie to nie jest wykorzystywane
w skanerach co umożliwia ich stosowanie w obecności sprzętów medycznych. Kolejnym plusem jest poręczność skanerów oraz możliwość zasilania bateryjnego co wyklucza konieczność stosowania markerów pozycjonujących. Wykonane skany mogą służyć jako baza do planowania operacji plastycznych oraz wykonania indywidualnych implantów kości, czaszki, nosa, ucha, czy implantów szczęki. Pacjent może zobaczyć, jaki jest planowany cel zabiegu, jaki ma być efekt końcowy. Korzystając ze skanerów 3D lekarze mogą badać oraz diagnozować wady postawy. Modele tworzone z pomocą skanerów 3D służą do wykonywania indywidualnych implantów oraz protez szczękowych.

Wykorzystanie skanerów 3D w medycynie jest obszerne. Szczególne zastosowanie widać
w chirurgii oraz ortotyce. Największe możliwości można zauważyć w procesie wytwarzania protez
w połączeniu z drukiem 3D.

autorem tekstu jest Monika Reszka