DEVELOPMENT OF 3D PRINTING TECHNIQUES INDIVIDUAL SPLINTS FOR BRUSH AND FOREARM IMMOBILIZATION WITH INJURY

Full Text

ВВЕДЕНИЕ Использование гипса для лечения переломов костей, преимущественно конечностей, имеет давние традиции. Среди древних источников упоминание о его применении для обездвиживания конечностей и суставов можно найти в работах арабских врачей IX-XI вв. [1, 2]. В медицинской практике основными средствами иммобилизации являются: гипсовая повязка, или ее аналоги (из турбокаста, целлокаста и др.), либо ортезы серийного производства (например, из пластика, легких пород металлов) [3]. Методика наложения гипсовых повязок для лечения травм и неосложненных переломов конечностей, предложенная и внедренная еще в 1854 г. Н. И. Пироговым, остается востребованной и на сегодняшний день [4]. Широко она стала применяться для догоспитальной помощи раненым во время Крымской войны (1853-1856 гг.). В настоящее время лечение с помощью гипсовой повязки усовершенствовалось и применяется в клинической практике. Гипсовая повязка имеет ряд преимуществ по сравнению с другими средствами иммобилизации: большой диапазон применения при травмах различного характера, низкая рыночная стоимость, простота в применении, малая травматичность в быту, наличие в любой медицинской организации [5]. Но есть и недостатки: гигроскопичность гипса; повязка со временем приобретает неэстетичный вид и становится ломкой; отсутствие возможности наблюдения и контроля за регенерацией структуры кости на травмированном участке; отсутствие доступа для гигиенической помывки и нарушение их воздухообмена под повязкой с последующим шелушением рогового слоя кожи, что приводит к дискомфорту, зуду и иногда к формированию процессов воспаления с присоединением патогенной микрофлоры. При длительном ношении повязки могут возникать аллергические реакции, гнойничковые заболевания кожи [6]. Вес повязки в случае фиксации двух и более суставов зачастую бывает сопоставим с весом самой конечности, что вызывает ощутимый дискомфорт, особенно у пожилых пациентов и детей. Развитие технологий и появление новых материалов для иммобилизации существенно расширили возможности оказания медицинской помощи при травмах [7]. Однако полимерные повязки хотя и лишены ряда недостатков свойственных гипсу, но обладают высокой рыночной стоимостью, а лонгеты серийного производства, выполненные из пластика и легких пород металлов, имеют особые показания к применению (жестокая фиксация) и не используются при большинстве переломов, особенно на ранних этапах лечения; кроме того, их размерная сетка установлена производителем без учета особенностей индивидуальной анатомии пациента [8]. С внедрением аддитивных технологий в медицину все чаще поднимается вопрос об их научно-практическом применении. Название метода послойного создания физической модели на основе ее цифрового изображения в отечественной и зарубежной литературе является синонимом терминов «трехмерная печать», «3D-печать», «быстрое прототипирование», «аддитивные технологии». Технологии трехмерной печати известны на протяжении последних 30 лет. Первые сообщения о них в научной литературе начали появляться в 80-х гг. прошлого столетия [9]. В России с 2013 г. производством носимых индивидуальных ортезов занимается ряд российских компаний. Их продукция изготавливается по индивидуальным меркам конечностей пациента (чаще верхних) на 3D-принтере по технологии FDM (fused deposition modeling, моделирование методом наплавления) и представляет собой полимерную пластину, которая после нагревания под действием температуры (более 60 °С) во время установки моделируется непосредственно на конечности больного. Остается открытым вопрос об изготовлении образцов, предусматривающих полное повторение поверхности кожи по всей конечности пациента, исключая ручное моделирование заготовки [9]. В 2017 г. в Инженерной школе Университета Дикина в Австралии начались исследования по созданию индивидуальных лонгет. Ученым удалось получить экспериментальные прототипы с помощью аддитивных технологий. В настоящее время продолжается разработка образцов, но опытные модели еще не внедрены в медицинскую практику [11]. С учетом слабых сторон классических и современных методов лечения неосложненных переломов на базе научно-исследовательского центра Военно-медицинской академии имени С. М. Кирова операторами научной роты № 8 Главного военно-медицинского управления Министерства обороны Российской Федерации совместно с операторами военного инновационного технополиса «ЭРА» в рамках научно-исследовательской работы о возможности применения технологии 3D-печати для создания средств иммобилизации при травмах и неосложненных переломах костей апробируются методики моделирования и изготовления опытных образцов индивидуальных лонгет. По нашему мнению, индивидуально носимые лонгеты должны соответствовать следующим требованиям: 1. Иметь достаточную степень иммобилизации. 2. Уменьшать нагрузку на поврежденный участок. 3. Направлять или ограничивать движение. 4. Облегчать или снимать болевой синдром. 5. Обладать высокими прочностными характеристиками. 6. Быть изготовленными из гипоаллергенных материалов. 7. Обеспечивать доступ к каждодневной личной гигиене. 8. Производиться за относительно короткий промежуток времени. 9. Создавать возможность моделирования в момент иммобилизации, а также последующей коррекции по мере разрешения отека. ЦЕЛЬ Апробация методики создания цифровой модели и 3D-печати индивидуальных лонгет при травмах и неосложненных переломах костей кисти и предплечья с использованием аддитивных технологий на примере лучезапястного сустава. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ Для отработки методики моделирования лонгеты лучезапястного сустава выполняли сканирование левой верхней конечности добровольца в возрасте 46 лет (рис. 1). В качестве неинвазивного исследования применяли оптический 3D-сканер Artec Spider (Artec 3D, Люксембург) с точностью измерений 0,05 мм. Обработка данных осуществлялась на персональном компьютере под управлением операционной системы Windows 7 Pro SP1 (64×) с процессором Intel Core I7 6700U (3,4 ГГц), объемом оперативной памяти 32 Гб, видеокартой Nvidia GeForce GTX 1060 (6 Гб). На первоначальном этапе производилось снятие серии трехмерных снимков с руки пациента (рис. 2). За несколько проходов по области интереса формировалось облако точек в пространстве. В программном обеспечении (ПО) Artec Studio 12 (Artec 3D, Люксембург) выполнялись операции склейки снимков, удаления шумов и сглаживания, формирования высокополигональной модели в общепринятом трехмерном формате OBJ (*.obj). На ее основе в ПО для 3D-моделирования, таком как Autodesk 3Ds Max, Solid woks, ZBush, Blender и др., проектируется конечная модель лонгеты. Нами в качестве ПО использовалось Geomagic Freeform Plus (3D Systems, США). На поверхности загруженной в программу модели руки формировался рабочий слой толщиной 5 мм (рис. 3). На теле поверхности в необходимом месте моделировались гигиенические отверстия (рис. 4). Полученный объект сохранялся в формате STL (*.stl) и на цифровом носителе переносился на 3D-принтер для печати. Подготовка настроек печати выполнялась в ПО (слайсере) Cura 4.0 (Ultimaker, Нидерланды) со следующими параметрами: ориентация модели на поле печати вертикальная; ширина экструзии 1 мм; высота слоя 0,8 мм; 100% заполнение; скорость печати 25 мм/с; температура сопла 230 оС; температура стола 60 оС (рис. 5). Сформированное задание в формате G-CODE (*.gcode) выполнялось на 3D-принтере. Активного участия оператора в процессе печати не требовалось. Печать изделий производилась на 3D-принтере FDM, с классической (декартовой) механикой, Ender 3 (Creality, КНР), соплом 1,0 мм, пластиком PLA (полилактид) телесного цвета производителя REC (ООО «РЭК», Россия). После печати конструктивные поддержки удалялись механическим способом. РЕЗУЛЬТАТЫ Время сканирования составило 10 мин, моделирования и обработки данных - до 30 мин, изготовления лонгеты на принтере - 240 мин, наложения лонгеты - менее 5 мин. Общее время производства составило 285 мин. Изделие было готово к наложению сразу после производства. Поверхность лонгеты гладкая. Так как модель изготавливалась с вертикальной ориентацией, укладка слоев ровная, слабо различимая. Образец плотно, без зазоров, прилегал к запястью, как продемонстрировано на рис. 6. Крепится лонгета к конечности с помощью текстильных застежек-лент. Запястье жестко фиксируется. Так как конструкция облегчена гигиеническими отверстиями, обеспечивается естественная вентиляция кожных покровов. Предполагается, что такое решение облегчит выздоровление у пациентов, на местах травм которых присутствуют кожные заболевания, поскольку материал изделия - PLA - гипоаллергенен и не является источником кожных реакций. Во время ношения лонгеты пациентом допускается контакт с водой, что облегчает жизнедеятельность в быту и соблюдение личной гигиены. Материал рентгенпозитивен, поэтому для контроля состояния конечности конструкцию снимать не нужно. В оптическом типе сканера, который мы использовали, отсутствует лазер, что делает его полностью безопасным для исследования людей. Предполагается, что лонгеты, изготовленные по такой методике, могут использоваться не только при переломах, но и при травмах различного характера (растяжениях, разрывах связок и др.). Сравнение основных характеристик средств иммобилизации лучезапястного сустава приведено в табл. 1. ЗАКЛЮЧЕНИЕ 3D-печать индивидуальных лонгет невозможна без тесного сотрудничества врачей и инженеров, так как находится на стыке этих двух специальностей. Использование трехмерной печати для изготовления лонгет для верхней конечности (кисти и предплечья) имеет по меньшей мере те же или в некоторых отношениях даже лучшие характеристики применения по сравнению с традиционными методами. Наши результаты подтвердили техническую возможность создания индивидуальных лонгет для верхней конечности, поскольку они имеют достаточные для этой цели физико-механические свойства, меньший вес по сравнению с другими средствами иммобилизации; решают проблему комфорта и личной гигиены в процессе лечения после спадания отека и образования костной мозоли и, несомненно, улучшат качество жизни. Таким образом, средства иммобилизации, изготовленные с применением аддитивных технологий, соответствуют заявленным требованиям, в том числе есть возможность моделирования изготовленного изделия по мере разрешения отека с помощью текстильных застежек-лент, имеется также возможность заранее спроектировать на модели будущего изделия необходимые крепежи для установления смягчающих элементов в зонах костных выступов, которые в процессе эксплуатации могут быть заменены (что в случае гипсовой иммобилизации затруднительно). Однако необходимо проведение последующих исследований по возможности применения 3D-печати при оказании неотложной помощи. Внедрение в клиническую практику аддитивных технологий для печати лонгет при лечении переломов и реабилитации военнослужащих потребует дальнейших исследований и разработок.

About the authors

S A Peleshok

S. M. Kirov Military Medical Academy of the Russian Defense Ministry

Saint Petersburg, Russia

D A Volov

S. M. Kirov Military Medical Academy of the Russian Defense Ministry

Saint Petersburg, Russia

M V Titova

S. M. Kirov Military Medical Academy of the Russian Defense Ministry

Saint Petersburg, Russia

M I Eliseeva

S. M. Kirov Military Medical Academy of the Russian Defense Ministry

Saint Petersburg, Russia

V N Adamenko

S. M. Kirov Military Medical Academy of the Russian Defense Ministry

Saint Petersburg, Russia

Ya I Nebylitsa

Main Military Medical Department of the Ministry of the Russian Defense Ministry on the base S. M. Kirov Military Medical Academy

Saint Petersburg, Russia

References

Supplementary files