3D-tulostuksen käyttö anatomisten mallien valmistamiseen sekä opetukselliseen että operatiiviseen käyttöön on yksi lisäävän valmistuksen vanhimmista käyttökohteista terveysalalla. Niissä yhdistyvät mm. seuraavat 3D-tulostuksen hyvät puolet:

  • yksilöllisyys: jokainen valmistettava malli on erilainen sillä jokainen potilas on erilainen
  • hinta-laatusuhde: 3D-tulosteen valmistuskustannus esimerkiksi operointikustannukseen verrattuna on pieni ja valmistetut kappaleet laadukkaita. Lisäksi 3D-tulostus saattaa olla ainoa mahdollinen tapa valmistaa kappale.
  • nopeus: 3D-tulostetut kappaleet ovat nopeasti saatavilla
Kuva 1. Esimerkkejä 3D-tulostetuista kappaleista. Valmistajat/Laitteistot vasemmalta oikealle: HP Multi Jet Fusion 580, Mimaki 3DUJ-553, LulzBot/Polymaker, Lähde: Formnext 2018

Kyseessä on yksi 3D-tulostuksen vanhimmista käyttökohteista joten sen käytön luulisi olevan maailmanlaajuista. Käyttö onkin melko yleistä, mutta ei kuitenkaan vielä arkipäivää – varsinkaan Suomessa. Esimerkkejä käyttökohteista löytyy kuitenkin maailmalta jo runsaasti, ja esimerkiksi Materialise –yrityksen kartoituksen mukaan Yhdysvaltojen TOP-20 sairaalasta kuudellatoista on käytössä 3D-tulostusstrategia (ja osana sitä käytössä Materialisen Mimics –ohjelmisto).

Savonian LIVA –hankkeessa (Lisäävä Valmistus Pohjois-Savossa, 1.9.2016 – 31.12.2018) tutkittiin 3D-tulostuksen hyödyntämistä lääketieteellisten mallien valmistuksessa. Tutkimus toteutettiin yhteistyössä Kuopion Yliopistollisen Sairaalan Itä-Suomen Mikrokirurgiakeskuksen kanssa ja erityisenä kiinnostuksen kohteena oli multimateriaalitulostuksen hyödyntäminen eri käyttökohteissa.

Multimateriaalitulostuksella tarkoitetaan usean eri materiaalin käyttämistä tulostusprosessin aikana kappaleen valmistamiseen. Valmistetun kappaleen materiaaliominaisuudet voivat siis vaihdella eri kohdissa. Jotkin 3D-tulostusteknologiat toteuttavat multimateriaalitulostuksen sekoittamalla tulostusmateriaalin useista eri raaka-aineista, toisissa teknologioissa puolestaan ohjataan tulostusprosessia käyttämään raaka-ainetta eri lähteistä.

Tyypillisimpiä multimateriaalitulostuksen käyttökohteita ovat erilaiset kovuuden ja värien muutokset, mutta kyseessä voi olla myös huomattavasti monipuolisemmat muutokset esimerkiksi materiaalin sähkönjohtavuudessa. Teollisella puolella tällä hetkellä laitevalmistajien kärjessä ovat Stratasys (Polyjet) ja 3Dsystems (Projet), joiden järjestelmät perustuvat materiaalin ruiskutukseen.

Kuva 2. Multimateriaalitulosteita: Stratasys J750, Stratasys J750 (vokselitason tulostuksella, Fraunhoferin Cuttlefish -sovelluksella), Keyence, Lähde: Formnext 2018

Tutkimuksen kohteena oli aivovaltimopullistuman (aneurysma) mallitulosteen valmistaminen. Valmista tulostetta olisi tarkoitus käyttää opetuskäytössä operaation harjoittelussa ja lisäinformaation tuottamisessa neurokirurgeille.

Anatomisesti korrektin mallin 3D-tulostaminen perustuu luonnollisesti potilaan mittadatan käyttämiseen mallin luomisessa. Terveydenhuollossa yleisesti käytettyjä kuvantamismenetelmiä kuten tietokonetomografia (CT) ja magneettikuvaus (MRI) on mahdollista käyttää 3D-tulostuksen lähtötietona. Terveydenhuollon kuvantamismenetelmien käyttämä tiedostoformaatti on yleensä DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine), joka on käytännössä suuri määrä ”kuvasiivuja”.

Ennen varsinaista tulostusprosessia lähtötieto täytyy muuttaa DICOM –muodosta mallinnusohjelmien yleisemmin tunnistamaan formaattiin. Toistaiseksi yleisin 3D-mallien tiedostoformaatti 3D-tulostuksen yhteydessä on pintamalli (STL).

DICOM –kuvan muuttaminen tulostuskelpoiseksi pintamalliksi ei ole vielä toistaiseksi automaattinen ”klik-klik” –toiminto vaan prosessissa on jonkin verran käsityötä mukana. Markkinoilla on kokonaisvaltaisia, kaupallisesti myynnissä olevia ohjelmistopaketteja kuten Materialise Mimics, mutta myös runsaasti vapaasti jaossa olevia ilmaisohjelmia kuten Invesalius ja 3D-Slicer. Yleistäen niiden välinen ero on käytettävyydessä – kaupallisissa ohjelmissa käytettävyyteen on kiinnitetty selvästi enemmän huomiota.

Käytännössä toimintaperiaate ohjelmilla on sama. Niillä saa eroteltua DICOM –kuvista eri tyyppiset massat (esim. luu, verisuonisto) enemmän tai vähemmän helposti, riippuen mm. DICOM –materiaalin laadusta. Ohjelmissa valitaan värikontrastien avulla haluttu massatyyppi, rajataan tarkastelu tietylle alueelle ja muodostetaan siivuista 3D-malli STL-muotoon. Muodostuvan kuvan tarkkuus riippuu käytetystä kuvaustarkkuudesta ja valintaan käytetyistä parametreistä. Kuvan hyödyntämisessä tulee huomioda se, mitä kuvattava massa itseasiassa on. Esimerkiksi aivoverisuonien osalta varjoainekuvassa näkyvä verisuonisto on itseasiassa verisuonen sisällä oleva veri. Mikäli kiinnostuksen kohteena on varsinaiset verisuonet, on niiden seinämät luotava ”verimallin” ympärille jälkikäteen.

Kuva 3. Varjoainekuva Invesaliuksessa, oikealla pintamalliksi muutettu verisuonisto Rhinoceros –ohjelmassa, jossa siitä rajattiin tulostettava alue lopullisen mallitiedoston luomista varten ja luotiin veren ympärille verisuonten seinämät.

Kun DICOM –kääntäjällä on luotu pintamalli, siirretään se soveltuvaan 3D-mallinnusohjelmistoon. Tekniikan alalla käytössä olevat suunnitteluohjelmat eivät yleisesti ottaen sovellu vapaamuotoisten, monimutkaisten pintamallien käsittelyyn. Pintamallien käsittelyyn soveltuvia mallinnusohjelmia ovat esimerkiksi vapaasti saatavilla oleva meshmixer (http://www.meshmixer.com/), edullisen hintainen Rhinoceros (https://www.rhino3d.com/), teknisempi ja kalliimpi Ansys Spaceclaim (https://www.ansys.com/products/3d-design/ansys-spaceclaim) tai Autodesk Netfabb (https://www.autodesk.com/products/netfabb/overview).

Mallinnusohjelmassa ensimmäinen tehtävä on mallin korjaus. STL-muotoisten pintamallien yleisin ongelma on se, että malliformaatti on aika herkkä ”hajoamaan”. Kun formaattiin tallennetaan dataa, tulee joukkoon usein runsaasti virheitä. STL-formaatissa pinta muodostuu eri kokoisista kolmioista, joten tallennusvaiheessa monimutkaisen tai kaarevan pinnan tallennus kolmioiksi voi tapahtua virheellisesti siten, että esimerkiksi kolmioiden pinta-alat menevät sisäkkäin tai päällekkäin. Mitä monimutkaisemmasta geometriasta on kyse, sitä todennäköisemmin virheitä esiintyy. Yleisimpiä virheitä ovat sisäkkäin menevät pinnat.

Kuva 4. Mallitiedosto siirrettynä meshmixer –ohjelmaan. Keskimmäisessä kuvassa näkyy pintamallin kolmioverkko, oikeanpuolimmaisessa kuvassa havaitut virheet.

Suurikokoisen, ”rikkinäisen” mallin avaaminen 3D-mallinnusohjelmalla voi helposti aiheuttaa ohjelmaan virhetilan, jonka seurauksena ohjelma kaatuu. Useimmissa ohjelmissa on automaattisia korjaustoimintoja, joiden avulla pystyy korjaamaan suurimman osan virheistä. Korjaustoiminnon käyttäminen on usein hidasta, mutta huomattavasti nopeampaa kuin virheiden korjaaminen käsin. Kaikkia virheitä ohjelma ei kuitenkaan osaa korjata automaattisesti, joten varsinkin monimutkaisisten mallien korjauksessa käsityötä jää vielä runsaasti.

Virheiden korjausten jälkeen vuorossa on mallin muokkaus. Esimerkiksi verisuonten tapauksessa verimallin ympärille luotiin verisuonten seinämät. Verisuonten seinämien paksuus vaihtelee välillä 0.25 – 0.5 mm joten kyseessä on työläs ja tarkkuutta vaativa työvaihe.

Verisuonten mallinnuksen osalta tutkimuksessa päädyttiin käyttämään kolmea eri ohjelmaa:

  1. Invesalius, jolla irroitettiin verisuonisto muusta sälästä ja tallennettiin STL-pintamalliksi.
  2. Rhinceros, jolla siivottiin mallia ja kasvatettiin verisuonille seinämä.
  3. Netfabb, jolla korjattiin mallin pinta ehjäksi ja virheettömäksi tulostusta varten.

3D-mallitiedoston valmistamisen jälkeen vuorossa oli varsinainen mallin valmistaminen 3D-tulostamalla. Ensimmäisenä oli tarkoitus kerätä tietoa multimateriaalitulosteiden ominaisuuksista, joten tehtiin testisarjoja eri kovuusasteilla. Tarkoituksena oli myös hankkia kokemusta Stratasysin uusimmasta laitteistosta, J750 –nimellä kulkevasta 3D-tulostimesta jossa lopputuotteen materiaali voidaan määritellä jopa kuutta eri materiaalia sekoittamalla.

Lähin Stratasys J750 laite löytyi tutkimuksen aikaan tanskalaiselta tulostuspalveluja tarjoavalta yritykseltä. Yrityksellä on ollut asiakkaina useita terveysalan toimijoita, mutta verisuoniin liittyen tulostus oli ensimmäinen. Ensimmäisessä kokeilussa valmistettiin 9 kpl sylinterimäisiä testikappaleita suurin piirtein verisuonten paksuuksilla sopivan kovuusasteen löytämiseksi. Testikappaleiden lisäksi tulostettiin myös ensimmäinen verisuonen mallikappale, joka valmistettiin laatikon sisään. Ajatuksena oli säilyttää laatikon avulla geometria oikeassa orientaatiossa, ja testausvaiheessa leikellä laatikosta verisuoni näkyville tarvittavilta osilta. Laatikko osoittautui kuitenkin liian sitkeäksi rakenteeksi, vaikka kovuudeksi määritettiin pehmein materiaali joka Stratasysin laitteella oli mahdollista (shore A27).

Kuva 5. Sopivan käsituntuman löytämiseksi valmistettiin eri kovuusasteilla (Shore A30 – Shore A60) lyhyitä testikappaleita, joita Mikrokirurgiakeskuksen neurokirurgit kokeilivat. Kuvassa oikealla neurokirurgian ylilääkäri Timo Koivisto (KYS Neurokeskus).

 

Kuva 6. Verisuonimallin ensimmäinen versio valmistettiin läpikuultavan laatikon sisälle, tarkoituksena säilyttää kappaleen geometria oikeassa asennossa testausten ajan. Vasemalla tuloste, oikealla 3D-malli.

Kokemuksista viisastuneena seuraava versio kokeiltiin ilman laatikkoa, ja pelkällä seinämärakenteella. Polyjet –menetelmällä ei voi tulostaa tyhjän päälle, joten verisuoni täytettiin tukimateriaalilla, joka Stratasysin tapauksessa on tärkkelyspohjaista. Tukiaineen poistaminen tapahtuu painepesulla, josta johtuen sen poistaminen ei näin ohuilla seinämillä onnistunut ilman, että kappaleen kestävyyttä riskerattiin. Se jäi siis paikoilleen verisuonen sisälle.

Kun verisuonen rakennetta kokeiltiin tarttujilla, se repesi. Syynä tähän on kova tukirakenne verisuoniston sisällä.

Kuva 7. Versiot 2 (ontto, tukirakenne sisällä) ja 3 (kiinteä, tukirakenteilla)

Kolmannessa versiossa verisuoni tehtiin joustavasta materiaalista täytettynä, ja suoniston kokoa hieman kasvatettiin. Samalla testattiin tolppamaisten tukirakenteiden toiminnallisuutta geometrian muodon säilyttämisessä.

Tulevaisuudessa tavoitteena on valmistaa verisuonet onttoina, ja suunnitelmissa on tutkia myös nestekierron lisäämistä todellisen tuntuman parantamiseksi. Tämä on periaatteessa mahdollista jo nyt, mutta vaatii hienosäätöä 3D-mallin suunnittelussa sillä tukirakenteet pitää suunnitella siten, että ne saadaan jälkikäteen poistettua.

Seuraavassa versiossa tutkitaan muun päärakenteen, ml. pääkallo mukaan ottamista, jotta verisuonten operointia voisi harjoitella oikeassa käyttöympäristössä.

Kuva 8. Potilaan pääkallo. Vasemmalla DICOM, keskellä pintamalli, oikealla jauhepetitekniikalla tulostettu malli

 

Antti Alonen
TKI-asiantuntija
Savonia-ammattikorkeakoulu

 

 

3D-tulostuksen käyttökohteita terveysalalla: case aivoverisuonet
Tagged on:

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *