Компьютерная технология изготовления индивидуальной эластичной маски медицинского назначения с применением CAD/CAM-систем Delcam

Дмитрий Горяинов
К.т.н., доцент ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет».
Денис Шишкин
Студент ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет».

Сфера применения технологий трехмерного сканирования постоянно расширяется. Всё чаще находится применение сканированию в медицине. Преимущества сканирования частей тела человека, по сравнению с традиционной технологией получения слепков, — в скорости получения электронной модели и в том, что процедура является бесконтактной. Одно из актуальных направлений, где 3D­сканирование лица позволяет помочь в создании индивидуальных терапевтических средств, — челюстно­лицевая хирургия. Лечебные маски широко применяются для массажа поврежденной кожи лица, что ускоряет заживление после травм и операций — например для скорейшего восстановления кожного покрова после порезов, ожогов, опухолей и других нарушений целостности кожного покрова. Индивидуальная массажная маска может также использоваться в качестве массажного приспособления для улучшения крово­обращения, а также применяться в совокупности с кремами — для их лучшего впитывания. За счет того, что под действием вибрации поры эпидермиса расширяются, лечебные растворы и мази впитываются быстрее. При необходимости маска может дополнительно оснащаться виброприводом.

Традиционный способ получения профиля поверхности лица для создания лечебной маски с помощью слепков, которым пользуется Самарский государственный медицинский университет, создает дискомфорт и причиняет и боль пациентам, а кроме того, занимает много времени. Получение слепка поверхности лица связано с контактом с травмированной кожей. Помимо наличия доли вероятности заражения кожи во время снятия слепка, имеет место также множество факторов, которые создают погрешности при получении слепка лица. Например, рефлекторные мимические сокращения мышц пациента при контакте с пострадавшими участками лица во время снятия слепка, влекущие искажение слепка. Кроме того, важную роль играет время. Процедура снятия слепка может занимать от 7 минут при небольших травмах до 20 минут в особо тяжких случаях, и в течение этого времени ни один, даже самый здоровый человек, не сможет усидеть неподвижно. После того как слепок (так называемый негатив) снят, по нему делается одноразовая гипсовая матрица — позитив, что также занимает время. Далее в гипсовую матрицу заливается медицинский силикон, в результате чего получается маска­негатив.

При особо тяжких увечьях вов­се отказываются от снятия слепка лица, так как это либо невозможно в силу повреждений, либо слишком болезненно. Поэтому массаж кожи лица осуществляют вручную, как правило, с неравномерными надавливаниями, что приводит к неравномерному перераспределению кровотока и тканевой жидкости.

Для решения вопроса быстрого и безболезненного получения индивидуальной маски Самарским государственным техническим университетом в рамках совместной работы с Самарским государственным медицинским университетом была разработана технология создания индивидуальной медицинской маски с применением технологии 3D­сканирования и CAD/CAM­систем Delcam.

Рис. 1. Процесс сканирования лица пациентки сканером Artec MHT

Создаваемая маска должна была удовлетворять следующим требованиям:

• быть индивидуальной для каждого пациента и иметь как можно большую площадь соприкосновения с кожей. Такая маска, которая полностью охватывает поверхность лица, способствует скорейшему восстановлению всех слоев кожного покрова вследствие высокой эффективности массажа всех участков кожи одновременно;
• изготавливаться в кратчайшие сроки;
• быть удобной для использования во время лечебно­профилактических процедур;
• цена на изготовление должна быть как можно ниже, чтобы каждый пациент смог позволить себе процедуру с индивидуальной лечебной маской.
• 3D­сканирование позволяет индивидуально подойти к каждому пациенту с учетом особенностей лица. Время получения модели лица при этом сокращается с 7­20 минут в случае получения слепка до 1­2 минут в случае применения сканирования.

Если рассматривать вкратце, то разработанная технология состоит из следующих шагов:

• сканирование лица пациента 3D­сканером;
• экспортирование электронной модели лица пациента в CAD­систему PowerSHAPE для редактирования и добавления конструктивных элементов и создания матрицы;
• экспортирование электронной модели матрицы маски в CAM­систему PowerMILL. Разработка управляющих программ для изготовления матрицы маски на станке с ЧПУ;
• заливание матрицы маски медицинским силиконом;
• крепление конструктивных приспособлений для удобства пользования маской: ручек для поддержки, воздуховодов и т.д.

С целью удешевления процесса сканирования и создания электронной модели маски лица было произведено сравнение точности сканирования сканером Kinect for Windows и сканером Artec MHT. Сканирование сканером Artec MHT производилось в ООО «Делкам­Самара» (рис. 1).

ab

Рис. 2. Компьютерные 3D-модели лица, полученные разными сканерами: а — Kinect for Windows; б — Artec MHT

Рис. 3. Наложение ручным способом электронных моделей лица, полученных сканерами Kinect for Windows и Artec MHT

На первом этапе были получены две электронные модели лица с двух сканеров: со сканера Kinect for Windows (рис. 2а) и со сканера Artec MHT (рис. 2б).

Сравнение полученных 3D­моделей производилось наложением в программном обеспечении Geomagic Studio. За эталонную принята модель, полученная с помощью сканера Artec MHT. 3D­модель со сканера Kinect for Windows была предварительно вручную совмещена с моделью, полученной со сканера Artec MHT (рис. 3) по ключевым точкам, затем выравнена автоматически.

После выравнивания электронных моделей лица была получена карта отклонений (рис. 4).

Рис. 4. Карта отклонений электронных моделей лица, полученных со сканеров
Kinect for Windows и Artec MHT

Результаты сравнения показали, что среднее положительное отклонение составляет 0,84 мм, среднее отрицательное отклонение — –0,79 мм. По носу отклонение составляет от +1 до –3 мм. По подбородку — порядка ±1 мм. По глазам — около –3 мм, но этим можно пренебречь, так как на глаза накладываются дополнительные эллипсоиды для того, чтобы было комфортно для глазных яблок и ресниц.

Величины отклонений признаны удовлетворительными, поскольку находятся в диапазоне естественного изменения объема кожи лица в зависимости от времени суток и от особенностей водного обмена в организме. Мы пришли к выводу, что сканер Kinect for Windows может быть использован для создания компьютерной 3D­модели лица с достаточной для получения индивидуальной массажной маски точностью.

На следующем этапе набор сканированных при помощи Kinect for Windows точек был преобразован программой Skanect в триангулированную поверхность и экспортирован в нейтральный формат STL, после чего 3D­модель была импортирована в CAD­систему PowerSHAPE. Этот программный продукт был выбран ввиду того, что позволяет эффективно работать с гибридными 3D­моделями, состоящими из триангулированных поверхностей, поверхностей с точным математическим описанием и твердых тел.

Фасетная 3D­модель лица была исправлена и доработана с помощью набора инструментов «Доктор сетки» CAD­системы PowerSHAPE. Также были добавлены эллипсоиды на область глаз, чтобы во время процедур исключить давление маски на глазные яблоки (рис. 5).

Рис. 5. Позитив электронной модели матрицы с конструктивными элементами
в области глазниц

После создания модели матрицы лица для заливки силиконом данные были переданы в CAM­систему PowerMILL, в которой разрабатывались управляющие программы для фрезерного станка с ЧПУ. В данном случае, так как присутствуют отрицательные радиусы кривизны поверхности в области глазниц, была использована шаровая фреза диаметром 6 мм (рис. 6).

Рис. 6. Траектория инструмента при чистовой обработке формы для заливки силиконом

Рис. 7. Компьютерная 3D-симуляция обработки

Рис. 8. Позитивная матрица, предназначенная для заливки силиконом

Перед тем как управляющая программа была передана на станок с ЧПУ, на компьютере была произведена компьютерная 3D­симуляция обработки, позволившая нам убедиться в отсутствии зарезов и столкновений (рис. 7).

Пробная матрица для заливки силиконом выполнена на настольном фрезерно­гравировальном станке с ЧПУ из пенополистирола (рис. 8). В будущем предполагается изготавливать матрицы для заливки силикона из модельного пластика низкой плотности. Мат­рица из модельного пластика имеет более высокую стойкость к механическим воздействиям и многократной заливке силикона, в отличие от гипса, применяемого при создании слепков, который со временем начинает рассыпаться. Кроме того, модельный пластик лучше хранится, при этом отсутствует необходимость в выделении отдельного помещения для сохранения всех матриц пациентов.

Процедура приготовления жидкого силикона и заливка его в мат­рицу, изготовленную на станке с ЧПУ, такая же, как и в случае с матрицей из гипса. Либо при заливке, либо после того, как залитый силикон застыл (было опробовано несколько марок силикона с разными модулями упругости), его нужно снабдить необходимыми конструктивными элементами, а именно: воздушными каналами для того, чтобы во время процедур пациент мог дышать, и ручками, чтобы было удобнее держать маску. Когда все конструктивные элементы созданы, маска готова к использованию (рис. 9).

Рис. 9. Готовая силиконовая маска с ручками и воздушными каналами для комфортного использования во время лечебных процедур

Разработанная технология изготовления силиконовой медицинской маски может также применяться для любого участка тела, если необходим постоянный и равномерный массаж с целью скорейшего восстановления кожного покрова, рассасывания синяков и других целей. 

САПР и графика 1`2015