Η τρισδιάστατη εκτύπωση και οι εφαρμογές της στον τομέα της ορθοπεδικής

Abstract

Η τρισδιάστατη εκτύπωση είναι μια μέθοδος προσθετικής κατασκευής όπου η δημιουργία των αντικειμένων επιτυγχάνεται μέσω της διαδοχικής εναπόθεσης χρησιμοποιούνται διάφορα υλικά όπως πλαστικά και άλλα σύνθετα πολυμερή. Οι 3D εκτυπωτές χρησιμοποιούνται όλο και περισσότερο για την κατασκευή φυσικών μοντέλων και πρωτοτύπων είτε από μηχανισμούς ή σχεδιαστές, είτε από ομάδες ανάπτυξης νέων προϊόντων και έχουν τη δυνατότητα να εκτυπώνουν μέρη και εξαρτήματα από διάφορα υλικά, με διαφορετικές μηχανικές και φυσικές ιδιότητες και συχνά σε μια ενιαία διαδικασία κατασκευής. Η ραγδαία εξέλιξη της τρισδιάστατης εκτύπωσης συνέβαλε στο να βρει πολλές εφαρμογές σε πολλούς τομείς και ένας από αυτούς είναι και η Ιατρική. Το αντικείμενο της παρούσας Διπλωματικής Εργασίας είναι η χρήση της τρισδιάστατης εκτύπωσης στον τομέα της Ορθοπεδικής. Συγκεκριμένα, μέσω ιατρικών εξετάσεων όπως η αξονική (CT) ή η μαγνητική τομογραφία (MRI) παράγονται τα αρχεία DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine) από τα οποία μπορεί να δημιουργηθεί μέσω κατάλληλης επεξεργασίας και χρήσης λογισμικού το τρισδιάστατο μοντέλο για την κατάλληλη εφαρμογή. Χρησιμοποιήθηκαν αρχεία DICOM ενός ασθενή με κάταγμα στο γόνατο και με τη χρήση του λογισμικού Osirix έγινε η ανάγνωση των δεδομένων των αρχείων DICOM και τέλος η παραγωγή του τρισδιάστατου μοντέλου σε μορφή .obj. Αναλυτικά με τη χρήση αλγορίθμων που διέθετε το λογισμικό MeshLab μειώθηκε σημαντικά ο θόρυβος που υπήρχε στο 3D μοντέλο, στη συνέχεια το μοντέλο μετατράπηκε σε σύννεφο σημείων και με τους αλγόριθμους του λογισμικού MeshLab το μοντέλο ανακατασκευάστηκε από το σύννεφο σημείων και διορθώθηκαν οι επιφάνειες που δημιουργούσαν προβλήματα στην εκτύπωση. Η αποθήκευση του μοντέλου έγινε σε αρχείο stl (stereolithography) και εισήχθη στο λογισμικό Rhinoceros προκειμένου να μειωθεί ο αριθμός των πολυγώνων στην επιφάνεια του, το οποίο συμβάλει στη μείωση της πολυπλοκότητας του. Με τη χρήση κατάλληλων γραφικών (π.χ. Netfabb, Meshmixer) έγιναν οι τελικές διορθώσεις προκειμένου το μοντέλο να αποκτήσει τις κατάλληλες προδιαγραφές για να μπορεί να εκτυπωθεί στον 3D εκτυπωτή. Χρησιμοποιήθηκαν διάφορες τεχνικές ώστε να μειωθούν και τελικά να εξαλείψουν επιπλοκές κατά τη διαδικασία της εκτύπωσης. Τα μοντέλα που εκτυπώθηκαν αντιστοιχούν σε γόνατο ασθενή το οποίο δεν παρουσίαζε προβλήματα, και σε γόνατο το οποίο είχε κάταγμα. Τα μοντέλα που εκτυπώθηκαν ήταν ακριβή και με αποδεκτή ποιότητα επιφάνειας και αποτύπωσαν σε πολύ πιο χρηστική μορφή τις ιδιαιτερότητες τις μορφολογίες των οστών. Επομένως είναι εφικτό να σχεδιαστούν και να εκτυπωθούν διάφορα μέλη του ανθρώπινου σώματος. Η εκτύπωση των μελών αυτών μπορεί να παρέχει τους χειρουργούς καίριες πληροφορίες για τη διάγνωση τραυμάτων, αλλά επιπλέον μπορεί να χρησιμοποιηθεί και για προεγχειρητικούς σκοπούς προκειμένου να προετοιμαστούν σωστά για την επέμβαση. Ένας ακόμα τομέας στην ορθοπεδική όπου η τρισδιάστατη εκτύπωση βρίσκει χρήση είναι η κατασκευή τεχνητών μελών από υλικά τα οποία ο ανθρώπινος οργανισμός δεν θα απορρίψει και θα αντικαταστήσουν τα ήδη υπάρχοντα κατεστραμμένα, γεγονός που ανοίγει καινούργιους ορίζοντες, προοπτικές και σημαντικές εφαρμογές στο άμεσο μέλλον.