Вестник Военного инновационного технополиса «ЭРА», 2023, T. 4, № 4, стр. 403-405

Аспект использования аддитивных технологий в проектировании, печати и создании индивидуального медицинского инструментария

И. А. Качалов 1, Д. В. Харченко 1, А. А. Леус 1, А. А. Рябиков 1, А. А. Зиборов 1, М. А. Макаренко 1, Е. Е. Гуляев 1, И. В. Маркин 1*, Е. А. Журбин 1

1 Военный инновационный технополис “ЭРА”
Анапа, Россия

* E-mail: era_otd6@mil.ru

Поступила в редакцию 20.11.2023
После доработки 20.11.2023
Принята к публикации 26.11.2023

Полный текст (PDF)

Аннотация

Проведены разработка и создание медицинских инструментов при помощи аддитивных технологий, позволяющих врачам получать персонализированные приборы необходимой формы и функциональности. В процессе создания инструментов пройдены следующие этапы: получение образцов инструментов, проектирование моделей инструментов, изготовление инструментов в пластике и в металле. Конструкционные размеры инструментов получены с помощью компьютерной томографии, на основе которой получены итоговые 3D-модели инструментов. Далее методами аддитивных технологий изготавливались хирургические инструменты в пластике. После того как модели согласованны и подкорректированы, они печатаются в металле. Изготовленные инструменты соответствуют всем требованиям и могут использоваться в профильных отделениях медицинской организации для решения практических задач.

ВВЕДЕНИЕ

Для оказания высококвалифицированной помощи персонализированной медицине требуется создание медицинских инструментов, индивидуальных как в плане свободности форм, так и в плане конкретных особенностей пациента и/или хирурга. В век аддитивных технологий имеет большое место их использование для создания медицинских инструментов на 3D-принтере [1, 2].

Аддитивное производство обладает высоким потенциалом в рамках конкретных приспособлений для хирурга и пациента. Помимо этого, аддитивное производство является более выгодным по сравнению со стандартными методами производства в применении к низким объемам и уникальной создаваемой продукции. Используя аддитивные технологии при создании инструмента, врач может модифицировать стандартную модель и персонализировать инструмент, придав ему требуемые размеры и форму для удобства и эффективности работы [3, 4].

Таким образом, возрастает необходимость создания и внедрения медицинских инструментов, созданных с использованием аддитивных технологий, поскольку становится возможным изготовление конструкций сложной формы и функциональности за меньшую стоимость, что не представляется возможным при традиционном производстве [5].

ЭКСПЕРИМЕНТ

Для создания медицинских инструментов с помощью аддитивных технологий необходимо построить их трехмерную модель. В качестве исходных данных для создания моделей использовали цифровые снимки компьютерной томографии (КТ) медицинских инструментов в формате DICOM, полученные из Военно-медицинской академии им. С.М. Кирова. С целью получения 3D-моделей хирургических инструментов снимки подвергали обработке в программе 3DSlicer. В программе SOLIDWORKS 2018 на основе полученных ранее данных создавали трехмерные цифровые компьютерные модели медицинских инструментов (рис. 1).

Рис. 1.

3D-модели хирургических инструментов: а – кусачки челюстно-лицевые, б – ретрактор, в – гибочный инструмент.

После этого файлы загружали в программу IDEA Maker, где проводилась конвертация в формат, подходящий для 3D-принтера. Для печати макетов хирургических инструментов использовали принтер Raise 3D Pro2Plus (“Raise3D Pioneering Flexible Manufacturing”, Китай) и технологию печати FDM (рис. 2).

Рис. 2.

Хирургические инструменты, напечатанные методом послойного наплавления: а – кусачки челюстно-лицевые, б – ретрактор, в – гибочный инструмент.

В качестве материала для печати применяли термопластик ABS (“Bestfilament”, Россия) (табл. 1).

Таблица 1.

Условия печати

Параметр Показатель
Температура экструдера 230°С
Температура стола 100°С
Скорость печати 60 мм/с
Толщина слоя 0.2 мм
Заполнение 75%

После одобрения полученных 3D-моделей и их пластиковых макетов Военно-медицинской академией им. С.М. Кирова инструменты печатали в металле на принтере, использующем технологию печати SLS (рис. 3).

Рис. 3.

Хирургические инструменты, напечатанные методом послойного наплавления: а – кусачки челюстно-лицевые, б – ретрактор.

В качестве порошка для печати на 3D-принтере использовали нержавеющую сталь PH-17-4 (табл. 2).

Таблица 2.

Физические характеристики нержавеющей стали РН-17-4

Параметр Показатель
Предел текучести 170 Н/мм2
Предел прочности на разрыв 190 Н/мм2
Удлинение 10%
Твердость 40 HRC

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

В результате исследования разработаны и изготовлены три медицинских инструмента:

– кусачки челюстно-лицевые;

– ретрактор (ранорасширитель) операционный;

– гибочный инструмент.

В ходе работы с трехмерными моделями осуществлены следующие изменения:

– изменен угол рабочей части челюстно-лицевых кусачек для создания большей площади взаимодействия;

– изменен операционный ретрактор, добавлено отверстие под палец, а также удлинен клинок;

– добавлены съемные головки у гибочного инструмента, что увеличивает вариативность использования инструмента, а также изменен угол рабочей части для создания большей площади взаимодействия.

На текущий момент только два инструмента исполнены в металле. Гибочный инструмент есть только в виде макета из пластика. Массогабаритные характеристики инструментов приведены в табл. 3.

Таблица 3.

Массогабаритные характеристики инструментов

Инструмент Линейные размеры, мм Масса в пластике, г Масса в металле, г
Кусачки челюстно-лицевые 212 × 40.5 × 10.5 16.21 168.21
Ретрактор (ранорасширитель) операционный 217 × 87.8 × 29.2 7.5 64.38
Гибочный инструмент 240 × 74 × 23.2 33.33  

При оценке эксплуатационных свойств выявлено, что разработанные инструменты имеют меньший вес, могут подвергаться всем видам стерилизации без снижения потребительских свойств, выдерживают функциональную нагрузку.

Таким образом, индивидуальные медицинские инструменты, разработанные с помощью аддитивных технологий, в сравнении с традиционными позволяют затрачивать меньшие усилия на выполнение аналогичных манипуляций, а также обладают меньшей травматичностью по отношению к пациенту.

Список литературы

  1. Степанова Е.Ю., Бурнашов М.А., Степанов Ю.С. // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2017. № 8–1. С. 141.

  2. Фисун А.Я., Журбин Е.А., Щелканова Е.С. // Известия Российской военно-медицинской академии. 2021. № 3. С. 13.

  3. Шутилин Ю.Ф., Щербаков М.С., Хрипушин В.В. и др. // Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий. 2017. № 4. С. 157.

  4. Юлусов И.С., Папко С.С., Никулин И.А. и др. // STUDNEТ. 2022. № 2.

  5. Котельников Г.П., Колсанов А.В., Николаенко А.Н. и др. // Саркомы костей, мягких тканей и опухоли кожи. 2017. № 1. С. 20.

Дополнительные материалы отсутствуют.