Оптимизация эффективности при создании пациента

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 12082 (2023) Цитировать эту статью

1015 доступов

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Проектирование, управляемое полем, — это новый подход, который позволяет определять с помощью уравнений геометрические объекты, известные как неявные тела. Эта технология не опирается на традиционные геометрические элементы, такие как многоугольники или ребра, а представляет пространственные формы с помощью математических функций в геометрическом поле. Преимущества с точки зрения скорости вычислений и автоматизации очевидны и хорошо признаны в технике, особенно для решетчатых структур. Более того, проектирование с учетом полевых условий расширяет возможности генеративного проектирования, облегчая создание форм, генерируемых программным обеспечением на основе ограничений, определенных пользователем. Учитывая такой потенциал, в данной статье предлагается возможность использования программного обеспечения nTopology, которое в настоящее время является единственным программным обеспечением для генеративного проектирования на местах, в контексте создания индивидуальных имплантатов для челюстно-лицевой хирургии. Обсуждаются клинические сценарии применимости, включая травматологическую и ортогнатическую хирургию, а также интеграцию этой новой технологии с текущими рабочими процессами виртуального хирургического планирования. Эта статья представляет собой первое применение полевого дизайна в челюстно-лицевой хирургии, и, хотя ее результаты носят весьма предварительный характер, поскольку она ограничена рассмотрением только поля расстояний, полученного из конкретных точек реконструированной анатомии, она представляет важность этой новой технологии для будущее персонализированного дизайна имплантатов в хирургии.

Современная челюстно-лицевая хирургия все чаще использует индивидуальные устройства, созданные с учетом анатомии пациента в качестве ориентира. Таким образом, индивидуальные устройства обеспечивают естественное и точное прилегание к кости, предлагая преимущества с точки зрения простоты установки, сокращения времени операции и повышения хирургической точности1,2,3.

Появление аддитивного производства (АП) в сфере здравоохранения дало мощный импульс немедленному воплощению разработанных форм в 3D-печатные имплантаты, расширив концепцию персонализации на растущее число хирургических сценариев. Разработка персонализированных 3D-печатных имплантатов по-прежнему остается открытой проблемой для устройств челюстно-лицевой хирургии и представляет собой одну из основных причин для поиска новых стратегий, специфичных для АМ. Более того, прогресс в компьютерном моделировании, включая анализ методом конечных элементов (FEA), привел к повышению надежности персонализированных имплантатов, которые могут подвергаться виртуальным биомеханическим испытаниям путем применения определенных сил, границ и свойств материала для прогнозирования критических областей деформации, которые могут подвергаться воздействию. отказ, позволяющий улучшить форму имплантата еще до его изготовления4,5,6.

Проектирование этих устройств обычно включает использование программного обеспечения для автоматизированного проектирования (САПР) для моделирования конечного объекта в упорядоченной последовательности операций трехмерного моделирования, начиная с пустой формы и используя базовую анатомию в качестве эталона. Этот процесс условно называют «явным моделированием». Он напоминает процесс инженерного рисования и приводит к созданию сетки с тесселяцией и топологией, определяемыми пользователем, а также последовательностью реализованных операций проектирования.

Недавно в новых пакетах программного обеспечения реализованы сложные алгоритмы для представления неявной геометрии. Математически неявная поверхность определяется непрерывной функцией объема F(x, y, z) = 0 на бесконечном уровне детализации, что означает, что поверхность существует внутри математической функции. Поверхность называется неявной, если уравнение не решено относительно x, y и z. Геометрия становится явной, когда уравнение решено, и аппроксимация этой поверхности представлена ​​в виде триангулированного каркаса (сетки). Неявное моделирование опирается исключительно на функции объема, что делает его мощным инструментом для определения, изменения и представления трехмерной геометрии без непосредственной визуализации сложной полигональной сети вершин, ребер и граней. Таким образом, неявные тела значительно легче вычислять и сохранять их чистую форму, поскольку они не дискретизируются на геометрические части, которые не могут точно представить непрерывность поверхности за счет требовательных вычислительных затрат. Неявные тела можно рассматривать как объекты, связанные со значением в каждой точке трехмерного пространства. Это похоже на то, как поля используются в физике для определения непрерывных изменений таких величин, как температура, электромагнетизм или поток. В целях проектирования скалярное поле определяет неявные тела, градиенты трехмерной геометрии. В настоящее время nTopology (nTopology Inc., Нью-Йорк, Нью-Йорк, США) является единственным программным обеспечением для инженерного проектирования, которое допускает подход к проектированию на основе поля, обеспечивая повышенную гибкость для различных сложных приложений, включая требовательное к вычислениям генеративное проектирование и решетчатые структуры7. Хотя генеративный дизайн, управляемый полем, в различной степени использовался в инженерной литературе, мало что известно о его применении в здравоохранении8,9,10. На сегодняшний день не было сообщений о каких-либо потенциальных хирургических применениях, и этот подход не был реализован конкретно в челюстно-лицевой хирургии.