Що спільного у анатомії та 3D-друку?

Анатомія як наука, що вивчає форму та будову людського тіла, впродовж століть була основою медичних і наукових знань і залишається обов’язковим елементом у підготовці та професійному розвиткові кожного лікаря. Основний фокус цієї дисципліни полягає у дослідженні й, отже, виготовленні образних зображень морфології людського тіла з певною реалістичністю та точністю, яка продовжує відігравати вирішальну роль у забезпеченні ефективного викладання та поширення анатомічних знань.

І саме тут 3D-друк постає як надсучасна технологія, яка може створити нову віху в анатомічному зображенні людського тіла. Важливий крок у цьому напрямку – нещодавній проєкт, в якому взяли участь Університет Флоренції та Bompan, ексклюзивний італійський імпортер Mimaki, який підтримав пристрасть, вміння та рішучість групи лікарів-дослідників-провидців, застосувавши повнокольорові та фотореалістичні можливісті технології 3D-друку Mimaki.

Революційний алгоритм надзвичайного графічного відтворення

Спільне захоплення анатомією змусило Фердінандо Патерностро, лікаря та доцента кафедри анатомії кафедри експериментальної медицини Університету Флоренції, та лікаря Джакомо Гелаті дослідити нові шляхи заповнення прогалин в унаочненні людських органів та зробити якісний стрибок в анатомічному поданні.

Через низку найважливіших питань, таких як швидкопсувний характер трупів та юридичні ускладнення, практика розтину — головний метод анатомічного дослідження, який дає змогу отримати знання та створити іконографічне зображення структур людського тіла — стає дедалі менш практичним. «Під час навчання медицині, завдяки Фердінандо, який був моїм професором, я захопився анатомією. Однак незабаром мені стало відомо про низку труднощів. Неможливо було взяти участь у практичних заняттях з анатомічної дисекції (як і раніше найкращий доступний інструмент для вивчення морфології людського тіла). Не вистачало можливостей іконографії, яка була надто статичною (хоча фотографії демонструють реалістичні анатомічні деталі, а тематичні акварелі мають велику художню цінність, незважаючи на те, що покладається на схематичне зображення анатомічних структур), — говорить Джакомо Гелаті. — Для людей, які вивчають анатомію або практикують медицину, можливість побачити справжнє світло та кольори анатомічного зразка, а також перевірити його узгодженість та взаємозв’язок із оточуючими структурами вкрай важливі».

Саме бажання знайти рішення спонукало молодого лікаря провести серію експериментів, результатом яких є унікальний алгоритм реалізації та інтеграції зображень, що генерує вірне графічне відтворення анатомічних систем. «Я мав чітку мету і досяг її, поєднавши декілька інструментів, які дали важливі результати. Я розпочав зі сканування, а потім додав фотографію, щоб представити колір. Нарешті, нам потрібна була детальна інформація про внутрішні структури, які я інтегрував за допомогою резонансу. Таким чином, я зміг створити тривимірне зображення, яке б можна було побачити, яке б було чудово оглядати з усіх боків (як на поверхні, так і всередині) і, насамперед, вірне з точки зору світла, кольору, морфології та анатомічних топографічних зв’язків».

Цей алгоритм, вже запатентований Джакомо Гелаті, одразу викликав велике зацікавлення як у сферах академічного вивчення, так і в науково-популярній науці. «Студенти відреагували з ентузіазмом, бо нарешті отримали доступ до реалістичних зображень, які допоможуть зрозуміти предмет та легше запам’ятати його. Представлені на міжнародних медичних конференціях, наші зображення сприймалися з однаковим ентузіазмом і колегами, які закликали нас продовжувати проект, — пояснює Фердінандо Патерностро. —- Це було приємним відкриттям як для мене, так і для Джакомо: естетично красиве також є дидактично гарним і тому корисним».

Роль 3D-друку

Щойно першу ціль було досягнуто, наступний крок був майже неминучим, але результат, безумовно, не сприймався як належне. «У нас були доступні красиві та ефективні графічні зображення, тому ми почали розглядати можливість перетворити їх на тривимірні, керовані та нетлінні об’єкти. Ми одразу замислилися про 3D-друк, зосередившись на точності кольорів, яка є для нас ключовим елементом», — говорить Гелаті.

Таке бачення спонукало лікарів та дослідників звернутися до технології адитивного друку Bompan та Mimaki з реалістичними кольорами. «Це був виклик у виклику. Якість графіки та якість друку йдуть поруч: без якісного вихідного файлу ніколи не вийде доброго 3D-друкованого об’єкта, і навпаки, без доброго 3D-принтера вихідний файл втратить свою якість у процесі друку. Ось чому ми вирішили об’єднатися з чудовою компанією з кольорового друку у галузі 3D».

Тому команда з Університету Флоренції та Bompan спільно працювали над 3D-друком першого органу — серця — за допомогою принтера Mimaki 3D UV LED 3DUJ-553. Цей 3D-принтер вирізняється використанням кольорових профілів та методом затвердіння за допомогою УФ-світлодіодів, які дають змогу відтворювати понад 10 мільйонів кольорів — у 4-кольоровому, білому та прозорому варіантах із фотографічною якістю.

Результат цього пілотного проекту був дуже позитивним та обнадійливим: за словами Партерностро та Гелаті, принтер Mimaki дав змогу виготовити тривимірне серце зі значними розмірами та чіткістю деталей, і насамперд чудовою кольоровою достовірністю. «Ми були вражені цією технологією, яка дійсно пропонує друк з дуже широким спектром кольорів, це дозволяє нам досягти фундаментальної віхи в анатомічних дослідженнях. Хоча існують різні технології 3D для отримання морфологічно вірних виробів, ми докладаємо всіх зусиль, щоб відтворити якість кольорів».

Причину, через яку колір настільки важливий, пояснює Фердінандо Патерностро: «Різні анатомічні структури, з якими ми стикаємося під час хірургічного втручання або в дисекційній кімнаті, мають власний специфічний колір та оточені топографічним контекстом різних кольорів. Розрізнити структури в їхньому анатомічному топографічному контексті не особливо легко, і колір відіграє вирішальну роль».

Тому знання кольорів є важливим при навчанні, а отже, і при розпізнаванні структури під час хірургічного або анатомічного розтину. І це мета команди: використовувати якість кольорів, відтворюваність та довговічність 3D-друкованих об’єктів у медичній практиці.

Фердінандо Патерностро,

лікар та доцент кафедри анатомії кафедри експериментальної медицини Університету Флоренції

«Об’єкти, які ми робимо, поєднуючи наш алгоритм із технологією 3D-друку Mimaki, є хроматично та морфологічно реалістичними, вимірюваними, повторюваними. Використовуючи цей метод, ми могли б потенційно перетнути подальші кордони. Наприклад, у патологічній анатомії ми зможемо створити тривимірний орган, який демонструє аномалії, спричинені конкретним захворюванням, — забезпечуючи у такий спосіб дуже корисний інструмент для підготовки будь-якого хірургічного втручання та спілкування з пацієнтом».

На думку команди з Університету Флоренції, 3D-друк може ефективно сприяти перетворенню світу викладання та медико-наукових досліджень. «Ми все ще на початковій стадії, але впевнені, що ми на вірному шляху. Маємо можливість замінити анатомічні моделі та пластифіковані анатомічні деталі (й ті, й інші, мають велику цінність, але делікатні, швидко псуються і, отже, придатні для використання лише в певному контексті) анатомічними деталями, надрукованими у форматі 3D, доступними для університетів, науково-дослідних інститутів, лікарень та клінік».

«Я люблю черпати натхнення у «калокагатії», грецькій концепції здоров’я та краси, згідно з якою естетична досконалість тіла та внутрішня функціональна дивина окремих органів тісно пов’язані між собою. Здоров’я — це краса і навпаки. Чудова анатомічна модель функціональна для навчання, спілкування, медичної та хірургічної практики», — підсумовує Патерностро.


Андреа Ферранте,

фахівець з питань 3D у Bompan

«Ми раді співпраці з командою Університету Флоренції. Цей проект демонструє та підтверджує видатні якості нашої технології тривимірного друку: принтер 3DUJ-553 виявився найбільш вдалим рішенням, фактично єдиним, що дає змогу досягти високої точності та послідовності кольорів, а також ультрареалістичного визначення деталей, потрібних для цих програм. Ми впевнені, що ця технологія широко використовуватиметься у різних сферах, і можливості будуть розширені після виходу принтеру 3DUJ-2207 — версії з більш компактним і доступним дизайном, але оснащеною тією ж технологією, що і 3DUJ-553».