Μηχανική ιστών: Δημιουργία ψηφιακού και φυσικού μοντέλου εμφυτεύματος αποκατάστασης κρανιακού οστού

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΙΓΑΙΟΥ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΣΧΕΔΙΑΣΗΣ ΠΡΟΪΟΝΤΩΝ ΚΑΙ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ Μηχανική ιστών: Δημιουργία ψηφιακού και φυσικού μοντέλου εμφυτεύματος αποκατάστασης κρανιακού οστού ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Ιώ Αλεξανδροπούλου ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ: Χρήστος Τράπαλης ΣΥΡΟΣ 2007

2 Η εργασία αφιερώνεται στους Νίκο, Γεωργία και Γιάννη.

3 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Θα ήθελα να ευχαριστήσω τον Dr. Χρήστο Τράπαλη ο οποίος μου έδωσε την ευκαιρία να ασχοληθώ με ένα θέμα που με ενδιαφέρει, για την εμπιστοσύνη του και τις πολύτιμες γνώσεις του. Η παρούσα Διπλωματική εργασία ολοκληρώθηκε με την πολύτιμη συνεισφορά των: Αλέξανδρου Ραπίδη, Ιατρού γναθοπροσωπικού χειρουργού, Επίκουρου καθηγητή του Πανεπιστημίου Αθηνών και Διευθυντή του νοσοκομείου «ο Άγιος Σάββας», Ph.D. Πάνου Διαμαντόπουλου, Dr. Νικόλαου Σαπίδη καθηγητή Πανεπιστημίου Αιγαίου και ΕΤΕΠ Κώστα Μπάιλα. 2

4 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η Μηχανική Ιστών είναι ένας νέος επιστημονικός κλάδος που συνδυάζει αρχές από τις επιστήμες της υγείας και της μηχανικής για τη δημιουργία τεχνητών υποστάσεων αποκατάστασης μυοσκελετικού ιστού. Η Μηχανική Ιστών βασίζεται στην πρόοδο της τεχνολογίας των Ηλεκτρονικών Υπολογιστών, της Ακτινοδιαγνωστικής, της Σχεδίασης με Η/Υ και της Πρωτοτυποποίησης. Στη Διπλωματική Εργασία γίνεται μία γενική αναφορά σε αυτές τις τεχνολογίες όσον αφορά στη μοντελοποίηση ανατομίας ιστού με Η/Υ, στην τρισδιάστατη (3D) αναπαράσταση και ανακατασκευή ανατομίας, στην CAD μοντελοποίηση ανατομίας, στην ταξινόμηση ιστών με Η/Υ και στην πρωτοτυποποίηση μοντέλου εμφυτεύματος για την αποκατάσταση ιστού. Στη συνέχεια επιδιώκεται η χρήση των μεθόδων της Μηχανικής Ιστών και των εργαλείων που χρησιμοποιεί για τη δημιουργία και την ψηφιακή μοντελοποίηση ενός εμφυτεύματος αποκατάστασης κρανιακού οστού. Η εφαρμογή ξεκινάει με τη μελέτη του αντικειμένου ενδιαφέροντος που είναι το ανθρώπινο κρανίο. Ακολουθεί η έρευνα σχετικά με τις συμβατικές μεθόδους αποκατάστασης και τα βιοϋλικά που χρησιμοποιούνται. Από την έρευνα συγκεντρώνονται συμπεράσματα που υποστηρίζουν τη χρησιμότητα των μεθόδων της Μηχανικής Ιστών. Για τη δημιουργία του μοντέλου του εμφυτεύματος επιλέχτηκε ένα κρανίο πραγματικού ασθενούς για την καλύτερη προσομοίωση της μεθόδου. Η μεθοδολογία και τα εργαλεία που χρησιμοποιήθηκαν αναφέρονται στη βιβλιογραφία που μελετήθηκε για την Εργασία. Στο τέλος παρουσιάζονται τα αντικείμενα που δημιουργήθηκαν από την εφαρμογή και συγκεκριμένα ένα ψηφιακό και ένα φυσικό μοντέλο του εμφυτεύματος αποκατάστασης. Αναφέρονται η χρησιμότητά τους και τα συμπεράσματα από όλη τη διαδικασία. 3

5 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΙΣΤΩΝ ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΑΝΑΤΟΜΙΑΣ ΑΝΘΡΩΠΙΝΟΥ ΙΣΤΟΥ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΟΥ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΗ Τεχνικές απεικόνισης ανατομίας ιστών: Υπολογιστική ή Αξονική Τομογραφία, Μαγνητική Τομογραφία Μοντέλα CAD ανθρώπινης ανατομίας Μέθοδος MedCAD Μέθοδος αντίστροφης μηχανικής Μέθοδος μετατροπής σε μοντέλο επιφάνειας τριγώνων Σχηματισμός 3D επιφάνειας Χρησιμότητα μοντέλων ανατομίας ιστών Προγραμματισμός χειρουργικών επεμβάσεων Προσομοίωση μοντέλων Ενδοεγχειρητική υποστήριξη ΙΑΤΡΙΚΑ ΜΟΝΤΕΛΑ ΒΑΣΙΣΜΕΝΑ ΣΤΗΝ ΤΑΧΕΙΑ ΠΡΩΤΟΤΥΠΟΠΟΙΗΣΗ RAPID PROTOTYPING (RP) Προγραμματισμός χειρουργικών επεμβάσεων με τη βοήθεια πρωτότυπων μοντέλων Ταξινόμηση των μεθόδων Μέθοδοι στερεοποίησης υγρού Στερεοποίηση τηγμένου υλικού Μέθοδοι με υλικό σε μορφή σκόνης Σύνδεση των κόκκων με συγκόλληση Μέθοδοι στερεών φύλλων ΙΚΡΙΩΜΑΤΑ ΣΤΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΙΣΤΩΝ Απαιτήσεις στη σχεδίαση και την κατασκευή ικριωμάτων Σχεδίαση ικριωμάτων ιστών Τεχνολογίες κατασκευής στερεών ελευθέρας μορφής (Solid Freeform Fabrication - SFF) για την κατασκευή ικριωμάτων ΚΡΑΝΙΟΠΛΑΣΤΙΚΗ Το ανθρώπινο κρανίο Το εγκεφαλικό κρανίο Το σπλαγχνικό κρανίο Σύνθεση και ιδιότητες των οστών

6 Μακροσκοπική φυσιολογία Σύσταση των οστών Δομή των οστών του κρανίου ΒΙΟΫΛΙΚΑ ΠΟΥ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΟΥΝΤΑΙ ΣΤΗΝ ΚΡΑΝΙΟΠΛΑΣΤΙΚΗ Μεταλλικά βιοϋλικά Οργανικά βιοϋλικά Πολυαιθυλένιο Υψηλής Πυκνότητας (HDPE) Πολυµεθακρυλικός µεθύλεστέρας (PMMA) Κεραμικά βιοϋλικά Υδροξυαπατίτης [ Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 ] Κονίαμα Υδροξυαπατίτη (Hydroxyapatite Cement - HAC) ΣΧΕΔΙΑΣΗ ΕΜΦΥΤΕΥΜΑΤΟΣ ΓΙΑ ΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΚΡΑΝΙΑΚΟΥ ΟΣΤΟΥ Μέθοδος εργασίας Επιλογή του αντικειμένου μελέτης Συλλογή ιατρικών δεδομένων από Υπολογιστική ή Αξονική Τομογραφία Εισαγωγή ιατρικών δεδομένων σε λογισμικό απεικόνισης και επεξεργασίας Αποκοπή περιοχής ενδιαφέροντος από ιατρικές εικόνες Υπολογιστικής Τομογραφίας D απεικόνιση τομογραφικών δεδομένων και απόδοση όγκου Volume rendering Σχεδίαση μοντέλου εμφυτεύματος Δημιουργία και επεξεργασία μοντέλου STL για ταχεία πρωτοτυποποίηση Κατασκευή φυσικού στερεού μοντέλου κρανίου Νο Κατασκευή φυσικού στερεού μοντέλου εμφυτεύματος Κατασκευή φυσικού στερεού μοντέλου κρανίου Νο ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

7 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΙΣΤΩΝ Η Μηχανική Ιστών είναι ο συνδυασμός επιστήμης και μηχανικής για την αποκατάσταση του ανθρώπινου μυοσκελετικού ιστού [11]. Είναι μία μέθοδος η οποία συνδυάζει μία ποικιλία βιολογικών και μηχανικών αρχών για τη δημιουργία λειτουργικών ιστών και οργάνων για μεταφύτευση οι οποίες αποκαθιστούν, υποστηρίζουν ή βελτιώνουν τη λειτουργία των ιστών [1, 28, 51]. Η αρχή της Μηχανικής Ιστών βασίζεται στο ότι οι ιστοί μπορούν να απομονωθούν από έναν ασθενή, να επεκταθούν με μία καλλιέργεια και να εμφυτευτούν μέσα σε ένα ικρίωμα (scaffold) φτιαγμένο από ένα δομικό υλικό ώστε να σχηματοποιηθεί ο νέος ιστός σύμφωνα με το σχήμα του τρισδιάστατου ικριώματος. Έπειτα η κατασκευή μπορεί να μεταφυτευθεί στον ίδιο ασθενή ως υποκατάστατο ιστού. Τα αγγεία αίματος αναπτύσσονται μέσα στο νέο ιστό, το ικρίωμα διαλύεται και ο νέος ολοκληρωμένος ιστός συνδέεται με αυτούς που τον περιβάλλουν. Η τεχνολογία που αναπτύσσεται στη Μηχανική Ιστών υποστηρίζει τη δημιουργία ποικίλων ειδών ιστών συμπεριλαμβανομένων δέρματος, χόνδρου, οστού, ήπατος, νεύρων και αγγείων. Η επιτυχία της αναδημιουργίας ιστών αποδίδεται σε μεγάλο βαθμό στην ικανότητα του ικριώματος για δομική μορφοποίηση και στην βιοδραστικότητά του με τα εμφυτευμένα κύτταρα. Τα ικριώματα αποτελούνται από δομικά στοιχεία όπως πόροι, ίνες ή μεμβράνες, τα οποία μπορούν να διαταχθούν σύμφωνα με τυχαίες, κλασματικές ή περιοδικές αρχές και επίσης μπορούν να κατασκευαστούν χρησιμοποιώντας προσεγγίσεις της μηχανικής. Οι βέλτιστες δομικές και θρεπτικές συνθήκες για την ανάπτυξη ενός ιστού διασφαλίζονται όταν χρησιμοποιείται ένας ήδη υπάρχων βιολογικός δομημένος 3D ιστός ως πρότυπο σύμφωνα με τον οποίο μπορεί να σχεδιαστεί η δομή του ικριώματος. Για αυτό το σκοπό έχουν γίνει πολλές πρόοδοι στη Μηχανική Ιστών, στην επιστήμη των βιοϋλικών, στη βιομηχανική, βελτιστοποιήσεις στην ενσωμάτωση και λειτουργία των ιστών και επίσης στο σχεδιασμό, τη σύνθεση και την κατασκευή του προηγμένων ικριωμάτων ιστών (tissue scaffold) [2, 51]. Σήμερα, οι τεχνολογίες που βασίζονται στον ηλεκτρονικό υπολογιστή, οι τεχνικές ιατρικής απεικόνισης, ο σύγχρονος τρόπος σχεδίασης και κατασκευής έχουν συμβάλλει σε αυτή την πρόοδο δημιουργώντας νέες δυνατότητες για την ανάπτυξη της Μηχανικής Ιστών. Τέτοιες δυνατότητες συμπεριλαμβάνουν, για παράδειγμα, οι τεχνολογίες της Υπολογιστικής ή Αξονικής Τομογραφίας - ΥΤ (Computed Tomography - CT) και της Μαγνητικής Τομογραφίας - ΜΤ (Magnetic Tomography - MT) για την απόκτηση εικόνων από ιστούς για 3D μοντελοποίηση 6

8 ανατομίας, για την ταξινόμηση των ιστών και για την αναγνώριση τραυμάτων και καρκινικών όγκων. Χρησιμοποιώντας τεχνολογίες σχεδίασης/παραγωγής με ηλεκτρονικό υπολογιστή (Computer-Aided Design/Manufacturing (CAD/CAM)) και ταχείας πρωτοτυποποίησης (Rapid Prototyping (RP)) είναι δυνατή η κατασκευή φυσικών μοντέλων σκληρών ιστών, ικριωμάτων ιστών και γεωμετρικώς εξατομικευμένων προσθετικών εμφυτευμάτων, τα οποία φυσικά μοντέλα χρησιμοποιούνται από χειρουργούς αποκατάστασης. Στην Εικόνα 1.1 περιγράφεται σε γενικές γραμμές η διαδικασία που ακολουθείται στη Μηχανική ιστών [1, 11]. Εικόνα 1.1: Μηχανική Ιστών και χρήση τεχνολογιών CAD/CAM Η τεχνολογία CAD κυρίως χρησιμοποιείται ως βοηθητική υποστήριξη στη μηχανική σχεδίασης και τη μοντελοποίηση σε εργασίες όπως απεικόνιση, ανάλυση και κατασκευή έργων και αντικειμένων. Οι πρόοδοι που έχουν γίνει στην τεχνολογία της Πληροφορικής και της Βιοϊατρικής έχουν εισάγει νέες χρήσεις της CAD τεχνολογίας με πολλές νέες και σημαντικές εφαρμογές στην βιοϊατρική και ιδιαίτερα στη Μηχανική Ιστών (Tissue Engineering) στην οποία τα CAD μοντέλα βασισμένα στις πληροφορίες των ιστών παρέχουν κρίσιμες πληροφορίες για τη βιολογία, τις βιοφυσικές και βιοχημικές ιδιότητές τους και εν συνεχεία για τη μοντελοποίηση, σχεδίαση και κατασκευή σύνθετων εμφυτευμάτων για την αποκατάστασή τους. Αυτό οφείλεται κυρίως στις εξελίξεις που έχουν γίνει στην τεχνολογία της Απεικόνισης και στην τεχνολογία της Αντίστροφης Μηχανικής βασισμένες όπως εξ ίσου και στις 7

9 εξελίξεις των τεχνολογιών των φυσικών εξαρτημάτων (hardware) και των λογισμικών (software) των ηλεκτρονικών υπολογιστών. Οι κύριες μορφές απεικόνισης οι οποίες δημιουργήθηκαν για να χρησιμοποιούνται σε διάφορες εφαρμογές περιλαμβάνουν Υπολογιστικές Τομογραφίες - ΥΤ και Μαγνητικές Τομογραφίες - ΜΤ, εικόνες οπτικού μικροσκοπίου, μικροσκοπική υπολογιστική τομογραφία, κ.τ.λ.. Χρησιμοποιώντας δεδομένα προερχόμενα από αυτές τις εικόνες είναι δυνατόν να δημιουργηθούν υπολογιστικά μοντέλα, π.χ. ανθρωπίνων ισχίων για ανάλυση καταπονήσεων, να γίνουν προσομοιώσεις και αναλύσεις δυνάμεων σε ιστούς, να σχεδιαστούν εμφυτεύματα κ.α.. Αυτή η προσπάθεια της μοντελοποίησης τμημάτων του ανθρώπινου σώματος σε ένα περιβάλλον βασισμένο σε CAD τεχνολογίες αναφέρεται συχνά στη βιβλιογραφία και ως μοντελοποίηση Bio-CAD [3, 29]. Η χρήση των τεχνολογιών της πληροφορικής συμβάλλει στην ανάπτυξη ενός νέου πεδίου της Μηχανικής Ιστών βασισμένη σε ηλεκτρονικό υπολογιστή (Computer- Aided Tissue Engineering (CATE)). Το πεδίο της CATE χωρίζεται σε τρεις βασικές κατηγορίες, 1) τη μοντελοποίηση της ανατομίας ιστών με χρήση Η/Υ, 2) την ταξινόμηση ιστών με χρήση Η/Υ και 3) τη δημιουργία εμφυτευμάτων ιστών με χρήση Η/Υ [11]. Η γενική επισκόπηση της CATE περιγράφεται στην Εικόνα 1.2. Εικόνα 1.2: Περιληπτική σύνοψη των εφαρμογών της Μηχανικής Ιστών με χρήση Ηλεκτρονικού Υπολογιστή. 8

10 2. ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΑΝΑΤΟΜΙΑΣ ΑΝΘΡΩΠΙΝΟΥ ΙΣΤΟΥ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΟΥ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΗ Η ανάπτυξη και η εξέλιξη της τεχνολογίας των ηλεκτρονικών υπολογιστών δίνει όλο και περισσότερο τη δυνατότητα για νέες εφαρµογές σε σχέση με την απεικόνιση της ανθρώπινης ανατομίας χρησιμοποιώντας νέες υπολογιστικές μεθόδους. Οι νέες υπολογιστικές μέθοδοι αποβλέπουν τόσο στη δηµιουργία αξιόπιστων τρισδιάστατων απεικονίσεων της ανθρώπινης ανατομίας, όσο και στην επεξεργασία των αρχικών δισδιάστατων ιατρικών εικόνων. Στην επεξεργασία των τοµογραφικών εικόνων εντάσσονται διάφορες κατηγορίες υπολογιστικών μεθόδων όπως: μέθοδοι ενίσχυσης µε στόχο την αναβάθµιση της ποιότητας εικόνας, μέθοδοι αποκατάστασης για την επαναφορά της εικόνας στην αρχική της μορφή, μέθοδοι συµπίεσης για την αποµάκρυνση περιττών δεδοµένων από την εικόνα, μέθοδοι αποκοπής προκειμένου να απομονωθούν περιοχές ενδιαφέροντος από την εικόνα, καθώς και μέθοδοι που αφορούν τη διαδικασία αναγνώρισης δομής. Στις παραπάνω μεθόδους θα μπορούσαν να ενταχθούν και εκείνες οι οποίες δίνουν τη δυνατότητα για αξιόπιστες μετρήσεις επιφανειών και όγκων οργάνων από δεδομένα τοµογραφικών εικόνων [4, 52, 53]. Η κατασκευή ενός μοντέλου CAD ενός συγκεκριμένου ιστού ξεκινάει από την απόκτηση δεδομένων ανατομίας σε κάποια μορφή ιατρικής απεικόνισης. Η μορφή απεικόνισης πρέπει να είναι ικανή στο να παράγει τρισδιάστατες όψεις της ανατομίας, να διακρίνει τους διαφορετικούς τύπους ιστών, να παρουσιάζει τις αγγειακές δομές και να παράγει υπολογιστικά μοντέλα ιστών για περαιτέρω εφαρμογές όπως η ανάλυση και η προσομοίωση. Σε γενικές γραμμές, η δημιουργία ενός μοντέλου CAD περιλαμβάνει τα εξής τρία βήματα: 1) απόκτηση δεδομένων σε εικονική μορφή, 2) επεξεργασία εικόνας και ανασύνθεση στις τρεις διαστάσεις βασισμένη σε ογκομετρική αναπαράσταση εικόνας και 3) κατασκευή μοντέλου [1, 3, 29, 30]. Στην Εικόνα 2.1 παρουσιάζεται συνοπτικά η διαδικασία για τη δημιουργία ενός μοντέλου CAD. 9

11 Εικόνα 2.1: Διαδικασία δημιουργίας μοντέλου CAD Η μέθοδος ανακατασκευής 3D μοντέλου οστίτη ιστού που παρουσιάζεται στην Εικόνα 2.2, ξεκινάει με τη συλλογή ιατρικών εικόνων ΥΤ/ΜΤ οι οποίες μεταφέρονται σε ένα υπολογιστικό σύστημα και με τη βοήθεια κάποιου λογισμικού διαχωρίζονται οι σκληροί από τους μαλακούς ιστούς (segmentation). Στη συνέχεια γίνεται η συνένωση των 2D τομών και αναπτύσσεται το τρισδιάστατο μοντέλο του επιλεγμένου οστίτη ιστού, το οποίο μπορεί να αποτελείται είτε από πολυγωνικές επιφάνειες (μοντέλο επιφανειών), είτε από στοιχεία όγκου (voxels), είτε από καμπύλες splines (μοντέλο ακμών). Καθώς γίνεται η τρισδιάστατη μοντελοποίηση, τα λογισμικά που την εκτελούν διαθέτουν αλγόριθμους απόκρυψης, φωτισμού, υφής κ. α. για την πιστή αναπαράσταση των αρχικών αντικειμένων [11, 50]. 10

12 Εικόνα 2.2: Διαδικασία από τη συλλογή ιατρικών εικόνων ως την 3D μοντελοποίηση Τεχνικές απεικόνισης ανατομίας ιστών: Υπολογιστική ή Αξονική Τομογραφία, Μαγνητική Τομογραφία Μία από τις ειδικότητες της Ιατρικής που ευνοήθηκε σημαντικά από την χρήση των Η/Υ ήταν αυτή της ακτινοδιαγνωστικής. Τα 25 τελευταία χρόνια η ακτινοδιαγνωστική γνώρισε αλµατώδη ανάπτυξη, η οποία συνοδεύτηκε από τη εφαρµογή νέων απεικονιστικών τεχνικών όπως της Υπολογιστικής Τοµογραφίας (ΥΤ) και της Μαγνητικής Τοµογραφίας (ΜΤ). Ο τεράστιος όγκος δεδοµένων που περιείχαν οι τομογραφικές εικόνες καθώς και οι αυξανόμενες απαιτήσεις για επεξεργασία αυτών των δεδοµένων, καθιστούσε αναγκαία την εισαγωγή και χρήση των Η/Υ στα τµήµατα ΥΤ και ΜΤ. Η χρήση των Η/Υ είχε ως στόχο την αντιμετώπιση δύο συγκεκριμένων κλινικών απαιτήσεων : α) την διαχείριση των τοµογραφικών εικόνων και β) την επεξεργασία τους µε στόχο την καλύτερη ανάδειξη της διαγνωστικής πληροφορίας. Οι πρώτες προσπάθειες επεξεργασίας τοµογραφικών εικόνων έγιναν µε χρήση τομογραφικών μονάδων που διέθεταν Η/Υ. Ο σχεδιασμός αυτών των πακέτων αποσκοπούσε κατά κύριο λόγο στην απόκτηση και ανασύσταση των τοµογραφικών εικόνων, µε αποτέλεσµα οι δυνατότητες τους για περαιτέρω επεξεργασία των εικόνων ήταν περιορισµένες. Στα τέλη της προηγούµενης δεκαετίας εµφανίσθηκαν τα πρώτα ανεξάρτητα υπολογιστικά συστήματα, τα οποία είναι μόνιμα συνδεδεμένα µέσω δικτύων Η/Υ µε τις τοµογραφικές μονάδες προκειµένου να τροφοδοτούνται µε δεδοµένα τοµογραφικών εικόνων [4]. H ψηφιακή επεξεργασία ιατρικής εικόνας 11

13 ξεκίνησε παράλληλα με την ανάπτυξη ενός προτύπου για τη μεταφορά ψηφιακών εικόνων, ώστε να επιτρέπει στους χρήστες την ανάκτηση εικόνων και σχετιζομένων πληροφοριών από απεικονιστικά μηχανήματα με πρωτυποποιημένο τρόπο που θα είναι ο ίδιος για όλα τα μηχανήματα, ανεξαρτήτως κατασκευαστή. Το αποτέλεσμα ήταν το πρότυπο DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine) [54, 55]. Αρχικά το πρότυπο αναφερόταν σε ακτινολογικές εικόνες, λόγω όμως του γεγονότος ότι είναι εύκολα προσαρμόσιμο, γρήγορα άρχισε να χρησιμοποιείται και για εικόνες από άλλες απεικονιστικές συσκευές. Σήμερα, το DICOM είναι εξαιρετικά διαδεδομένο και οι περισσότεροι κατασκευαστές ιατρικών συσκευών το υποστηρίζουν. Στην Εικόνα 2.3 φαίνεται ένας Αξονικός Τομογράφος με υποστήριξη DICOM που συλλέγει τομές από ασθενή και μεταφέρονται σε αρχεία μορφής DICOM σε λογισμικό ηλεκτρονικού Υπολογιστή σε πραγματικό χρόνο. Εικόνα 2.3: Απόκτηση εικονικών δεδομένων από Αξονικό Τομογράφο Η τεχνολογία ΥΤ δίνει τη δυνατότητα της απεικόνισης εγκάρσιων τομών της ανατομίας του ανθρώπινου σώματος. Οι τομές αυτές όταν ενωθούν με τον κατάλληλο τρόπο μπορούν να περιγράψουν ένα τμήμα όγκου από έναν ιστό. Στην απεικόνιση ΥΤ, κατασκευάζεται μία 3D εικόνα από μία σειρά δισδιάστατων διατομών ενός αντικειμένου που έχει υποβληθεί σε ακτινοβολία X. Μία δέσμη ακτινών X διαπερνά το αντικείμενο και η ένταση της ακτίνας μεταβιβάζεται και μετριέται από έναν πίνακα ανιχνευτών. Η κάθε μία «προβολή» αποκομίζεται κάθε φορά από μία ελαφρώς διαφορετική γωνία καθώς ο σαρωτής περιστρέφεται γύρω από το αντικείμενο. Όλες οι παραπάνω μετρήσεις διαβιβάζονται σε έναν Η/Υ προκειµένου να σχηματισθεί η εικόνα ΥΤ. Η εικόνα στην οθόνη παρατήρησης αποτελείται από µία σειρά τετραγώνων ή ορθογωνίων, τα οποία ονοµάζονται εικονοστοιχεία (picture elements : pixels). Σε κάθε εικονοστοιχείο αποδίδεται µία απόχρωση του γκρίζου ανάλογα με 12

14 την πυκνότητα του ιστού [4]. Στην Εικόνα 2.4 δίνεται ένα παράδειγμα διαχωρισμού των εικοστοιχείων ανάλογα με την ένταση της απόχρωσης του γκρίζου. Εικόνα 2.4: Σχηματική παράσταση κατονομασίας εικονοστοιχείων σύμφωνα με την ένταση της απόχρωσης. Η τελική εικόνα ΥΤ που μελετά ο παρατηρητής είναι δύο διαστάσεων, αφού το πάχος της τομής δεν εμφανίζεται. Το γινόμενο της επιφάνειας ενός εικονοστοιχείου επί το πάχος τομής αντιστοιχεί σε ένα στοιχείο όγκου (volume element:voxel). Στην Εικόνα 2.5 δίνεται ένα παράδειγμα μίας δυσδιάστατης εικόνας αποτελούμενης από εικονοστοιχεία και μίας τρισδιάστατης εικόνας αποτελούμενη από στοιχεία όγκου. Εικόνα 2.5: (α) Παράδειγμα μορφής στοιχείων όγκου (voxels), (β) παράδειγμα μορφής εικονοστοιχείων (pixels). Από τις υπάρχουσες μεθόδους δημιουργίας φυσικού μοντέλου τμήματος ανθρώπινης ανατομίας, μόνο η ΥΤ μπορεί να εκτιμήσει τις πραγματικές διαστάσεις τόσο σε εσωτερικές όσο και εξωτερικές επιφάνειες. Παρ όλ αυτά, η σάρωση ΥΤ, η οποία έχει το πλεονέκτημα της δημιουργίας απεικονίσεων οποιουδήποτε ιστού, μπορεί να μη δικαιολογείται δεοντολογικά εξ αιτίας της ποσότητας της ακτινοβολίας (περίπου mgy) που διοχετεύεται στο ανθρώπινο σώμα. Η μέθοδος της απεικόνισης ΜΤ γίνεται όλο και περισσότερο δημοφιλής εξ αιτίας της ικανότητας να παρουσιάζει λεπτές διαφορές στην ανατομία μαλακών ιστών χωρίς τις επιζήμιες επιδράσεις που προκαλεί η ιονισμένη ακτινοβολία στην απεικόνιση ΥΤ. Η σάρωση ΜΤ είναι μία εναλλακτική μέθοδος που προβάλλει 3D εικόνα μαλακών ιστών 13

15 μαζί με οστά. Η αξία της ΜΤ έχει αποδειχτεί ότι είναι ανεκτίμητη στην οπτικοποιημένη παθολογία μαλακών ιστών και πιο συγκεκριμένα στη νευρολογία, στη μυοσκελετική και στις αγγειακές παθήσεις. Τα μειονεκτήματα της ΜΤ είναι το μεγάλο χρονικό διάστημα που ο ασθενής πρέπει να είναι εκτεθειμένος και η πλήρης ακινητοποίησή του κατά τη διάρκεια της σάρωσης [11]. Στην Εικόνα 2.6 παρουσιάζονται δισδιάστατες εικόνες τομών ανθρώπινης ανατομίας. Εικόνα 2.6: Παραδείγματα εικόνων X-Ray, MRI και CT Η απώλεια της τρίτης διάστασης είναι ένα πραγματικό πρόβλημα στην εξέταση ενός ιστού ιδιαίτερα όταν αυτός έχει περίπλοκη μορφολογία. Οι τεχνικές της τρισδιάστατης ανασύνθεσης επιτρέπουν τη μελέτη της τρίτης διάστασης άμεσα από την απεικόνιση των 3D εικόνων ή μοντέλων. Οι αναδομημένες εικόνες ή μοντέλα μπορούν να θεαθούν από οποιαδήποτε κατεύθυνση ως σχηματοποιημένα πλήθη σημείων με κρυφές τις μη θεατές όψεις με μεταβλητό φωτισμό, διαφάνεια και αντανακλαστικότητα. Επίσης οι όγκοι και τα εμβαδά των επιφανειών των αναδομημένων αντικειμένων μπορούν να προσδιοριστούν Μοντέλα CAD ανθρώπινης ανατομίας Αν και τα διαγνωστικά τεχνάσματα όπως η Υπολογιστική Τομογραφία/Μαγνητική Τομογραφία είναι ικανά να παράγουν ακριβείς 3D απεικονίσεις ιστών, παρ όλ αυτά, η αναπαράσταση ανατομίας βασισμένη σε voxels δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί αποτελεσματικά σε πολλές δραστηριότητες της βιολογικής μηχανικής. Για παράδειγμα, η απεικόνιση 3D επιφανειών απαιτεί είτε έναν μεγάλο αριθμό υπολογιστικής ισχύος είτε ιδιαίτερη τεχνογνωσία. Επίσης τα 3D ογκομετρικά μοντέλα, ενώ παρουσιάζουν μία ρεαλιστική 3D εικόνα της ανατομίας, δεν περιλαμβάνουν γεωμετρικές και τοπολογικές αναφορές. Παρ όλ αυτά είναι ικανά στο να περιγράφουν τη μορφολογία της ανατομίας και κατάλληλα για εφαρμογές ταχείας πρωτοτυποποίησης μέσω της μετατροπής τους σε STL (stereolithography) αρχεία. Κανένα όμως, από αυτά τα μοντέλα δεν παρέχουν δυνατότητα 14

16 επεξεργασίας όπως σχεδιαστική παρέμβαση στην ανατομία, ανάλυση και προσομοίωση. Δραστηριότητες όπως η σχεδιαστική επεξεργασία ανατομικών μοντέλων, η ανάλυση και η προσομοίωση εκτελούνται σε διανυσματικό χώρο, τέτοιο χώρο χρησιμοποιούν τα συστήματα CAD. Τα νέα CAD συστήματα χρησιμοποιούν «οριακή αναπαράσταση» (boundary representation (B-REP)), σύμφωνα με την οποία ένα μοντέλο όγκου ορίζεται από τις επιφάνειες που το περικλείουν. Αυτές οι επιφάνειες περιγράφονται μαθηματικώς με πολυωνυμικές συναρτήσεις όπως είναι οι συναρτήσεις Non-Uniform Rational B-Splines (NURBS). Η χρήση των NURBS για τη δημιουργία υπολογιστικών μοντέλων μπορεί να εφαρμοστεί και να προταθεί για την κατασκευή εμφυτευμάτων. Οι NURBS θέτουν δυνατή την κατασκευή υπολογιστικού μοντέλου χρησιμοποιώντας πολύ μικρό αριθμό ψηφιακών στοιχείων, πράγμα το οποίο μειώνει σημαντικά το μέγεθος των αρχείων. Επίσης διευκολύνει λειτουργίες όπως είναι η τομή και το κλείσιμο των οριακών επιφανειών. Δυστυχώς, η ακριβής μετατροπή των δεδομένων ΥΤ ενός ανθρώπινου οστού σε στερεό NURBS δεν είναι απλή. Τα τελευταία χρόνια ορισμένα εμπορικά λογισμικά, για παράδειγμα, το SurgiCAD της Integraph ISS, USA, το Med-Link της Dynamic Computer Resources, USA και το Mimic και MedCAD της Materialise, Belgium, παρουσιάζονται ως λύσεις σε αυτό το πρόβλημα της μετατροπής. Παρ όλ αυτά κανένα από αυτά τα προγράμματα δεν εφαρμόζονται ευρέως στο πεδίο της βιολογικής μηχανικής εξ αιτίας του κόστους τους ή της μη ικανότητάς τους να δημιουργήσουν ένα ιδιαίτερα σύνθετο μοντέλο. Είναι χρήσιμο να δημιουργηθούν ακόμα πιο αποτελεσματικές μέθοδοι για τη μετατροπή δεδομένων ΥΤ σε μοντέλα όγκου και σε επεξεργάσιμα μοντέλα CAD [3,11, 30]. Υπάρχουν τρεις βασικές μέθοδοι για τη δημιουργία CAD μοντέλων από δεδομένα ιατρικών απεικονίσεων: 1) η MedCAD, 2) η αντίστροφη μηχανική (reverse engineering) και 3) η μετατροπή σε μοντέλο επιφάνειας τριγώνωn. Το σχεδιάγραμμα των διαδικασιών παρουσιάζεται στην Εικόνα

17 Εικόνα 2. 7: Διαδικασία δημιουργίας CAD μοντέλου από δεδομένα ΥΤ/ΜΤ Μέθοδος MedCAD Η MedCAD μέθοδος σκοπεύει στη γεφύρωση της ιατρικής απεικόνισης και του λογισμικού σχεδίασης CAD. Η MedCAD μετατρέπει δεδομένα από το σύστημα απεικόνισης στην CAD πλατφόρμα ως μοντέλα μορφής IGES (International Graphics Exchange Standard), STEP (Standard for Exchange of Product) ή STL. Αυτές οι μορφές είναι διεθνή πρότυπα υποστήριξης ανταλλαγής δεδομένων μεταξύ συστημάτων CAD/CAM. Η μέθοδος εξασφαλίζει μοντέλα στερεών με τη μέθοδο της οριακής αναπαράστασης, όπως επίσης και μοντέλα ακμών και επιφανειών ελεύθερης μορφής (επιφάνειες B-spline). Ο περιορισμός της χρήσης της MedCAD μεθόδου είναι η αδυναμία της να συλλαμβάνει χαρακτηριστικά από την ανατομία των ιστών που 16

18 έχουν σύνθετη γεωμετρία [3, 29, 30]. Στην Εικόνα 2. 8 απεικονίζεται μία εφαρμογή της μεθόδου σε τμήμα του ισχίου. Εικόνα 2.8: Δημιουργία CAD μοντέλου χρησιμοποιώντας τη μέθοδο MedCAD. α) Χρήση πολυγραμμών για την οριοθέτηση των διακρινόμενων περιοχών. β) Ανάπτυξη πολυγραμμών στο χώρο σύμφωνα με τα οριοθετημένα αντικείμενα. γ) Επιφάνειες B-spline και στοιχειώδη γεωμετρικά σχήματα (σφαίρα) Μέθοδος αντίστροφης μηχανικής Σε αυτή τη μέθοδο χρησιμοποιείται ένα υπάρχων ψηφιακό 3D ογκομετρικό μοντέλο. Το μοντέλο αυτό μετατρέπεται σε δεδομένα σημείων (point data) και τα σημεία φορτώνονται σε κάποιο λογισμικό αντίστροφης μηχανικής (για παράδειγμα, Geomagic Studios by Raindrop Inc). Έπειτα τα σημεία τριγωνοποιούνται για να δημιουργήσουν ένα μοντέλο επιφανειών. Γίνεται επεξεργασία στο μοντέλο επιφανειών για να μειωθούν το μέγεθος του αρχείου και να αχρείαστα χαρακτηριστικά του. Χρησιμοποιούνται επιφάνειες ελεύθερης μορφής NURBS για να περιβάλουν τις εξωτερικές επιφάνειες του μοντέλου. Παρ όλο που αυτή η διαδικασία έχει μεγάλη διάρκεια, τα αποτελέσματα είναι σημαντικά καλύτερα σε σχέση με τις άλλες δύο μεθόδους. Το μοντέλο CAD είναι αισθητικά καλύτερο, χωρίς διαφοροποιήσεις από το πρωτότυπο και χωρίς σφάλματα από τη μεταφορά των δεδομένων κατά την αλλαγή των μορφών. Επίσης είναι κατάλληλο για εφαρμογές CAD και Finite Element Analysis [3, 29, 30]. Στην Εικόνα 2.9 απεικονίζεται μία εφαρμογή της μεθόδου της αντίστροφης μηχανικής για τη δημιουργία CAD μοντέλου ενός τμήματος ισχίου. 17

19 Εικόνα 2. 9: Δημιουργία CAD μοντέλου χρησιμοποιώντας τη μέθοδο αντίστροφης μηχανικής. α) Επεξεργασία νέφους σημείων β) Τριγωνοποίηση γ) Μοντέλο επιφανειών δ) Ραφινάρισμα επιφάνειας ε) Ανάπτυξη πλέγματος στ) Προσαρμογή επιφανειών NURBS, μοντέλο CAD Μέθοδος μετατροπής σε μοντέλο επιφάνειας τριγώνων Το 3D ογκομετρικό μοντέλο μετατρέπεται σε μοντέλο επιφανειών τριγώνων χρησιμοποιώντας λογισμικό αντίστροφης μηχανικής. Το μοντέλο επιφανειών αποτελείται από επιφάνειες NURBS. Η διαφορά μεταξύ αυτής της μεθόδου με τη διαδικασία της αντίστροφης μηχανικής είναι ότι εξ αρχής χρησιμοποιείται επιφάνεια τριγώνων και όχι νέφος σημείων. Παρ όλο που ο χρόνος της εφαρμογής της μεθόδου είναι σημαντικά μικρότερος, αυτή η μέθοδος κληρονομεί όλους τους περιορισμούς της απ ευθείας μορφοποίησης σε μοντέλο επιφανειών που είναι η ανικανότητα της λεπτομερούς αντιγραφής τμημάτων ιστών με σύνθετη και λεπτομερή γεωμετρία [1, 3, 29, 30, 38]. Το μοντέλο είναι διαθέσιμο για τη μετατροπή του σε αρχείο STL. Στην Εικόνα 2.10 απεικονίζεται μία εφαρμογή της μεθόδου της τριγωνοποίησης για τη δημιουργία CAD μοντέλου ενός τμήματος ισχίου [42]. 18

20 Εικόνα 2.10: Δημιουργία μοντέλου CAD χρησιμοποιώντας τη μέθοδο τριγωνοποίησης α) Μετατροπή μοντέλου voxel σε μοντέλο επιφάνειας τριγώνων αρχείο STL. β) Εσφαλμένη ανακατασκευή μοντέλου επιφάνειας τριγώνων - αρχείο STL Σχηματισμός 3D επιφάνειας Τα εικονικά δεδομένα ΥΤ ή ΜΤ έχουν τη δυνατότητα να δίνουν μία σειρά από περιγραφές των περιοχών ενδιαφέροντος των ιστών (Regions Of Interest ROI). Η κάθε δισδιάστατη τομή επεξεργάζεται ανεξάρτητα και διαχωρίζονται τα εσωτερικά και εξωτερικά όρια των ιστών. Στην Εικόνα 2.11 φαίνεται η απομόνωση ενός τμήματος του ανθρώπινου σκελετού και η επιλογή του για επεξεργασία. Η απομόνωση έχει γίνει από εμπορικό λογισμικό και το τμήμα του ανθρώπινου σκελετού είναι ένα τμήμα του μηριαίου οστού. α) β) γ) Εικόνα 2.11: α) Απόκτηση και καταχώρηση εικόνων ΥΤ, β) προσδιορίζεται η περιοχή ενδιαφέροντος και διαφοροποιείται χρησιμοποιώντας ιδιαίτερο χρωματισμό, γ) 3D voxel μοντέλο μηριαίου οστού Ο καθορισμός των ορίων της περιοχής ενδιαφέροντος πραγματοποιείται συνήθως µε την εφαρµογή της μεθόδου κατωφλίου (thresholding) [56]. Η μέθοδος κατωφλίου είναι μία μέθοδος κατάτμησης δισδιάστατων εικόνων η οποία βασίζεται στη δυαδική (binary) ταξινόµηση όλων των στοιχείων όγκου (voxels) [4]. Η δυαδική ταξινόμηση των στοιχείων γίνεται ακολουθώντας την ένταση της φωτεινότητάς τους. Τα στοιχεία όγκου μπορούν να λάβουν τιµές 0 ή 1. Για παράδειγμα τα στοιχεία όγκου µε τιµή 1 αναπαριστούν τµήµατα της υπό απεικόνισης περιοχής (Εικόνα 2.12). Η παραπάνω 19

21 διαδικασία οδηγεί στη δηµιουργία ενός περιγράµµατος που διαχωρίζει τα στοιχεία όγκου µε τιµή 1 από αυτά µε τιµή 0 και κατά συνέπεια περιγράφει τα όρια της επιφάνειας εντός της εικόνας όγκου. Εικόνα 2.12: Διαχωρισμός στοιχείων 2Δ σε δύο ομάδες. Οι τιµές μέσα στα κελιά αντιστοιχούν στις τιµές των εικονοστοιχείων και αντιστοιχούν στην απόχρωσή τους στην κλίµακα του γκρίζου. (α) Στην εικόνα εφαρµόζεται ένα κατώφλι από την τιµή 45 έως την τιµή 70. (β) Όσα εικονοστοιχεία έχουν τιµή μεταξύ 45 και 70 θα λάβουν τιµή 1, ενώ όλα τα υπόλοιπα θα έχουν τιµή 0. Η έντονη μαύρη γραµµή περιβάλλει όλα τα εικονοστοιχεία µε τιµή 1 και συνεπώς ορίζει το περίγραµµα της επιφάνειας στη συγκεκριµένη εικόνα. Ο πιο δημοφιλής αλγόριθμος για την εξαγωγή της επιφάνειας επίστρωσης τριγώνων, είναι ο Standard Marching Cube (SMC) [5, 50]. Αυτή η μέθοδος διακριτοποιεί τη σύνθετη γεωμετρία της ανθρώπινης ανατομίας σε «πεπερασμένα στοιχεία». Στη διαδικασία της οπτικοποίησης, κάθε τριγωνική επιφάνεια επεξεργάζεται ως ξεχωριστή πολυγωνική επιφάνεια. Στην αρχέτυπη μορφή της, η μέθοδος Standard Marching Cube παράγει επιφάνειες επίστρωσης με τοπολογικές ασυνάφειες (όπως η έλλειψη τριγώνων) και συνήθως παράγει πολύ μεγάλο αριθμό τριγωνικών στοιχείων. Για την υπέρβαση αυτών των δυσκολιών, δημιουργήθηκε ένας νέος αλγόριθμος, ο Discretized Marching Cube (DMC). Αυτός ο αλγόριθμος παρέχει διάφορες αποσαφηνιστικές μεθόδους οι οποίες είναι ικανές να ξεκαθαρίσουν τις περισσότερες τοπολογικές ασάφειες και παράλληλα μειώνει τον αριθμό των τριγωνικών στοιχείων κατά 70% διατηρώντας ένα υψηλό επίπεδο γεωμετρικής ακρίβειας [5]. Στην Εικόνα 2.13 παρουσιάζεται η γεωμετρική απλοποίηση ενός τμήματος μηριαίου οστού χρησιμοποιώντας τους αλγορίθμους SMC και DMC. 20

22 Εικόνα 2.13: 3D επιφάνειες αποτελούμενες από τριγωνικά στοιχεία δημιουργημένες από μέθοδο SMC (αριστερά) και μέθοδο DMC (δεξιά) [5]. Γενικώς, η μοντελοποίηση βασισμένη στην οριακή αναπαράσταση είναι υπολογιστικά απλή και μπορεί να δώσει ακριβείς 3D απεικονίσεις. Παρ όλ αυτά, η ανάπτυξη επιφανειών συνήθως απαιτεί ανθρώπινη επέμβαση για την καθοδήγηση κατά τη συνένωση των περιγραμμάτων των συνορευόντων τομών Χρησιμότητα μοντέλων ανατομίας ιστών Εδώ παρουσιάζεται η χρησιμότητα των υπολογιστικών ιατρικών μοντέλων στην κρανιογναθοπροσωπική χειρουργική: Τα μοντέλα περιγράφουν την ανατομία με αποτέλεσμα να μην υπάρξουν «εκπλήξεις» για το γιατρό κατά τη διάρκεια της επέμβασης, ιδίως επάνω σε ασθενείς που έχουν υποβληθεί ήδη σε προηγούμενες επεμβάσεις. Η χρήση ενός μοντέλου μειώνει σημαντικά τη χρονική διάρκεια της επέμβασης επιτρέποντας στον χειρούργο να εξασκηθεί επάνω σε αυτό και να αποκλείσει πολλές από τις τεχνικές ατέλειες και δυσκολίες οι οποίες συνήθως αντιμετωπίζονται κατά τη διάρκεια της εγχείρισης. Η χρήση μοντέλων αυξάνει τη εμπειρία των κρανιογναθοπροσωπικών χειρούργων. Τα μοντέλα είναι ιδανικά για την εκπαίδευση ειδικευόμενων γιατρών και άλλων συναδέλφων, ακόμα και για την ενημέρωση των ίδιων ασθενών σε ιδιαίτερες περιστάσεις. 21

23 Τα μετεγχειρητικά μοντέλα που μπορούν να δημιουργηθούν ανά χρονικές περιόδους βοηθούν στην αποτίμηση των αποτελεσμάτων των επεμβάσεων και των αλλαγών. Σε περιπτώσεις εκτεταμένων καρκινικών όγκων σε οστά, ένα μοντέλο προσδιορίζει με ακρίβεια το μέγεθος του όγκου και καθιστά ικανό το χειρούργο να προγραμματίσει την επέμβαση αποκατάστασης προεγχειρηντικά. Σε γενικές γραμμές, τα ιατρικά υπολογιστικά μοντέλα χρησιμοποιούνται για την υποστήριξη των παρακάτω χειρουργικών εφαρμογών [11, 8, 31] Προγραμματισμός χειρουργικών επεμβάσεων Τα υπολογιστικά μοντέλα μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως εργαλεία επικοινωνίας μεταξύ του ιατρικού προσωπικού, του ασθενούς και του σχεδιαστή εξατομικευμένων εμφυτευμάτων. Ο χειρουργικός προγραμματισμός αποσκοπεί στη μείωση της χρονικής διάρκειας της επέμβασης και της πιθανότητας για επιπλοκές. Κανονικά, οι χειρούργοι χρησιμοποιούν μορφές απεικόνισης όπως είναι οι ακτινογραφίες, οι και εικόνες ΥΤ και ΜΤ για την υποστήριξή τους στην οργανωτική διαδικασία. Η τεχνολογία της ταχείας πρωτοτυποποίησης παίζει ένα σημαντικό ρόλο στο χειρουργικό προγραμματισμό. Είναι ιδιαιτέρως πολύτιμη όταν η ανατομία είναι διεστραμμένη. Ένα ακριβές πρωτότυπο φυσικό μοντέλο διευκολύνει τον προεγχειρητικό προγραμματισμό για το καλύτερο δυνατό αποτέλεσμα επιτρέποντας την οπτικοποίηση περίπλοκης ανατομικής αρχιτεκτονικής και επιλέγοντας τα ιδανικότερα εμφυτεύματα. Οι χειρούργοι μπορούν να κάνουν επαναληπτικές δοκιμές των εμφυτευμάτων επάνω σε αυτά τα μοντέλα πριν τα εφαρμόσουν απ ευθείας στους ασθενείς, ώστε να αποτιμήσουν τα αποτελέσματα και με μεγαλύτερη σιγουριά, σχετικά με τη μείωση του χρόνου και των εξόδων, να προχωρήσουν στην πραγματική εφαρμογή [11, 31] Προσομοίωση μοντέλων Η προσομοίωση μοντέλων χρησιμοποιείται για τη διαχείριση, 1) των εικόνων από σαρώσεις ΥΤ και 2) των ιατρικών μοντέλων CAD. Υπάρχουν τρεις τύποι λειτουργιών που πρέπει να συμπεριλαμβάνονται στους αλγόριθμους προσομοίωσης μοντέλων, αυτοί είναι η ακριβής αναπαράσταση των βιολογικών δομών, η δυνατότητα προσομοίωσης όλων των χειρουργικών πράξεων και 22

24 η ικανότητα εξασφάλισης προκαθορισμένων παραμετρικών πληροφοριών όπως ο όγκος των ιστών και οι ανατομικές αποστάσεις Ενδοεγχειρητική υποστήριξη Κατά τη διάρκεια της χειρουργικής επέμβασης, η μοντελοποίηση με ηλεκτρονικό υπολογιστή βοηθάει στην πλοήγηση των χειρουργικών οργάνων εξασφαλίζοντας μία ευρεία άποψη της περιοχής της επέμβασης. Σε συνεργασία με τη ρομποτική, μπορεί να προσφέρει καθοδήγηση προγραμματίζοντας την πορεία μίας χειρουργικής βελόνας ή προλαμβάνοντας κινήσεις χειρουργικών οργάνων σε επικίνδυνες περιοχές [11, 8, 31]. 3. ΙΑΤΡΙΚΑ ΜΟΝΤΕΛΑ ΒΑΣΙΣΜΕΝΑ ΣΤΗΝ ΤΑΧΕΙΑ ΠΡΩΤΟΤΥΠΟΠΟΙΗΣΗ RAPID PROTOTYPING (RP) Η χειρουργική βοηθούμενη από ηλεκτρονικό υπολογιστή (Computer Assisted Surgery (CAS)) είναι ένα σχετικά νέο πεδίο το οποίο έχει μεγάλη επιρροή στην ιατρική τα τελευταία χρόνια. Τα πλεονεκτήματα της χρήσης τρισδιάστατου μοντέλου της εσωτερικής ανατομίας του ασθενούς πριν τη χειρουργική επέμβαση είναι προφανή. Μεγάλο μέρος της επιτυχίας μιας επέμβασης αποδίδεται στην ξεκάθαρη κατανόηση των σχετικών περιοχών και της εντόπισης αγγειακών, νευρικών και άλλων δομών που περιβάλλουν ή περιβάλλονται από σκληρούς ή μαλακούς ιστούς. Μιας και το μεγάλο μέγεθος της πληροφορίας είναι δύσκολο να αποκομιστεί από τη βασική μελέτη της ανατομίας, ο χειρούργος βασίζεται πλέον στη ραδιολογική απεικόνιση για να αποκτήσει ατομικές ενδεικτικές 3D δομές της ανατομίας του ασθενούς, στα υπολογιστικά μοντέλα και στα πρωτότυπα μοντέλα [57] Προγραμματισμός χειρουργικών επεμβάσεων με τη βοήθεια πρωτότυπων μοντέλων Παρ όλο που η τεχνολογία της ταχείας πρωτοτυποποίησης είναι εκμεταλλεύσιμη από τον προγραμματισμό των χειρουργικών επεμβάσεων και των 3D 23

25 ανασυνθέσεων, βρίσκεται ακόμα στα πρώτα στάδια όσον αφορά τις βιοϊατρικές εφαρμογές της. Τα ιατρικά μοντέλα που παράγονται από διάφορες RP διαδικασίες για ποικίλες χειρουργικές εφαρμογές είναι απαραίτητο να είναι όσο το δυνατόν πιο ακριβή. Ακόμα μεγαλύτερη απαίτηση για ακρίβεια υπάρχει στην αποκαταστατική χειρουργική των οστών. Η RP τεχνολογία παράγει ιδιαιτέρως λεπτομερή μοντέλα και δίνει εξαιρετικές φόρμες για την κατασκευή εξατομικευμένων εμφυτευμάτων. Για την παραγωγή πολλών αντιγράφων ή την παραγωγή μοντέλων με ειδικά υλικά, οι συμβατικές κοπτικές μηχανές είτε δημιουργούν απ ευθείας μεταλλικά καλούπια κατάλληλα για χύτευση είτε παράγουν μοντέλα απ ευθείας από το επιθυμούμενο υλικό. Η RP τεχνολογία, επίσης, αντιμετωπίζει την πρόκληση δημιουργίας εμφυτευμάτων από βιοσυμβατά υλικά. Τα συμβατικά μηχανήματα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή εμφυτευμάτων από υλικά βασισμένα σε υδροξυαπατίτη τα οποία συμβάλλουν, σε in vivo συνθήκες, στην άμεση οστεοποίηση των εμφυτευμάτων. Ορισμένες RP διαδικασίες, όπως η laser sintering είναι κατάλληλη στα βιοαποικοδομήσιμα υλικά. Το κύριο όφελος της RP τεχνολογίας είναι η οπτική εκτίμηση της ανατομίας των οστών που έως τώρα δεν ήταν διαθέσιμη. Η διαδικασία της μοντελοποίησης είναι ιδιαίτερα ακριβής, αναπαράγοντας δεδομένα ΥΤ με μέγιστη απόκλιση 0.1 mm. Η σημαντικότερη πηγή λάθους είναι η ίδια η σάρωση ΥΤ, όπου μπορούν να συμβούν αποκλίσεις άνω του 1 mm. Γι αυτό, η ιατρική απεικόνιση είναι ο περιοριστικός παράγοντας στη παραγωγή RP οστικών μοντέλων. Η προφανέστερη εφαρμογή αυτής της τεχνολογίας είναι στις επεμβάσεις οστών, για παράδειγμα, όπου ο ορθοπεδικός χειρούργος προκαλείται να αντιμετωπίσει σύνθετες σύμφυτες παραμορφώσεις, αποκαταστάσεις τραυμάτων στα οστά και κλειδώσεων. Τα μοντέλα της RP τεχνολογίας επιτρέπουν στο χειρούργο να οργανώσει ένα ακριβές πλάνο, να εξασκηθεί με τις οστεοτομές επάνω στο μοντέλο, να διαμορφώσει πλάκες και άλλα εξατομικευμένα εμφυτεύματα σύμφωνα με αυτό. Τα πλεονεκτήματα του προ εγχειρητικού προγραμματισμού και της πρακτικής εξάσκησης σε in vitro συνθήκες είναι η μείωση του χρόνου και η επιτυχία της επέμβασης. Διάφορα θέματα οπτικοποίησης τα οποία έχουν τεθεί αλλά δεν έχουν λυθεί με τα εικονικά υπολογιστικά ανατομικά μοντέλα επιβάλλουν την παραγωγή φυσικών μοντέλων ανατομικών πρωτότυπων. Τέτοια ζητήματα μπορεί να είναι τα παρακάτω: Η 2D απεικόνιση δεν εξασφαλίζει μία διαισθητική αναπαράσταση της 3D γεωμετρίας. Η ασυνήθιστη ή παραμορφωμένη γεωμετρία οστού μπορεί να είναι δύσκολο να γίνει αντιληπτή μέσω της οθόνης. 24

26 Η συνένωση πολλαπλών τεμαχίων οστών είναι δύσκολο να γίνει αντιληπτή μέσω της οθόνης. Ο προγραμματισμός πολύπλοκων 3D χειρισμών βασισμένων σε 2D εικόνες είναι δύσκολος. Στα τέλη τις δεκαετίας του 80, οι συστάσεις των RP τεχνολογιών προσέφεραν νέες δυνατότητες στην ιατρική μοντελοποίηση. Η RP προσέγγιση χρησιμοποιεί την αρχή της κατασκευής με διαδοχικά επίπεδα (layered manufacturing) για τη δημιουργία μοντέλου επίπεδο προς επίπεδο (layer by layer). Η τομογραφία δημιουργείται ακολουθώντας τις ελεύθερες δομές της ανθρώπινης ανατομίας. Κατά την RP οι εικόνες ΥΤ αναπαράγονται με ακρίβεια μέσα σε λίγες ώρες ως ένα φυσικό μοντέλο το οποίο μπορεί ο χειρούργος να το διαχειριστεί, επιτρέποντας μία άμεση και διαισθητική κατανόηση των πιο πολύπλοκων 3D γεωμετριών για ακριβή προγραμματισμό και πρακτική μιας χειρουργικής διαδικασίας. Επιπροσθέτως, η RP δημιουργεί εξαιρετικώς λεπτομερή μοντέλα τα οποία χρησιμεύουν ως ιδανικές φόρμες για τη δημιουργία εξατομικευμένων εμφυτευμάτων. Ένα φυσικό μοντέλο που έχει κατασκευαστεί από δεδομένα ΥΤ ή ΜΤ ο χειρουργός έχει το πλεονέκτημα να το αγγίξει και να το ψηλαφίσει ώστε να κατανοήσει πολύπλοκες λεπτομέρειες της ανατομίας, πληροφορίες οι οποίες είναι δύσκολο να δοθούν μέσω της απεικόνισης στην οθόνη. Ένα ακριβές φυσικό μοντέλο μπορεί να προσφέρει μία ακριβή πρόβλεψη για το μέγεθος και τον τύπο ενός εμφυτεύματος και να εξασφαλίσει εύκολο χειρουργικό προγραμματισμό και πρακτική. Η τεχνολογία της ταχείας πρωτοτυποποίησης προσφέρει στο χειρουργό ένα μοναδικό εργαλείο. Αυτή η χειροπιαστή οπτική υπόσταση παρέχει πολύ περισσότερες σημαντικές πληροφορίες από ότι άλλες 2D οντότητες. Επιπροσθέτως, τα ανατομικά μοντέλα ταχείας πρωτοτυποποίησης χρησιμοποιούνται επίσης για τη μοντελοποίηση τοπικών περιοχών ενδιαφέροντος, όπως η απομόνωση ενός καρκινικού όγκου για τη διάγνωση της ασθένειας [6]. Τα πλεονεκτήματα της υιοθεσίας ανατομικών μοντέλων μέσω ταχείας πρωτοτυποποίησης στο χειρουργικό προγραμματισμό μπορούν να συνοψιστούν ως εξής: Η άμεση παραγωγή ανατομικών πρωτότυπων από ΥΤ ή ΜΤ δεδομένα για οπτικοποίηση, διάγνωση και προεγχειρητικό προγραμματισμό. Η άμεση κατασκευή τεχνητών μελών από δεδομένα υπέρηχων ή λέιζερ με εξατομικευμένες υποδοχές για καλύτερη υποστήριξη και διάρκεια ζωής. 25

27 Η απ ευθείας παραγωγή καλουπιών για εξατομικευμένα εμφυτεύματα, σχεδιασμένα με CAD. Η προσομοίωση χειρουργικών διαδικασιών. Η αποτίμηση ταιριάσματος τεχνητού μέλους. Η ενδοεγχειρητική καθοδήγηση. Η δυνατότητα κατασκευής προπλάσματος για μελέτη περίπτωσης. Τα βήματα εν συντομία, της κατασκευής ενός μοντέλου ασθενούς με τη διαδικασία της RP είναι: Η καταγραφή τομών του ασθενούς από ΥΤ/ΜΤ Η κατάτμηση για την σκιαγράφηση και εξαγωγή της επιφάνειας τριγώνων ή πολυγώνων. Η προ-επεξεργασία μοντέλου για την παραγωγή STL τύπου αρχείο στερεού μοντέλου. Ο τεμαχισμός του μοντέλου σε στρώσεις σύμφωνα με επιλεγμένη RP διαδικασία, Η κατασκευή μοντέλου. Στην Εικόνα 3.1 παρουσιάζεται μία περίπτωση αποκατάστασης του σπλαχνικού κρανίου ενός παιδιού με τη βοήθεια πρωτότυπου στερεολιθογραφικού μοντέλου. Το κρανίο είναι υποανάπτυκτο στην αριστερή πλευρά του προσώπου. Το αριστερό ζυγωματικό οστό και η αριστερή κάτω γνάθος είναι ελλιπή. Η πολυσύνθετη αυτή περίπτωση αποκατάστασης απαιτεί προεγχειρητικό προγραμματισμό με τη βοήθεια ενός προπλάσματος του κρανίου. Το ιατρικό στερεολιθογραφικό μοντέλο μελετήθηκε, χρησιμοποιήθηκε σαν καθοδηγητικό αλλά και σαν επικοινωνιακό μέσον για τους συμμετέχοντες σε αυτήν την αποκατάσταση. Επάνω σε αυτό κατασκευάστηκε το εμφύτευμα από τιτάνιο για να έχει την καλύτερη γεωμετρία που να ταιριάζει στο κρανίο του παιδιού. Επίσης, επάνω σε αυτό προσαρμόστηκε το εμφύτευμα προσομοιώνοντας την πραγματική κατάσταση τοποθέτησής του [8, 57]. 26

28 Εικόνα 3.1: Παράδειγμα στερεολιθογραφικού μοντέλου, αντίγραφο από πραγματικό κρανίο Ταξινόμηση των μεθόδων Οι μέθοδοι της RP μπορούν σε γενικές γραμμές να διαιρεθούν σε αυτές που διεξάγονται με την προσθήκη υλικού και σ αυτές που διεξάγονται με την αφαίρεση υλικού. Οι μέθοδοι της προσθήκης υλικού κατηγοριοποιούνται ανάλογα με την κατάσταση του υλικού πριν την κατασκευή των αντικειμένων, δηλαδή, υγρό, υλικό σε σκόνη ή σε λεπτά φύλλα. Στην περίπτωση που χρησιμοποιείται υγρό υλικό, για παράδειγμα έχουμε τη στερεοποίηση μιας ρητίνης χρησιμοποιώντας laser. Η σκόνη «δένεται» με laser ή μέσω ενός άλλου κατάλληλου μέσου. Τα λεπτά φύλλα συγκολλούνται με laser ή κόλλα. 27

29 Μέθοδοι στερεοποίησης υγρού Όλες οι μέθοδοι αυτής της κατηγορίας εμπλέκουν τη στερεοποίηση μιας ρητίνης μέσω ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Η κυριότερη μέθοδος αυτής της κατηγορίας είναι η στερεολιθογραφία (Stereolithography STL). Είναι η πιο διαδεδομένη από τις μεθόδους RP. Βασίζεται σε μία φωτοευαίσθητη υγρή ρητίνη που σχηματίζει ένα στερεό πολυμερές όταν εκτίθεται σε υπεριώδη (UV) ακτινοβολία. H αντίδραση αυτή λαμβάνει χώρα μόνο στην επιφάνεια. Η μέθοδος παράγει αντικείμενα απ ευθείας από το CAD με επιλεκτική σκλήρυνση μιας φωτοευαίσθητης ρητίνης με σχετικά χαμηλής ισχύος laser. Η ακτίνα laser παρέχει την ενέργεια που χρειάζεται για τον φωτοπολυμερισμό της ρητίνης και έτσι η υγρή φάση μετατρέπεται σε στερεά. Το στερεό που παράγεται είναι θερμοσκληρυνόμενο (thermoset) και γι αυτό δεν μπορεί να ξαναχρησιμοποιηθεί. Η χαμηλή ενέργεια σκληραίνει κατά τόπους τη ρητίνη δίνοντας το σχήμα που υπαγορεύεται από το σχέδιο του CAD. Με βάση τη μέθοδο αυτή τα αντικείμενα κατασκευάζονται κατά επίπεδα και η δημιουργία τους στηρίζεται στη στερεοποίηση τρισδιάστατων στοιχειωδών τμημάτων (voxel) που χαρακτηρίζονται από τις διαστάσεις τους, οι οποίες καθορίζουν και τις διαστάσεις δράσης της ακτίνας του laser. Για τη δημιουργία των αντικειμένων απαιτούνται υποστηρικτικές κατασκευές που αφαιρούνται στο τέλος. Ο χρόνος σάρωσης εξαρτάται από την γεωμετρία των περιγραμμάτων και την ταχύτητα του laser. Τα τμήματα που έχουν δημιουργηθεί με τη μέθοδο SL έχουν την καλύτερη επιφάνεια σε σχέση με άλλες μεθόδους και η ακρίβεια των διαστάσεων τους είναι ικανοποιητική. Το κύριο μειονέκτημα της μεθόδου είναι η ατελής στερεοποίηση και η ανάγκη για περαιτέρω επεξεργασία. Τέλος το κόστος του είδους της ρητίνης που χρησιμοποιείται είναι πολύ υψηλό [8, 31, 37]. Στην Εικόνα 3.2 παρουσιάζεται ένα γράφημα της διαδικασία της στερεολιθογραφίας. 28

30 Εικόνα 3.2: Σχηματική αναπαράσταση της μεθόδου της στερεολιθογραφίας Στερεοποίηση τηγμένου υλικού Υπάρχουν πολλές μέθοδοι που εμπλέκουν την τήξη και στη συνέχεια τη στερεοποίηση του υλικού. Απ αυτές οι περισσότερες αποθέτουν το υλικό σε διακριτά τμήματα ενώ οι άλλες δημιουργούν το σύνολο των στρώσεων μονομιάς. Η πιο αντιπροσωπευτική τεχνολογία αυτής της μεθόδου είναι η μοντελοποίηση με εναπόθεση τηγμένου υλικού (Fused Deposition Modeling - FDM). Μία FDM συσκευή αποτελείται από μία κινητή κεφαλή που αποθέτει μία κλωστή από λιωμένο υλικό πάνω σε ένα υπόστρωμα. Το υλικό κατασκευής θερμαίνεται στους 0.5 C πάνω από το σημείο τήξης ώστε να στερεοποιηθεί σε 0,1 δευτερόλεπτα μετά την απόθεση και κρύο πια συγκολλείται στο προηγούμενο στρώμα. Στην περίπτωση αυτή είναι σημαντικό να μένει σταθερή η ταχύτητα του στομίου, η ροή του υλικού, η προσθήκη των υποστηριγμάτων για τα τμήματα που προεξέχουν και η ταχύτητα της κεφαλής που επηρεάζει το πάχος του στρώματος. Τα σύγχρονα συστήματα FDM περιλαμβάνουν δύο στόμια, ένα για το υλικό του αντικειμένου και ένα για το υλικό του υποστηρίγματος. Το δεύτερο είναι φτηνό και απομακρύνεται από το πρωτότυπο χωρίς να καταστρέψει την επιφάνειά του. Είναι επίσης δυνατό να κατασκευασθούν και οριζόντια υποστηρίγματα για να μειώσουν την χρήση υλικού και τον χρόνο 29

31 κατασκευής. Η μέθοδος είναι σχετικά απλή αλλά περιορίζεται από τη χρήση θερμοπλαστικών υλικών Μέθοδοι με υλικό σε μορφή σκόνης Αυτές οι μέθοδοι «χτίζουν» το αντικείμενο ενώνοντας κόκκους σκόνης χρησιμοποιώντας είτε laser είτε ένα άλλο κατάλληλο υλικό δεσίματος. Η αντιπροσωπευτική τεχνολογία αυτής της μεθόδου είναι η επιλεκτική τήξη με λέιζερ (Selective Laser Sintering - SLS). Η τεχνολογία SLS χρησιμοποιεί σκόνη που θερμαίνεται με έναν CO 2 laser ώστε να αυξηθεί η επιφανειακή τάση των κόκκων και να ενωθούν. Πριν λιώσει η σκόνη, ολόκληρο το υπόστρωμα θερμαίνεται ακριβώς πάνω από το σημείο τήξεως του υλικού για να ελαχιστοποιήσει την παραμόρφωση που θα προκληθεί από την θέρμανση και για να διευκολύνει την τήξη του επόμενου στρώματος. Το laser είναι έτσι ρυθμισμένο ώστε να επηρεάζει μόνο εκείνους τους κόκκους που έρχονται σε άμεση επαφή με την ακτίνα. Ένα στρώμα σχεδιάζεται στο υπόστρωμα σκόνης, το υπόστρωμα έπειτα χαμηλώνει και ο χώρος τροφοδότησης της σκόνης υψώνεται τόσο ώστε η περιοχή κατασκευής να καλυφθεί με σκόνη από έναν κύλινδρο με αντίθετη φορά. Το λιωμένο υλικό σχηματίζει το αντικείμενο ενώ η το υπόλοιπο υλικό παραμένει να υποστηρίζει την δομή και στη συνέχεια καθαρίζεται και ανακυκλώνεται [31]. Στην Εικόνα 3.3 παρουσιάζεται ένα γράφημα της διαδικασία της στερεολιθογραφίας. 30

32 Εικόνα 3.3: Selective Laser Sintering Σύνδεση των κόκκων με συγκόλληση Η αντιπροσωπευτική τεχνολογία αυτής της μεθόδου είναι η εκτύπωση στις τρεις διαστάσεις (Three Dimensional printing - 3DP). Σύμφωνα με αυτήν την τεχνολογία τοποθετείται μία πλατφόρμα στο απαραίτητο ύψος για τη στρώση του κεραμικού που θα αποτεθεί, ώστε να έχει το κατάλληλο πάχος. Από ένα μοντέλο σχεδιασμένο σε σύστημα CAD, υπολογίζονται οι απαραίτητες πληροφορίες για τις στρώσεις, μέσω ενός αλγορίθμου. Χρησιμοποιώντας τεχνολογία παρόμοια με αυτή των ink-jet εκτυπωτών, ένα υλικό ενοποιεί τα σωματίδια στα σημεία εκείνα όπου το αντικείμενο πρέπει να είναι ένα σώμα. Το έμβολο τότε, χαμηλώνει τόσο ώστε να απλωθεί η νέα σκόνη και να ενοποιηθεί επιλεκτικά. Η πλατφόρμα κατεβαίνει ώστε να επιτραπεί η απόθεση νέας στρώσης σκόνης. Η νέα στρώση σαρώνεται, σύμφωνα με το σχήμα της νέας διατομής και συγκολλάται στην προηγούμενη στρώση. Μια περαιτέρω θερμική κατεργασία είναι απαραίτητη για την πλήρη στερεοποίηση του υλικού. Η διαδικασία 3D Printing θεωρείται ως η πιο ευέλικτη από όλες τις τεχνολογίες RP. Στην Εικόνα 3.4 φαίνεται η διαδικασία της τρισδιάστατης εκτύπωσης [8]. 31

33 Εικόνα 3.4: Three Dimensional Printing Μέθοδοι στερεών φύλλων Η αντιπροσωπευτική τεχνολογία της μεθόδου είναι η κατασκευή αντικειμένου από συμπιεσμένα στρώματα (Laminated Object manufacturing - LOM). Σε αυτήν την 32

34 τεχνολογία χρησιμοποιείται μία δέσμη laser για την κοπή του περιγράμματος κάθε στρώσης. Το υλικό κατασκευής εισάγεται με έναν θερμό κύλινδρο έτσι ώστε να επιτυγχάνεται η συγκόλληση με μια ειδική κόλλα ευαίσθητη στη θερμοκρασία. Η ισχύς του laser ρυθμίζεται έτσι ώστε να εισχωρεί σε βάθος ίσο με το πάχος της κάθε στρώσης. Το περιττό υλικό κόβεται σε ορθογώνια κομμάτια για να είναι εύκολη η αφαίρεσή του, ωστόσο παραμένει κατά τη διάρκεια της κατασκευής και λειτουργεί σαν υποστήριγμα. Το φύλλο υλικού είναι μεγαλύτερο από την περιοχή κατασκευής για να μένουν οι άκρες του φύλλου ανέπαφες. Αυτό σημαίνει ότι όταν η στρώση ολοκληρωθεί και το υπόστρωμα κατασκευής χαμηλώσει, ο κύλινδρος με το υλικό μπορεί να προχωρήσει τυλίγοντας το περίσσευμα σε ένα δεύτερο κύλινδρο μέχρι το τμήμα να καλυφθεί με το καινούριο φύλλο. Ολόκληρη η διαδικασία μπορεί έπειτα να επαναληφθεί. Στην Εικόνα 3.5 παρουσιάζεται ένα διάγραμμα της μεθόδου της κατασκευής αντικειμένου από συμπιεσμένα στρώματα. Εικόνα 3.5: Laminated Object manufacturing 33

35 4. ΙΚΡΙΩΜΑΤΑ ΣΤΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΙΣΤΩΝ Η Μηχανική Ιστών, συνδυάζει την επιστήμη και τη μηχανική για τη δημιουργία λειτουργικών ιστών και οργάνων και μεταφύτευση που αντικαθιστούν, υποστηρίζουν ή βελτιώνουν τη λειτουργία των ανθρώπινων ιστών. Η Μηχανική Ιστών χρησιμοποιεί στερεά ικριώματα τα οποία παίζουν το ρόλο μήτρας όπου σε αυτά επάνω τα κύτταρα τοποθετούνται, αναπτύσσονται και σχηματίζουν νέους ιστούς. Τα ικριώματα μοντελοποιούνται, σχεδιάζονται και κατασκευάζονται σύμφωνα με κάποιες βιολογικές και βιοφυσικές απαιτήσεις. Για παράδειγμα, τα ικριώματα που σχεδιάζονται για αποκαταστάσεις ιστών οστίτη, πρέπει να έχουν διάταξη, μέγεθος, σχήμα και αλληλοσυνδεσιμότητα πόρων ώστε να εξασφαλίζουν την αναγκαία δομική ακεραιότητα, σταθερότητα, μεταφορικότητα και το ιδανικό μικροπεριβάλλον όπου θα αναπτυχθούν τα νέα κύτταρα και οι ιστοί. Για αυτό το λόγο συχνά τα ικριώματα κατασκευάζονται μέσω προοδευμένων κατασκευαστικών τεχνικών, όπως είναι η solid freeform fabrication (SFF) που χρησιμοποιείται στην κατασκευή σύνθετων δομών. Η μηχανική ιστών βασισμένη σε ηλεκτρονικό υπολογιστή (Computer-aided tissue engineering - CATE) συμβάλει στην πρόοδο της μοντελοποίησης, σχεδίασης και κατασκευής ικριωμάτων. Για παράδειγμα, η CATE μπορεί να εφαρμόσει βιομιμητική σχεδίαση και να εισάγει πολλαπλές βιολογικές και βιοφυσικές ιδιότητες στο ικρίωμα. Η CATE μπορεί επίσης να συνδυάσει βιομιμητικά και μη βιομιμητικά στοιχεία για τη δημιουργία υψηλής πιστότητας και έξυπνα ικριώματα. Τα βιομιμητικά στοιχεία μπορεί να βασίζονται επάνω σε πραγματικά ανατομικά δεδομένα τα οποία αποκτούνται από ΥΤ/ΜΤ εικόνες, όπως επίσης και να δημιουργούνται σε κάποιο περιβάλλον CAD όπως οι δίοδοι και οι πόροι. Τα μη βιομιμητικά στοιχεία μπορεί να είναι θάλαμοι αποθήκευσης φαρμάκων, μηχανικά στοιχεία και επιφάνειες διασύνδεσης με σωλήνες, αισθητήρες, ηλεκτρονικές και άλλες συσκευές. Στην Εικόνα 4.1 παρουσιάζονται παραδείγματα βιομιμητικών στοιχείων που μπορούν να εμφυτευθούν στον ανθρώπινο οργανισμό με τη βοήθεια των ικριωμάτων [3]. 34

36 Εικόνα 4.1: Βιομιμητικά στοιχεία σε κρανιακό ιστό. [9] Απαιτήσεις στη σχεδίαση και την κατασκευή ικριωμάτων. Τα ικριώματα ιστών οστίτη πρέπει να έχουν ιδιαίτερα χαρακτηριστικά ώστε να μπορούν να λειτουργούν ως πραγματικοί αντικαταστάτες οστών. Αυτά τα χαρακτηριστικά προσδιορίζονται σύμφωνα με ορισμένους βιολογικούς, μηχανικούς, γεωμετρικούς και κατασκευαστικούς περιορισμούς. Ο καθένας από αυτούς τους περιορισμούς έχει την αντίστοιχη σχεδιαστική λύση αναλόγως κάθε φορά την εφαρμογή. Μία σύνοψη των προβλημάτων που αντιμετωπίζονται από τον σχεδιαστή ικριωμάτων αντικατάστασης ιστών δίνεται στον Πίνακα