ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ THIẾT KẾ NGƯỢC VÀ CÔNG NGHỆ IN 3D TRONG HỖ TRỢ PHẪU THUẬT SỌ MẶT
Trần Đức Tăng1,*, Lê Chí Hiếu2, Lâm Khánh3, Vũ Ngọc Lâm3, Hoàng Hữu Trung3
1 Học viện Kỹ thuật Quân sự
2 Đại học Greenwich, Vương Quốc Anh
3 Bệnh Viện Trung ương Quân đội 108
* Tác giả liên hệ: tangtd@mta.edu.vn Ngày tòa soạn nhận được bài báo: 15/01/2021
Ngày phản biện đánh giá và sửa chữa: 11/02/2021 Ngày bài báo được duyệt đăng: 05/03/2021 Tóm tắt:
Theo thống kê của Bộ Y tế mỗi năm Việt Nam có trên 5.000 trẻ em sinh ra mắc dị tật vùng sọ mặt.
Ngoài ra, do các nguyên nhân như tai nạn giao thông, tai nạn lao động, chấn thương sọ mặt, bệnh lý về ung thư sọ mặt, bệnh lý về răng hàm mặt, chỉnh hình hàm mặt, phẫu thuật thẩm mỹ theo nhu cầu. Vì vậy, nhu cầu về phẫu thuật sọ mặt rất cao, số ca phẫu thuật mỗi năm hiện nay đạt khoảng 1.000 đến 1.200 ca, chỉ đạt được 10-15% so với nhu cầu thực tế của bệnh nhân. Bài báo trình bày giải pháp ứng dụng công nghệ xử lý ảnh y học, công nghệ thiết kế ngược và công nghệ in 3D để mô hình hoá, thiết kế, chế tạo các mô hình 3D y sinh học ứng dụng cho phẫu thuật sọ mặt, nhằm tăng độ chính xác trong thiết kế và chế tạo các mảnh ghép trong phẫu thuật, giảm thiểu các sai sót có thể xảy ra trong quá trình phẫu thuật, giảm thời gian gây mê, phẫu thuật và điều trị cho bệnh nhân. Các mô hình 3D có thể trợ giúp trong quá trình lập kế hoạch tiền phẫu thuật; ứng dụng để diễn tập, thử nghiệm phương pháp và công nghệ y tế mới, tăng cường nghiên cứu y khoa, giảng dạy và đào tạo đội ngũ y bác sỹ, đào tạo thực hành phẫu thuật. Kết quả đã được ứng dụng thử nghiệm trong phẫu thuật cho bệnh nhân bị khuyết xương dưới lông mày trái tại Bệnh viện Trung ương Quân đội 108.
Từ khóa: Công nghệ Y sinh học, Công nghệ thiết kế ngược (Reverse Engineering), Công nghệ tạo mẫu nhanh (Rapid Prototyping)/in 3D, Mô hình hóa, Xử lý ảnh y học, Phẫu thuật sọ-mặt.
1. Giới thiệu
Trong ngành y tế, ứng dụng của công nghệ thiết kế ngược và công nghệ tạo mẫu nhanh trong y học đã thu hút sự quan tâm của các nhà nghiên cứu.
Công nghệ thiết kế ngược (Reverse Engineering- RE) và các công nghệ mô hình hóa dựa trên ảnh y học cho phép xây dựng các mô hình 3D của các cấu trúc giải phẫu của cơ thể con người trên cơ sở dữ liệu chụp cắt lớp (CT) hoặc cộng hưởng từ (MRI).
RE và các thiết bị CT/MRI được sử dụng cho việc quét và thu thập dữ liệu bên trong và bên ngoài của các cấu trúc giải phẫu. Các mô hình 3D của các cấu trúc giải phẫu có rất nhiều ứng dụng trong y học như đào tạo phẫu thuật, lập kế hoạch tiền phẫu thuật, mô phỏng phẫu thuật, chẩn đoán và điều trị [1 - 6]. Các mô hình vật lý của các cấu trúc giải phẫu có thể được tạo từ dữ liệu số 3D bằng công nghệ tạo
mẫu nhanh (Rapid Prototyping-RP) hay in 3D [4, 6]. Công nghệ tạo mẫu nhanh cho y học là một lĩnh vực đa ngành, ứng dụng mô hình hóa các mô hình y sinh và công nghệ tạo mẫu nhanh để phát triển các ứng dụng y học. Công nghệ tạo mẫu nhanh cho y học đóng vai trò quan trọng trong chẩn đoán và điều trị, đặc biệt trong lập kế hoạch tiền phẫu thuật, thiết kế và chế tạo các mảnh ghép và các công cụ trợ giúp phẫu thuật [1].
Bài báo trình bày về ứng dụng của công nghệ tạo mẫu nhanh trong y học, đặc biệt trong phẫu thuật sọ mặt. Kết quả đã được ứng dụng thử nghiệm và đạt kết quả tốt trong phẫu thuật cho bệnh nhân có chỉ định phẫu thuật ghép xương mặt (bị khuyết xương dưới lông mày trái), do ban đầu phần sọ mặt của bệnh nhân bị vỡ (mặc dù đã được phẫu thuật trước đó nhưng do tính chất phẫu thuật cấp cứu,
Sử dụng sản phẩm tạo mẫu nhanh, hỗ
trợ phẫu thuật Xử lý dữ liệu trên phần mềm
Magics
Tạo mẫu chi tiết cấy ghép trên máy tạo mẫu nhanh
Thiết kế mảnh cấy ghép Xử lý dữ liệu trên phần mềm Mimics, chuyển đổi dữ liệu 3D
sang định dạng STL
Hình 1. Sơ đồ quá trình ứng dụng công nghệ tạo mẫu nhanh (In 3D) trong hỗ trợ phẫu thuật
Từ dữ liệu ảnh y học (CT/MRI), mô hình hình học 3D của các cấu trúc giải phẫu được xây dựng, dữ liệu số của các mô hình này được sử dựng làm dữ liệu đầu vào cho quá trình tạo mẫu nhanh (in 3D). Quy trình ứng dụng công nghệ thiết kế ngược và in 3D trong y học đươc thể hiện trên Hình 1. Có năm bước cơ bản sau [1, 4-6]:
1. Thu thập dữ liệu ảnh y học;
2. Xử lý dữ liệu ảnh y học;
3. Mô hình hóa hình học, thiết kế mô hình 3D của các cấu trúc giải phẫu;
4. Tạo (in) mẫu 3D;
5. Ứng dụng trong y học.
and Communications in Medicine). Để xây dựng các cấu trúc giải phẫu 3D chính xác cho các ứng dụng y học, yêu cầu chiều dày lớp cắt trong khoảng từ 1 - 2 mm.
2.2. Xử lý dữ liệu ảnh y học
Xử lý dữ liệu là công đoạn quan trọng để đảm bảo độ chính xác cho bước mô hình hoá và in 3D tiếp theo. Dữ liệu thu thập qua các thiết bị quét thường bao gồm tạp nhiễu, dữ liệu thừa không cần thiết, các dữ liệu này cần phải loại bỏ, xử lý để thu được dữ liệu tối ưu để xây dựng mô hình 3D của đối tượng.
Đối với dữ liệu ảnh y học (DICOM) thu thập qua chụp CT/MRI được nhập vào phần mềm xử lý ảnh y học (Medical Imaging Processing) MIMICS và Magics RP (Materialise NV). Dựa trên giá trị thang đo (Grayscale) của các điểm ảnh (pixel), sử dụng kỹ thuật lấy ngưỡng và phân vùng dữ liệu trên cơ sở mật độ mô, chỉ có các điểm ảnh có giá trị bằng hoặc cao hơn giá trị ngưỡng được hiển thị để phân chia cấu trúc xương và mô mềm trong dữ liệu hình ảnh CT. Sau đó mô hình 3D dạng lưới tam giác của các cấu trúc giải phẫu được xây dựng trên dữ liệu này. Hình 2 là hình ảnh cấu trúc xương và mô mềm (dựa trên ngưỡng) của hộp sọ từ dữ liệu chụp CT trên phần mềm xử lý dữ liệu ảnh y tế MIMICS. Dữ liệu 2D này sau đó được chuyển sang dữ liệu 3D (Hình 3). Với hình ảnh 3D này, trong phần mềm có thể thực hiện di chuyển, xoay, phóng to giúp bác sỹ phẫu thuật có được cái nhìn trực quan hơn so với hình ảnh 2D (ảnh chụp CT).
Hình 2. Xử lý dữ liệu ảnh y tế (DICOM) trên phần mềm MIMICS
Hình 3. Dữ liệu được hiển thị dạng 3D trên phần mềm MIMICS
2.3. Mô hình hóa hình học, thiết kế mô hình 3D của các cấu trúc giải phẫu
Kết quả (đầu ra) của quá trình xử lý dữ liệu là mô hình 3D dạng lưới tam giác, thường được định dạng dưới dạng IGES và STL. Dữ liệu này là đầu vào cho quá trình mô hình hóa hình học và thiết kế các mô hình 3D y sinh học.
Quá trình thiết kế mảnh ghép (implant) được thực hiện trên phần mềm Magics RP. Bác sỹ phẫu thuật, kỹ thuật viên chụp CT/MRI, kỹ sư kỹ thuật y sinh học và kỹ sư RE/RP/CAD/CAM là những người thực hiện chính trong quá trình thiết kế. Bác sỹ phẫu thuật là người xác định các bước phẫu thuật và các yêu cầu về lâm sàng. Sự tham gia và tư vấn của bác sỹ phẫu thuật rất quan trọng cho quá trình thiết kế các mô hình, mảnh ghép đảm bảo mục đích,
Hình 4. Dữ liệu định dạng STL được nhập vào phần mềm Magics RP
Hình 5. Xác định vùng tổn khuyết
Hình 6. Thiết kế miếng ghép xương bên dưới lông mày
Hình 7. Mảnh ghép (màu xanh) dự kiến sẽ được cấy ghép trên bệnh nhân
2.4. Tạo (in) mẫu 3D và ứng dụng trong phẫu thuật Các mô hình 3D, các mảnh ghép sau đó được chuyển sang máy tạo mẫu nhanh (In 3D) phục vụ cho việc lập kế hoạch tiền phẫu thuật, hội chẩn, thử nghiệm hoặc thực hành trước phẫu thuật (Hình 8, 9).
Hình 9. Mô hình cấy ghép cho bệnh nhân Trên cơ sở mảnh ghép đã thiết kế và in 3D, mảnh ghép thật trên bệnh nhân được lấy từ mảnh xương tự thân (một phần xương sườn sụn), mảnh
xương được cắt theo kích thước, hình dạng đã thiết kế và lắp ghép giống như hình dạng mảnh ghép in 3D được tạo ra, sau đó tiến hành phẫu thuật cấy ghép trên bệnh nhân (Hình 10).
3. Kết quả và thảo luận
Sản phẩm tạo ra là sự kết hợp giữa kỹ sư thiết kế, kỹ sư y sinh học với bác sỹ phẫu thuật trên cơ sở ứng dụng các công nghệ tiên tiến (công nghệ thiết kế ngược và công nghệ tạo mẫu nhanh). Từ dữ liệu hình ảnh 2D (hình ảnh chụp CT/MRI) được xử lý trên phần mềm chuyên dụng để chuyển đổi thành dữ liệu hình ảnh 3D. Sau đó các mô hình, mảnh ghép 3D được thiết kế, chế tạo. Các mẫu in 3D được sử dụng cho bác sỹ hội chẩn, lập kế hoạch tiền phẫu thuật. Mảnh ghép thật trên bệnh nhân được lấy trên mảnh xương tự thân (một phần xương sườn sụn), mảnh xương được mài và lắp ghép giống như hình dạng mảnh ghép in 3D được tạo ra, sau đó tiến hành phẫu thuật cấy ghép trên bệnh nhân. Kết quả việc ứng dụng trên bệnh nhân cho thấy:
Hình 8. Mô hình phần tổn khuyết và mảnh ghép
Hình 10. Miếng ghép xương và phẫu thuật trên bệnh nhân
ghép cần phải chuẩn bị để lắp ghép trong quá trình phẫu thuật. Về mặt tiền phẫu thuật, các bác sỹ có mô hình trực quan để hội chẩn, đưa ra các chiến lược để phẫu thuật tối ưu. Giảm thiểu các rủi ro. Miếng ghép thật được tạo ra (dựa trên mô hình miếng ghép in 3D) vừa vặn với sọ não của bệnh nhân. Sau khi lắp ghép, vỏ não của bệnh nhân có sự chắc chắn và cân đối, thẩm mỹ cho bệnh nhân.
- Thứ ba: Do việc ghép xương tự thân, sử dụng phần xương phụ trên bộ phận khác của cơ thể bệnh nhân làm vật liệu ghép xương. Do có sự chuẩn bị về mẫu ghép (chuẩn bị về kích thước) do đó bác sỹ hình dung được kích thước mảnh cắt xương phụ.
lòng cho bệnh nhân cũng như người nhà bệnh nhân.
4. Kết luận
Bài báo đã trình bày về ứng dụng của công nghệ thiết kế ngược và công nghệ tạo mẫu nhanh trong phẫu thuật sọ mặt. Đã ứng dụng cụ thể cho cho bệnh nhân có chỉ định phẫu thuật ghép xương mặt (bị khuyết xương dưới lông mày trái) tại Bệnh viện Trung ương Quân đội 108. Các mẫu in 3D đã trợ giúp cho bác sỹ trong hội chẩn, lập kế hoạch tiền phẫu thuật, lựa chọn phương án phẫu thuật tối ưu, lường trước các rủi ro có thể xảy ra, giảm thời gian ca phẫu thuật, gây mê và điều trị. Tăng tính chính xác, thẩm mỹ và sự hài lòng cho bệnh nhân.
Tài liệu tham khảo
[1]. L.C. Hieu, N. Zlatov, J. Vander Sloten, E. Bohez, L. Khanh, P.H.Binh, P. Oris, Y. Toshev. Medical rapid prototyping applications and methods. Assembly Automation 25/4, pp. 284-292, 2005.
[2]. L.C. Hieu, E. Bohez, J. Vander Sloten, H.N. Phien, E. Vatcharaporn, P.H. Binh, P.V. An and P.
Oris. Design for medical rapid prototyping of cranioplasty implants. Rapid Prototyping Journal, Vol.
9, No. 3, pp. 175-186, 2003.
[3]. C.H. Le, B.M. Pham, D.T. Tran, K. Lam, T.H. Le, D.L. Vo, S. Mengistu, M.S. Packianather.
An integrated system and framework for development of medical applications and product based on medical imaging data. IFMBE Proceedings, Springer, Vol. XX, pp. 260-263, 2016.
[4]. Rahul M. Sherekar, Anand N. Pawar. Application of biomodels for surgical planning by using rapid prototyping: A review & case studies. International Journal of Innovative Research in Advanced Engineering. Vol. 1, Issue 6, pp. 263-271, 2014.
[5]. L.C. Hieu, J.V. Sloten, L.T. Hung, L. Khanh, S.Soe, N. Zlatov, L.T.Phuoc and P.D. Trung, Medical Reverse Engineering Application and Methods. The Romanian Review Precision Mechanics, Optics
& Mechatronics. CEFIN Publishing House, Issue 37/2010, pp. 19-29, ISSN: 1584-5982, 2010.
[6]. Jelena Milovanovic, Miroslav Trajanovic. Medical applications of rapid prototyping. Mechanical Engineering, Vol. 5, No.1, pp. 79-85, 2007.
APPLICATION OF REVERSE ENGINEERING AND 3D PRINTING IN CRANIOFACIAL SURGERY
Abstract:
According to statistics of the Ministry of Health every year, Vietnam has more than 5,000 children born with cranial deformities. In addition, due to causes such as traffic accident, labor accident, trauma to the face, cancer of the face, jaw, facial, orthodontic, aesthetic surgery on demand... Therefore, the demand for cranial surgery is very high, the number of surgeries per year is now about 1,000 to 1,200 cases, only 10-15% of the actual needs of patients. This paper presents solutions to apply medical image processing technology, reverse engineering and 3D printing technology to model, design and manufacture 3D biomedical models for cranial surgery, in order to increase accuracy in the design and fabrication of surgical pieces, minimize possible errors during surgery, and reduce the time of anesthesia, surgery and treatment for the patient. 3D models can aid in the pre-operative planning; application to practice, test new medical methods and technologies, strengthen medical research, teach and train a team of medical doctors, training in surgical practice. The results have been applied experimentally in surgery for patients with bone defect under the left eyebrow at the 108 Military Central Hospital.
Keywords: Biomedical Engingeering, Cranial Surgury, Medical Image Processing, Modeling, Rapid Prototyping, Reverse Engineering.
