PL242932B1

PL242932B1 - Model for medical applications and method of producing a model for medical applications

Info

Publication number: PL242932B1
Application number: PL434490A
Authority: PL
Inventors: Paweł Turek; Tomasz Dziubek; Łukasz Przeszłowski; Grzegorz BUDZIK; Grzegorz Budzik; Anna Bazan; Dawid Wydrzyński; Paweł Jaźwa
Original assignee: Podkarpackie Centrum Innowacji Spolka Z Ograniczona Odpowiedzialnoscia; Politechnika Rzeszowska Im Ignacego Lukasiewicza
Priority date: 2020-06-29
Filing date: 2020-06-29
Publication date: 2023-05-22
Also published as: PL434490A1

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest model do zastosowań medycznych ma budowę modułową, przy czym poszczególne jego moduły (1) połączone są ze sobą rozłącznie, zaś co najmniej część tych modułów (1) odpowiada tkankom twardym odwzorowanego obiektu. Model charakteryzuje się tym, że na co najmniej jednym swoim boku, posiada co najmniej jedną wypustkę (2) lub co najmniej jedno gniazdo na wypustkę (2). Zgłoszenie obejmuje też sposób wytwarzania modelu do zastosowań medycznych, który prowadzi się tak, że w pierwszym etapie geometrie modułów (1) modelu projektuje się tak, że przeprowadza się tomografię komputerową obiektu, którego model jest wykonywany, a następnie prowadzi się rekonstrukcję pierwotną i sporządza się jego obraz 2D, po czym prowadzi się obróbkę cyfrową tego obrazu 2D i dalej prowadzi się segmentację struktury modelu, po czym prowadzi się rendering powierzchniowy i uzyskuje się obraz trójwymiarowy modelu. W drugim etapie, za pomocą druku 3D lub metodami ubytkowymi wykonuje się moduły (1) modelu odpowiadające tkankom twardym, nowotworowym lub implantom. W trzecim etapie moduły (1) modelu łączy się ze sobą.The subject of the application is a model for medical applications, it has a modular structure, with its individual modules (1) being separably connected to each other, and at least some of these modules (1) corresponding to the hard tissues of the reproduced object. The model is characterized in that on at least one of its sides it has at least one protrusion (2) or at least one socket for a protrusion (2). The application also includes a method for producing a model for medical use, which is carried out in a first step by designing the geometries of the model modules (1) by performing a CT scan of the object whose model is being made, and then by primary reconstruction and making its 2D image, after which digital processing of this 2D image is carried out and further segmentation of the model structure is carried out, followed by surface rendering and a three-dimensional image of the model is obtained. In the second stage, modules (1) of the model corresponding to hard, cancerous tissues or implants are made using 3D printing or removal methods. In the third stage, the modules (1) of the model are connected together.

Description

Przedmiotem wynalazku jest model do zastosowań medycznych, pozwalający na dokładne odwzorowanie wybranego elementu ciała ludzkiego, służący do testowania systemów tomograficznych, lepszego planowania operacji, zabiegów chirurgicznych oraz leczenia urazów ortopedycznych, oraz sposób wytwarzania tego modelu do zastosowań medycznych.The subject of the invention is a model for medical applications, allowing for accurate mapping of a selected element of the human body, used for testing tomographic systems, better planning of operations, surgical procedures and treatment of orthopedic injuries, and a method for producing this model for medical applications.

Powszechnie stosowanym sposobem przedstawiania struktur anatomicznych człowieka są obrazy rentgenowskie, które uzyskuje się z urządzeń bazujących na pomiarze, przy użyciu najczęśc iej tomograficznych systemów diagnostycznych. Zapisywane są one w formacie DICOM - Digital Imaging and Communications in Medicine, który zawiera informacje o wielkości pikseli, wymiarach obrazu oraz grubości przekroju znajdującego się na pojedynczym obrazie. Każdy element utworzonego obrazu jest reprezentowany przez średni współczynnik osłabienia promieniowania w elemencie objętości tkanki obrazowanej warstwy. Taką wartość liczbową w powszechnie używanej tomografii komputerowej definiuje się w skali Hounsfielda - HU. Na jakość uzyskanych danych DICOM wpływ ma, w dużej mierze, rozdzielczość przestrzenna i kontrastowa, które sprawdzane są podczas kontroli systemów diagnostycznych. W przypadku danych DICOM, o niskim poziomie rozdzielczości przestrzennej, występuje błąd częściowej objętości, który wywołuje rozmycie granic obiektu na obrazie 2D oraz jego elementów o wymiarach zbliżonych do wymiarów pojedynczego detektora. Błąd ten jest źródłem nieciągłości konturu obiektu wydobywanego w procesie segmentacji. Jest on wszechobecny w obrazowaniu danych medycznych i musi być brany pod uwagę w procesie segmentacji, klasyfikacji i ilościowej analizy obrazu. Ten artefakt może bezpośrednio wpływać na objętość oraz dokładność wymiarową i geometryczną rekonstruowanych, trójwymiarowych modeli cyfrowych. Dodatkowo, jeśli tomograficzny system diagnostyczny charakteryzuje się niskim poziomem rozdzielczości kontrastowej, nie jest możliwe rozróżnienie w obrazie struktur słabo skontrastowanych. Kontrola widoczności struktur słabo sk ontrastowanych z otaczającym je tłem, jest, ze względu na swoje podobieństwo do sytuacji klinicznej, jednym z najważniejszych testów. Wystąpienie niskiego poziomu rozdzielczości przestrzennej i kontrastowej może wpłynąć na utrudnienie przeprowadzenia wielu skomplikowanych zabiegów chirurgicznych związanych zwłaszcza z niewłaściwym oszacowaniem miejsca oraz objętości wystąpienia nowotworu lub implantu w ciele pacjenta, przez co niezbędne jest ciągłe udoskonalanie protokołów pomiarowych w oparciu o fantomy, które pozwolą na uzyskanie lepszych jakościowo do analizy danych DICOM. Kontrolę diagnostycznych systemów medycznych przeprowadza się za pomocą specjalnych fantomów. Materiał do konstrukcji tych fantomów jest dobrany tak, aby obejmował cały zakres wartości rejestrowanych przez tomografy medyczne. Fantomy znane są z opisów patentowych US3310885A, US4167070A oraz US4894013A. Najbardziej znany obecnie i stosowany fantom, który służy do testowania systemów tomograficznych, złożony jest z sekcji głowy, w skład której wchodzą elementy takie jak: warstwa fizyczna, warstwa wody, warstwa wieloigłowa, przewód miedziany oraz klin 45°. Ta część wzorca wykonana jest z PVC i wypełniona jest wodą. Warstwa fizyczna przeznaczona jest do przeprowadzania testu rozdzielczości i grubości warstwy tomograficznej, warstwa wody natomiast służy do pomiaru szumu i jednorodności, zaś do kontroli skali kontrastu wykorzystywana jest warstwa wieloigłowa. Wszystkie warstwy tworzą walec o średnicy 200 mm. Drugą część fantomu, stanowiącą sekcję ciała, tworzy dwuelementowy nylonowy cylinder o średnicy 300 mm. W skład fantomu wchodzi również igła teflonowa oraz igła wodna.A commonly used method of presenting human anatomical structures are X-ray images, which are obtained with measurement-based devices, most often with the use of tomographic diagnostic systems. They are saved in the DICOM format - Digital Imaging and Communications in Medicine, which contains information about the size of pixels, image dimensions and the thickness of the section in a single image. Each element of the created image is represented by the average radiation attenuation coefficient in the tissue volume element of the imaged layer. Such a numerical value in commonly used computed tomography is defined in the Hounsfield scale - HU. The quality of the obtained DICOM data is influenced, to a large extent, by the spatial and contrast resolution, which are checked during the control of diagnostic systems. In the case of DICOM data with a low level of spatial resolution, there is a partial volume error, which blurs the boundaries of the object in the 2D image and its elements with dimensions similar to the dimensions of a single detector. This error is the source of discontinuity in the contour of the object extracted in the segmentation process. It is ubiquitous in medical data imaging and must be taken into account in image segmentation, classification and quantitative analysis. This artifact can directly affect the volume and dimensional and geometric accuracy of reconstructed 3D digital models. In addition, if the tomographic diagnostic system is characterized by a low level of contrast resolution, it is not possible to distinguish poorly contrasted structures in the image. The control of the visibility of structures poorly contrasted with the surrounding background is, due to its similarity to the clinical situation, one of the most important tests. The occurrence of a low level of spatial and contrast resolution may make it difficult to perform many complex surgical procedures, especially related to incorrect estimation of the location and volume of the tumor or implant in the patient's body, which makes it necessary to constantly improve measurement protocols based on phantoms that will allow for better qualitatively for DICOM data analysis. The control of diagnostic medical systems is carried out using special phantoms. The material for the construction of these phantoms is selected so as to cover the entire range of values recorded by medical tomographs. Phantoms are known from patent descriptions US3310885A, US4167070A and US4894013A. The currently best known and used phantom, which is used to test tomographic systems, consists of a head section, which includes elements such as: physical layer, water layer, multi-needle layer, copper wire and a 45° wedge. This part of the pattern is made of PVC and is filled with water. The physical layer is designed to test the resolution and thickness of the tomographic layer, the water layer is used to measure noise and uniformity, and the multi-needle layer is used to control the contrast scale. All layers form a cylinder with a diameter of 200 mm. The second part of the phantom, which is the body section, is made of a two-piece nylon cylinder with a diameter of 300 mm. The phantom also includes a Teflon needle and a water needle.

Z opisu zgłoszeniowego wynalazku US20050077459A1 znany jest natomiast sposób testowania systemu tomograficznego pod kątem fantomów przypominających struktury anatomiczne człowieka. Te znane modele nie są jednak wykonane z materiałów odzwierciedlających gęstości radiologiczne rzeczywistych tkanek ludzkich, co jednoznacznie utrudnia odniesienie uzyskanych wyników pomiarów do rzeczywistych przypadków klinicznych.From the description of the application of the invention US20050077459A1, a method of testing the tomographic system for phantoms resembling human anatomical structures is known. However, these known models are not made of materials reflecting the radiological densities of real human tissues, which clearly makes it difficult to relate the obtained measurement results to real clinical cases.

Znana jest również procedura projektowania i wytwarzania modeli reprezentujących struktury anatomiczne człowieka w oparciu o tomografię komputerową oraz przyrostowe techniki wytwarzania, co zostało ujawnione w opisie patentowym FR2779853B1 oraz opisach zgłoszeniowych wynalazków BE1008372A3 oraz JP2006119435A. Znane są również, z opisów zgłoszeniowych WO2016058898A1, WO2016137425A1, sposoby wykonywania fantomów służących do testowania medycznych systemów diagnostycznych, reprezentujących struktury anatomiczne. Rozwój tych metod możliwy jest dzięki rozwojowi techniki przyrostowego kształtowania modelu, jak również szerszej dostępności nowych materiałów. Z opisu zgłoszeniowego WO201414848794A1, znany jest natomiast sposób wytwarzania fantomu przy zastosowaniu drukarki pozwalającej jednocześnie na wydruk modelu z dwóch albo trzech materiałów.The procedure for designing and manufacturing models representing human anatomical structures based on computed tomography and incremental manufacturing techniques is also known, as disclosed in the patent description FR2779853B1 and the application descriptions of inventions BE1008372A3 and JP2006119435A. Also known from the application descriptions WO2016058898A1, WO2016137425A1 are methods of making phantoms for testing medical diagnostic systems, representing anatomical structures. The development of these methods is possible due to the development of the incremental model shaping technique, as well as the wider availability of new materials. From the application description WO201414848794A1, there is known a method of manufacturing a phantom using a printer that allows the model to be printed simultaneously from two or three materials.

Z chińskiego opisu zgłoszeniowego CN111063245A znany jest model do zastosowań medycznych zawierający model tkanki płucnej, model kości oraz model skóry. Model tkanki płucnej jest opasany modelem kości, zaś model kości jest pokryty od zewnątrz modelem skóry. Ponadto wewnątrz modelu tkanki płucnej rozmieszczone są modele patologiczne, które mają różny kolor od modelu tkanki płucnej oraz są z nim ściśle połączone.From the Chinese application description CN111063245A, a model for medical applications is known, comprising a lung tissue model, a bone model and a skin model. The lung tissue model is girdled with the bone model and the bone model is covered on the outside with the skin model. In addition, pathological models are placed inside the lung tissue model, which have a different color from the lung tissue model and are closely connected to it.

Z amerykańskiego opisu zgłoszeniowego US2016260358A1 znany jest model miednicy obejmujący wymienną ramę szkieletową miednicy oraz moduły normalne, patologiczne lub inne zapewniające anatomiczne reprezentacje 3D różnych elementów ciała takich jak skóra, narządy, mięśnie, naczynia, tkanka łączna, więzadła, ścięgna lub nerwy. Model miednicy może zawierać części, które mogą zatrzymywać płyn pod ciśnieniem, na przykład naśladować narząd ciała, jamę lub naczynie, które zatrzymuje płyn, tak że może wystąpić wyciek, na przykład podczas niezamierzonego przecięcia lub nakłucia. Model ma konstrukcję nośną, z którą jest połączony rozłącznie obrotowo. Model miednicy składa się z co najmniej trzech wymiennych modułów połączonych ze sobą rozłącznie. Ponadto pozostałe moduły odpowiadające m.in. narządom również są połączone rozłącznie z co najmniej jednym modułem modelu miednicy.US2016260358A1 discloses a pelvic model comprising a replaceable pelvic skeletal frame and normal, pathological or other modules providing 3D anatomical representations of various body elements such as skin, organs, muscles, vessels, connective tissue, ligaments, tendons or nerves. The pelvic model may include parts that can retain pressurized fluid, such as mimicking a body organ, cavity, or vessel that retains fluid such that leakage may occur, such as during an unintentional cut or puncture. The model has a load-bearing structure with which it is separably connected by rotation. The pelvic model consists of at least three interchangeable modules that are detachably connected to each other. In addition, other modules corresponding to e.g. organs are also detachably connected to at least one pelvic model module.

Obecnie, szeroko stosowane, w celu zapewnienia jakości medycznych urządzeń do obrazowania medycznego - kalibracji systemów tomograficznych oraz planowania zabiegów chirurgicznych, fantomy charakteryzują się jednolitą budową. Nie jest znany sposób, który umożliwiałby wytwarzanie takich modeli o budowie modułowej, a jednocześnie byłby łatwy i tani w zastosowaniu. W znanych obecnie modelach nie jest możliwa wymiana wybranej części modelu na inną, lecz konieczne jest zastosowanie nowego fantomu, co związane jest z dodatkowymi kosztami.Currently, widely used, in order to ensure the quality of medical imaging devices - calibration of tomographic systems and planning surgical procedures, phantoms are characterized by a uniform structure. There is no known method that would enable the production of such models with a modular structure, and at the same time would be easy and cheap to use. In the currently known models, it is not possible to replace a selected part of the model with another, but it is necessary to use a new phantom, which is associated with additional costs.

Celem wynalazku jest opracowanie sposobu wytwarzania modelu do zastosowań medycznych, który umożliwi uzyskiwanie modelu, w którym możliwa będzie wymiana jednego modułu, przez co wykorzystując jeden model możliwe będzie zdefiniowanie różnych przypadków chorobotwórczych, co jest istotne przy testowaniu systemów tomograficznych. Stosowanie nowego sposobu wytwarzania modelu do zastosowań medycznych umożliwi, w sposób ekonomicznie opłacalny, uzyskiwanie nowych modeli dokładnie odzwierciedlających budowę anatomiczną odwzorowywanej części ciała człowieka z uwzględnieniem posiadanych przez niego implantów lub występowania w jego obrębie zmian nowotworowych.The aim of the invention is to develop a method of producing a model for medical applications, which will enable obtaining a model in which it is possible to replace one module, thus using one model it will be possible to define various pathogenic cases, which is important when testing tomographic systems. The use of a new method of producing a model for medical applications will enable, in an economically viable way, to obtain new models that accurately reflect the anatomical structure of the part of the human body being reproduced, taking into account the implants it has or the presence of neoplastic changes within it.

Model do zastosowań medycznych, w testowaniu systemów tomograficznych, odwzorowujący budowę elementu szczęki, o budowie modułowej, którego moduły są ze sobą połączone rozłącznie, według wynalazku charakteryzuje się tym, że obejmuje moduł główny odwzorowujący szczękę dolną i posiadający na swojej powierzchni co najmniej dwa gniazda oraz moduły składowe, odwzorowujące tkankę twardą w postaci zębów, a każdy z modułów składowych ma co najmniej jedną wypustkę, i jest połączony z modułem głównym pasowaniem ciasnym za pomocą gniazd i wypustek, przy czym część powierzchni modułu bazowego jest pokryta powłoką odpowiadającą tkankom miękkim.A model for medical applications, in testing tomographic systems, mapping the structure of the jaw element, with a modular structure, the modules of which are detachably connected to each other, according to the invention, characterized in that it includes a main module mapping the lower jaw and having at least two sockets on its surface and component modules imitating hard tissue in the form of teeth, and each of the component modules has at least one protrusion and is connected to the main module with an interference fit by means of sockets and protrusions, while part of the surface of the base module is covered with a coating corresponding to soft tissues.

Korzystnie każdy moduł składowy, na co najmniej jednym swoim boku, posiada dwie wypustki.Preferably, each component module has two protrusions on at least one of its sides.

Dalsze korzyści uzyskiwane są, jeśli powłoka odpowiadająca tkankom miękkim jest wykonana z silikonu, zaś pozostałe części modułów są z żywicy chemoutwardzalnej.Further advantages are obtained if the soft tissue coating is made of silicone, while the other parts of the modules are made of self-curing resin.

Sposób wytwarzania modelu do zastosowań medycznych, w którym w pierwszym etapie proj ektowana jest geometria modułów, według wynalazku charakteryzuje się tym, że w pierwszym etapie geometrie modułów modelu projektuje się tak, że przeprowadza się tomografię komputerową obiektu, którego model jest wykonywany, a następnie prowadzi się rekonstrukcję pierwotną i sporządza się jego obraz 2D, po czym prowadzi się obróbkę cyfrową tego obrazu 2D i dalej prowadzi się segmentację struktury modelu, po czym prowadzi się rendering powierzchniowy i uzyskuje się obraz trójwymiarowy modelu, zaś w drugim etapie, za pomocą druku 3D lub metodami ubytkowymi wykonuje się moduły modelu odpowiadające tkankom twardym, nowotworowym lub implantom, przy czym na co najmniej jednym boku modułu modelu wykonuje się co najmniej jedną wypustkę lub co najmniej jedno gniazdo na wypustkę, zaś w trzecim etapie moduły modelu łączy się ze sobą pasowaniem ciasnym oraz na co najmniej jednym module modelu wykonuje się powłokę odpowiadającą tkankom miękkim, zaś celem odtworzenia tkanek miękkich modelowanego modelu, co najmniej jeden moduł zalewa się silikonem i pozostawia się go do zakończenia sieciowania silikonu.The method of producing a model for medical applications, in which the geometry of the modules is designed in the first stage, according to the invention, is characterized in that in the first stage the geometries of the model modules are designed in such a way that a computed tomography of the object whose model is made is carried out, and then primary reconstruction is performed and its 2D image is prepared, then digital processing of this 2D image is carried out and then segmentation of the model structure is carried out, followed by surface rendering and a three-dimensional image of the model is obtained, and in the second stage, by means of 3D printing or model modules corresponding to hard tissues, cancerous tissues or implants are made using the removal methods, with at least one tab or at least one slot for a tab on at least one side of the model module, and in the third stage the model modules are connected with each other with an interference fit, and on at least one module of the model, a coating corresponding to the soft tissues is made, and in order to reconstruct the soft tissues of the modeled model, at least one module is poured with silicone and left until the cross-linking of the silicone is completed.

Korzystnie moduły, powłoką odpowiadającą tkankom miękkim, pokrywa się po ich wzajemnym połączeniu.Preferably, the modules are covered with a coating corresponding to soft tissues after they are connected to each other.

Dalsze korzyści uzyskiwane są, jeżeli powłokę silikonową utworzoną na module modelu rozcina się na co najmniej dwie części i wyjmuje się z niego ten moduł modelu, a następnie uzyskaną formę silikonową umieszcza się w komorze próżniowej i napełnia się ją materiałem tworzącym i dalej prowadzi się jego utwardzanie, a następnie formę silikonową otwiera się i wyciąga się z niej moduł modelu.Further advantages are obtained if the silicone coating formed on the model module is cut into at least two parts and the model module is removed therefrom, and then the resulting silicone mold is placed in a vacuum chamber and filled with the forming material and further cured then the silicone mold is opened and the model module is pulled out of it.

Kolejne korzyści uzyskiwane są, jeśli jako materiał tworzący stosuje się żywicę chemoutwardzalną.Further advantages are obtained if a self-curing resin is used as the forming material.

Sposób wytwarzania modeli do zastosowań medycznych, umożliwia uzyskanie modelu stanowiącego hybrydę kilku modułów wykonanych z różnych materiałów o geometrii i gęstości radiologicznej zbliżonej do struktur anatomicznych człowieka. Dzięki zastosowaniu modelu o strukturze hybrydowe j możliwe jest lepsze odzwierciedlenie na nim, przed wykonaniem właściwego zabiegu, procesów pomiarowych, przeprowadzanych na diagnostycznym systemie medycznym oraz chirurgicznym, zwłaszcza wiercenia lub przecinania kości. W wyniku zastosowania, do produkcji modeli anatomicznych, nowego sposobu według wynalazku, możliwe jest odzwierciedlenie nie tylko wewnętrznych, ale także zewnętrznych struktur anatomicznych odwzorowywanego obiektu. Zastosowanie modeli hybrydowych pozwala na podwyższenie dokładności digitalizacji geometrii w oparciu o dane uzyskiwane z diagnostycznych systemów medycznych, a dzięki zastosowaniu sposobu wytwarzania modelu do zastosowań medycznych, możliwe jest wytworzenie modeli obrazujących wystąpienie złożonych przypadków klinicznych, takich jak niestandardowego złamania kości, wystąpienia nowotworu lub implantu w strukturze anatomicznej człowieka, utrudniającego diagnostykę i rekonstrukcję tego obszaru w postaci trójwymiarowej. Zastosowanie nowego modelu obudowie modułowej, wytworzonego sposobem według wynalazku, pozwala na łatwą wymianę wybranej jego części, nie powodując uszkodzenia reszty modelu, a dzięki temu pozwala na odtworzenie różnych struktur chorobowych lub anatomicznych występujących w organizmie człowieka, co pozwala na lepsze przygotowanie się lekarza do przeprowadzanego zabiegu. Pozwala ono również na przetestowanie różnych rozwiązań medycznych, zwłaszcza odzwierciedlających wystąpienie nowotworu lub implantu o strukturze kostnej. Zastosowanie modelu hybrydowego umożliwia także przetestowanie protokołów pomiarowych obecnie stosowanych w diagnostyce medycznej, które ma na celu ich optymalizację. Dzięki zastosowaniu sposobu według wynalazku, możliwe jest wykonywanie modułów z różnych materiałów i ze zróżnicowanym stopniem wypełnienia, co z kolei umożliwia wydruk struktur zbliżonych gęstością, w szczególności do kości zbitej lub komórek nowotworowych. Efektem tego jest możliwość lepszego odzwierciedlenia procesu chirurgicznego wiercenia lub przecinania kości podczas planowania zabiegu. Modele o strukturze hybrydowo-modułowej umożliwiają ortopedzie lub chirurgowi lepsze przygotowanie się do zabiegu i zwiększenie precyzji wykonania zabiegu, co wiąże się ze skróceniem czasu operacji i zmniejszeniem utraty krwi podczas zabiegu.The method of manufacturing models for medical applications enables obtaining a model that is a hybrid of several modules made of different materials with geometry and radiological density similar to human anatomical structures. Thanks to the use of a model with a hybrid structure, it is possible to better reflect the measurement processes carried out on the diagnostic medical and surgical system, especially drilling or bone cutting, before performing the actual procedure. As a result of using the new method according to the invention for the production of anatomical models, it is possible to reflect not only the internal, but also the external anatomical structures of the reproduced object. The use of hybrid models makes it possible to increase the accuracy of geometry digitization based on data obtained from diagnostic medical systems, and thanks to the use of the method of producing a model for medical applications, it is possible to create models depicting the occurrence of complex clinical cases, such as a non-standard bone fracture, occurrence of a tumor or implant in human anatomical structure, making it difficult to diagnose and reconstruct this area in three-dimensional form. The use of a new model of a modular housing, manufactured by the method according to the invention, allows for easy replacement of its selected part, without damaging the rest of the model, and thus allows for the reconstruction of various disease or anatomical structures occurring in the human body, which allows for better preparation of the doctor for the procedure. surgery. It also allows you to test various medical solutions, especially those reflecting the occurrence of a tumor or an implant with a bone structure. The use of the hybrid model also allows testing of measurement protocols currently used in medical diagnostics, which aims to optimize them. Thanks to the method according to the invention, it is possible to make modules from various materials and with a different degree of filling, which in turn enables the printing of structures similar in density, in particular to compact bone or cancer cells. The effect of this is the ability to better reflect the surgical process of drilling or cutting through the bone when planning the procedure. Models with a hybrid-modular structure allow the orthopedist or surgeon to better prepare for the procedure and increase the precision of the procedure, which is associated with shortening the time of surgery and reducing blood loss during the procedure.

Przedmiot wynalazku został przedstawiony w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia moduł główny w widoku perspektywicznym z góry, przodu i lewego boku, fig. 2 moduł składowy w wariancie wykonania w widoku perspektywicznym z przodu, góry i lewego boku, fig. 3 - moduł składowy w innym wariancie wykonania w widoku perspektywicznym z przodu, góry i lewego boku, fig. 4 - moduł składowy w innym wariancie wykonania w widoku perspektywicznym z przodu, góry i lewego boku, fig. 5 - moduł składowy w innym wariancie wykonania w widoku perspektywicznym z przodu, góry i lewego boku, fig. 6 - moduł składowy w innym wariancie wykonania w widoku perspektywicznym z przodu, góry i lewego boku, fig. 7 - moduł składowy w innym wariancie wykonania w widoku perspektywicznym z przodu, góry i prawego boku, fig. 8 - moduł składowy w innym wariancie wykonania w widoku perspektywicznym z przodu, góry i lewego boku, fig. 9 - moduł składowy w innym wariancie wykonania w widoku perspektywicznym z przodu, góry i lewego boku, fig. 10 - moduł składowy w innym wariancie wykonania w widoku perspektywicznym z przodu, góry lewego boku, fig. 11 moduł składowy w innym wariancie wykonania w widoku perspektywicznym z przodu, góry i lewego boku, fig. 12 - moduł składowy w innym wariancie wykonania w widoku perspektywicznym z przodu, góry i lewego boku, fig. 13 - moduł składowy w innym wariancie wykonania w widoku perspektywicznym z przodu, góry i lewego boku, fig. 14 - moduł składowy w innym wariancie wykonania w widoku perspektywicznym z przodu, góry i lewego boku, fig. 15 - moduł składowy w innym wariancie wykonania w widoku perspektywicznym z przodu, dołu i prawego boku, fig. 16 - moduł składowy w innym wariancie wykonania w widoku perspektywicznym z przodu i dołu, natomiast fig. 17 - moduł składowy w innym wariancie wykonania w widoku perspektywicznym z przodu i dołu.The subject of the invention has been presented in exemplary embodiments in the drawing, in which fig. 1 shows the main module in a perspective view from above, front and left side, fig. 3 - another variant of the component module in perspective view from the front, top and left side, Fig. 4 - another variant of the component module in perspective view from the front, top and left side, Fig. 5 - another variant of the component module perspective view from the front, top and left side, Fig. 6 - component module in a different embodiment perspective view from the front, top and left side, Fig. 7 - component module in another variant perspective view from the front, top and right side, fig. 8 - another variant of the component module in perspective view from the front, top and left side, fig. 9 - another variant of the component module in perspective view from the front, top and left side, fig. 10 - module another variant of the component in a perspective view from the front, top left side, fig. 11 another variant of the component module in a front, top and left side perspective view, fig. 12 - another variant of the component module in a front perspective view , top and left side, fig. 13 - another variant of the component module in perspective view from the front, top and left side, fig. 14 - another variant of the component module in perspective view from the front, top and left side, fig. 15 - another variant of the component module in a front, bottom and right side perspective view, Fig. 16 - another variant of the component module in a front and bottom perspective view, and Fig. 17 - another variant of the component module in a front and bottom view perspective front and bottom.

Model do zastosowań medycznych, według wynalazku, w przykładzie wykonania, odpowiada budowie szczęki dolnej wraz z zębami. Ma on budowę modułową, zaś moduł główny 1a odpowiadający szczęce dolnej ma kształt półowalu i posiada na swojej powierzchni trzydzieści dwa gniazda 3 na wypustki 2. Każdy moduł składowy 1 b odpowiadający zębom ma na swojej jednej ścianie dwie wypustki 2. Przeciwna, do tych wypustek 2, ściana modułu składowego 1b jest natomiast ukształtowana tak, że odpowiada ona prawidłowej budowie zęba albo budowie zęba z ubytkiem, albo budowie zęba z ubytkiem wypełnionym różnym rodzajem plomb, albo budowie implanta. Moduł główny 1a odpowiadający szczęce dolnej ma trzy ściany, nieposiadające gniazd 3, pokryte powłoką 4 odpowiadającą budowie skóry. Moduły składowe 1 b mocowane są do modułu głównego 1 a, poprzez pasowanie ciasne wypustek 2 modułów składowych 1b w gniazdach 3 modułu głównego 1a. Moduły składowe 1b, mocowane do modułu głównego 1 a, mogą być wymieniane w zależności od potrzeby zobrazowania stanu uzębienia modelowanego obiektu.The model for medical applications according to the invention, in an embodiment, corresponds to the structure of the lower jaw together with the teeth. It has a modular structure, and the main module 1a corresponding to the lower jaw has the shape of a semi-oval and has thirty-two sockets 3 for protrusions 2 on its surface. Each component module 1b corresponding to the teeth has two protrusions 2 on its one wall. Opposite to these protrusions 2 , the wall of the component module 1b is shaped in such a way that it corresponds to the correct structure of a tooth, or the structure of a tooth with a cavity, or the structure of a tooth with a cavity filled with various types of fillings, or the structure of an implant. The main module 1a corresponding to the lower jaw has three walls without sockets 3, covered with a coating 4 corresponding to the construction of leather. The component modules 1b are attached to the main module 1a by tight fit of the tabs 2 of the component modules 1b in the slots 3 of the main module 1a. The component modules 1b, attached to the main module 1a, can be replaced depending on the need to visualize the state of the dentition of the modeled object.

Sposób wytwarzania modeli do zastosowań medycznych, według wynalazku, w pierwszym przykładzie realizacji prowadzi się tak, że w pierwszym etapie prowadzi się projektowanie geometrii modułów 1 modelu, które reprezentują złożone struktury anatomiczne. Początkowo przeprowadza się tomografię komputerową obiektu, którego model jest wytwarzany - szczęki dolnej, w przypadku modelu głównego 1 a oraz zębów w przypadku modeli składowych 1 b. Następnie sporządza się jego obraz 2D w wyniku rekonstrukcji pierwotnej, po czym przeprowadza się jego obróbkę cyfrową, poprzez cyfrową filtrację oraz następnie segmentację struktury. Kolejno prowadzi się rendering powierzchniowy, w wyniku którego uzyskuje się obraz trójwymiarowy modelu struktury anatomicznej. W drugim etapie, w celu wykonania modułów składowych 1 a, odpowiadających tkankom twardym obiektu, wytwarza się je z zastosowaniem metody ubytkowej - CNC - Computer Numerical Control. Obróbkę ubytkową prowadzi się na obrabiarkach numerycznych, bazując na modelach trójwymiarowych. Program obróbkowy przygotowuje się w zintegrowanych systemach CAD/CAM i opracowuje się go na podstawie wcześniej przygotowanego modelu trójwymiarowego, który eksportuje się z zadaną tolerancją do pliku o rozszerzeniu *.step. Tolerancja zapisu modelu trójwymiarowego w pośrednim formacie wymiany danych jest bardzo ważna z uwagi na to, że od niej zależy prawidłowe zdefiniowanie wartości tolerancji generowania wykończeniowych ścieżek narzędzia. Proces ten wpływa bezpośrednio na dokładność wykonania części o dowolnym stopniu skomplikowania geometrii. Po zaimportowaniu modelu medycznego, zapisanego w formacie *.step, w module CAM modeluje się część chwytową modułu 1, która służy do odpowiedniego zamodelowania półfabrykatu w celu prawidłowego zdefiniowania środowiska oraz drzewa geometrii w module CAM, a także wygenerowania później ścieżek narzędziowych. Z wykorzystaniem tej metody wytwarzania, wykonuje się także moduły 1 modelu, które reprezentują wystąpienie w strukturze implantów, takich jak zwłaszcza plomby amalgamatowe, płytki chirurgiczne, endoprotezy, a także elementy o bardziej regularnych kształtach. W celu łatwego łączenia, rozłączania i pozycjonowania jednego modułu 1 modelu względem drugiego, każdy z modułów składowych 1 b zawiera z jednej, dwóch, trzech lub czterech stron, w zależności od konfiguracji oraz miejsca, w którym ma się znaleźć, po dwie wypustki 2 w postaci kołków, zaś moduł główny 1a posiada z jednej, dwóch, trzech lub czterech stron pary gniazd 3, z którymi mają się połączyć te wypustki 2 modułów składowych 1b. Następnie, w celu odtworzenia tkanek miękkich modelowanego obiektu, takich jak zwłaszcza dziąsła lub skóra, mod uł 1 modelu zalewa się silikonem i pozostawia się go do zakończenia sieciowania, tworząc na tych modułach 1 powłokę 4. W trzecim etapie prowadzi się łączenie ze sobą modułów 1 modelu. W czwartym etapie moduły 1 modelu łączy się ze sobą pasowaniem ciasnym.The method of manufacturing models for medical applications according to the invention in the first embodiment is carried out in such a way that in the first step the geometry of the modules 1 of the model is designed which represent complex anatomical structures. Initially, a computed tomography of the object whose model is produced is carried out - the lower jaw, in the case of the main model 1a, and the teeth in the case of component models 1b. Then, its 2D image is made as a result of the primary reconstruction, and then its digital processing is digital filtering and then structure segmentation. Subsequently, surface rendering is carried out, as a result of which a three-dimensional image of the anatomical structure model is obtained. In the second stage, in order to make the component modules 1a, corresponding to the hard tissues of the object, they are manufactured using the CNC - Computer Numerical Control method. Machining is carried out on numerical machines, based on three-dimensional models. The machining program is prepared in integrated CAD/CAM systems and developed on the basis of a previously prepared three-dimensional model, which is exported with a given tolerance to a *.step file. The tolerance of writing a three-dimensional model in an intermediate data exchange format is very important due to the fact that it determines the correct definition of the tolerance value for generating finishing toolpaths. This process directly affects the accuracy of making parts with any degree of geometry complexity. After importing the medical model, saved in the *.step format, the gripping part of module 1 is modeled in the CAM module, which is used to properly model the blank in order to correctly define the environment and the geometry tree in the CAM module, and later generate tool paths. With the use of this manufacturing method, modules 1 of the model are also made, which represent the occurrence of implants in the structure, such as, in particular, amalgam fillings, surgical plates, endoprostheses, as well as elements of more regular shapes. In order to easily connect, disconnect and position one module 1 of the model relative to another, each of the component modules 1b has on one, two, three or four sides, depending on the configuration and the place where it is to be placed, with two tabs 2 in in the form of pins, and the main module 1a has on one, two, three or four sides pairs of sockets 3, with which these tabs 2 of the component modules 1b are to connect. Then, in order to reconstruct the soft tissues of the modeled object, such as especially the gums or skin, module 1 of the model is poured with silicone and left to complete cross-linking, creating a coating 4 on these modules 1. In the third stage, modules 1 are joined together model. In the fourth stage, the modules of model 1 are connected with each other with an interference fit.

Sposób wytwarzania modeli do zastosowań medycznych, według wynalazku, w drugim przykładzie realizacji, prowadzi się tak jak w przykładzie pierwszym, z tym, że silikonem zalewa się połączone już ze sobą moduły 1 modelu celem wytworzenia powłoki 4 odpowiadającej tkankom miękkim.The method of manufacturing models for medical applications, according to the invention, in the second embodiment, is carried out as in the first example, except that the already connected modules 1 of the model are poured with silicone in order to produce a coating 4 corresponding to soft tissues.

Sposób wytwarzania modeli do zastosowań medycznych, według wynalazku, w trzecim przykładzie realizacji, prowadzi się tak jak w przykładzie pierwszym, z tym, że po zakończeniu sieciowania silikonu - po jego zastygnięciu - tworzy on formę silikonową, którą rozcina się na dwie części i wyjmuje się z niej moduł 1 modelu. W utwardzonej i rozciętej formie silikonowej pozostaje pusta przestrzeń, która oddaje wymiary modułu 1. Formę silikonową umieszcza się w komorze próżniowej, a jej pusty środek wypełnia się materiałem tworzącym, którym jest żywica chemoutwardzalna. Następnie żywicę utwardza się, a po zakończeniu utwardzania, formę silikonową otwiera się i wyciąga się z niej moduł 1. Z jednej formy silikonowej, dzięki jej uważnemu otwieraniu, możliwe jest uzyskanie kilkudziesięciu, idealnie odtwarzających wymiary modułu 1, powtórzeń, przy czym liczba ta zależy zwłaszcza od wielkości odlewanego elementu i stopnia skomplikowania jego geometrii, liczby płaszczyzn rozformowywania, użytej do odlewów żywicy, lub liczby gniazd 3.The method of manufacturing models for medical applications, according to the invention, in the third embodiment, is carried out as in the first example, except that after the cross-linking of the silicone - after its solidification - it forms a silicone mold, which is cut into two parts and removed. from it module 1 of the model. In the cured and cut silicone mold there is an empty space that reflects the dimensions of module 1. The silicone mold is placed in a vacuum chamber and its empty center is filled with a forming material, which is a chemically hardening resin. Then the resin is cured, and after curing is complete, the silicone mold is opened and module 1 is taken out of it. From one silicone mold, thanks to its careful opening, it is possible to obtain several dozen repetitions, perfectly reproducing the dimensions of module 1, the number of which depends on especially on the size of the cast element and the degree of complexity of its geometry, the number of demolding planes used for resin castings, or the number of cavities 3.

Sposób wytwarzania modeli do zastosowań medycznych, według wynalazku, w czwartym przykładzie realizacji, prowadzi się tak jak w przykładzie pierwszym, z tym, że w drugim etapie, w celu wykonania modułów 1 odpowiadających tkankom twardym obiektu, wytwarza się je z zastosowaniem metody szybkiego prototypowania - RP - Rapid Prototyping, co umożliwia obniżenie kosztów wytworzenia modułów 1 modelu, zwłaszcza z uwagi na dostępność wielu rodzajów, możliwych do zastosowania, materiałów. Podczas wykonywania modułów 1 modelu, formowanie jego pożądanego kształtu prowadzi się poprzez dodawanie materiału warstwa po warstwie. Elementem wyjściowym jest model trójwymiarowy, który zapisany jest w formacie *.stl. Przed wykonaniem modułów 1 modelu dzieli się go na warstwy, przy czym grubość poszczególnych warstw jest uzależniona od zastosowanej metody wytwarzania. Do wydruku modułów 1 modelu stosuje się zwłaszcza materiały termoplastyczne, fotopolimery w formie płynnej, w postaci proszku oraz materiały w postaci warstw papieru i laminatu poliestrowego, które są ze sobą połączone.The method of manufacturing models for medical applications, according to the invention, in the fourth embodiment, is carried out as in the first example, except that in the second stage, in order to make modules 1 corresponding to the hard tissues of the object, they are manufactured using the rapid prototyping method - RP - Rapid Prototyping, which makes it possible to reduce the production costs of modules of 1 model, especially due to the availability of many types of materials that can be used. When making the modules 1 of the model, the formation of its desired shape is carried out by adding material layer by layer. The output element is a three-dimensional model, which is saved in the *.stl format. Before making the modules of 1 model, it is divided into layers, the thickness of the individual layers being dependent on the manufacturing method used. To print the modules 1 of the model, thermoplastic materials, photopolymers in liquid form, in powder form and materials in the form of layers of paper and polyester laminate, which are connected to each other, are used in particular.

Wykaz oznaczeń rysunkowychList of drawing symbols

- moduł- module

1a - moduł główny1a - main module

1b - moduł składowy1b - component module

- wypustka- tab

- gniazdo- nest

- powłoka- coating

Claims

1. A model for medical applications, in testing tomographic systems, mapping the structure of the jaw element, of a modular structure, the modules of which are detachably connected to each other, characterized in that it includes the main module (1 a) mapping the lower jaw and having on its surface at least two slots (3) and component modules (1b), imitating hard tissue in the form of teeth, and each of the component modules (1b) has at least one protrusion (2), and is connected to the main module (1b) with an interference fit by means of slots (3) and protrusions (2), wherein part of the surface of the base module (1a) is covered with a coating (4) corresponding to soft tissues.

2. A model according to claim 1, characterized in that each component module (1b) has two tabs (2) on at least one of its sides.

3. A model according to claim The device according to claim 1 or 2, characterized in that the coating (4) corresponding to the soft tissues is made of silicone, while the remaining parts of the modules (1) are made of chemically hardened resin.

4. A method of producing a model for medical use as defined in claim 1. 1, in which in the first stage the geometry of the modules is designed, characterized in that in the first stage the geometries of the modules (1) of the model are designed in such a way that a computed tomography of the object whose model is made is carried out, and then a primary reconstruction is carried out and a its 2D image, followed by digital processing of this 2D image and further segmentation of the model structure, followed by surface rendering and a three-dimensional image of the model, and in the second stage, modules are made using 3D printing or subtractive methods ( 1) of the model corresponding to hard, cancerous tissues or implants, with at least one tab (2) or at least one slot (3) for the tab (1) being made on at least one side of the module (1) of the model, and in the third stage the modules (1) of the model are connected with each other with an interference fit and on at least one module (1) of the model a coating corresponding to the soft tissues is made, and in order to reproduce the soft tissues of the modeled model, at least one module (1) is poured with silicone and left to stand until silicone cross-linking is complete.

5. The method of claim 4, characterized in that the modules (1) are covered with a coating (4) corresponding to soft tissues after their mutual connection.

6. The method of claim 4 or 5, characterized in that the silicone coating (4) formed on the model module (1) is cut into at least two parts and the model module (1) is removed from it, and then the obtained silicone mold is placed in a vacuum chamber and it is filled with the forming material and cured further, then the silicone mold is opened and the model module (1) is taken out of it.

7. The method of claim 6, characterized in that a chemically hardening resin is used as the forming material.