Сегодня мы поговорим о применении 3D-печати и соответствующего ПО в такой отрасли медицины, как производство слуховых аппаратов.
В языке жестов прикладывание ладошки к уху издавна означало: «Плохо вас слышу!»
Жест этот возник не только потому, что слышим мы посредством ушей (т. е. жестом указываем на орган слуха), но еще и потому, что прикладывая ладонь к уху мы используем ее в качестве простейшего резонатора, усиливающего звук, в результате чего слышим лучше.
Именно на этом, механическом принципе были основаны первые слуховые аппараты. Они были слишком громоздкими для использования в быту и давали лишь незначительное усиление громкости:
Военные, которых мы не устаем благодарить за массовый интернет, персональные компьютеры и гражданский авиатранспорт, оказывается, оставили свой след и в этой области. Дело в том, что предшественниками радаров, использующих радиоволны для регистрации воздушных, морских и наземных объектов, были так называемые акустические локаторы и звуковые зеркала:
Американская двухрожковая система, армейский колледж Форт Макнэйр (Fort McNair), 1921 год
Акустические локаторы активно развивались и применялись в годы Первой мировой войны. В конце 30-х годов именно в военной технике принцип механического усиления звука достиг своей вершины:
Японский император Хорохито инспектирует подразделение боевых слуховых труб
Тем временем уже в 1920-е годы появляются первые электрические (карбонные) слуховые аппараты. Действие этих аппаратов было основано на принципе телефона. Почему этот принцип не был использован в военной технике — для автора остается загадкой, разрешение которой выходит за рамки этого короткого обзора.
Слуховые аппараты совершенствуются как в качестве передачи и усиления звука, так и в компактности и портативности.
Изобретение транзисторов обусловило один из наиболее значительных шагов в развитии отрасли.
В начале 50-х транзисторные слуховые аппараты, более компактные и качественные, вытеснили ламповые (к слову, радиолокаторы, т. е. радары, уже во Вторую мировую войну вытеснили акустические локаторы).
Ранние модели этих слуховых аппаратов были разработаны таким образом, чтобы помещаться в дужке очков. Позже появились привычные нам сегодня заушные модели.
Карманный транзиcторный слуховой аппарат фирмы OTICON, Дания — T3, 1953 г.
Во второй половине XX века существенно повысилась компактность слуховых аппаратов.
Первый заушный аппарат был выпущен в 1954 году. В начале 1980-х обретают популярность привычные нам внутриушные аппараты — они полностью помещаются во внешнем ухе и почти незаметны со стороны. В 1993 году был разработан новый, внутриканальный аппарат, который целиком размещался уже в слуховом проходе. Сегодня актуальны все три модели; мы рассмотрим их ниже.
Появляется также возможность изготовлять индивидуальные, т. е. более эргономичные заушные и внутриушные аппараты, форма которых основана на слепке уха пациента.
В 1990-х годах цифровой обработке звука нашли применение в медицине — появились первые цифровые слуховые аппараты таких фирм, как Phonak, Siemens, Bernafon и др. Эти аппараты на порядок превосходили аналоговые модели по качеству передачи и усиления звука.
Последнее поколение слуховых аппаратов может непрерывно анализировать звуковую обстановку и так же непрерывно приспосабливаться к ней, чтобы улучшить качество звука и уменьшить фоновый шум.
Сегодня цифровые аппараты практически полностью вытеснили с рынка аналоговые.
В следующей таблице представлены популярные сегодня разновидности слуховых аппаратов.
Во всех перечисленных видах слуховых аппаратов, кроме внутриканального, присутствует внутриушной вкладыш — часть аппарата, которая размещается непосредственно в ушной раковине.
Вкладыш может быть универсальным или индивидуальным:
Универсальные вкладыши изготавливаются конвейерно и стоят всего $1-2.
Индивидуальные вкладыши изготавливаются по слепку ушного прохода пациента, поэтому не давят, не свистят, не выпадают из ушного прохода и практически не искажают звук слухового аппарата, который настроил клиенту специалист по подбору слуховых аппаратов. Стоят они около $10 и подлежат реставрации.
Вкладыши могут изготавливаться из различных материалов: твердых, мягких, комбинированных, из силикона или биопора. Материалы отличаются своими техническими характеристиками, антиаллергенностью, сроком службы, ценой и т. д.
В этом разделе, непосредственно связанном с моей ежедневной работой, я перейду от безличного изложения к рассказу от первого лица.
Привет :)
Как вы, конечно, догадались, 3D-печать используется для индивидуального изготовления внутриушного вкладыша слухового аппарата.
Наша компания, Materialise, была одним из пионеров этой индустрии и остается в лидерах по сегодняшний день. Мы разрабатываем RSM (Rapid Shell Modelling) — полнофункциональный софт для прототипирования слухового аппарата и последующей печати идвивидуальных внутриушных вкладышей для заушных, внутриушных аппаратов и аппаратов «Открытое ухо».
Еще 15 лет назад изготовление индивидуальных зубных протезов, зубных вкладок для надежных хирургических операций на челюсти (кстати, наш патент), индивидуальных вкладышей для слуховых аппаратов — все это было ювелирной работой и требовало нескольких часов труда высококлассного специалиста, а малейшая ошибка могла сделать пациента инвалидом (в частности, при внедрении зубного протеза есть опасность задеть нерв, проходящий в основании нижней челюсти, в результате чего человек не сможет больше ей управлять).
Наше специализированное ПО позволяет свести к минимуму и время изготовления протеза/устройства, и требования к личному профессионализму/опыту врача, и риск для здоровья пациента.
О зубном протезировании мой коллега расскажет вам в отдельной статье, а сейчас вернемся к слуховым аппаратам.
Рассмотрим заушный аппарат вблизи:
Он состоит из пластикового корпуса с электроникой, силиконового внутриушного вкладыша и соединяющей трубки.
Автоматизированное изготовление вкладыша начинается со сканирования уха пациента.
Клиенту в ухо помещают разогретый воск, который почти мгновенно принимает форму ушной раковины и затвердевает. Полученный слепок оцифровывают с помощью 3D-сканера, получая на выходе «облако» точек — набор точек, точно описывающий внутреннюю поверхность ушной раковины.
Именно такое облако точек (точнее, два облака — по одному для каждого уха) поступает со сканера на вход оператору RSM (мы поддерживаем все современные виды 3D-сканеров), и все последующие преобразования слепка специалист выполняет уже виртуально.
Облако точек автоматически триангулируется и сглаживается, после чего оператор полуавтоматизированно шлифует модель и придает ей нужную форму с помощью обширного набора удобных 3D-инструментов.
Здесь вы видите исходную триангулированную модель (слева) и ту же модель после придания необходимой для вкладыша формы (справа). Полупрозрачным показана исходная форма модели уха.
Для удобства работы оператора вкладыш на экране обычно располагается так:
Для повышения устойчивости вкладыша генерируется дополнительная фиксирующая форма, которая будет проходить по контуру внутренней поверхности внешнего уха:
Форма генерируется на основе автоматически строящихся направляющих, которые оператор может поправить для получения более точного результата.
Модель с фиксирующей формой (и полупрозрачная исходная модель)
Вентиляционный канал служит как для свободной циркуляции воздуха, необходимой для здорового состояния внутреннего уха, так и для предотвращения различных акустических дефектов слуховых аппаратов.
В случае внутриушного аппарата вентиляционный канал автоматически размещается таким образом, чтобы занять по возможности меньше места в модели (оставляя пространство для электроники), после чего оператор имеет достаточную свободу в выборе его формы (трубка, конус, буква D и др.) и изменении расположения.
В случае заушного аппарата оптимизация занимаемого вентиляционным каналом пространства не нужна, так как электроника (см. следующий раздел) находится снаружи.
В заушном аппарате и в аппарате «Открытое ухо» электроника (микрофон, усилитель, передатчик) находится во внешнем пластиковом корпусе.
В случае же внутриушного аппарата электроника размещается во вкладыше, и потому при проектировании аппарата форма электроники должна учитываться.
Мы работаем с постоянно пополняемой базой, содержащей формы, соответствующие существующим типам электроники для слуховых аппаратов всех мировых производителей.
Оператор указывает марку подобранной для клиента электроники, и RSM автоматически оптимально размещает в модели передатчик с усилителем и достраивает необходимые соединяющие стенки вокруг приемника, опять же, оставляя достаточную свободу для манипуляций оператора.
Фиксирующая форма во внутриушных слуховых аппаратах не нужна.
1 — микрофон
2 — цифровой процессор
3 — передатчик
4 — осевая линия (используется для автоматического расположения компонент)
На всех этапах выполняется автоматическая проверка качества.
Аппарат проверяется на предмет потенциальной возможности появления трещин из-за тонкости стенок, а также на предмет наличия полостей в материале.
Наличие даже маленькой полости в модели недопустимо, так как при 3D-печати на некоторых видах принтеров там останется жидкость, которая потом через трещину в стенке может попасть в ухо пациенту, что крайне опасно.
Также выполняется проверка на корректность взаимного расположения элементов (collision detection).
В этом примере цветовой гаммой маркируются расхождения между исходной и обработанной моделями
После вышеперечисленных шагов модель экспортируется в один из стандартных форматов (поддерживаемых всеми сегодняшними 3D-принтерами) и отправляется на печать.
В распечатанный вкладыш оператору остается вставить электронику и добавить немного клея.
Все проекты сохраняются, и в случае утери или поломки вкладыша можно распечатать его еще раз по сохраненному ранее макету.
Благодаря максимальной автоматизации процесса сейчас на полный цикл проектирования одного аппарата у опытного оператора уходят считаные минуты! За один рабочий день оператор отправляет на печать сотни вкладышей, тогда как еще 15 лет назад такие цифры казались абсолютно фантастическими, так как на два порядка превосходили возможности самых опытных мастеров.
Проекту уже почти десять лет.
С годами спектр возможностей на каждом из вышеперечисленных этапов обработки модели стремительно растет, а время обработки — уменьшается (причем как за счет более качественных алгоритмов и удобных инструментов, так и за счет ежегодных тренингов, проводимых для новых операторов США, Франции и других стран).
К слову об автоматизации — я, наверное, успел в этом посте надоесть вам словом «автоматически»?
Дело в том, что для меня, как для разработчика алгоритмов, она представляет наибольший интерес в этом продукте, и как разработчик алгоритмов, т. е. как человек, привыкший каждый день иметь дело преимущественно с абстрактными сущностями, я нахожу глубокое удовлетворение в работе, которая дает мне возможность применить свой опыт и знания во благо живым людям.
На этой мажорной ноте благодарю вас за внимание и жду вопросов по теме.
Статья о зубных протезах — в скором времени.
В подготовке статьи были использованы следующие ресурсы:
http://www.otoskop.ru/rus/muzej-sluxovyx-apparatov/
http://www.vabos.com.ua/bernafon_ha_history.html
http://www.siemens-hearing.ru/client/page.asp?id=104
http://www.hearingaids.ru/istoriya-sluxovogo-apparata
http://nnm.ru/blogs/mrecka_/akusticheskie_lokatory/
http://en.wikipedia.org/wiki/Japanese_war_tuba
http://m.habrahabr.ru/post/78486/
http://www.akystik-sluh.ru/
http://en.wikipedia.org/wiki/Hearing_aid
http://www.phonak.com
Немного истории
В языке жестов прикладывание ладошки к уху издавна означало: «Плохо вас слышу!»
Жест этот возник не только потому, что слышим мы посредством ушей (т. е. жестом указываем на орган слуха), но еще и потому, что прикладывая ладонь к уху мы используем ее в качестве простейшего резонатора, усиливающего звук, в результате чего слышим лучше.
Механическое усиление звука
Именно на этом, механическом принципе были основаны первые слуховые аппараты. Они были слишком громоздкими для использования в быту и давали лишь незначительное усиление громкости:
Американская двухрожковая система, армейский колледж Форт Макнэйр (Fort McNair), 1921 год
Акустические локаторы активно развивались и применялись в годы Первой мировой войны. В конце 30-х годов именно в военной технике принцип механического усиления звука достиг своей вершины:
Японский император Хорохито инспектирует подразделение боевых слуховых труб
Первые электрические аппараты
Тем временем уже в 1920-е годы появляются первые электрические (карбонные) слуховые аппараты. Действие этих аппаратов было основано на принципе телефона. Почему этот принцип не был использован в военной технике — для автора остается загадкой, разрешение которой выходит за рамки этого короткого обзора.
Слуховые аппараты совершенствуются как в качестве передачи и усиления звука, так и в компактности и портативности.
Внедрение транзисторов
Изобретение транзисторов обусловило один из наиболее значительных шагов в развитии отрасли.
В начале 50-х транзисторные слуховые аппараты, более компактные и качественные, вытеснили ламповые (к слову, радиолокаторы, т. е. радары, уже во Вторую мировую войну вытеснили акустические локаторы).
Ранние модели этих слуховых аппаратов были разработаны таким образом, чтобы помещаться в дужке очков. Позже появились привычные нам сегодня заушные модели.
Достижения последних десятилетий
Компактность, эстетичность, эргономика
Во второй половине XX века существенно повысилась компактность слуховых аппаратов.
Первый заушный аппарат был выпущен в 1954 году. В начале 1980-х обретают популярность привычные нам внутриушные аппараты — они полностью помещаются во внешнем ухе и почти незаметны со стороны. В 1993 году был разработан новый, внутриканальный аппарат, который целиком размещался уже в слуховом проходе. Сегодня актуальны все три модели; мы рассмотрим их ниже.
Появляется также возможность изготовлять индивидуальные, т. е. более эргономичные заушные и внутриушные аппараты, форма которых основана на слепке уха пациента.
Качество звука
В 1990-х годах цифровой обработке звука нашли применение в медицине — появились первые цифровые слуховые аппараты таких фирм, как Phonak, Siemens, Bernafon и др. Эти аппараты на порядок превосходили аналоговые модели по качеству передачи и усиления звука.
Последнее поколение слуховых аппаратов может непрерывно анализировать звуковую обстановку и так же непрерывно приспосабливаться к ней, чтобы улучшить качество звука и уменьшить фоновый шум.
Сегодня цифровые аппараты практически полностью вытеснили с рынка аналоговые.
Слуховые аппараты сегодня
В следующей таблице представлены популярные сегодня разновидности слуховых аппаратов.
Внутриушные вкладыши
Во всех перечисленных видах слуховых аппаратов, кроме внутриканального, присутствует внутриушной вкладыш — часть аппарата, которая размещается непосредственно в ушной раковине.
Вкладыш может быть универсальным или индивидуальным:
Универсальные вкладыши изготавливаются конвейерно и стоят всего $1-2.
Индивидуальные вкладыши изготавливаются по слепку ушного прохода пациента, поэтому не давят, не свистят, не выпадают из ушного прохода и практически не искажают звук слухового аппарата, который настроил клиенту специалист по подбору слуховых аппаратов. Стоят они около $10 и подлежат реставрации.
Вкладыши могут изготавливаться из различных материалов: твердых, мягких, комбинированных, из силикона или биопора. Материалы отличаются своими техническими характеристиками, антиаллергенностью, сроком службы, ценой и т. д.
И где же здесь 3D-печать?
В этом разделе, непосредственно связанном с моей ежедневной работой, я перейду от безличного изложения к рассказу от первого лица.
Привет :)
Как вы, конечно, догадались, 3D-печать используется для индивидуального изготовления внутриушного вкладыша слухового аппарата.
Наша компания, Materialise, была одним из пионеров этой индустрии и остается в лидерах по сегодняшний день. Мы разрабатываем RSM (Rapid Shell Modelling) — полнофункциональный софт для прототипирования слухового аппарата и последующей печати идвивидуальных внутриушных вкладышей для заушных, внутриушных аппаратов и аппаратов «Открытое ухо».
Еще 15 лет назад изготовление индивидуальных зубных протезов, зубных вкладок для надежных хирургических операций на челюсти (кстати, наш патент), индивидуальных вкладышей для слуховых аппаратов — все это было ювелирной работой и требовало нескольких часов труда высококлассного специалиста, а малейшая ошибка могла сделать пациента инвалидом (в частности, при внедрении зубного протеза есть опасность задеть нерв, проходящий в основании нижней челюсти, в результате чего человек не сможет больше ей управлять).
Наше специализированное ПО позволяет свести к минимуму и время изготовления протеза/устройства, и требования к личному профессионализму/опыту врача, и риск для здоровья пациента.
О зубном протезировании мой коллега расскажет вам в отдельной статье, а сейчас вернемся к слуховым аппаратам.
Этапы изготовления вкладыша
Рассмотрим заушный аппарат вблизи:
Он состоит из пластикового корпуса с электроникой, силиконового внутриушного вкладыша и соединяющей трубки.
Автоматизированное изготовление вкладыша начинается со сканирования уха пациента.
1. Сканирование уха клиента
Клиенту в ухо помещают разогретый воск, который почти мгновенно принимает форму ушной раковины и затвердевает. Полученный слепок оцифровывают с помощью 3D-сканера, получая на выходе «облако» точек — набор точек, точно описывающий внутреннюю поверхность ушной раковины.
Именно такое облако точек (точнее, два облака — по одному для каждого уха) поступает со сканера на вход оператору RSM (мы поддерживаем все современные виды 3D-сканеров), и все последующие преобразования слепка специалист выполняет уже виртуально.
2. Шлифовка и придание формы модели
Облако точек автоматически триангулируется и сглаживается, после чего оператор полуавтоматизированно шлифует модель и придает ей нужную форму с помощью обширного набора удобных 3D-инструментов.
Здесь вы видите исходную триангулированную модель (слева) и ту же модель после придания необходимой для вкладыша формы (справа). Полупрозрачным показана исходная форма модели уха.
Для удобства работы оператора вкладыш на экране обычно располагается так:
3. Фиксирующая форма
Для повышения устойчивости вкладыша генерируется дополнительная фиксирующая форма, которая будет проходить по контуру внутренней поверхности внешнего уха:
Форма генерируется на основе автоматически строящихся направляющих, которые оператор может поправить для получения более точного результата.
Модель с фиксирующей формой (и полупрозрачная исходная модель)
4. Вентиляционный канал
Вентиляционный канал служит как для свободной циркуляции воздуха, необходимой для здорового состояния внутреннего уха, так и для предотвращения различных акустических дефектов слуховых аппаратов.
В случае внутриушного аппарата вентиляционный канал автоматически размещается таким образом, чтобы занять по возможности меньше места в модели (оставляя пространство для электроники), после чего оператор имеет достаточную свободу в выборе его формы (трубка, конус, буква D и др.) и изменении расположения.
В случае заушного аппарата оптимизация занимаемого вентиляционным каналом пространства не нужна, так как электроника (см. следующий раздел) находится снаружи.
5. Электроника
В заушном аппарате и в аппарате «Открытое ухо» электроника (микрофон, усилитель, передатчик) находится во внешнем пластиковом корпусе.
В случае же внутриушного аппарата электроника размещается во вкладыше, и потому при проектировании аппарата форма электроники должна учитываться.
Мы работаем с постоянно пополняемой базой, содержащей формы, соответствующие существующим типам электроники для слуховых аппаратов всех мировых производителей.
Оператор указывает марку подобранной для клиента электроники, и RSM автоматически оптимально размещает в модели передатчик с усилителем и достраивает необходимые соединяющие стенки вокруг приемника, опять же, оставляя достаточную свободу для манипуляций оператора.
Фиксирующая форма во внутриушных слуховых аппаратах не нужна.
1 — микрофон
2 — цифровой процессор
3 — передатчик
4 — осевая линия (используется для автоматического расположения компонент)
6. Контроль качества
На всех этапах выполняется автоматическая проверка качества.
Аппарат проверяется на предмет потенциальной возможности появления трещин из-за тонкости стенок, а также на предмет наличия полостей в материале.
Наличие даже маленькой полости в модели недопустимо, так как при 3D-печати на некоторых видах принтеров там останется жидкость, которая потом через трещину в стенке может попасть в ухо пациенту, что крайне опасно.
Также выполняется проверка на корректность взаимного расположения элементов (collision detection).
В этом примере цветовой гаммой маркируются расхождения между исходной и обработанной моделями
7. Экспорт и печать. Повторное использование
После вышеперечисленных шагов модель экспортируется в один из стандартных форматов (поддерживаемых всеми сегодняшними 3D-принтерами) и отправляется на печать.
В распечатанный вкладыш оператору остается вставить электронику и добавить немного клея.
Все проекты сохраняются, и в случае утери или поломки вкладыша можно распечатать его еще раз по сохраненному ранее макету.
8. Продуктивность оператора
Благодаря максимальной автоматизации процесса сейчас на полный цикл проектирования одного аппарата у опытного оператора уходят считаные минуты! За один рабочий день оператор отправляет на печать сотни вкладышей, тогда как еще 15 лет назад такие цифры казались абсолютно фантастическими, так как на два порядка превосходили возможности самых опытных мастеров.
Проекту уже почти десять лет.
С годами спектр возможностей на каждом из вышеперечисленных этапов обработки модели стремительно растет, а время обработки — уменьшается (причем как за счет более качественных алгоритмов и удобных инструментов, так и за счет ежегодных тренингов, проводимых для новых операторов США, Франции и других стран).
Спасибо за внимание!
К слову об автоматизации — я, наверное, успел в этом посте надоесть вам словом «автоматически»?
Дело в том, что для меня, как для разработчика алгоритмов, она представляет наибольший интерес в этом продукте, и как разработчик алгоритмов, т. е. как человек, привыкший каждый день иметь дело преимущественно с абстрактными сущностями, я нахожу глубокое удовлетворение в работе, которая дает мне возможность применить свой опыт и знания во благо живым людям.
На этой мажорной ноте благодарю вас за внимание и жду вопросов по теме.
Статья о зубных протезах — в скором времени.
Источники
В подготовке статьи были использованы следующие ресурсы:
http://www.otoskop.ru/rus/muzej-sluxovyx-apparatov/
http://www.vabos.com.ua/bernafon_ha_history.html
http://www.siemens-hearing.ru/client/page.asp?id=104
http://www.hearingaids.ru/istoriya-sluxovogo-apparata
http://nnm.ru/blogs/mrecka_/akusticheskie_lokatory/
http://en.wikipedia.org/wiki/Japanese_war_tuba
http://m.habrahabr.ru/post/78486/
http://www.akystik-sluh.ru/
http://en.wikipedia.org/wiki/Hearing_aid
http://www.phonak.com
