Prospects for the application of 3D technologies in the field of fundamental morphology: a pilot study

Full Text

Введение. Трёхмерные (3D) технологии – совокупность методов изготовления цифрового объекта из физического и наоборот. Из-за повышения доступности, современные методы 3D-моделирования и 3D-печати начинают использоваться не только учеными, но и практикующими врачами, меняя подходы к изучению и практики во многих медицинских областях, включая судебную медицину, нормальную и патологическую анатомию. Таким образом, инструменты 3D-технологии позволяют решать ряд специфических проблем.

Acuff и др. (2021) изучали цифровое 3D-сопоставление смешанных костных фрагментов в судебной медицине. Исследователи использовали 3D-сканирование черепов с КТ для создания точных цифровых моделей и применили алгоритм Trimmed Iterative Closest Point (TrICP), который сопоставляет схожие поверхности как пазл [1]. Метод показал высокую точность при сравнении парных костей (например, левого и правого суставных отростков нижней челюсти), но менее надежен для сложных суставных соединений, таких как отросток и соответствующая ямка. Это указывает на его пригодность для идентификации отдельных костей, но необходимость доработки для комплексного анализа суставов. Исследование подтверждает, что 3D-моделирование значительно повышает точность судебных экспертиз, особенно в случаях, когда останки перемешаны или повреждены.

Blau и др. (2019) изучили влияние различных методов представления судебно-медицинских данных. Они сравнили шесть способов визуализации скелетных травм, включая устные описания, КТ-изображения и 3D-печатные модели [2]. Результаты показали, что 3D-печать обеспечивала наибольшее верную интерпретацию (93%), в то время как фотографии этих моделей дали сравнительно меньший результат (80%). Традиционные методы, включая устные показания с аутопсийными фото, оказались менее эффективными (71%). Кроме того, цветные аутопсийные изображения вызывали сильный эмоциональный дискомфорт у присяжных, тогда как 3D-модели были информативными, но менее вызывающими [2].

Woźniak и др. (2012) исследовали использование КТ, 3D-реконструкции и 3D-печати для идентификации орудия травмы в случае черепно-мозгового повреждения. У 69-летней пострадавшей после краниотомии были удалены части черепа, что усложнило судебно-медицинский анализ. Исследователи использовали КТ-данные, чтобы создать 3D-модель черепа [3]. Напечатанная модель позволила сравнить переломы с предполагаемыми орудиями преступления. Последующий анализ показал, что только рукоятка металлической кочерги соответствовала форме повреждений, что помогло экспертам установить вероятное орудие преступления.
Simon, Poór и др. (2022) изучили применение 3D-печати для реконструкции колото-резаных ран. Для точного определения направления удара и характеристики орудия преступления исследователи использовали 3D-сканирование и печать ножей [4].

Beltran-Aroca и др. (2023) исследовали применение 3D-реконструкции ребер для судебной оценки возраста, сравнивая метод Iscan, основанный на анализе сухих костей, с его использованием на цифровых моделях. Результаты показали высокую корреляцию между возрастными фазами Iscan и реальным возрастом для сухих костей (ρ = 0,794-0,820) и несколько меньшую для 3D-изображений (ρ = 0,690-0,691). Метод оказался точным, но выявил погрешности: переоценку в ранних фазах и недооценку в поздних [5].

Vidakis и др. (2021) продолжили работу в этой сфере, воссоздав лицо Святого Евтихия Критского, используя КТ, 3D-моделирование и печать. Они добавили волосы и бороду, следуя византийской традиции, а затем сравнили полученный образ с православными иконами, подтвердив его достоверность. Финальный бюст был оцифрован для дальнейших исследований [1].

Frishons, Kislov, Leonov, и др. (2018) исследовали применение 3D-печати в судебной медицине для реконструкции черепно-лицевых повреждений, восстановления костных фрагментов и создания учебных пособий. Исследование сосредоточилось на возможности аддитивных технологий в восстановлении утраченных частей скелета, особенно при лицевых травмах и после забора костей для анализа [6]. Исследование показало, что 3D-модели облегчают судебно-медицинский анализ и делают доказательства более наглядными. Они позволяют избегать повреждения оригинальных останков и являются этически приемлемой альтернативой биологическим образцам, что особенно важно при подготовке судебных экспертов и долговременном хранении останков.

Byagathvalli и др. (2019) разработали 3D-Fuge — 3D-печатную центрифугу с ручным приводом для полевых исследований, ограниченных ресурсов лабораторий и образования. В отличие от дорогих лабораторных центрифуг, она не требует электропитания, оставаясь компактной и дешевой [7].

Исследование демонстрирует потенциал 3D-печати в создании доступных научных инструментов. 3D-Fuge показывает, как аддитивные технологии могут снижать барьеры в исследованиях, облегчая работу в отдаленных регионах и предоставляя недорогие решения для обучения.

Целью работы было обоснование целесообразности применения технологии цифрового моделирования и 3D-печати в сфере морфологии в целом и судебной медицины в частности с последующим изготовлением опытного образца гильотины для решения некоторых исследовательских проблем.

Материалы и методы исследования. Для проведения морфологических исследований, связанных с моделированием некоторых видов травм на лабораторных животных, коллективом авторов разработан проект с последующим созданием опытного образца. Гильотина состоит из нескольких частей: Основания, к которому крепятся направляющие для лезвия и задние балки устойчивости, крышки, соединяющей балки и направляющие сверху и части, несущей нож, движущейся по направляющим. В качестве секущего ножа используется микротомный нож. Роль направляющих и укрепляющих балок выполняет оцинкованный шток диаметром 16 мм. Режущая часть двигается по направляющим на линейных шариковых подшипниках.

Процесс изготовления состоял из 3-х этапов. Первым шагом стало снятие размеров. Измерялись металлические части будущей гильотины, а также самцы взрослых крыс. Фиксировалась длина от верхней апертуры грудной клетки до основания черепа и кончика носа, ширина шеи, а также общие размеры тела животного. Основываясь на полученные данные, в программе Autodeck Fusion 360 были спроектированы 3D-модели основания, крышки и режущей головки гильотины, которые затем были изготовлены при помощи 3D-печати. Производство 3D-моделей происходило по методу послойного наложения (FDM) на 2-х 3D-принтерах flying bear ghost-5. Материалом для печати выступил PLA пластик марки "Best Filament", высота слоя печати составила 0,28 мм, температура стола – 60°C, печатающей головки – 230°С. Плотность заполнения основания и крышки – 20 %, детали несущей нож – 100 %.

Результаты исследования. По итогу 3D-печати получены 5 пластиковых деталей конструкции общим весом не более 2-х кг – 3 из них относятся ко дну гильотины и по одной на крышку и подвижную режущую часть. Детали основания плотно стыкуются друг с другом за счет соединения вырезов и выступов в виде части шестиугольника. С передней и задней части основания и крышки находятся полые трубки – места крепления со штоками. Деталь крепления ножа к направляющим продолговатой формы, имеет вырез для плотного крепления ножа. Соединяется со скользящими подшипниками 4-мя винтами m4. Суммарное время производства составило 65 часов.

Свободный ход лезвия по направляющим составил 680 мм. В основании гильотины предусмотрены отверстия для каната, крепящегося к линейным подшипникам, что дает возможность утяжелять движущуюся часть за счет навешивания грузил.
В ходе исследовательских работ в области судебной медицины часто возникает потребность в специфическом оборудовании, недоступном в свободной продаже. Методы 3D-моделирования и 3D-печати позволяют производить инструменты и оборудование по индивидуальным запросам.

3D-печать имеет множество преимуществ на фоне других методов изготовления (токарное или ЧПУ-производство). Свойства воссозданных этим методом деталей могут варьироваться: начиная сложной формой, заканчивая разной плотностью, прочностью, и гибкостью итогового продукта. Кроме того, производство методом 3D-печати не требует больших денежных (средняя цена – 2,5 р/гр.), и временных затрат, а также вмешательства человека, т.к. процесс изготовления происходит автоматически.

Изготовленная гильотина – является ярким примером применения 3D-технологий в производстве специфического оборудования, не имеющего аналогов на рынке. Полученный продукт может иметь множество применений в области изучения смерти вследствие гильотинирования.

Кроме того, гильотина может оказаться полезной для умерщвления лабораторных животных. Отсечение головы от тела значительно упрощает посмертный сбор крови, за счёт отсечения шейных сосудов.

Заключение. Применение 3D-технологий в судебной медицине и анатомии открывает широкие перспективы, включая повышение точности экспертиз, улучшение визуализации доказательств и возможность создания уникального оборудования. 3D-печать позволяет изготавливать инструменты и модели, недоступные в традиционном производстве, что делает ее незаменимой в научных исследованиях и судебной практике. Представленный в работе пример изготовления гильотины иллюстрирует потенциал технологии для создания специализированных инструментов, что может быть полезно как в судебной медицине, так и в лабораторных исследованиях. Дальнейшее развитие 3D-печати и ее интеграция в судебную экспертизу и анатомические исследования позволят усовершенствовать методы анализа и повысить эффективность работы специалистов.

About the authors

Feodor Alekseyevich Fedoseev

Petrovsky Medical University "Petrovsky National Research Center of Surgery"

Author for correspondence.
Email: remol_dobronog@mail.ru
ORCID iD: 0009-0004-0316-4657

student

Russian Federation, 119991, Russia, Moscow, l. Abrikosovsky d.2

References

Supplementary files

There are no supplementary files to display.