3D-печать в медицине: репетиция хирургической операции на 3D-моделях повышает качество ее проведения

3D-печать в медицине: репетиция хирургической операции на 3D-моделях повышает качество ее проведения

26 Февраля 2018

3D-модели, копирующие органы пациента, помогают врачам планировать и репетировать ход операции еще перед входом в операционную. Благодаря таким моделям, врачи медицинских учреждений могут намного эффективнее проводить лечение.

3D-печать изменила проведение хирургических операций в больнице Университета Дьюка
3D-печать изменила проведение хирургических операций в больнице Университета Дьюка

Новейшие сервисы 3D-печати, доступные в клинике Университета Дьюка (Duke University), способны преобразовывать медицинские сканы в объемные модели органов, костей и других тканей конкретного пациента.

Печать 3D-модели тазобедренного сустава

В начале 2017 года 21-летняя женщина была направлена в ортопедическую клинику Университета Дьюка. У нее была диагностирована деформация бедра, которая проявлялась в острых болях в тазобедренном суставе. В свою очередь, это затрудняло ее передвижение, но не проявлялось в явно выраженной хромоте. Чтобы четко диагностировать проблему и выбрать наиболее оптимальное лечение, врачи обратились к необычному для медицины инструменту – технологии 3D-печати. В этом методе для создания точной трехмерной копии анатомии пациента используется цифровое изображение - в данном конкретном случае была использована магнитно-резонансная томография (МРТ) и компьютерная томография (КТ) таза пациентки.

Врачи начали с отправки результатов сканирования пациента специалистам в Duke Multi-Dimensional Imaging Lab, которые преобразовали в специальный цифровой формат полученные данные о тазобедренном суставе и сохранили в файл способный считываться 3D-принтерами. Затем, разработанный для печати файл отправился в подразделение Co-Lab Studio, где имеется более шестидесяти промышленных 3D-принтеров для различных назначений.

Для изготовления трехмерной формы была применена технология SLA (стереолитография), представляющая собой последовательное, послойное нанесение крошечных капелек пластиковых «чернил», застывающих превращающихся в готовые модели. Такие модели, выполненные по индивидуальным чертежам, помогают врачам больницы при Университете Дьюка и другим медицинским и исследовательским центам, планировать и практиковать операцию еще до ее начала в операционной. Причем, это можно сделать столько раз, сколько необходимо, для получения положительного результата при проведении операции.

Вначале наилучшим вариантом врачам показалось лечение и восстановление поврежденного тазобедренного сустава, поскольку пациентка находилась в достаточно молодом возрасте. Но после оценки состояния тазобедренного сустава, на основе выполненной методом 3D-печати модели, этот вариант был отвернут. Объёмная модель явно показала, что причина болей изнашивалась хрящевая ткань сустава. Таким образом, удалось выяснить, что вместо лечения тазобедренного сустава, пациентке требуется его замена эндопротезом.

Благодаря 3D-моделям, хирурги и ортопеды медицинских центров могут намного эффективнее проводить лечение. Прежде, чем взяться за скальпель, у специалиста есть время все хорошо обдумать и тщательно проанализировать, после чего спланировать оперативное вмешательство на 3D-моделях, если это действительно необходимо.

Стоит отметить, что это не первый случай применения 3D-печати в медицине. Аддитивные технологии успешно применялась уже более чем в двухстах операциях на бедре в больнице Университета Дьюка только лишь в 2017 году. Но в данном случае, именно трехмерная модель в натуральную величину, помогла врачам понять уникальную анатомию пациента лучше, чем они могли бы это сделать, полагаясь исключительно на данные МРТ или КТ, просматриваемые на плоском экране.

В результате, проводившие операцию хирурги, смогли спланировать ее с миллиметровой точностью, в том числе точно определить места, в которых необходимо было делать разрезы и размещать имплантаты. Такой подход сократил время на выбор мест для хирургического вмешательства и проведения операции непосредственно в операционной.

Для справки:

В мировой практике трехмерная печать начала широко использоваться в медицине с начала 2000-х годов. Эта технология была впервые использована для изготовления зубных коронок и зубных протезов, а также при протезировании конечностей с индивидуальной подгонкой протеза под конкретного пациента, изготовления слуховых аппаратов с индивидуальными ушными вкладышами и других устройств, где стандартные размеры зачастую не подходят.

Печать 3D-модели сердечного клапана

У исследователей из Университета Дьюка, как и у специалистов, работающих в других странах, уже есть опыт использования 3D-печатных грудей, сердец, менисков колена, ушей и других мягких тканей, некоторые из которых призваны имитировать ощущение настоящего органа.

Так хирургии и кардиологи используют 3D-печать для изготовления гибкой модели, повторяющей анатомию аорты, в надежде избежать возможных осложнений при проведении одной из востребованных кардиологических процедур. Одна из насущных проблем в кардиологии, заключается в том, что многие из пациентов страдают от заболевания, называемого аортальным стенозом (Aortic Stenosis) - сужением с возрастом отверстия в аортальном клапане вследствие сращения его створок, в результате чего он больше не может полностью открываться. Часто это происходит из-за отложения кальция, что приводит к сужению клапана и постепенному сокращению потока крови, передающегося от сердца к остальным частям тела. Как результат, десятки тысяч американцев в возрасте старше 65 лет ежегодно госпитализируются из-за этой проблемы, вызывающую одышку, боль в груди, усталость и обмороки.

Врач показывает напечатанный трехмерный сердечный клапан
Врач показывает напечатанный трехмерный сердечный клапан

В течение многих лет стандартная процедура заключалась в замене клапана, которая проводилась путем проведения операции на открытом сердце. Но более новая процедура, называемая транскатетерное протезирование аортального клапана, или TAVR (ranscatheter aortic valve replacement), использует катетер для замены сердечного клапана вместо вскрытия грудной клетки пациента и удаления пришедшего в негодность аортального клапана.

Новый клапан в сложенной форме, просовывают через маленькую трубку, которую обычно вводят через кровеносный сосуд на ноге. После чего, он, дойдя до сердца, раскрывается как зонтик, отталкивая старый клапан и вклиниваясь на его место. Поскольку такая процедура не подразумевает хирургического вмешательства, замена клапана сердца с помощью TAVR является менее инвазивной альтернативой с более коротким временем ремиссии для пациентов, особенно для тех, которые слишком ослаблены или больны, чтобы выдержать операцию на открытом сердце.

Модель закальцинированного сердечного клапана была создана с использованием 3D-принтера
Модель закальцинированного сердечного клапана была создана с использованием 3D-принтера

Без прямого доступа к сердцу пациента, сложная анатомия аорты, в точке, где она прикрепляется к сердцу и неравномерная картина отложений кальция на клапане, может затруднить предсказание того, как новый клапан разместится, когда он окажется на месте. Иногда возникают случаи, когда новые клапаны после их установки дают небольшую течь по краям. Для решения этой проблемы было решено использовать 3D-модели, которые могут помочь проверить и выбрать подходящие сменные клапаны, а также определить потенциальные места утечки еще до того, как они произойдут в ходе операции. С этой целью, врачи клиники скооперировалась с группой специалистов по 3D-печати Co-Lab Studio. Мягкие ткани были напечатаны с использованием гибкого материала, а отложения кальция с использованием более жесткого.

В качестве первого шага 3D-печатные модели со стандартными сменными клапанами устанавливали в модели аорты, затем для того, чтобы предсказать, у каких пациентов могут возникнуть проблемы утечки, использовали подсветку направленным светом. Цель, этой работы состояла в том, чтобы помочь врачам лучше визуализировать, то, как новый клапан поместится внутри сердца пациента и где его разместить, чтобы обеспечить надлежащую герметизацию места его установки. Этот метод действительно позволяет организовать индивидуальный подход и лечение для каждого отдельного пациента, что в свою очередь дает бесценный опыт для будущих операций.

Стоит отметить, что медицинские центры России также перенимают опыт зарубежных коллег по внедрению современных технологий 3D-печати. Активно содействует им в этом компания «Диполь», поставляя промышленное печатное оборудование производства SHINING 3D. Специалистам медицинской отрасли стоит изучить возможности технологии SLA и купить промышленный 3D-принтер модели iSLA-350, для предоперационного планирования, а также для быстрого и недорогого создания хирургических шаблонов из пластика, помогающих более точно провести хирургические операции.