Аддитивные технологии в медицине: как снизить риски для здоровья пациентов
В XXI веке в медицине реализовались многие научные идеи, которые когда-то казались фантастикой, — например, роботохирургия или бионические конечности. Немалая заслуга в недавних успехах медицины принадлежит аддитивным технологиям. Сегодня на 3D-принтере изготавливают модели частей тела и протезы, а в обозримом будущем обычной практикой станет 3D-печать искусственных органов и лекарств.
По данным отчета Wohlers Report 2018, сфера здравоохранения занимает 11,3% мирового рынка аддитивного производства. Согласно исследованию компании Market Research Future (MRFR), совокупные темпы годового роста глобального рынка 3D-печати медицинских устройств в 2018–2023 годах оцениваются в 18%.
Один из ключевых факторов в медицине — точность, ведь малейшая ошибка в расчетах может иметь фатальные последствия. И здесь 3D-печать подходит как нельзя лучше, ведь главные преимущества этой технологии — свобода проектирования и высокая точность при создании конечных продуктов. По сравнению с традиционными методами, возможность печати уникальных единичных или мелкосерийных изделий со сложной геометрией открывает путь к более быстрому и экономичному производству.
Фото: Materialise
Преимущества аддитивных технологий для медицины
3D-технологии имеют бесспорные преимущества:
Высокая точность, позволяющая учесть индивидуальные особенности человека.
Возможность создания конструкций любой сложности.
Облегчение веса напечатанных изделий.
Сокращение сроков производства (в том числе за счет отсутствия оснастки), и как следствие — ускорение оказания медицинской помощи.
Экономия трудовых и материальных ресурсов.
Снижение себестоимости изделий.
Большой выбор инновационных материалов.
Благодаря этим особенностям оборудование можно использовать как в специализированных клиниках, так и в обычных государственных учреждениях.
»Можно сделать индивидуальный протез для каждого конкретного пациента, — говорит Павел Вопиловский, директор НТК «Машиностроительные технологии» СПбПУ Петра Великого, — это наиболее значимый фактор в использовании именно этой технологии (3D-печати — ред.) для медицины. Нет двух одинаковых человек, и, даже если взять тазобедренный сустав, справа и слева, это будут разные кости».
Что можно напечатать на 3D-принтере, чтобы повысить эффективность лечения
Практикуется печать следующих изделий:
макеты органов, тканей и костей при планировании операций;
протезы, имплантаты, хирургические шаблоны в хирургии и стоматологии;
ортопедические стельки, корсеты и другие ортезы;
слуховые аппараты;
мастер-модели для медицинских изделий;
прототипы корпусов медицинских приборов;
продукция медицинской косметологии.
Такой обширный перечень позволяет ускорить и упростить процесс изготовления жизненно важных вещей для пациентов.
3D-сканирование и программное обеспечение в медицине
Медицинское ПО Materialise Mimics позволяет создавать анатомически точные 3D-модели / Фото: Materialise
С помощью 3D-сканера можно за считаные минуты получить точную трехмерную модель нужного объекта (кости, стоматологического слепка и т.д.), затем обработать полученные данные в специальном программном обеспечении и напечатать модель или готовое изделие на 3D-принтере, либо изготовить его традиционным способом. При этом отпадает необходимость хранить слепки и образцы — все 3D-модели сохраняются в цифровом архиве. При необходимости их можно оперативно откорректировать и переслать по интернету коллегам в любую точку Земного шара.
Планирование успешной операции с помощью точных макетов
Создание точных 3D-моделей костей, частей тела, тканей или органов позволяет провести наглядную демонстрацию патологий в масштабе 1:1. Врач может точно оценить размер патологии и расположение прилегающих тканей перед началом операции. В случае пересадки трехмерные модели помогают разработать подробные и индивидуальные планы операций и подобрать точно подходящие органы.
Типичный пример 3D-печати в медицине: предоперационный макет из фотополимера, изготовленный в нашем демозале на принтере ProtoFab / Фото: iQB Technologies
Детализированная модель, напечатанная на 3D-принтере, и ее анатомически оптимальное положение помогают хирургу при сверке на всех ключевых этапах операции. Точное позиционирование патологии и кровеносных сосудов в режиме реального времени дает возможность повысить эффективность операции и снизить риски.
Изменение напечатанных анатомических моделей в соответствии с фактическим состоянием органов — один из важнейших методов применения 3D-технологий. Такая возможность не только экономит ценное время хирургов, но и повышает точность прогнозирования болезней.
Печать макетов, моделей и прототипов из пластиков
Создание кастомизированных стелек с помощью 3D-принтера Sharebot Q, который помог достичь великолепных результатов со сложными в использовании гибкими эластомерами
Производительное и экономичное решение для создания предоперационных макетов и моделей медицинских изделий — 3D-печать из пластиков. Существует несколько технологий пластиковой печати, в том числе моделирование методом послойного наплавления (FDM), лазерная стереолитография (SLA), селективное лазерное спекание (SLS). Первая из них использует в качестве расходного материала термопластиковую нить или гранулы, вторая — фотополимерную смолу, третья — полиамидные или модифицированные порошки.
FDM-, SLA- или SLS-принтер станет выгодным решением для предприятий, выпускающих медицинскую технику: быстрое прототипирование корпусов приборов с помощью аддитивных технологий в несколько раз ускоряет процесс разработки продукта.
Процесс 3D-печати в медицине
Создание печатного продукта происходит в несколько этапов:
Сбор данных пациента с использованием различных технологий (КТ, МРТ, УЗИ, ПЭТ, 3D-сканирование).
По результатам исследований выбирается целевая область и создается 3D-модель в программном обеспечении.
На базе созданной 3D-модели печатается точная копия объекта.
На напечатанной модели моделируется хирургическая операция.
3D-печать протезов и имплантатов из металла
Для изготовления протезов и имплантатов используются разные технологии и материалы — от пластиков до металлов. 3D-печать металлами позволяет создать изделие с заданной сложной геометрией, идеально подходящее конкретному пациенту. Топологическая оптимизация решает такие важные для протезирования задачи, как:
создание цельнометаллической конструкции любой необходимой формы;
облегчение веса протеза;
повышение прочности изделий за счет микроскопических полостей, которые обеспечивают миграцию собственных клеток костной тканей больного;
создание протезов с пористой структурой, способствующей более быстрому вживлению.
Благодаря индивидуальному протезу тазобедренного сустава пациент смог вернуться к нормальной жизни / Фото: Materialise
3D-печать из металлических сплавов (в первую очередь — титановых) используется при протезировании костей челюстно-лицевой области, межпозвоночных дисков, ключиц, коленных суставов, лопаток, тазобедренных костей. В стоматологии эти материалы применяются для изготовления цельных имплантатов, а также металлических основ коронок и мостов из титана, кобальт-хрома и других сплавов.
Наиболее важными особенностями протезов, созданных с помощью 3D-печати металлами, являются идеальная точность их соединения с телом и отсутствие реакции отторжения. Создание протезов на 3D-принтере обходится дешевле и требует меньше времени.
Примеры применения на практике
Реконструкция дефекта скуловой кости по SLM-технологии
Восстановление обширного дефекта скуловой кости — сложная хирургическая операция, в ходе которой необходимо сделать лицо пациента симметричным, пропорциональным и анатомически естественным. 43-летний мужчина обратился в отделение с тяжелым дефектом левой средней зоны лица, который он получил 6 годами ранее в результате автомобильной аварии. Поврежденная кость была восстановлена с помощью индивидуального титанового имплантата, напечатанного на аддитивной установке SLM Solutions. Спроектированный на компьютере имплантат обладал идеальной геометрией, а операция по его установке прошла именно так, как было запланировано. Наблюдение за пациентом в течение следующего года не выявило никаких осложнений.
Результаты применения 3D-технологий:
отличная биосовместимость и интеграция биоимплантата в ткани;
уменьшение веса титанового изделия за счет создания его полой версии;
ускоренная интеграция благодаря наполнению имплантата материалом, взятым из подвздошной кости пациента;
готовое изделие идеально подошло к поврежденному участку и не требовало подгонки во время операции;
полное отсутствие осложнений и побочных эффектов после установки имплантата.
Получение таких результатов дала надежду на успешное использование аддитивных установок при хирургических операциях.
Как создавалась точная модель позвоночника и трахеи
Своим практическим опытом применения 3D-печати в медицине делятся специалисты компании ProtoFab, производящей широкий ассортимент SLA-принтеров и материалов. Представители Третьей больницы Пекинского университета обратились в ProtoFab с просьбой создать точную трехмерную модель позвоночника и трахеи пациента для подготовки к предстоящей операции. Вызванные заболеванием осложнения не позволяли хирургу ввести трубку в трахею для выполнения операции. Врачам требовалась модель, с помощью которой они могли бы практически оценить различные способы решения этой проблемы.
Данные компьютерной и магнитно-резонансной томографии были импортированы в специализированное медицинское программное обеспечение, позволяющее преобразовывать все эти данные в 3D-модель. Используя это ПО, специалисты ProtoFab смогли увидеть проблемные области трахеи пациента.
На следующем этапе нужно было непосредственно выполнить 3D-печать. Такие медицинские проекты требуют создания исключительно точной копии с предельным уровнем детализации. Однако стереолитографическая 3D-печать может легко справиться с такими сложными формами и структурами, и опытные инженеры ProtoFab смогли идеально точно воспроизвести все до последней детали. Напечатанная на 3D-принтере модель позволила врачам провести перед операцией анализ абсолютно точной копии трахеи и прилегающей области и принять подготовительные меры, которые в противном случае были бы невозможны.
Изготовление протезов с помощью 3D-технологий
Команде исследователей из Chabloz Orthopédie (Франция) удалось создать уникальный и по-настоящему революционный протез. Компания работала с Дени Готье, у которого было ампутировано предплечье. Сначала специалисты провели 3D-сканирование здоровой руки пациента с помощью сканера peel 3d, чтобы получить ее зеркальное отображение. Это было сделано для того, чтобы спроектированное изделие идеально повторяло пропорции здоровой конечности. Оставшаяся часть ампутированной руки также была отсканирована для достижения удобной и эргономичной посадки протеза.
Дени Готье с готовым протезом
Далее команда приступила к проектированию CAD-модели и разработке миоэлектрического протеза. Аккумуляторы, кабели датчиков и искусственная кисть были интегрированы с изготовленным предплечьем. Сам протез был разработан в САПР и напечатан на 3D-принтере. Для печати различных компонентов предплечья использовалась технология HP Jet Fusion. После изготовления все детали прошли финишную обработку и были покрашены.
Использование 3D-сканирования и 3D-печати гарантирует не только правильную посадку приспособления, но и дает полную свободу движений. Новый подход к проектированию протезов позволяет профессионалам разрабатывать решения, обладающие небольшим весом и легко кастомизируемые. Вам известно, что созданные на 3D-принтере детали на 20% легче, чем их аналоги из углеродного или стекловолокна? Такие изделия обладают еще и необходимой жесткостью, твердостью и долговечностью.
Позже этот инновационный протез совместили с кистью BeBionic, одной из самых продвинутых бионических конечностей, и по индивидуальным параметрам были изготовлены ультрасовременные миоэлектрические предплечье и кисть. Случай Готье — отличный пример инновационного использования технологий 3D-измерений и 3D-печати.
Протезирование тазобедренного сустава
Институт травматологии и ортопедии им. Р.Р. Вредена совместно с ЛЭТИ (Санкт-Петербург) провели работу по созданию и 3D-печати протеза тазобедренного сустава из титана. На основе КТ был создан пластиковый макет кости. Следующий этап — проектирование имплантата и корректировки по его позиционированию на кость. Затем, после того как врачи провели планирование операции на макете, протез был напечатан на 3D-принтере. Пациент, у которого в результате травмы был практически разрушен тазобедренный сустав, встал на ноги.
Печать роговицы глаза
В 2018 году британские ученые впервые смогли напечатать роговицу на 3D принтере. Теперь они могут использовать объёмную печать при изготовлении роговицы глаза из стромальных клеток. Они также создали специальные биочернила, которые состоят их клеток стромы роговицы живого донора. Также в состав входит коллаген и альгинаты. Белок составляет основу. Поместив полученное вещество в принтер, за 10 минут была напечатала здоровая роговица, которая была жизнеспособна больше недели.
Эта разработка очень важна для всего мира, так как эта часть глаза в любой момент может пострадать от ожога, инфекции или травмы. Миллионы человеку по всему миру нуждаются в пересадке, и не могут себе её позволить, так как настоящего донорского материала не хватает.
Технология нуждается в клинических испытаниях, но надежда на массовую печать роговицы глаза существует.
3D-печать моделей сосудов
Модели кровеносного сосуда и аневризмы / Фото: ProtoFab
Важнейшую роль для полноценной эмболизации внутричерепной аневризмы играют устойчивое положение микрокатетера и его оптимальная форма. С помощью 3D-принтера можно напечатать модели кровеносного сосуда и аневризмы, которые помогут хирургу лучше понять анатомическую структуру. Правильная формовка микрокатетера при внутричерепной аневризме — сложный процесс, и врачам, которые в первый раз сталкиваются с данной методикой, необходимо длительное обучение. Для наглядной демонстрации кровеносных сосудов и аневризмы можно использовать модель, напечатанную на 3D-принтере в натуральную величину.
Напечатанные на 3D-принтере модели для систем моделирования операций реалистично отображают сложную систему кровеносных сосудов / Фото: ProtoFab
В сравнении с моделями сосудов из ABS-пластика силиконовые модели более точно соответствуют кровеносным сосудам человека. 3D-печать позволяет «скопировать» сложную геометрию сердца пациентов с цереброваскулярными болезнями и мгновенно передать сведения в ПО.
Напечатанный хирургический шаблон / Фото: ProtoFab
Аддитивное производство шаблонов
Традиционно для планирования остеотомии используются рентгеновские снимки. Однако на двухмерных снимках не отражается фактическое состояние костей. В связи с этим 60% операций не дают положительный результат. Решить данную проблему помогут 3D-шаблоны, напечатанные компанией Materialise. Производство таких шаблонов не требует больших затрат, и они доступны всем пациентам.
26 октября 2019 года iQB Technologies и наш партнер TWIZE приняли участие в медицинской конференции «Живая артроскопическая хирургия тазобедренного сустава» в Государственной клинической больнице имени В.М. Буянова. Мы представили предоперационные макеты, напечатанные на фотополимерном 3D-принтере ProtoFab на основе данных компьютерной томографии.
Актуальность 3D-моделирования в будущем
Благодаря инновациям, о которых мы рассказали в этой статье, удается повысить надежность операций, сэкономить время, снизить производственные расходы и стоимость конечных изделий, а главное — улучшить и продлить жизнь пациентов.
В последние годы уделяется все большее внимание 3D-печати в медицине и ее преимуществам — высокой точности, производительности и возможностям кастомизации. Наряду с совершенствованием 3D-оборудования ведется активная работа по созданию новых материалов для медицины. С помощью аддитивных технологий можно будет, к примеру, напрямую печатать изделия из керамики, а также создавать цельные зубные протезы, включая зубы и десны, из биосовместимых материалов.
В 2019 году израильские ученые впервые создали на 3D-принтере человеческое сердце с кровеносными сосудами и клеткам. Сделано оно было в миниатюре, но, по словам исследователей, для печати сердца обычного размера может быть использована та же самая технология. Напечатанный орган состоит из жировых клеток пациента, которые были преобразованы в стволовые клетки сердечно-сосудистой мышцы, а затем смешаны с соединительной тканью и помещены в 3D-принтер / Фото: jta.org
Направление современной медицины, с которым связывают прорыв в лечении болезней и патологий в обозримом будущем, — 3D-печать тканей, кровеносных сосудов и органов, или 3D-биопринтинг. Ведущие научные и медицинские центры разрабатывают новые технологии и проводят клинические исследования в этой области.
Достижения аддитивных и биомедицинских технологий будут способствовать развитию бионического моделирования и 3D-печати тканей и органов, что позволит сохранить здоровье и спасти жизни огромному числу людей.
Помощь IT-индустрии в период пандемии коронавируса
Множество компаний поддерживают медицинские учреждения в период пандемии COVID-19. Поставщики медицинского оборудования не справляются с нагрузкой, особенно это связано с защитными средствами (респираторы, маски, экраны). Во всем мире 3D-печать стала оказывать реальную помощь, выражающуюся в производстве прототипа клапана, который устанавливается в респиратор. Поставщик Lonati SPA в Италии смог напечатать клапан из PA12. Производительность составляла от 100 штук в сутки, а цена была минимальная.
В Великобритании многие производители перестроились на изготовление оборудования для вентиляции легких. Одна из компаний изготавливала детали из металлов и полимеров, которые помогли в производстве зажимов, креплений и корпусов. Благодаря технологии лазерного спекания можно производить одновременно десятки деталей, не требующих обработки.
Компанией ProtoFab была разработана защитная маска из мягкого полипропилена высокого качества. Она имеет особую конструкцию, которая разделяет дыхание через рот и нос, удобна в использовании и устойчива к любой температуре. Благодаря сменным фильтрам маска прослужит долго.
В нашем блоге мы продолжим знакомить вас с темой внедрения 3D-печати в медицине. Следите за публикациями!
