3D принтер в медицине — применение в ортопедической онкологии, хирургии и кардиологии

Первый 3D принтер был произведен в начале девяностых годов. Однако, применение технологий трехмерной печати в медицине стало развиваться лишь в последние несколько лет, что позволило значительно расширить возможности современных методов лечения.

Научно-исследовательский проект по применению трехмерной печати в медицине осуществляется при участии Imperial College London, который находится в Южном Кенсингтоне и специализируется в науке, медицине и инженерии.

Прогресс не стоит на месте и израильская медицина всегда находится на передовой, активно внедряя новейшие технологии в клиническую практику. Крупнейшие больницы Израиля уже успешно используют 3D принтер и технологию 3D печати в таких медицинских областях, как онкологическая ортопедия, ортопедическая хирургия и кардиология.

Отметим, что больница Ихилов-Сураски (Тель-Авив) занимает лидирующую позицию в сфере онкологической ортопедии.

В этой больнице внедрение проекта по использованию 3D печати финансирует некоммерческая организация «Хаи́м», что в переводе означает — Жизнь. Главная миссия организации – помощь детям с онкологическими заболеваниями.

Какую же практическую пользу приносит трехмерное моделирование в ортопедической онкологии, хирургии и кардиологии?

Перед хирургом стоит важная задача — определить точные границы резекции при иссечении раковой опухоли. Большой процент пациентов с онкологическими заболеваниями кости составляют дети, у которых скелет еще сформирован не полностью и продолжает развиваться. При проведении операции раковые клетки необходимо удалить полностью, тем самым предотвратив рецидивы их появления. Но если злокачественное образование прилегает достаточно плотно к зоне роста, то есть риск при удалении опухоли захватить и здоровые ткани, что повредит дальнейшему развитию конечности и суставной подвижности.

Именно процедура 3D моделирования дает уникальную возможность произвести тренировку на муляже и в мелких деталях спланировать ход самой операции. Хирург точно может спрогнозировать границы удаления новообразования, а также возможные осложнения, связанные с нервными окончаниями и кровеносными сосудами, находящимися в опасной близости с опухолью.

Как это работает?

В специальной компьютерной программе изображения КТ или МРТ конвертируются из 2D в 3D формат. На этой стадии хирург обозначает предполагаемые разрезы, и в соответствии с ними программа моделирует вспомогательный хирургический инструментарий (PSI — Patient Specific Instrument), предназначенный для каждого конкретного случая, а значит спроектированный с учетом всех особенностей поверхности кости.

Затем начинается процесс создания тренировочной модели кости, пораженной опухолью. Принтер комплектует массу из особого материала, для изготовления трехмерного объекта. По мере заполнения камеры принтера композитным материалом, принтерная ось распределяет массу в нужном объеме и формирует слой за слоем, прокладывая каждый из них клеевой основой. PSI также распечатывается и используется врачами при проведении операции в качестве инструмента, максимально точно обозначающего границы раковой опухоли.Но и это еще не все. После проведения операции и удаления опухоли неизбежны пустоты в кости. Обычно их заполняют традиционными костными или стальными имплантатами. Больница Ихилов пошла дальше и успешно налаживает производство имплантатов под размеры и характеристики каждого пациента индивидуально. Это стало возможным благодаря 3D моделированию и 3D печати из специальных металлов или современных био-материалов.

Прогрессивная технология 3D печати применяется также в общей ортопедической хирургии – при сложных переломах и реконструкции, или при эндопротезировании суставов, когда поврежденный сустав заменяется на новый, произведенный с помощью 3D принтера. Реабилитация пациентов после таких операций занимает меньше времени и проходит гораздо легче для них.

На сегодняшний день израильские врачи-кардиологи успешно используют 3D принтер для диагностики и принятия важнейших решений, от которых зависит жизнь и здоровье пациентов.

Вот, к примеру, такой важный орган, как сердечный клапан. Он заставляет двигаться кровь в нужном направлении и препятствует её обратному движению. Если работа сердечного клапана нарушена, то возникает проблемы с притоком крови. Нарушения работы сердечного клапана чаще всего обнаруживаются у людей преклонного возраста, что обусловлено износом организма в целом, в результате чего увеличивается нагрузка на сердце. Также бывает врожденный порок сердца, или приобретенный в результате поражающих сердечно-сосудистую систему инфекционных болезней.

Трехмерная печать сердечных клапанов помогает выбрать имплантат с нужными характеристиками. Изучение распечатанной 3D модели помогает врачам определить метод проведения операции по протезированию сердечного клапана либо закрытым доступом, либо на открытом сердце. Это особенно важно для пациентов в критическом состоянии и для детей с врожденными пороками сердца. Если в недавнем времени для лечения детей от врождённых пороков требовалось осуществить три-четыре операции на открытом сердце, то внедрение 3D-печати позволило сократить количество операций до двух или одного раза. Бывает, что какой-то из клапанов не закрывается до конца и остается отверстие, которого быть не должно. Это отверстие иногда сложно (или невозможно) увидеть с помощью стандартного двухмерного изображения. Технология распечатки 3D модели помогает обнаружить место подтекания сердечного клапана.

Будущее за 3D печатью из биологических материалов, которые заменят донорские органы при пересадке. Сейчас это уже не кажется фантастикой. Ученые проводят уникальные эксперименты, цель которых – произвести революцию в трансплантации органов, добиться полной совместимости и избежать отторжения трансплантата. Например, ученым из частного исследовательского института Wake Forest University удалось вырастить образцы печеночной ткани, которые живут в чашках Петри. Через пару лет биоинженерами этого института были созданы искусственные яичники, способные вырабатывать половые гормоны.
Возможно, через пару десятков лет медицина с помощью трехмерной печати сможет создавать полноценные живые органы для пересадки из собственных клеток пациента.