Drukowane personalizowane modele wątroby w planowaniu przedoperacyjnym

Druk 3D daje wiele korzyści w dziedzinie medycyny. Jednak ze względu na wysokie ceny drukarek klasy przemysłowej, nie wspominając o trudnym do zdobycia oprogramowaniu, nie jest powszechnie stosowany. Wraz z zespołem naukowców z Uniwersytetu Jagiellońskiego, Jan Witowski odkrył sposób na tworzenie modeli ludzkiej wątroby używanych przed złożonymi operacjami za pomocą drukarki desktopowej.

Modele organów uzyskane przed operacją są szczególnie przydatne w sytuacjach wymagających dokładnej anatomicznej wizualizacji. Uznane są za dużo lepsze od standardowych technik obrazowania i oferują wiele korzyści dla pacjenta takich jak krótszy czas operacji i regeneracji, zmniejszone ryzyko dużej utraty krwi oraz bardziej precyzyjne marginesy nacięć.

Wyzwania przed którymi stają lekarze

Podczas przeprowadzania laparoskopowego wycięcia wątroby ważne jest aby móc zobaczyć gdzie znajduje się guz oraz jak ułożone są pobliskie naczynia. Zmniejsza to ryzyko nadmiernej utraty kwi podczas zabiegu.

Jest to zabieg mało inwazyjny, a chirurdzy chętnie odkrywają nowe sposoby na jeszcze lepsze przygotowanie do operacji. Jednakże w oparciu o ostatni przegląd piśmiennictwa znaleziono jedynie 10 przypadków użycia druku 3D jako części procesu przygotowawczego przed operacją. Nasuwa się pytanie – co dokładnie odstrasza chirurgów od stosowania tej metody?

Jak tłumaczy J. Witowski w swoim tekście, standardowym czynnikiem powodującym brak możliwości korzystania przez chirurgów z technologii druku 3D jest jej koszt. Drukarki klasy przemysłowej kosztują ponad 200.000 $, co więcej personel medyczny nie posiada wystarczającej liczby osób w załodze umiejącej obsługiwać tego rodzaju sprzęt. Do niedawna większość modeli wątroby była wykonywana w technologii Polyjet / Multijet, której koszt wynosił od 5.000 $ za model.

Kolejną kwestią jest czas jaki potrzebny jest przy wydrukach wykonywanych na przemysłowych drukarkach. Aby wykonać precyzyjny model na drukarce przemysłowej, potrzeba około 4-7 dni. Outsourcing trwa jeszcze dłużej.

Witowski podkreślił także, że technologia SLA i SLS nie jest skuteczna z uwagi na utracenie zdolności wizualizacji miąższu (parenchyma; zewnętrznego kształtu wątroby). Postanowił więc zaproponować alternatywę w postaci drukarki FDM i silikonu – redukując tym samym produkcję do ułamka poprzedniej ceny, jednocześnie zachowując wszystkie szczegóły niezbędne do prawidłowej diagnostyki.

Drukarka Ultimaker – tworzenie modelu wątroby

Drukowanie modelu wątroby za pomocą technologi 3D i użyciu drukarki desktopowej zmniejsza całkowity czas procesu do około 60-100 godzin. Jest to także znacznie tańsze. Witowski wytłumaczył to na przykładzie jednego z pacjentów.

52-letnia pacjentka przeszła laparoskopowe wycięcie jelita grubego, następnie po 2 latach została poddana laparoskopowej hemihepatektomii zaraz bo wykryciu na tomografii komputerowej przerzutów.
Tomograf pacjentki został wykorzystany do stworzenia wizualizacji struktur anatomicznych, a następnie wirtualne modele przekształcono w plik STL i wydrukowano w technologii 3D. W tym celu Witowski wykorzystał Blendera, Meshmixera i Ultimaker CURA oraz drukarkę Ultimaker 2+.

Tworzenie modelu

Tworzenie modelu składa się z 4 kluczowych etapów: podziału obiektów, przetworzeniu modelu do standardowego komputerowego pliku, obróbka pliku i wydruk a na końcu montaż i utwardzenie silikonem. Całkowity czas drukowania zajmuje od 60 do 100 godzin w zależności od rozmiaru modelu, liczby obiektów, dokładności drukowania i rodzaju używanej drukarki. W tym przypadku wydruk trwał łącznie 72 godziny i był wykonany w 6 częściach z powodu konieczności zmiany materiałów.

Post-processing stanowił ważny element w celu zmaksymalizowania zarówno gładkości jak i przejrzystości wydruku. Model został oszlifowany papierem ściernym o gramaturze od 100 do 300, następnie przemyty wodą i osuszony. W następnej kolejności obiekt pokryto XTC-3D, żywicą samopoziomującą i pozostawiono do utwardzenia na około 3 godziny. Proces ten należało powtórzyć aby uzyskać wystarczająco gładką powierzchnię potrzebną do odlania silikonu.

Takim sposobem uzyskano wielowarstwowe struktury, które następnie sklejono ze sobą za pomocą kleju opartego na cyjanoakrylanie i zabezpieczono taśmą izolacyjną oraz plasteliną by zapobiec wyciekom silikonu podczas tworzenia odlewu.

Efekty

Dzięki drukarce Ultimaker, Witowski stworzył przejrzysty, pełnowymiarowy model wątroby wraz z widocznymi naczyniami i przerzutami za mniej niż 150 $. Osiągnął to dzięki kombinacji modeli 3D i form do odlewów z silikonem.

Desktopowe drukarki 3D, takie jak Ultimaker mogą być bez problemu umieszczane w szpitalach gdzie będą wytwarzać modele anatomiczne pacjentów w ciągu kilku godzin lub dni. Daje to szansę chirurgom na dotknięcie modelu co czyni proces planowania operacji jeszcze bardziej precyzyjnym.

„Wybrałem Ultimakera ze względu na jego niezawodność. Potrzebuję sprzętu, który mnie nie zawiedzie gdy przez kilka dni z rzędu będę miał do przygotowania wydruki na ponad 20 godzin każdy. Wierzę, że używanie tego typu drukarek 3D to ogromny krok w kierunku zindywidualizowanej medycyny. Na pewno będę kontynuować pracę na Ultimakerze, szczególnie w przypadku dużych projektów gdzie muszę zapewnić rezultaty na czas.”

Czas i koszty

Koszt wykonania modeli za pomocą tradycyjnych technik szacuje się na około 1.000 $ za model wątroby i 500 $ za model nerki.

Koszty pracy oraz te związane z samą drukarką 3D zostały całkowicie zredukowane ponieważ Witowski nie potrzebował dodatkowego personelu (ekspertów, techników, grafików komputerowych itd.) do stworzenia właściwego modelu.

Dzięki metodzie FDM model wątroby pacjentki powstał w ciągu 5 dni. Wówczas chirurdzy mogli zwizualizować sobie chory organ co pomogło im przy tworzeniu planu operacyjnego.

Szerokie zastosowanie

Poprzez wprowadzenie technologii druku 3D w działach chirurgii naczyniowej, kardiologicznej i urologii, Uniwersytet Jagieloński stał się największym ośrodkiem badań w Polsce gdzie szkolą się lekarze z całego kraju. Jan i jego zespół wykazali, że druk 3D to nie tylko trend ale także prawdziwa pomoc medyczna. Dział jest podekscytowany pracą przy technologii FDM jednocześnie wykorzystując jej szerokie możliwości. Poradnictwo chirurgiczne, szkolenie dla studentów medycyny oraz modele demonstracyjne dla pacjentów zapewniają lekarzom i pacjentom lepsze zrozumienie zagadnienia.

Ostatnio Jan i jego zespół wydrukowali model tętnic płucnych dla kardiologów w Otwocku, używanych do balonowej angioplastyki płucnej – techniki rozszerzania wąskich lub zatkanych tętnic i żył. Raporty wykazują, że przy użyciu tych modeli skrócono czas operacji, ulepszono jej przebieg oraz przyczyniły się do lepszego zaplanowania zabiegu.

To prawdopodobnie tylko kwestia czasu zanim praktyki medyczne zaczną stosować technologię druku 3D na szersza skalę i czerpać z tego wymierne korzyści.

Zapraszamy także do zapoznania się z materiałem wideo przygotowanym przez reporterów programu TVN UWAGA!