Modele medyczne drukowane w 3D - stan techniki w 2021 roku

Modele medyczne drukowane w 3D - stan techniki w 2021 roku

Wyjaśnienie operacji lub planowanie jej przy użyciu wydrukowanego w 3D modelu, odpowiadającego unikalnej anatomii pacjenta, drastycznie obniża koszty szpitala, jednocześnie poprawiając opiekę nad pacjentem.

 

Generowane na podstawie skanów pacjentów i potwierdzane przez wyszkolonych radiologów i radiologów, naturalnej wielkości i niezwykle dokładne modele medyczne drukowane w 3D mają wiele zalet, w porównaniu z tradycyjnymi modelami lub obrazami 3D. Badanie z 2021 roku, w którym dokonano przeglądu wszystkich dotychczasowych badań nad drukowaniem 3D w warunkach medycznych, wykazało, że 82% odnotowało lepsze wyniki chirurgiczne, gdy zastosowano modele drukowane w 3D, a ponad 50% badań w przeglądzie wykazało skrócenie czasu trwania operacji. 

Od rzadkich guzów, po złożone złamania kości, drukowane w 3D modele medyczne dla konkretnego pacjenta, poprawiają jakość i bezpieczeństwo zabiegów chirurgicznych, umożliwiając lekarzom planowanie, a nawet ćwiczenie różnych podejść, a także rozmiaru lub wstępnie dopasowanego sprzętu medycznego. Oszczędność czasu na sali operacyjnej zmniejsza prawdopodobieństwo wykonania dodatkowych zabiegów i jak wykazano, poprawia wyniki pooperacyjne.

Spójrz na przykład na Cardiac 3D Print Lab w Phoenix Children’s Hospital. Tam technicy wydrukowali prawie 300 modeli serc specyficznych dla pacjentów, które wykorzystano do planowania operacji, edukacji medycznej i konsultacji rodzinnych, prowadzących do ratowania życia pacjentów.

Dr Joseph Kuruvilla i młody pacjent z sercem. Zdjęcie: Chris Clark (źródło: Spectrum Health)

Modele medyczne w 7 krokach:

  1. Uzyskaj obrazy medyczne specyficzne dla pacjenta (MRI, CT, USG itp.) w standardowym formacie Digital Imaging and Communication in Medicine (DICOM).
  2. Przetwarzaj obrazy DICOM, korzystając z połączenia oprogramowania i wiedzy ludzkiej, aby zdefiniować interesującą anatomię i wygenerować plik 3D.
  3. Uzyskaj bezpieczne zatwierdzenie pliku 3D od certyfikowanego profesjonalisty i wygeneruj plik do druku 3D w formacie STL.
  4. Przetwórz plik STL do drukowania, w tym wygeneruj podpory (o ile są wymagane).
  5. Wydrukuj plik 3D we własnym zakresie lub skorzystaj z usługi drukowania 3D.
  6. Przetwarzaj końcowy wydruk (jeśli drukujesz we własnym zakresie) w celu usunięcia podpór, polerowania, malowania itp.
  7. Dostarcz wydruk chirurgowi, pacjentowi lub lekarzowi.

Poprawa opieki nad pacjentem

Obraz drukowanych modeli medycznych 3D: poprawa opieki nad pacjentem
Lekarz omawia model 3D z pacjentem (źródło: Ultimaker)
 

Modele specyficzne dla pacjenta, pozwalają na większą personalizację opieki zdrowotnej, poprawę satysfakcji pacjenta, zmniejszenie lęku i skrócenie czasu powrotu do zdrowia. Przekazują pacjentom informacje o ich stanie, gdy sama terminologia medyczna może być myląca.

Modele można również wykorzystać do planowania opieki pooperacyjnej i przewidywania problemów, z którymi pacjent może się borykać w dłuższej perspektywie. W case study od producenta drukarek 3D 3D Systems, izraelski specjalista ortopeda dr Vidal Barchilon mówi: „Możliwość otrzymania modelu 3D naturalnej wielkości, pozwala mi lepiej zrozumieć strukturę złamania, zaplanować operację i spróbować zrozumieć przyszłe ograniczenia wynikające ze złamania”.

Barchilon, kierownik oddziału ortopedii barku w Meir Medical Center w Izraelu, mówi, że planowanie przedoperacyjne z wykorzystaniem modeli drukowanych w 3D skraca czas zabiegu, ponieważ może potwierdzić zgodność pomiarów płytek i śrub.

Według ostatnich badań, szpitale mogą stanąć w obliczu ogromnych zaległości w planowych operacjach, zwłaszcza ortopedycznych, do połowy 2022 roku z powodu pandemii COVID-19. Istnieje duże zapotrzebowanie na wszelkie nowe procesy, które oszczędzają czas i poprawiają wyniki.

„Druk 3D rewolucjonizuje sposób, w jaki patrzymy na anatomię” – mówi ortopeda i onkolog Joel Werier ze szpitala w Ottawie, który od czasu otwarcia w 2017 r. szpitalnego laboratorium druku 3D, wykorzystywał drukowane w 3D modele bioder i kości swoich pacjentów. Miało to wpływ na to jak postrzegane były guzy, na planowanie technik operacyjnych i zdolność do oferowania precyzyjnych operacji.

Zalety modeli medycznych drukowanych w 3D dla pacjentów są oczywiste, ale czy istnieją również jakieś wady?

Ograniczenia modeli medycznych

Obraz modeli medycznych drukowanych w 3D: ograniczenia modeli medycznych
Sarah Flora, dyrektor programu 3D Lab w Geisinger Healthcare, sprawdza model 3D przed wydrukowaniem (źródło: Geisinger Healthcare)
 

Podobnie jak w przypadku wszystkiego w warunkach szpitalnych, należy wziąć pod uwagę koszt. Większość ubezpieczeń medycznych, pokrywając koszty skanów i zdjęć rentgenowskich, powoli dostrzega oszczędności wynikające z modeli medycznych. W jednym z badań stwierdzono, że średnia oszczędność czasu na sali operacyjnej wynosi 62 minuty na przypadek i oszczędność kosztów w wysokości 3720 USD na przypadek, gdy modele anatomiczne drukowane w 3D zostały użyte do przygotowania do operacji ortopedycznej i szczękowo-twarzowej. Amerykańskie Veteran’s Health Administration może pochwalić się jeszcze lepszymi danymi, mówiąc, że technologie druku 3D wykorzystywane do planowania przedoperacyjnego mogą „zaoszczędzić lekarzom nawet dwie godziny na operacji lub nawet do 9600 USD na uniknięciu kosztów w placówce”.

Obecnie szpitale mogą zlecać drukowanie 3D modeli na zewnątrz lub zakładać własne laboratoria, co wymaga inwestycji kapitałowych w drukarki 3D i edukację personelu, ale umożliwia szybszą realizację zadań niż outsourcing. Kilka szpitali pokrywa koszty modeli, współpracując ze szkołami medycznymi lub uniwersytetami inżynierskimi z istniejącymi laboratoriami druku 3D.

Rosnąca liczba zewnętrznych firm zajmujących się drukiem 3D, drukuje modele medyczne z danych pacjentów, chociaż obawy dotyczące prywatności danych skłoniły wiele szpitali do wyboru rozwiązań wewnętrznych.

Jeśli chodzi o jakość modeli medycznych, mogą być one niezwykle dokładne, w zależności od zastosowanej technologii i jakości wstępnych skanów medycznych. Postęp w dziedzinie materiałów do drukowania 3D, zaowocował miękkimi, giętkimi i niezwykle podobnymi do tkanki medycznej materiałami, nie są one jednak jeszcze idealnie zbliżone do części ciała człowieka, z którymi lekarze mają do czynienia podczas operacji. 

 

Jak zrobić model medyczny?

Obraz drukowanych modeli medycznych 3D: jak wykonać model
Model wydrukowany w 3D w laboratorium modelowania 3-D w Mayo Clinic (źródło: Mayo Clinic)
 

Punktem wyjścia jest określenie do czego mają być używane modele medyczne wydrukowane na drukarce 3D. Modele służące do edukacji pacjenta, nie muszą być tak dokładne, jak modele planowania chirurgicznego. Modele do ćwiczeń mogą wymagać różnych materiałów lub pełnego koloru. Modele używane do celów diagnostycznych należy tworzyć z uwzględnieniem wytycznych regulacyjnych.

Następnie należy zwrócić uwagę na dane. Skany CT, rezonans magnetyczny i inne dane obrazowania medycznego mogą być wysyłane bezpośrednio do dostawców zewnętrznych (takich jak HeartPrint Materialise, usługa polegająca na drukowaniu modeli serca w 3D z różnych materiałów i w różnych kolorach) lub łączone w oprogramowaniu w celu wygenerowania pojedynczego, możliwego do wydrukowania pliku.

Chociaż specjalistyczne oprogramowanie, ukierunkowane na zastosowania modeli medycznych nie jest bezwzględnie konieczne, kilka rozwiązań oferuje atrakcyjne funkcje, a kilka z nich zostało zatwierdzonych przez US-FDA do proponowania generowania modeli medycznych do celów diagnostycznych.

Na przykład Mimics inPrint od producenta oprogramowania i drukarek Materialize, integruje się z przepływem pracy w szpitalu i konwertuje medyczne dane obrazu (pliki DICOM) na trójwymiarowe modele anatomiczne. Inną ofertą firmy jest oprogramowanie D2P (DICOM to Print) 3D Model Software, które umożliwia chirurgom, radiologom, technikom laboratoryjnym i projektantom urządzeń tworzenie cyfrowych modeli 3D o jakości diagnostycznej i fizycznych wydruków 3D.

Oprogramowanie Coreline Soft do modelowania i komunikacji 3D do medycznego drukowania 3D (Źródło: Coreline)

Drukarka 3D oraz Virtual Surgical Planning (VSP) firmy 3D Systems w chirurgii czaszkowo-szczękowo-twarzowej oraz ortopedii, specjalizują się w planowaniu przedoperacyjnym i w tworzeniu modeli, przewodników i szablonów dla konkretnego pacjenta. Usługi VSP, również zatwierdzone przez US FDA, rozpoczynają się od sesji planowania online między inżynierami biomedycznymi 3D Systems a chirurgiem. Modele, przewodniki chirurgiczne i instrumenty przeznaczone dla konkretnego pacjenta są projektowane i drukowane w 3D do użytku w obszarze jałowym.

Inne opcje oprogramowania z zezwoleniem FDA 510 (k) jako urządzenia medyczne obejmują Synopsys ScanIP Medical, który jest używany do symulacji i oceny opcji leczenia przedoperacyjnego, a także do generowania plików do drukowania 3D dla modeli oraz Coreline Soft, oparte na sztucznej inteligencji rozwiązanie do diagnostyki obrazowej, specjalizujące się w układach płuc i tętnic wieńcowych.

Według Evana Hochsteina, starszego inżyniera ds. rozwiązań medycznych w Stratasys, jedną z największych przeszkód na drodze do stworzenia programu modeli medycznych w punktach opieki jest znalezienie i finansowanie wyspecjalizowanych, przeszkolonych specjalistów do segmentacji danych DICOM.

Szpitalne laboratoria druku 3D

Obraz modeli medycznych drukowanych w 3D: Szpitalne laboratoria druku 3D
Tworzenie modeli medycznych przy użyciu oprogramowania Mimics inPrint firmy Materialize (źródło: Materialize)
 

Zalety drukowania 3D w miejscu opieki medycznej, zostają dostrzeżone przez coraz większą ilość szpitali na całym świecie, które utworzyły własne scentralizowane laboratoria druku 3D.

Klinika Mayo z siedzibą w Minneapolis rozpoczęła drukowanie 3D w 2013 r. Mayo stworzyła specjalne laboratorium do modelowania anatomicznego przy użyciu druku 3D i obecnie produkuje 3000 modeli rocznie. Oprócz przewodników chirurgicznych i edukacji pacjenta, modele są używane do tworzenia niestandardowych prowadnic cięcia dla chirurgów, a także pomagają chirurgom ortopedom w projektowaniu nowych implantów.

Amerykańska Administracja Weteranów może teraz pochwalić się siecią 33 laboratoriów druku 3D w swoich szpitalach od wybrzeża do wybrzeża, koncentrujących się głównie na niestandardowej protetyce, ale także na tworzeniu modeli medycznych dla konkretnych pacjentów.

Memorial University of Newfoundland w Kanadzie rozpoczął inicjatywę MED 3D w 2017 roku i od tego czasu rozszerzył się na lokalną sieć druku 3D. Celem projektu jest zarówno nauczanie studentów, jak i pomoc pacjentom w odległych miejscach, a ich laboratorium zawiera kilkanaście drukarek 3D różnych producentów, w tym Stratasys, Ultimaker i Formlabs.

Laboratoria szpitalne mogą mieć różną złożoność, od jednej drukarki do kilku reprezentujących różne technologie. Interesariusze mogą pochodzić z każdego oddziału i specjalności szpitala.

Laboratoria drukowania w punktach opieki:

Zamawianie modeli medycznych dla konkretnych pacjentów

Obraz drukowanych modeli medycznych 3D: Zamawianie modeli medycznych dla konkretnych pacjentów
Axial3D to dostawca medycznych rozwiązań do druku 3D z siedzibą w Irlandii (Źródło: Axial3D)
 

Nie brakuje zewnętrznych firm drukujących 3D, które są w stanie szybko wytwarzać dokładne i szczegółowe modele medyczne. Niektóre mają portale samoobsługowe, na które przesyłasz pliki i otrzymujesz wycenę, takie jak Craftcloud, który zapewnia prywatność danych i oferuje wiele wiodących firm zajmujących się drukiem 3D jako dostawców.

Istnieją również usługi druku 3D na żądanie, które specjalizują się w modelach medycznych, w tym od samych producentów drukarek. Na przykład Stratasys i 3D Systems oferują usługi produkcji modeli medycznych na żądanie. 3D Systems oferuje również bibliotekę wstępnie zaprojektowanych modeli anatomicznych i specjalistycznego oprogramowania.

Kilka firm działających w branży druku 3D, zajmuje się wyłącznie modelami medycznymi:

Przesyłasz obrazy 2D specyficzne dla pacjenta na ich portal i w ciągu 48-72 godzin, firma zapewnia precyzyjne modele.

Najlepsze drukarki do modeli medycznych

Obraz drukowanych modeli medycznych 3D: Najlepsze drukarki do modeli medycznych
Model medyczny całego ciała wydrukowany na Mimaki 3DUJ-553 przez Olafa Diegela, profesora wytwarzania przyrostowego na Uniwersytecie w Auckland (źródło: Olaf Diegel)
 

Istnieje szeroka gama drukarek 3D używanych do tworzenia modeli medycznych, w rzeczywistości nawet drukarki desktopowe mogą generować realistyczne modele do edukacji pacjentów. Jednak niektórzy producenci drukarek są ukierunkowani na ten rynek i dlatego mogą zapewnić kompetentne wsparcie i szkolenia podczas konfigurowania własnego laboratorium. W tym artykule, skupimy się jedynie na tych drukarkach.

Stratasys 

Stratasys oferuje dedykowaną drukarkę 3D Digital Anatomy, która drukuje modele naśladujące kości i tkanki w wyglądzie i dotyku. Złożone wzory odkładania materiału naśladują porowate struktury kostne, zwłóknione tkanki i więzadła, zapewniając realistyczne sprzężenie zwrotne podczas cięcia i wiercenia. Drukarka J750 Digital Anatomy oferuje pełny kolor, możliwość definiowania przezroczystości oraz określania tekstur i wykończeń, a także tworzenia produktu końcowego, który jest jak najbardziej zbliżony do rzeczywistego. Dzięki możliwości drukowania z wielu materiałów jednocześnie, wyróżnia się na rynku drukarek.

Dr Redmond Burke, szef Cardiovascular Surgery i współdyrektor Heart Program, powiedział, że jego drukarka J750 Digital Anatomy jest teraz krytyczną częścią planowania chirurgicznego. „Możliwość rzeczywistego rozcięcia modelu i uzyskania bardzo jasnej wizji tego, co zobaczymy na sali operacyjnej, jest bardzo cenna”.

Oprócz drukarek, usług drukarskich i wiedzy specjalistycznej, Stratasys oferuje współpracę w celu stworzenia niestandardowej analizy zwrotu z inwestycji (ROI) dla druku 3D w Twojej instytucji.

Drukowanie 3D modeli medycznych za pomocą drukarki Formlabs (źródło: Formlabs)

Formlabs

Ten producent żywicznych drukarek 3D nawiązał współpracę z oprogramowaniem Advantage Workstation firmy GE Healthcare, aby umożliwić radiologom przygotowywanie danych 3D CT lub MRI, a następnie eksportowanie ich za pomocą pakietu 3D Suite w postaci gotowej do drukowania 3D na drukarkach Formlabs. Producent oferuje również częste webinary związane z opieką zdrowotną. Pobierz publikację informacyjną „ Drukowanie 3D w szpitalu”.

3D Systems

3D Systems ma wieloletnie doświadczenie w modelach anatomicznych. Niezależnie od tego, czy szukasz drukarki, czy usługi, firma ma bogatą wiedzę, która Cię poprowadzi. Nawet jeśli nie masz pliku 3D, inżynier 3D Systems może przetworzyć dane obrazowania medycznego i stworzyć dla Ciebie model anatomiczny dla konkretnego pacjenta wydrukowany w 3D. Pobierz broszurę „ Rozwiązania w zakresie modelowania anatomicznego ”.

HP

Jeśli chcesz kupić drukarkę do produkcji modeli medycznych, popularnym wyborem są opcje pełnego koloru firmy HP. Tylko kilku producentów drukarek oferuje opcję pełnego koloru z najdrobniejszymi szczegółami. Radiolodzy mogą używać zatwierdzonego przez FDA oprogramowania Mimics firmy Materialize na kolorowych drukarkach HP.

Model medyczny wydrukowany na kolorowej drukarce 3D HP Jet Fusion 380 (źródło: Szpital Dziecięcy Rady)

EnvisionTec

Niedawno zakupiony przez producenta drukarek Desktop Metal, EnvisionTec ma za sobą długą historię tworzenia modeli medycznych, oferując szereg drukarek 3D oraz materiałów do modeli i implantów.

Rize

Ten producent drukarek, dostarcza urządzenie do druku kolorowego, które jest popularne wśród szpitali w zakresie modeli medycznych. Sprawdź ich seminarium internetowe „Poprawa wyników pacjentów dzięki drukowaniu 3D w miejscu opieki ”.

Ultimaker

Drukarka Ultimaker S5 posiada certyfikat Materialize jako rozwiązanie do drukowania 3D, do tworzenia modeli ortopedycznych, szczękowo-twarzowych i sercowo-naczyniowych do użytku klinicznego w połączeniu z oprogramowaniem Mimics inPrint. To jedna z bardziej opłacalnych opcji modeli medycznych.

BCN3D

Drukarki BCN3D są również popularnym wyborem do drukowania modeli medycznych w punktach opieki. Na stronie internetowej producenta, dostępnych jest kilka studiów przypadku dotyczących opieki zdrowotnej.

Mimaki

Zdolne do drukowania w milionach kolorów i przezroczystych modeli, drukarki 3D Mimaki są również popularne w modelowaniu medycznym.

Realistyczne materiały do ​​modeli medycznych

Obraz drukowanych modeli medycznych 3D: realistyczne materiały do ​​modeli medycznych
Materiał BioMimics ze Stratasys (źródło: Stratasys)
 

Modele medyczne mają pewne ograniczenia materiałowe. Chociaż wymagania dotyczące zgodności biologicznej są niższe niż w przypadku wyrobów, które dostałyby się do organizmu, należy wziąć pod uwagę zarówno zgodność biologiczną, jak i możliwość sterylizacji. Sterylizacja modelu nie jest wymagana we wszystkich przypadkach, jednak jest niezbędna, jeśli model ma być używany na sali operacyjnej.

Niektóre żywice drukarskie są toksyczne, ale istnieje szereg biokompatybilnych alternatyw dostępnych od producentów drukarek 3D.

W zależności od zastosowania możesz chcieć, aby modele medyczne naśladowały teksturę tkanek. Pozwoliłoby to na przykład na bardziej reprezentatywne szkolenie medyczne i symulacje chirurgiczne. Trwają badania nad stworzeniem materiałów, które dokładniej naśladują zachowanie prawdziwych tkanek, ale już kilku producentów oferuje materiały, które można ciąć i zszyć. Materiały, które naśladują kość podczas wiercenia lub piłowania, są również używane do ćwiczeń.

Niektóre sekcje modeli mogą być wydrukowane z przezroczystego lub półprzezroczystego materiału oraz w różnych kolorach, aby różne części modelu były widoczne i podkreślone.

Przepisy dotyczące modeli medycznych

Obraz drukowanych modeli medycznych w 3D: przepisy dotyczące modeli medycznych
Firma 3D Systems otrzymała zezwolenie FDA 510 (k) na oprogramowanie D2P (DICOM-to-PRINT) dla branży medycznej w 2018 r. (Źródło: 3D Systems)
 

Przepisy dotyczące modeli medycznych zależą od ich przeznaczenia i dla konkretnego zastosowania należy je sprawdzić i dokładnie przestrzegać. FDA udostępnia na swojej stronie internetowej wytyczne dotyczące drukowania 3D do zastosowań medycznych oraz reguluje korzystanie z produktów i oprogramowania do takich zastosowań. Czynniki obejmują to, czy modele będą wykorzystywane do podejmowania decyzji dotyczących opieki nad pacjentem.

Modele medyczne używane do celów diagnostycznych mogą być uważane za wyroby medyczne i podlegają przepisom. Amerykańska Agencja ds. Żywności i Leków (FDA) traktuje drukowane w 3D modele anatomiczne, które mogą wpływać / zmieniać diagnozę, zarządzanie pacjentem i / lub leczenie pacjenta jako narzędzia diagnostyczne i jako takie są wyrobami medycznymi klasy 2. FDA wymaga, aby modele sprzedawane do użytku diagnostycznego były przygotowywane przy użyciu oprogramowania, które uzyskało zezwolenie FDA, takiego jak Materialise Mimics InPrint lub D2P (DICOM-to-PRINT) firmy 3D Systems.

W 2018 r.Materialize otrzymała zgodę FDA na wykorzystywanie modeli medycznych drukowanych w 3D do diagnostyki i była pierwszą firmą, która to zrobiła. Zwykłe stosowanie modeli medycznych w placówkach edukacyjnych miałoby mniej rygorystyczne przepisy. Organy regulacyjne w UE i USA nadal wspierają dialog z zainteresowanymi stronami w celu określenia odpowiednich wskazówek dotyczących bezpiecznego i efektywnego korzystania z druku 3D w placówkach opieki.

3D Systems, Synopsys i Coreline Soft, są innymi producentami oprogramowania, które posiada zezwolenie FDA 510 (k) na wykorzystanie oprogramowania do wspomagania klinicystów w diagnostyce modeli anatomicznych specyficznych dla danego pacjenta, przeznaczonych do drukowania 3D.

Licencja: Tekst „ 3D Printed Medical Models – State of the Art 2021 ” autorstwa All3DP Pro jest objęty licencją na podstawie międzynarodowej licencji Creative Commons Attribution 4.0.

Źródło: All3DP