Интенсивно развитие принтеров трехмерной печати привело к тому, что печать 3D проникла во все области науки, начиная от изготовления простых пластмассовых деталей и заканчивая применением в медицине. То что еще совсем недавно было фантазией, уже превратилось в реальность. В медицине применение трехмерных технологий развивается сразу в нескольких направлениях:
1. Сканирование органов.
2. Выпуск 3D моделей отсканированных органов. Это позволяет более точно изучить патологию, а также дает возможность попрактиковаться перед проведением операции.
3. Создание имплантов на основе трехмерных изображений пациента с учетом его функциональных особенностей.
4. Создание искусственных костей, тканей, кровеносных сосудов, вен и даже органов пациента.
Перспективы 3D технологий огромны. Стоит учесть тот факт, что они, постоянно совершенствуясь, быстро дешевеют. Использование 3D технологий в медицине позволяет сократить вероятность ошибки до минимума. Это большой прорыв в области медицины. Так, имея макет органа, который предстоит оперировать, хирург может намного лучше подготовиться к проведению операции.
©3dvita.ru
3D технологии: томография
Компьютерная томография 3D технологии – это золотой стандарт диагностирования. Трехмерное сканирование постепенно вытесняет пленочные плоскостные снимки. Такие аппараты обладают высоким потенциалом, активно используются в стоматологических исследованиях, челюстно-лицевой хирургии. Позволяют поставить максимально точный диагноз, что является гарантией полной уверенность в эффективности, качестве медицинских услуг.
3D томография является современным стандартом диагностики, что позволило выйти качеству диагностики и лечения на совершенно новый уровень. Преимущество трехмерных снимков – возможность выявить дефекты, которые часто упускаются в обычных изображениях. Это позволяет определить комплексную морфологию проблемных зон, установить более точное лечение.
3D томография — это качественное изображение, минимум облучения, а также скорость исследования и достоверная диагностика без дополнительных исследований.
3D моделирование в медицине
Трехмерные модели, создаваемые на основе компьютерной томографии в комплексе с трехмерной печатью – незаменимое достижение в области медицины. 3D моделирование в медицине позволяет создавать объемные модели. Трехмерные снимки пациентов, сделанные с помощью компьютерной томографии, трансформируются в изображение с хорошим разрешением, а затем — в трехмерные твердые 3D модели.
Это позволяет более качественно изучить особенности болезни, а также подготовиться к проведению операции. Так, для хирурга важно знать форму, очертания, особенности опухоли в трехмерном измерении, чтобы знать, как лучше действовать во время операции.
С помощью применения 3D технологий сложные операции проводятся по следующей схеме:
- сканирование;
- изготовление пластиковой модели;
- изучение и выбор метода лечения;
- собственно лечение.
3D принтеры используют в сочетании с современными системами проектирования. Так, с их помощью распечатывают клон опухоли перед операцией, чтобы лучше знать, с чем предстоит столкнуться и надлежащим образом подготовиться перед проведением операции.
3D принтер в медицине
Существует несколько примеров использования печати в медицине. В настоящее время трехмерная печать наиболее широко используется в стоматологии, хирургии. С ее помощью можно изготовить цельный имплант, который идеально подойдет конкретному пациенту, а также произвести макет больного органа для проведения более тщательной диагностики и подготовки к операции. Имея в качестве примера огромную 3D модель, хирургу проще ориентироваться во время операции.
3D принтер в медицине позволяет создавать недорогие модели, которые служат для изучения особенностей болезни. Это позволяет провести более успешную операцию, сократить ее время проведения, безошибочно подобрать схему лечения, что в разы ускоряет время выздоровления больного.
Принтеры позволяют распечатать детали больших размеров. Материалы, которые используются для печати для данных целей, не могут быть использованы для внедрения в организм. Но такие макеты позволяют производить медицинские инструменты с учетом анатомических характеристик каждого отдельного пациента.
В настоящее время 3D принтер в медицине также широко используют для изготовления различных искусственных частей тела:
- зубы;
- протезы конечностей;
- слуховые аппараты и прочее.
Технология позволяет создавать с помощью принтера различные протезы, которые идеально будут подходить для отдельного пациента. Трехмерные модели производятся из пластика или металла. Данные материалы контактируют с теплом человека, но не контактируют с кровью. Пластиковые, металлические изделия, активно развиваясь, постепенно проникают внутрь организма. С каждым днем создаются все более разнообразные импланты.
Развитие 3D сканеров влечет развитие 3D принтеров. Врачи готовы печатать не только вены, нервы, но целые органы для трансплантации. Уже сегодня протезы изготавливают не только из титана, но из собственных стволовых клеток пациента.
В протезировании преимущества 3D печати очевидны:
- скорость в сравнении с использованием технологий литья;
- легкий вес протеза, так как его пористость можно корректировать;
- пористость, что позволяет протезу быстрее обрасти живыми тканями.
Перспективы технологий 3D печати в медицине
Технологии 3D печати в медицине совершили настоящий прорыв. Человечество стоит на пороге больших перемен. Сегодня многие пациенты имеют прекрасную возможность воспользоваться результатом такого нововведения. Посредством принтеров можно напечатать не только различные протезы с учетом физиологических особенностей человека, но также живые ткани. 3D технологии также используют для изучения развития различных патологических процессов.
В настоящее время с помощью 3D принтеров создают небольшие фрагменты человеческих органов, в частности печени. Печать на принтере живых органов называется биопечатью. Вместо красок на таком принтере используются различные типы клеток: гепатоциты, клетки эпителия, звездчатые клетки. Первые искусственные ткани, произведенные таким образом, использовались для тестирования лекарств. Интересно, но клетки искусственной ткани выполняют функции печени, производя необходимые вещества.
Применение 3D технологий открывает множество преимуществ:
- совместимость имплатна с конкретным пациентом, чего сложно было добиться в случае с применением моделей, произведенных на контейнере;
- возможность превращения долгой операции в быстрый процесс.
В настоящее время трехмерные технологии уже активно используются в современной медицине. Одно из основных направлений – ортопедия, также это совершенно иной уровень диагностики и качества лечения.
Сегодня 3D технологии в медицине применяются для создания трехмерных снимков, на основе которых производятся точные копии переломов для обучения врачей, а также для изготовления точных моделей протезов. Но применение инновационных технологий на этом не ограничивается. Широкие возможности, которые открыли инновационные достижения, стимулирует двигаться дальше в этом направлении.
В мае 2018 года стало известно о создании 3D-принтера, печатающего из сахара ткани для выращивания органов и изучения опухолей. Это разработка Университета штата Иллинойс (University of Illinois).
На рынке уже можно встретить 3D-принтеры, способные печатать объекты из сахара. В отличие от этих устройств новое оборудование использует изомальт - заменитель сахара, получаемый из свеклы и обычно встречающийся в леденцах от боли в горле и кашля.
После растворения и объемной печати сахарные структуры охлаждаются и затвердевают, создавая прочный скаффолд - подложки-носители, на основе которых происходит культивирование живых клеток. Здесь одна из проблем - получение материала, который «уйдет» не раньше и не позже нужного времени.
3D-печать с использованием сахара становится сложной, когда речь идет о регенерации сердечной ткани. Слишком большое давление приводит к потере формы структуры, а чрезмерное количество тепла приводит к кристаллизации или сжиганию ткани. Изомальт менее подвержен кристаллизации, чем обычный сахар, и не подвержен обесцвечиванию при растворении.
Профессор Рохит Бхаргава, который работает в центре лечения раковых опухолей в Иллинойсе, говорит, что уникальный метод позволяет производить конструкции из тонких трубок с круглым поперечным сечением. Ранее это было невозможно для полимеров. Растворимый же сахар помогает создавать цилиндры и туннели, которые напоминают кровеносные сосуды. Именно по этим сосудам можно транспортировать питательные вещества к тканям или клеткам. Разработка нового метода также позволит создавать каналы в микрожидкостных устройствах.
Технология Университета штата Иллинойс может найти применение в таких областях, как медицинские исследования, биомедицинская инженерия и производство. Эксперты надеются, что через какое-то время их 3D-принтер сможет печатать человеческие органы с нуля.
На 3D-принтере впервые напечатали роговицу
В мае 2018 года стало известно о первом создании роговой оболочки глаза при помощи 3D-принтера. Этим достижением смогли похвастать в Университете Ньюкасла (Newcastle University). По словам исследователей, теперь они могут использовать объемную печать для формирования роговиц из стромальных клеток для каждого человека.
Портативный 3D-принтер для печати искусственной кожи прямо на человеке
В мае 2018 года исследователи из Университета Торонто представили портативный 3D-принтер для печати кожи, предназначенный для лечения глубоких ожоговых ран. Группа исследователей отмечает, что это первое устройство, которое формирует и располагает распечатанный образец ткани непосредственно на месте ожога всего за пару минут. Подробнее .
ПО для 3D-печати органов с использованием искусственного интеллекта
11 апреля 2018 года производитель биологических 3D-принтеров Aether объявил о выпуске программного обеспечения для медицинской визуализации на основе искусственного интеллекта (ИИ), которое значительно продвинет разработку органов. Новое Automatic Segmentation and Reconstruction (ASAR) поможет врачам и исследователям повысить производительность путем автоматизированной сегментации органов и тканей.
Больницы экономят десятки тысяч долларов за счет 3D-печати
В марте 2018 года в Северной больнице Манчестера (NMGH) открылась лаборатория для помощи специалистам по челюстно-лицевым хирургии в лечении и реабилитации пациентов после с раком головы и шеи, лицевой травмой или врожденными аномалиями. Лаборатория была создана специалистом по реконструктивным технологиям Оливером Берли (Oliver Burley), который обосновал экономические преимущества 3D-лаборатории для больницы, а также провел сбор средств на саму лабораторию, программное обеспечение и 3D-принтер PolyJet (стоимостью $ 42000). В настоящее время в штате лаборатории состоят три специалиста, которые работают с девятью консультантами по челюстно-лицевой хирургии.
Получив степень магистра в области реконструктивных технологий, в курсе которых изучалось применение трехмерной печати, Берли представил руководству больницы Манчестера экономическую модель 3D-лаборатории. Первым аргументом в ее пользу стала экономия средств, поскольку больница ежегодно тратила $ 166 000 на проекты по 3D-печати. В среднем больница сталкивается с 20 случаями рака и 8-10 травмами ежегодно, и проведенный на основании этих данных анализ показал, что обслуживание собственной 3D-лаборатории обойдется дешевле. Хотя больнице приходится оплачивать лицензирование лаборатории, эта сумма остается фиксированной и не зависит от объема проделанной работы. Вторым аргументом стала экономия времени хирургов, которые могут использовать 3D-модели при планировании операций. Наконец, последним аргументом стало сокращение времени доставки 3D-моделей от производителя.
В качестве программного обеспечения для моделирования был выбран Materialize Mimics Innovation Suite, а для создания моделей реконструкции костей черепа челюстных остеотомий был взят ProPlan CMF; стоимость ПО составила около $ 25 000. Берли отмечает, что 3D-модели используются больницей почти в каждом случае рака головы и шеи; он уверен, что через пять лет лаборатория 3D-печати станет обязательным приложением центров лечения и реабилитации онкологических пациентов.
В основном лаборатория работает с пациентами, имеющими рак головы или шеи: им требуются реконструктивные операции, в том числе на основе костных трансплантатов для реконструкции верхней или нижней челюсти. Голова пациента сканируется, а затем создается виртуальная трехмерная модель. Хирурги и специалисты лаборатории могут рассмотреть различные виды реконструктивных операций и устройств в виртуальной реальности , прежде чем перейти к стадии проектирования. Разработанные протезы, стержни или пластины печатаются на 3D-принтере с использованием металлических или пластмассовых смесей. Заключительный этап проекта предполагает, что полученная модель стерилизуется и передается хирургам. Благодаря широкому спектру инструментов лаборатория принимает и другие заказы и уже используется ортопедами, неврологами и ревматологами.
Государственная служба здравоохранения добилась значительных успехов в трехмерной печати – так, в Уэльсе недавно создали первый в мире комбинированный костный трансплантат и представили трехмерную модель операции. Специалисты отмечают предпосылки того, что трехмерная печать все чаще будет использоваться в здравоохранении. В феврале 2018 года в Бристоле открылся новый исследовательский центр Bristol Biomedical Research Center (BRC), в котором предполагается изучать технологии тканевой инженерии путем биопечати. Новые разработки будут основаны на данных существующих исследований сердечно-сосудистой системы и 3D-печатных сердечных имплантатов.
Напечатанные на 3D-принтере конечности вставляют беженцам из Сирии
В марте 2018 года стало известно о том, что в одной из больниц Иордании используют напечатанные на 3D-принтере конечности для лечения беженцев, раненых в Сирии. Технологии, применяемые в проекте международной организации по оказанию медицинской помощи "Врачи без границ" (Medecins Sans Frontieres, MSF), позволяют в течение 24 часов спроектировать и изготовить протез, причем его стоимость в разы ниже, чем у традиционных искусственных конечностей.
По данным New Atlas, с начала 2017 года в программе MSF приняли участие пять пациентов-добровольцев, среди которых есть и дети. Проект реализуется в центре Восстановительной хирургии MSF на базе больницы Al-Mowasah Hospital в столице Иордании Аммане, где проходят лечение раненые во время военных конфликтов в Сирии, Ираке и Йемене.
По его словам, напечатанная на 3D-принтере рука может стоить около $20, в то время как обычный протез верхней конечности обходится в сотни долларов .
Помимо дешевизны и быстроты изготовления есть и другие преимущества. Например, протез, изготовленный с помощью трехмерной печати, можно спроектировать с учетом индивидуальных нужд пациента и его повседневных задач – от езды на автомобиле до обычных домашних дел. Кроме того, проектирование может осуществляться дистанционно, а на месте выполняться только сканирование конечности и сама 3D-печать.
Также напечатанные протезы существенно легче традиционных, что немаловажно для пациентов.
MSF надеется расширить программу и на другие регионы, нуждающиеся в подобной помощи.
2017
3D-биопринтер для лечения сахарного диабета
В начале декабря 2017 года австралийский университет Вуллонгонга представил новый настраиваемый 3D-биопринтер, который способен улучшить лечение пациентов с диабетом первого типа.
Изобретатели назвали систему 3D-биопринтером для трансплантации клеток поджелудочной железы (PICT). Новая технология была представлена министру здравоохранения Южной Австралии, а затем передана для использования Королевской больнице Аделаиды, которая стала первой в мире клиникой с подобным оборудованием.
Разработчики поясняют, что система наносит специальные биочернила, содержащие инсулин-продуцирующие островковые клетки, на трансплантируемые 3D-печатные каркасные структуры. Предполагается, что такой метод должен усовершенствовать существующий процесс трансплантации островковых клеток от доноров человека, применяемой для лечения серьезных случаев диабета. Новая технология позволяет снизить риск отторжения пересаженной ткани за счет включения в донорскую ткань клеток пациента.
Кроме того, биопринтер печатает несколько типов клеток, поэтому его каркасная структура также может включать эндотелиоциты, необходимые для роста новых кровеносных сосудов в пересаженной островковой ткани.
Исследовательский совет выделил грант Австралийскому центру передовых технологий в области электроматериалов, который возглавляет профессор Гордон Уоллес (Gordon Wallace), и теперь дальнейшая разработка и улучшение 3D-биопринтера, поступившего в Королевскую больницу Аделаиды, будет проводиться его командой.
3D-печать среднего уха для возвращения слуха
На ежегодном собрании Радиологического общества Северной Америки (RSNA) в декабре 2017 года было показано, как с помощью возможно воспроизводить точные копии среднего уха для возвращения слуха людям. Разработка начала применяться на практике.
Путем преобразования 3D-изображений, сделанных с помощью компьютерной томографии , в напечатанные на 3D-принтере протезы хирургам удалось с точностью поместить четыре имплантата разных размеров в человеческие уши.
| Если предположить, что наиболее вероятная причина неудачного исхода с существующим протезом кроется в неправильной посадке, то возможность создания индивидуального протеза, который сможет в точности заполнить костно-воздушный разрыв, с наименьшей вероятностью приведет к неудаче, - говорит автор исследования доктор Джеффри Хирш (Jeffrey Hirsch), доцент кафедры радиологии Университета штата Мэриленд в Балтиморе, в своем интервью для HCB News. - Наше исследование показывает, что в разных ушах даже на субмиллиметровом уровне присутствуют мельчайшие отличия, которые могут быть с точностью переданы с помощью 3D-моделирования. |
По мнению ученого, данный метод может улучшить хирургическую процедуру, которая часто терпит неудачу из-за неправильных размеров протезных имплантатов. В проведенном исследовании четыре хирурга осуществили введение имплантов в четыре разных средних уха. Все хирурги смогли точно совместить модель протеза с височной костью, содержащей среднюю и внутреннюю части уха. Шансы на такой исход при обычном протезировании равны 1:1296.
Хирш объяснил, что предоставляемая 3D-моделированием возможность видеть комплексные анатомические отношения позволяет выйти на новый уровень изучения, понимания и медицинского планирования.
Следующим шагом для исследователей будет разработка биосовместимого материала. В качестве такой платформы группа исследователей рассматривает использование выращенных стволовых клеток.
Печать мобильного детектора инфекций
В октябре 2017 года группа американских инженеров и ученых разработала новый комплекс для диагностики инфекционных заболеваний «на местах», в которой в качестве детектора используется обычный мобильный телефон и диагностический чип размером с кредитную карточку. Решение создано с использованием технологий .
Низкая стоимость, портативность, а также использование обычного мобильного телефона в качестве детектора делает этот диагностический комплекс незаменимым для диагностики инфекционных заболеваний в условиях ограниченных ресурсов или когда результат диагностики нужен немедленно. Интеграция диагностической платформы с современными мобильными коммуникационными системами позволит осуществлять персонализированное лечение пациентов и мониторинг эпидемиологической ситуации.
При этом время получения результатов диагностики сравнимо с временем проведения аналогичных тестов в условиях стационарной лаборатории - около 30 минут. Для сбора и интерпретации в режиме реального времени изображений ферментной умножающей реакции, которая осуществляется в кремниевом микрофлюидном чипе, служащем для визуального отображения результатов тестов, используется обычный смартфон .
Сам комплекс состоит из обычного смартфона и портативного гнезда-подставки, напечатанной на 3D-принтере и содержащей оптико-электронную «начинку», а также специальный интерфейс для камеры смартфона. Работающее в смартфоне приложение осуществляет сбор результатов проведенных с помощью микрофлюидного чипа тестов и данных о пациенте, которые затем передаются в облачную базу данных.
В ходе демонстрационных испытаний комплекс был использован для качественного и количественного анализа в капли крови инфекций, вызывающих заболевания органов дыхания у лошадей – лихорадки Зика, лихорадки Денге и лихорадки Чикунгунья.
Роботизированная рука, заменяющая сурдопереводчика
В августе 2017 года СМИ сообщили о разработке аспирантов Антверпенского университета (Бельгия), которая сможет облегчить жизнь глухих людей. С помощью 3D-принтера молодые ученые изготовили роботизированную руку, способную выполнять роль сурдопереводчика. Изобретение получило название ASLAN (Antwerp’s Sign Language Actuating Node).
Сурдопереводчики зачастую в дефиците, вот почему и было решено создать недорогую автоматизированную систему, которая сможет переводить текст на язык жестов.
Собранная изобретателями роботизированная рука состоит из 25 пластиковых деталей, распечатанных на 3D-принтере и приводится в действие с помощью 16 сервоприводов, за управление которыми отвечает платформа Arduino, сообщает Tech Crunch. В планах разработчиков - система с двумя роботизированными руками и лицом для передачи эмоций.
Пока существует только опытный образец устройства, но энтузиасты намерены довести проект до конца и сделать материалы своей работы общедоступными, чтобы желающие смогли самостоятельно изготовить робота -сурдопереводчика.
Печать искусственного сердца
В июле 2017 года Швейцарский федеральный технологический институт Цюриха (ETH Zurich) представил искусственное сердце, созданное при помощи трехмерной печати. На момент анонса выполненное из силикона изделие было далеко от стадии коммерческой готовности.
Искусственное сердце весом 390 граммов и объемом 679 кубических сантиметров напечатано на 3D-принтере методом литья по выплавляемым моделям. Левый и правый желудочки разделены не перегородкой, а специальной камерой, наполненной сжатым воздухом. Надуваясь и сдуваясь, эта камера имитирует сокращение мышц человеческого сердца и качает кровь.
К моменту демонстрации искусственного сердца оно поддерживает лишь 3000 ударов, то есть может работать от 30 до 45 минут. Для проверки работы сердца ученые использовали передовую тестовую среду, имитирующую сердечно-сосудистую систему человека, и жидкость, имеющую сравнимую с кровью вязкость. Функционирование приспособления запечатлели на видео.
К 2017 году от сердечной недостаточности страдает около 26 млн человек. Большинство из них безнадежно ждут доноров, которые бы обеспечили им новое сердце. Таким пациентам устанавливают специальные кровяные насосы, которые облегчают работу сердца, однако они могут вызывать серьезные осложнения и не предоставляют пациентам пульс.
Печать яичников
В мае 2017 года стало известно о яичников, которые позволили бесплодным мышам рожать. Ученые намерены тестировать разработку на людях.
Ученые Северо-западного Университета Чикаго создали искусственный яичник, позволяющий полностью восстановить репродуктивную функцию. В ходе эксперимента бесплодной лабораторной мыши был имплантирован протез, созданный с помощью трехмерной печати. Впоследствии мышата (трое из семи) смогли питаться молоком матери и получить здоровые пометы.
Биопротезы яичников состоят из пористого каркаса из желатиновых чернил, который заполнен фолликулами - крошечными содержащими жидкость мешочками, где хранятся незрелые яйцеклетки. Организм мыши-реципиента фактически координировал развитие тканей яичников, и поток крови через поры помог превратить имплантированную структуру в функциональный биопротез.
Впрочем, стоит отметить, что был напечатан не весь яичник целиком, так как он слишком сложный орган. Ученые создали соединительнотканную основу яичника: принтер заряжали желатином, который получали из коллагена, одного из главных белков соединительной ткани – коллаген был в той форме, в которой он обычно присутствует в яичниках животных. Затем в полученную (напечатанную) желатиновую основу погружали мышиные фолликулы с яйцеклетками внутри.
Пока неясно, подойдет ли такой протез человеку, так как женские фолликулы намного больше и растут быстрее. Однако ученые обещают провести исследования, направленные на развитие идеи в человеческом направлении.
2016
Напечатанное на 3D-принтере сердце на чипе
В конце октября 2016 года исследователи Гарвардского университета сообщили о создании первого в мире сердца на чипе, напечатанного на 3D-принтере . Новая разработка позволит проводить связанные с работой сердца эксперименты без участия подопытных людей и животных, говорится на сайте университета.
Результаты самого исследования, проведенного учеными Гарвардской школы инженерного проектирования (Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences) и прикладных наук и Института биотехнологий им. Виза (Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering), опубликованы в журнале Nature Materials.
Сердце на чипе выполнено из полупрозрачного синтетического материала, имитирующего структуру и функции сердечной ткани. В устройстве располагаются микроскопические датчики, способные отслеживать биение при воздействии на чип различных лекарственных средств и токсинов, выделяемых различными болезнетворными микроорганизмами.
Напечатанный на 3D-принтере орган не может служить имплантантом для человека, а предназначен лишь для проведения научных исследований. Благодаря новой технологии можно будет воспроизводить наследственные заболевания в лабораторных условиях с воссозданием клеток конкретного пациента, а также испытывать на искусственно выращенных тканях различные методы лечения, чтобы выбрать наиболее действенный.
Создание 3D-моделей органов перед операциями в Дубае
В октябре 2016 года стало известно о том, что в медицинских учреждениях Дубая появятся 3D-принтеры, печатающие точные макеты органов пациентов, которые предстоит оперировать. Благодаря новой технологии планируется повысить точность и эффективность хирургических операций.
Как сообщает издание Gulf News, все больницы, находящиеся под контролем Управления здравоохранения Дубая (Dubai Health Authority, DHA) на территории Объединенных Арабских Эмиратов (ОАЭ), будут оснащаться оборудованием для 3D-печати
По его словам, регуляторы ОАЭ работают над тем, чтобы законы соответствовали быстрому развитию технологий объемной печати. Не далек тот день, когда клиенты смогут распечатывать различные предметы в специальных киосках, поэтому очень важно определить четкие правила управления любым видом 3D-печати, добавил шейх.
Использование 3D-принтеров в медицинских целях стало частью стратегии Дубая по развитию 3D-печати, в задачи которой входит превращение города в лидирующий центр этой технологии к 2030 году. Ожидается, что все новые здания в Дубае к этому моменту будут на 25% состоять из деталей, напечатанных на 3D-принтерах.
Создание и вживление 3D-черепа
В апреле 2016 года стало известно о том, что южнокорейские хирурги смогли напечатать на 3D-принтере модель черепа и использовать его на живом человеке. Операция прошла успешно и помогла спасти человеческую жизнь, говорится в публикации на сайте 3Dprint.com.
В больницу при университете Чунан (Chung-Ang University) в Южной Корее поступила 60-летняя пациентка с жалобой на внезапную головную боль. У нее диагностировали субарахноидальное кровоизлияние. После тщетных попыток остановить смертельное кровотечение врачи приняли решение удалить часть черепа, чтобы уменьшить давление на мозг, вызванное его отеком. и создали точную трехмерную копию органа. При помощи специального оборудования модель была распечатана. Ее изготовили из чистого титана, который принято считать одним из лучших материалов для создания имплантов. Этот металл является легким, прочным и инертным, он имеет низкую вероятность отторжения организмом.
Операция по вживлению напечатанного на 3D-принтере черепа завершилась успешно. Профессор отделения нейрохирургии университета Чунан Квон Чжонтек (Kwon Jeong-tek) отметил, что создание синтетических имплантов и металлических пластинок, используемых для соединения костных отломков, давно применяется для замены элементов черепа человека, однако данная технология всегда была несовершенной.
ПО для 3D-печати в медицине
На вебинаре, который провела организация Society for Imaging Informatics in Medicine (SIIM) в конце марта 2016 года, доктор Университета Юты Джастин Крамер (Justin Cramer) перечислил основные программные продукты, которые могут использоваться для трехмерной печати в медицине.
- Horos
. Это бесплатная программа для просмотра рентгеновских снимков, а также изображений, полученных в результате
Напечатанный на 3D-принтере протез руки
- Blender. Это приложение также имеет открытый исходный код, а его одним из главных достоинств является очень активное интернет-сообщество, которое постоянно разрабатывает новые дополнения для этого продукта. Он функциональнее Horos, но труднее в освоении, подмечает Джастин Крамер.
- SketchUp. Программа позволяет моделировать различные трехмерные объекты и имеет достаточно широкие возможности. Для Крамера наибольшую пользу представляет функция конвертирования STL-файлов в формат Collada, с которым совместимо приложение Apple iBooks. SketchUp когда-то распространялся бесплатно, но к апрелю 2016 года он стоит $695. Образовательные учреждения (или те, у кого есть доступ к электронной почте в домене.edu) могут бесплатно скачать специальную версию программы.
- Materialise. Сам Университет Юты, известный своими достижениями в области трехмерной печати, пользуется САПР бельгийской компании Materialise. Речь идет о программе для обработки изображений Mimics и продукте 3-matic. Последний позволяет изменять геометрию, перестраивать сетку и создавать трехмерные текстуры, легкие конструкции и конформные структуры на уровне STL, готовя компьютерные модели для .
При выборе софта для 3D-принтеров Джастин Крамер рекомендует руководствоваться простым правилом: для начинающих подойдут бесплатные варианты, но если планируется создавать точные анатомические модели для профессионального использования, то лучше приобрести мощный платный продукт, поскольку с его помощью можно создавать более качественную модель.
Разработки Университета Юты: дешёвая 3D-печать методом наплавления
В конце марта 2016 года медицинская организация Society for Imaging Informatics in Medicine (SIIM) провела вебинар, в ходе которого радиологи из Университета Юты рассказали о возможностях своей новой лаборатории для . Ее особенностью является использование недорогого оборудования.
Для трехмерной печати было выбрано моделирование методом наплавления (FDM). Технология предполагает создание трехмерных объектов за счет нанесения последовательных слоев материала, повторяющих контуры цифровой модели.
По словам доктора наук из Университета Юты Эдварда Квигли (Edward Quigley), метод наплавления является универсальным и дешевым способом создания объемных объектов, именно поэтому его часто используют для разработки медицинских 3D-принтеров начального уровня.
В Университете Юты сконструировали на основе FDM дешевый принтер, позволяющий печатать хрупкие и сложные анатомические модели, применяемые для образовательных целей. Для получения более точных и наглядных прототипов специалисты добавили в оборудование режимы цветной печати. Однако несмотря на все достижения процесс моделирования остается нелегким: очень часто происходит большой сбой, в результате которого 24-часовая печать объекта заканчивается лишь кучей расплавленного пластика, сетует Квигли.
Впрочем, были и успешные эксперименты в университете. Один из них изображен на иллюстрации выше. На картинке слева можно видеть напечатанную на 3D-принтере нейлоновую модель, демонстрирующую шейные позвонки, позвоночные артерии, дуральный мешок и спинной мозг. Справа показана виртуальная версия, на основе которой создавался физический прототип.
Эдвард Квиглин отметил, что 3D-печать может использоваться для проведения исследований, интраоперационного планирования операций, в сердечно-сосудистой и легочной хирургии. Такие технологии особенно полезны в травматологии, а также могут применяться, к примеру, для создания направляющей для биопсийной иглы или направляющей втулки для сверления зубов, добавил он.
На прошедшем молодежном форуме «Машук-2018» ставропольские ученые представили инновационный медицинский проект «HoloDoctor. Симуляция, планирование операций, обучение студентов медицинских специальностей» по созданию трёхмерным моделей внутренних органов, для печати которых используется 3D принтер Raise3D . Мы встретились с Артемом Мишвеловым, одним из основателей проекта, он рассказал нам о внедрении цифровых технологий в современные медицинские реалии, чего уже удалось достигнуть, и какие перспективы ждут в ближайшем будущем.
— Артём, вы занимаетесь разработкой и внедрением цифровых технологий в медицинской сфере, облегчающих работу врачам и оптимизирующих процесс постановки диагноза и лечения пациентов. Расскажите, что вас подтолкнуло заниматься именно этим направлением?
Я закончил Северо-Кавказский федеральный университет, учился на врача медицинской биохимии, потом переквалифицировался на 3D биодизайнера-визуализатора. Медицинские цифровые технологии - это интересное и перспективное направление, которое объединяет инновационные технологии, такие как 3D печать, трехмерную виртуальную реальность, работу со стволовыми клетками и многое другое. С 9-го класса я начал конкретно изучать компьютерную томографию и 3D печать. Акцент делал на компьютерной томографии, МРТ, УЗИ, в целом на дифференциальной диагностике. Потом в университете перешёл к реализации зародившихся идей. Первой была программа для обучения студентов-медиков. Опирался на всем известный сериал «Доктор Хаус», который подкинул несколько интересных мыслей. К примеру, экспертная система «КиберХаус» или ПО «DoctorCT», которое позволяет переводить медицинские DICOM-изображения в 3D модели. Программа помогает конструировать трёхмерные модели органов, а потом распечатать их на 3D принтере. Если этого мало, можно воспользоваться очками виртуальной или дополненной реальности через гарнитуру Microsoft HoloLens, используя, при этом разработанный программный комплекс HoloDoctor.
— Вы параллельно работаете в нескольких масштабных стартапах, таких как Кибермед, ХолоМед, Соцмедика. Расскажите немного о каждом из них, это стартапы с государственной поддержкой? Они все основаны на внедрении 3D печати в медицинские биотехнологии?
Да, в каждом нашем проекте так или иначе задействованы аддитивные технологии, куда без них в наше время.
Центр кибермедицины и прототипирования Кибермед занимается разработкой и производством бионических и тросевых протезов. ХолоМед посвящен виртуальным симуляторам, планированию хирургического вмешательства, в частности цифровой медицине, а это и 3D печать, и биопринтинг.
Еще есть Соцмедика — резидент Сколково. Это IT-компания, специализирующаяся на создании медицинских экспертных систем, мы являемся региональными представителями в Ставропольском крае.
Так получилось, что за несколько лет мы выиграли несколько грантов, в том числе на форуме «Машук», в конкурсе «Умник», в сколковском Startup Village и т.д. И сейчас с помощью грантов реализуем программные проекты совместно со Ставропольским медицинским университетом, Студенческим конструкторским бюро и пр.
Да, наши проекты поддерживает правительство Ставропольского края, администрация президента. Особенно сильно мы ощутили эту поддержку после визита президента на наш стенд в рамках форума «Машук-2018».
Честно говоря, мы не ожидали такого внимания, наш проект отобрали в числе 7-ми других из нашего региона. Мы рассказали о наших инновационных медицинских цифровых технологиях, продемонстрировали принтер Raise3D , напечатанные на нем модели и произвели фурор, сами того не ожидая.
— На недавно прошедшем форуме «Машук-2018» вы презентовали возможности печати на 3D принтере точных прототипов человеческих органов, которые могут значительно облегчить диагностику для медиков. Расскажите, как это происходит?
На основе компьютерной и магнитно-резонансной томографии (КТ, МРТ) создаётся двухмерное изображение и в разработанной нами программе конвертируется в 3D макет. Мы получаем анатомически точные органы, сердце, почки или даже целую систему органов конкретного пациента, потом загружаем файл в принтер и получаем трехмерную модель. Такие макеты служат своеобразным симулятором для практикующих врачей при планировании хирургического вмешательства. Также данные трёхмерные визуализации уже активно применяются для диагностики врачами нашего краевого диспансера.
К примеру, если использовать только традиционные данные компьютерной томографии, бывает сложно рассчитать точный объём опухоли и отделить её от органа. А чтобы принять решение о проведении операции, необходимо иметь точную 3D модель. В этом и помогает наше ПО и 3D принтер. Полученную многослойную модель также можно поместить в программу-симулятор и совместить с поверхностью тела, крупными сосудами и пр.
— Трёхмерные прототипы применяются также в обучении студентов-медиков?
Да, в том числе и в обучении будущих хирургов. В школах, университетах, институтах недостаточно практических материалов. Допустим, мы распечатали сердце, покрасили краской, чтобы выглядело реалистичнее. Студенты изучают топографию, кровеносные сосуды, что, где находится. А распечатанные на 3D принтере симуляционные фантомные органы, соответствующие конкретному пациенту, могут стать отличным практическим пособием. Подобные 3D макеты применяются у нас в Ставропольском медицинском университете.
— А что использовалось в качестве практических пособий в высших медицинских учреждениях до внедрения 3D печати? В чем преимущество прототипов, напечатанных на 3D принтере?
Раньше использовали настоящие органы, помещённые в банки с формалином. В чем минус — реальные органы нужно очень аккуратно использовать. Студенты могут просто посмотреть на них со стороны, каких-то манипуляций провести будет нельзя. Это совершенно не наглядно. В этом огромный плюс 3D печати. Вы можете напечатать огромное количество макетов и у каждого будущего медика будет возможность все внимательно изучить, пощупать.
— Вы также занимаетесь разработкой и изготовлением протезов с помощью 3D принтеров…
Начинали мы с тросевых ручных протезов. Это самый простой и бюджетный вариант - пластиковая кисть с легко заменяемыми деталями (большая часть элементов печатается на принтере). Функционал достаточно скромный - такой «рукой» можно взять чашку, открыть дверь, но мелкая моторика доступна только для бионических процессов. Они работают с мышечными импульсами, используя датчики электромиографии. Там уже доступно около 20 разных движений. Сейчас наши бионические протезы находятся на стадии тестирования у нескольких пациентов. Их отзывы позволят подкорректировать работу протезов, исправить все недостатки перед массовым запуском.
— Как вы оцениваете перспективы развития данного коммерческого направления? Насколько 3D печать удешевляет производство кастомизированных протезов, если сравнивать с традиционными методами (литье и пр.)?
Мы печатаем практически все детали протезов на 3D принтере Raise3D, конечно, кроме сервопривода, платы. Используем пластик ABS, PLA и гибридный сверхпрочный пластик. В итоге получаем персонализированное изделие, изготавливаемое в течение 2-4 дней с невысокой себестоимостью.
Другие бионические протезы изготавливаются неделями-месяцами. К примеру, есть сверхмощные зарубежные протезы, состоящие по большей части из железа со сложным механизмом, настройками и управлением. Изготовление, ремонт, замена занимает кучу времени. Хотя пациентам достаточно пластиковых протезов, напечатанных на 3D принтерах. Для маленьких детей в основном идут тросевые протезы. Подросткам с 14-16 лет делают бионические, только из соображений того, что с возрастом дети начинают бережнее относиться к вещам.
Можно изготовить стилизованные протезы индивидуально под каждого пациента, как рыцарские доспехи, или как у железного человека, вариаций много. Еще один плюс - элементы напечатанного протеза легко заменить. Иногда пациенты обращаются с просьбой заменить палец или кожух, и это делается за 1 или 2 дня. Получается такой протез-трансформер.
Мы представляли на конкурсе 3D принтер, который может превращаться в биопринтер со специальным экструдером, где помещается шприц, и можно печатать гидрогелями, пастами, шоколадом и пр. Что касается стволовых клеток, все печатается в стерильных условиях: в стерильном боксе, в специальном помещении.
В последние несколько лет технологии 3D-печати развиваются с космической скоростью и теперь используются и в медицине, причем таким образом, о котором мы раньше и подумать не могли. И список объектов, которые уже вполне успешно создаются с помощью технологии трехмерной печати и который мы хотим вам представить, демонстрирует огромный потенциал, который 3D-печать может привнести в современное здравоохранение.
Ткани с кровеносными сосудами
Исследователи из Гарвардского университета (США) добились большого прогресса в биопечати кровеносных сосудов , что является самой большой проблемой в 3D-печати тканей тела, которые должны снабжаться кровью. В своей лаборатории ученые создали специальный 3D-принтер и растворяющиеся чернила, позволяющие создавать образцы ткани, содержащие клетки кожи, переплетенные со структурированным материалом, который потенциально может работать как кровеносные сосуды.
Недорогие части для протезов
Создание традиционных протезов - это очень длительный и сложный процесс, при котором любая модификация какой-либо части требует, как правило, начать всю работу сначала. И цена таких устройств высока, что делает их недоступными для людей с невысоким уровнем доходов. Ученые Торонтского университета используют 3D-печать для быстрого производства дешевых и легко настраиваемых модулей для протезов, которые предназначены для людей в развивающихся странах. Аналогичные продукты с большим успехом изготовляют две специализированных организации - Robohand и E-Nable, чьи протезы пользуются сегодня ошеломляющим успехом.
Лекарства
Химик из университета в Глазго Ли Кронин намерен использовать для поиска и распределения лекарств метод, который Apple применила для музыки. Для этого он предполагает использовать 3D-принтер, который способен производить продукты из химических компонентов, соединяемых на молекулярном уровне. Пациенты могут обращаться со своим цифровым рецептом в интернет-аптеку, покупать там схему лекарства и необходимые им компоненты чернил, а само лекарство печать у себя дома. Т.е. в будущем, по мнению Кронина, будут продаваться не лекарства, а их схемы или специальные приложения для их печати.
Печать лекарств на трехмерном принтере уже не только эксперимент, это уже реально работающая технология. Например, новое лекарство Spritam levetiracetam компании Aprecia, предназначенное для контроля судорог при эпилепсии, изготавливается с помощью технологии , которая применяет 3D-печать для создания более пористых таблеток.
Процесс 3D-печати позволяет также более плотно упаковывать слои в таблетке с более точной дозировкой, что будет очень важно в ближайшем будущем в эпоху "персонализированной медицины", когда лекарства будут выписываться с учетом генетики, физических данных и истории болезни каждого пациента, а не просто использоваться по принципу "один размер подходит всем"
Индивидуальные датчики
Исследователи из университета Вашингтона в Сент-Луисе использовали сканированные копии сердца животных для печати моделей , вокруг которых размещали гибкие электронные датчики. Силиконовые датчики затем могут быть сняты с напечатанной модели и закреплены у человеческого сердца для максимально точной подгонки к нему. Хотя современные датчики, в основном, используются снаружи тела, но в будущем, возможно, потребуется и большое "сближение" к нашему телу.
Медицинские модели
Группа китайских и американских исследователей использует напечатанные модели раковых опухолей для того, чтобы создавать новые антираковые препараты и лучше понимать, как опухоль развивается, растет и распространяется. Создание индивидуальных для конкретного пациента моделей с помощью КТ- или МРТ-сканирования позволяет использовать их не только для исследования, но и для более практических вещей, например, для подготовки к хирургической операции, что позволяет очень сильно сократить время такой процедуры. Кроме того, данные медицинского сканирования могут использоваться, например, для 3D-печати индивидуальных для конкретных пациентов имплантатов.
Кости
Новая технология и трехмерный принтер ProMetal уже позволяют ученым из Вашингтонского государственного университета «печатать» гибридный материал , который имеет те же самые свойства, что и реальные человеческие кости. Такая гибридная модель может помещаться в тело человека в место, где повреждены кости, и может использоваться в качестве каркаса все время, пока кости не восстановятся и не вернутся в здоровое состояние.
Причем использование этого материала одновременно со стволовыми клетками позволило костям восстанавливаться существенно быстрее, чем в нормальных условиях. Сам материал представляет собой комбинацию цинка, кремния и фосфата кальция.
Сердечный клапан
Ученые из Корнелльского университета (США) впервые напечатали сердечный клапан , который в ближайшее время будет испытан на овцах. Используя принтер с двойной головкой, они смогли напечатать этот орган, который состоит из альгината, клеток гладкой мышцы и интерстициальных клеток, контролирующих жесткость клапана.
Ушной хрящ
Специалисты из этого же университета использовали трехмерные фотографии человеческого уха для печати шаблона уха. Такие шаблоны затем заполнялись гелем, содержащим коровьи хрящевые клетки в коллагеновой суспензии, который мог держать форму, пока клетки выращивали свою внеклеточную матрицу. А ученые из Принстона, в свою очередь, печатают "коллагеновые уши" со встроенной электроникой, обеспечивающей сверхчеловеческий слух.
Кстати, ученые из Корнелльского университета теперь начали использовать 3D-принтер и для печати межпозвоночных дисков для лечения тяжелых спинальных осложнений.
Медицинское оборудование
3D-печать используется и для решения проблемы недоступности или высокой стоимости медицинского оборудования в развивающихся странах. Например, группа iLab использует трехмерную печать для создания пуповинных зажимов для больниц в Гаити.
Замена черепа
Группа голландских ученых из Университетского медицинского центра в Утрехте недавно провела операцию , в процессе которой 22-летней девушке была заменена верхняя часть черепа на индивидуально напечатанный имплантат из пластика. Подобная операция была произведена в Китае, где мужчина с поврежденным черепом получил его титановую замену, напечатанную на 3D-принтере, и в Словакии, где человек с подобным повреждением получил аналогичное 3D-"лечение" .
Синтетическая кожа
Специалист из Медицинской школы Уэйк-Форест (США) Джеймс Ю разработал принтер, который может печатать кожу прямо на ране пострадавшего от ожогов. Принтер сканирует рану, а затем производит необходимое количество слоев кожи, которые заполняют рану. В своих исследованиях он смог успешно продемонстрировать жизнеспособность 10-сантиметрового кусочка кожи, трансплантированного на свинье и сейчас получил финансирование от американской армии для доработки своей технологии с целью лечения раненых солдат.
Органы
Компания Organovo недавно объявила о запуске в коммерческую эксплуатацию своей технологии биопечати образцов печени - напечатанных на 3D-принтере клеток печени, которые могут функционировать в течение 40 дней. В настоящее время этот продукт используется для тестирования новых фармакологических изделий. Руководители Organovo и ряд отраслевых экспертов утверждают, что уже через 10 лет они смогут печатать органы целиком - печень, сердце и почки. И это может быть спасением для сотен тысяч людей по всему миру, которые ждут органы для трансплантации.
Технологию трехмерной печати, которая в будущем может быть использована для , разработали и специалисты университета Карнеги-Меллона (США). По словам разработчиков, "мы уже сейчас можем взять изображения, полученные методом МРТ коронарных артерий, и 3D-изображения эмбрионального сердца и сделать их трехмерную "биопечать" с беспрецедентными качеством и разрешающей способностью, используя мягкие протеины и полисахаридные гидрогели типа коллагена, альгината и фибрина". Такие биологические структуры создаются путем встраивания печатаемого гидрогеля в другой гидрогель, который служит временной термообратимой и биосовместимой основой.
Для комментирования необходимо
