Медицинские 3D модели Технологии 3D печати позволяют врачам оперативно получать недорогие 3Д модели, для планирования операций. Данные Компьютерной или Магнитно-резонансной томографии в формате DICOM 3.0 могут быть преобразованы в точную модель органа пациента.
Где используются данная технология Ортопедия и челюстно-лицевая хирургия Университет Медицинского центра Нью Мехико Сеульский национальный университет Пластическая хирургия Фукусимский Медицинский Университет Клиника Олинда Производители имплантов ЕВI Synthes
Основные области применения Предоперационное планирование: Предварительное разработка и изменение формы импланта Выбор/расположение винтов Выбор инструмента для операций Изготовление индивидуального импланта для пациента Коммуникации между докторами Наглядный пример повреждений для пациента Обучение студентов
Предоперационное планирование 3D Модели позволяют смоделировать имплант до начала операций с пациентом Значительно снижает операционное время Снижает усталость операционной команды Ускоряет выздоровление пациента Уменьшает процедуры «переделки» Сводит к минимуму размер разрезов Кости лучше прилегают к пластинам Дает возможность повторений процедуры много раз.
Челюстно-лицевая хирургия 3D Модели используемые при лицевых травмах можно рассматривать раздельно и переделывать для анатомически правильного соответствия предварител ьно сформированных пластинок. Кость точно прилегает к импланту, обеспечивая совершенное соответствие.
Ортопедическая хирургия - реконструкция вертлужной впадины Предварительно сформированные пластины фиксации вертлужной впадины могут сократить время операции на 2 часа. Свести к минимуму размер разрезов (в некоторых случаях в 3-и раза) Док. Джодж Браун, заведующий, Отделение спинальной хирургии, Университет Нью- Мексико, Центр здравоохранения Этот случай – одно из наиболее полезных применений в области ортопедии. Реконструкция вертлужной впадины - одна из наиболее проблемных операций для хирургов-ортопедов.
Пред операционное планирование 3 D Модели используются для анализа переломов и определения точного местонахождения и траектории винтов выравнивания и пластин фиксации. Картинка показывает модель восстановления сложного, двустороннего перелома таза. Выбор и расположение болтов
Изготовление индивидуального имплантанта 3 D модели позволяют производителя м имплантатов производить и мплантаты быстро и эффективно для немедлен ного применения. Фактически 2 ведущих производителя Синсез и EBI используют 3D модели для разработки индивидуальных имплантант
Инструмент общения с пациентом 3 D Модели позволяют улучшить возможности врачей в общении с пациентом, повышает доверие к хирургу и увеличивает вероятность успешного результата Эти модели позволяют легко передавать пациенту сложные медицинские объяснения. Они персонализируют диагноз и повышают уверенность пациента в подходе врача к его конкретному случаю.
Обучение студентов Комплексные 2D-изображения могут быть преобразованы в легкие для понимания 3D-модели, которыми легко манипулировать для более полного понимания анатомии 3 D Модели также очень полезны в обучении чтения компьютерной томографии и изображений магнитно- резонансной томографии, а также тому, как выполнять специфические процедуры. Кроме того, полноцветные 3D модели позволяют лучше понять из данных другие области анатомии.
Кардиологя Достижения в области технологии Компьютерной Томографии позволяют теперь 3D-охватывать данные мягких тканей Врачи могут более точно количественно оценить размеры, формы и функции сердца. Изучение всего бьющегося сердца делает исследования и хирургические процедуры более точными и быстрыми.
Быть может воображение идейного вдохновителя технологии 3D-печати и рисовало радужные картины будущих перспектив его детища, но вряд ли даже он мог представить все масштабы революционной идеи. С легкой руки разработчиков 3D-принтеры стали способны вмешиваться в творение, созданное самой эволюцией – человеческое тело. Медицина, вооружившись технологией прототипирования, перешла на новый уровень в хирургии и протезировании, существенно улучшив качество создаваемых имплантатов.
Отцом процесса биологической 3D-печати по праву считается Габор Форжак (Gabor Forjak), один из основателей Organovo. Именно его инновационная разработка положила начало сотрудничеству американской медицинской компании с австралийским машиностроительным концерном Invetech. Результатом их совместной работы стал прототип первого биологического 3D-принтера.
На этом устройстве, группа американских медиков под руководством Энтони Атала (Anthony Atala) в 2006 году распечатала несколько мочевых пузырей необходимых для пересадки. Искусственные органы были вживлены семерым пациентам, и продолжают успешно выполнять свои функции на протяжении шести лет. В то время, исходным материалом для печати являлись образцы тканей мочевых пузырей самих реципиентов. Современная медицина исповедует несколько другой подход, используя в качестве «расходников» стволовые человеческие клетки.
Суть 3D-биотехнологии от Organovo
Схожесть предложенной американскими учеными технологии с классической 3D-печатью бесспорна. На первом этапе происходит подготовка исходных материалов. Здесь, как и в 3D-принтере, используются рабочее вещество и материал поддержки. Биологические «чернила» представляют собой измельченную до наноразмеров клеточную ткань реципиента (или его стволовые клетки), помещенную в жидкую питательную среду. В качестве материала поддержки выступает гидрогель на основе коллагена, который не взаимодействует с рабочим веществом, но способен бесконечно долго поддерживать постоянную температуру своей поверхности близкую к нормальной человеческой.
На втором этапе в специальной биокамере из коллагенового геля формируется основание будущего органа, на которое наносится клеточная суспензия. Печатающая головка в таком 3D-принтере состоит из большого количества микроскопических форсунок, способных впрыскивать биочернила на подготовленную поверхность с точностью до нескольких десятков микрон. Затем прототип вновь покрывается слоем материала поддержки.
С течением времени, под действием естественных природных процессов частицы клеточной суспензии начинают сращиваться между собой, образуя новый человеческий орган. В завершении процесса печати застывший гель удаляется с имплантата, который помещается в питательный раствор и подготавливается к трансплантации.
Благодаря 3D-технологии за последние несколько лет медикам удалось успешно напечатать куски кожных покровов, человеческую печень, части кровяных сосудов и даже сердечный клапан. Как отмечает руководитель Института регенеративной медицины Уэйк-Фореста (Wake Forrest, США), уже в следующем году при помощи биопечати врачи смогут заживлять раны непосредственно на теле пациента. Прогресс 3D-печати делает нашу повседневную жизнь все более похожей на голливудский фантастический фильм.
Костная 3D-ткань из Японии
Ученые из страны гейш и сакуры пошли немного дальше своих заокеанских коллег и поставили на конвейер производство протезов по 3D-технологии, создав Токийскую Фабрику костей (Tokio Bone Factory). Специальное программное обеспечение, опираясь на рентгеновские снимки, создает компьютерную модель протеза, а затем готовый проект воспроизводится на 3D-принтере. Материалом для печати служит мелкодисперсный порошок альфа три-кальций фосфата (аТКФ). Прототипирование происходит по 3DP-технологии, а значит необходимо еще и вяжущее вещество, в роли которого выступает полимерный клей на водной основе.
Созданные таким образом кости соответствуют природным аналогам, приживаются без видимых проблем и со временем через них прорастает естественная ткань, полностью заменяя собой имплантат в течение нескольких месяцев. Обычные протезы из гидроксилапатита стоят дороже и гораздо хуже адсорбируются человеческой тканью. Кроме того, прототипированные кости более прочны, но даже их жесткости не достаточно, чтобы выдерживать вес тела человека, а значит применить имплантат из три-кальций фосфата для замены, скажем берцовой кости не возможно.
Студенты-медики изучают «распечатанные» органы
Качественное обучение любого специалиста работающего в области медицины не возможно без большого количества практических занятий. Испокон веков для этих целей использовались мертвые человеческие тела. Истории известен факт, когда группа студентов Чикагского медицинского университета отказалась препарировать в учебных целях эксгумированные трупы.
Специалисты медицинского отдела военного ведомства США впервые предложили использовать в качестве объектов для практических занятий модели человеческих мышц, костей и внутренних органов созданные при помощи 3D-принтера. Сейчас такими «распечатками» снабжены более десяти медицинских ВУЗов страны. Теперь будущие хирурги совершают свои первые настоящие операции на элементах человеческих тел, полученных по технологии 3D-прототипирования. Кроме того, «распечатки» подвергаются любым методам медицинского сканирования (КТ или МРТ), поэтому врачи общей практики смогут оттачивать мастерство диагностики на моделях человеческих органов.
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
3d принтеры – это огромный прорыв в науке, особенно если учесть все аспекты и обширность их возможного применения. 3d индустрия постоянно развивается и цены на литье в силиконовые формы, с каждым днём, становятся всё доступенее. Даже предсказывают в будущем появление специальных фабрик, на которых с помощью 3d принтеров можно будет создать все что угодно и за короткие сроки. В данной статье мы рассмотрим особенности, возможности и перспективы применения 3d принтеров в науке под названием медицина.
В настоящее время была проведена операция по внедрению имплантата куска черепа пациенту. Этот имплантат был изготовлен с применением 3d принтера, но перед этим создали модель черепа пациента благодаря 3d сканеру, который также широко применяется. Преимущество этой модели состоит в том, что она принимает во внимание всю уникальность строения и формы черепа пациента, а значит лучше ему подходит. Такую модель изготовляли на протяжении двух недель после сканирования, ее составили из 23 костей, которые и входят в состав черепа человека. Учтены все даже самые малейшие детали. Такие имплантаты в настоящее время помогают большому количеству людей, которые пострадали от в следствии черепно-мозговых травм.
Кроме имплантатов также, применяя 3d печать , изготавливают протезы разных частей тела человека. Данные протезы учитывают индивидуальность строения и уникальность потребностей человека, а поэтому очень удобные. В данных протезных системах специально остаются микрополости, благодаря которым, собственные здоровые клетки тканей больного способны в них перемещаться. Таким образом осуществляется более быстрое привыкание к протезу.
Но наука пошла еще дальше и в настоящий момент (хотите верьте, а хотите не) уже создан даже искусственный фрагмент живой печени на 3d принтере. Конечно, вместо красок применялись специальные клетки печени, а именно гепатоциты (основные клетки печени), звездчатые клетки и, конечно же, клетки эпителия, которые способны выстилать кровеносные сосуды органа.
Такие искусственные ткани в настоящий момент использую не для пересадки, а для тестирования разнообразных лекарств. Но зато такие ткани способны синтезировать альбумин и цитохромы, что говорит в пользу достоверности проведенных исследований. Также искусственная ткань печени способна автономно существовать на протяжении 5 дней, в отличии от живой ткани, которая нуждается в перепосеве каждые 2-3 дня.
3d принтеры нашли свое применений почти во всех направлениях медицины, но хочется особенно отметить их роль в стоматологии. В настоящее время, используя услуги 3d принтера , создаются временные коронки. Также изготовляются дешевые 3D модели челюстного аппарата, что очень важно при проведении операции. Это облегчает работу хирурга и позволяет быстрее и лучше провести операцию. Кроме этого еще изготавливаются челюстные имплантаты, что важно для здоровья и полноценной жизни пациента.
Про 3d принтеры можно говорить бесконечно, потому что их применение расширяется с каждым днем.
Ключевые слова: Применение 3d принтеров в современной медицине, цены на литье в силиконовые формы, 3d печать, услуги 3d принтера, череп, кости, печень на 3д принтере
Технология 3D-печати появилась благодаря открытию американского изобретателя Чарльза Халла в 1983 году и постепенно распространилась по всем сферам производства.
Применять технологию в мировом здравоохранении начали с 2000-х годов. С тех пор использование трехмерной печати в медицинских целях значительно эволюционировало. Что же произошло за эти 30 лет в индустрии, какие изменения заставили ученых поверить в разрешение сложнейших вопросов медицины?
5 прорывных шагов в развитии 3D-печати
С тех пор мы регулярно встречаем новости об успешных операциях по вживлению имлантатов или трансплантации костей и суставов, напечатанных на 3D-принтере. Сообщения о совместном успехе ученых, докторов и инженеров приходят из Китая, США, стран Европы.
Как развиваются технологии в России?
- Нижегородские врачи приволжского федерального медицинского исследовательского центра (ФГБУ «ПФМИЦ» Минздрава России) в 2016 году провели две успешные операции по вживлению протезов тазобедренных суставов, напечатанных на 3D-принтере.
- Специалисты лаборатории Томского государственного университета изобрели вариант костной ткани на основе фосфора и кальция. Ученые предположили, что созданная из костей животных ткань, а, следовательно, биосовместимая с человеческим организмом, способна со временем заменить титановые имплантаты.
- В клинике при Санкт-Петербургском государственном педиатрическом медицинском университете успешно проводят операции с применением смоделированных органов для подготовки к вмешательству при пороках сердца. Теперь для спасения ребёнка вместо нескольких сложных операций понадобится одна - длительная, но менее рискованная.
Продумываем доступ правильный, как выбрать тактику необходимую для данной операции, выбрать тип операции. Потому что при сложных врождённых пороках сердца с непростой гемодинамикой детали имеют колоссальное значение. И правильный подход к операции будет иметь либо положительный, либо отрицательный результат. Евгений Кулемин, кардиохирург
Что такое 3D-печать?
Трехмерная печать, или аддитивные технологии, - способ производства, в котором цельные трехмерные объекты создаются путем последовательного послойного нанесения материалов. Используются пластик, металл, керамика, порошок, жидкости и даже живые клетки.
Аддитивное производство - противоположность субтрактивному производству и традиционным методам, фрезеровке и резке, где облик изделия формируется за счет удаления лишнего, а не послойного соединения материалов.
Этапы создания 3D-объекта:
- Моделирование объекта в компьютерной программе
- Печать
- Пост-обработка
3 преимущества технологии:
Скорость печати, высокая точность и построение объекта в желаемой геометрической форме.
Создание сложных и анатомически точных медицинских структур и воплощение в трехмерные осязаемые объекты стало возможно благодаря переводу данных двухмерных радиографических изображений, таких как рентгеновские снимки, МРТ (магнитно-резонансная томография) или КТ-снимки (компьютерная томография) в цифровые файлы и дальнейшему преобразованию виртуальной модели в цельное трехмерное изделие.
Чем 3D-печать полезна медицине?
За 16 лет применения 3D-печати в медицине врачи во всем мире провели сотни успешных операций, а ученые продолжают исследовать возможности технологии. Западные исследователи назвали 2016 год переломным для аддитивного производства в медицине. Об открытиях, примерах и возможных вариантах использования технологии 3D-печати в здравоохранении мы продолжим рассказывать в разделе