Преимущества аддитивных технологий для медицины
Что можно напечатать на 3D-принтере, чтобы повысить эффективность лечения
3D-сканеры и программное обеспечение в медицине
Планирование успешной операции с помощью точных макетов
Печать макетов, моделей и прототипов из пластиков
3D-печать протезов и имплантатов из металла
Практические примеры внедрения 3D-технологий в медицине
Аддитивные технологии в медицине: взгляд в будущее
По данным отчета Wohlers Report, сфера здравоохранения занимает 11,3% мирового рынка аддитивного производства. Согласно исследованию компании Market Research Future (MRFR), совокупные темпы годового роста глобального рынка 3D-печати медицинских устройств в 2018-2023 годах оцениваются в 18%.
Один из ключевых факторов в медицине – точность, ведь малейшая ошибка в расчетах может иметь фатальные последствия. И здесь 3D-печать подходит как нельзя лучше, ведь ее главные преимущества – свобода проектирования и высокая точность при создании конечных продуктов.
Преимущества аддитивных технологий для медицины
Главные и бесспорные преимущества:
- Высокая точность, позволяющая учесть индивидуальные особенности человека.
- Возможность создания конструкций любой сложности.
- Облегчение веса напечатанных изделий.
- Сокращение сроков производства (в том числе за счет отсутствия оснастки), и как следствие – ускорение оказания медицинской помощи.
- Экономия трудовых и материальных ресурсов.
- Снижение себестоимости изделий.
- Большой выбор инновационных материалов.
«Можно сделать индивидуальный протез для каждого конкретного пациента, – говорит Павел Вопиловский, Директор НТК «Машиностроительные технологии» СПбПУ Петра Великого, – это наиболее значимый фактор в использовании именно этой технологии (3D-печати – ред.) для медицины. Нет двух одинаковых человек, и, даже если взять тазобедренный сустав, справа и слева, это будут разные кости».
Ваше медицинское учреждение заинтересовано во внедрении 3D-технологий? Закажите бесплатные тестовые услуги 3D-сканирования и 3D-печати!
Что можно напечатать на 3D-принтере, чтобы повысить эффективность лечения
Можно напечатать следующие изделия:
- Макеты органов, тканей и костей при планировании операций;
- протезы, имплантаты, хирургические шаблоны в хирургии и стоматологии;
- ортопедические стельки, корсеты и другие ортезы;
- слуховые аппараты;
- мастер-модели для медицинских изделий;
- прототипы корпусов медицинских приборов;
- продукция медицинской косметологии.
3d-сканирование и программное обеспечение в медицине
С помощью 3D-сканера можно за считанные минуты получить точную трехмерную модель нужного объекта (кости, стоматологического слепка и т.д.), затем обработать полученные данные в специальном программном обеспечении и напечатать модель или готовое изделие на 3D-принтере, либо изготовить его традиционным способом. При этом отпадает необходимость хранить слепки и образцы – все 3D-модели сохраняются в цифровом архиве. При необходимости их можно оперативно откорректировать и переслать по интернету коллегам в любую точку Земного шара.
Планирование успешной операции с помощью точных макетов
Создание точных 3D-моделей костей, частей тела, тканей или органов позволяет провести наглядную демонстрацию патологий в масштабе 1:1. Врач может точно оценить размер патологии и расположение прилегающих тканей перед началом операции. В случае пересадки трехмерные модели помогают разработать подробные и индивидуальные планы операций и подобрать точно подходящие органы.
.jpeg)
Детализированная модель, напечатанная на 3D-принтере, и ее анатомически оптимальное положение помогают хирургу при сверке на всех ключевых этапах операции. Точное позиционирование патологии и кровеносных сосудов в режиме реального времени дает возможность повысить эффективность операции и снизить риски.
Изменение напечатанных анатомических моделей в соответствии с фактическим состоянием органов – один из важнейших методов применения аддитивных технологий. Такая возможность не только экономит ценное время хирургов, но и повышает точность прогнозирования болезней.
Макеты, модели, прототипы из пластиков
Существует несколько технологий пластиковой печати, в том числе моделирование методом послойного наплавления (FDM), лазерная стереолитография (SLA), селективное лазерное спекание (SLS). Первая из них использует в качестве расходного материала термопластиковую нить или гранулы, вторая – фотополимерную смолу, третья – полиамидные или модифицированные порошки.
Эксперты iQB Technologies рекомендуют статью: Пластик творит чудеса: как 3D-принтер имитирует органы человека
Процесс 3d-печати в медицинских целях
Создание печатного продукта происходит в несколько этапов:
- Сбор данных пациента с использованием различных методик (КТ, МРТ, УЗИ, ПЭТ, 3D-сканирование).
- По результатам исследований выбирается целевая область и создается 3D-модель в программном обеспечении.
- На базе созданной 3D-модели печатается точная копия объекта.
- На напечатанной модели моделируется хирургическая операция.
Протезы и имплантаты
Трехмерная печать металлами позволяет создать изделие с заданной сложной геометрией, идеально подходящее конкретному пациенту. Топологическая оптимизация решает такие важные для протезирования задачи, как:
- создание цельнометаллической конструкции любой необходимой формы;
- облегчение веса протеза;
- повышение прочности изделий за счет микроскопических полостей, которые обеспечивают миграцию собственных клеток костной тканей больного;
- создание протезов с пористой структурой, способствующей более быстрому вживлению.
Использование из металлических сплавов (в первую очередь – титановых) используется при протезировании костей челюстно-лицевой области, межпозвоночных дисков, ключиц, коленных суставов, лопаток, тазобедренных костей. В стоматологии эти материалы применяются для изготовления цельных имплантатов, а также металлических основ коронок и мостов из титана, кобальт-хрома и других сплавов.
Наиболее важными особенностями напечатанных металлических протезов являются идеальная точность их соединения с телом и отсутствие реакции отторжения.
Читайте в блоге: Российский производитель SLM‑машин развеивает мифы о технологии
Примеры применения на практике
Реконструкция дефекта скуловой кости по SLM-технологии
43-летний мужчина обратился в отделение с тяжелым дефектом левой средней зоны лица, который он получил 6 годами ранее в результате автомобильной аварии. Поврежденная кость была восстановлена с помощью индивидуального титанового имплантата, напечатанного на аддитивной установке SLM Solutions. Спроектированный на компьютере имплантат обладал идеальной геометрией, а операция по его установке прошла именно так, как было запланировано. Наблюдение за пациентом в течение следующего года не выявило никаких осложнений.
Результаты:
- отличная биосовместимость и интеграция биоимплантата в ткани;
- уменьшение веса титанового изделия за счет создания его полой версии;
- ускоренная интеграция благодаря наполнению имплантата материалом, взятым из подвздошной кости пациента;
- готовое изделие идеально подошло к поврежденному участку и не требовало подгонки во время операции;
- полное отсутствие осложнений и побочных эффектов после установки имплантата.
Как создавалась точная модель позвоночника и трахеи
Своим практическим опытом применения 3D-печати в медицинских целях делятся специалисты компании ProtoFab. Представители Третьей больницы Пекинского университета обратились в ProtoFab с просьбой создать точную трехмерную модель позвоночника и трахеи пациента для подготовки к предстоящей операции. Вызванные заболеванием осложнения не позволяли хирургу ввести трубку в трахею для выполнения операции. Врачам требовалась модель, с помощью которой они могли бы практически оценить различные способы решения этой проблемы.
Данные компьютерной и магнитно-резонансной томографии были импортированы в специализированное медицинское программное обеспечение, позволяющее преобразовывать все эти данные в 3D-модель. Используя это ПО, специалисты ProtoFab смогли увидеть проблемные области трахеи пациента.
На следующем этапе нужно было непосредственно напечатать модель. Она позволила врачам провести перед операцией анализ абсолютно точной копии трахеи и прилегающей области и принять подготовительные меры, которые в противном случае были бы невозможны.
Изготовление протезов
Команде исследователей из Chabloz Orthopédie (Франция) удалось создать уникальный и по-настоящему революционный протез. Компания работала с Дени Готье, у которого было ампутировано предплечье. Сначала специалисты провели 3D-сканирование здоровой руки пациента с помощью сканера peel 3d, чтобы получить ее зеркальное отображение. Оставшаяся часть ампутированной руки также была отсканирована для достижения удобной и эргономичной посадки протеза.
Далее команда приступила к проектированию CAD-модели и разработке миоэлектрического протеза. Аккумуляторы, кабели датчиков и искусственная кисть были интегрированы с изготовленным предплечьем. Сам протез был разработан в САПР и напечатан на 3D-принтере. Для воссоздания различных компонентов предплечья использовалась технология HP Jet Fusion. После изготовления все детали прошли финишную обработку и были покрашены.
Использование трехмерного сканирования и печати гарантирует не только правильную посадку приспособления, но и дает полную свободу движений. Вам известно, что созданные на 3D-принтере детали на 20% легче, чем их аналоги из углеродного или стекловолокна? Такие изделия обладают еще и необходимой жесткостью, твердостью и долговечностью.
Позже этот инновационный протез совместили с кистью BeBionic, одной из самых продвинутых бионических конечностей, и по индивидуальным параметрам были изготовлены ультрасовременные миоэлектрические предплечье и кисть.
Протезирование тазобедренного сустава
Институт травматологии и ортопедии им. Р.Р. Вредена совместно с ЛЭТИ (Санкт-Петербург) провели работу по созданию протеза тазобедренного сустава из титана. На основе КТ был создан пластиковый макет кости. Следующий этап – проектирование имплантата и корректировки по его позиционированию на кость. Затем, после того как врачи провели планирование операции на макете, протез был напечатан на 3D-принтере. Пациент, у которого в результате травмы был практически разрушен тазобедренный сустав, встал на ноги.
Печать роговицы глаза
В 2018 году британские ученые впервые смогли напечатать роговицу на 3D принтере. Теперь они могут использовать объёмную печать при изготовлении роговицы глаза из стромальных клеток. Они также создали специальные биочернила, которые состоят их клеток стромы роговицы живого донора. Также в состав входит коллаген и альгинаты. Белок составляет основу. Поместив полученное вещество в принтер, за 10 минут была напечатала здоровая роговица, которая была жизнеспособна больше недели.
Технология нуждается в клинических испытаниях, но надежда на массовую печать роговицы глаза существует.
Трехмерная печать моделей сосудов
Важнейшую роль для полноценной эмболизации внутричерепной аневризмы играют устойчивое положение микрокатетера и его оптимальная форма. С помощью 3D-принтера можно напечатать модели кровеносного сосуда и аневризмы, которые помогут хирургу лучше понять анатомическую структуру. Для наглядной демонстрации кровеносных сосудов и аневризмы можно использовать модель, напечатанную на 3D-принтере в натуральную величину.
Аддитивное производство шаблонов
Традиционно для планирования остеотомии используются рентгеновские снимки. Однако на двухмерных снимках не отражается фактическое состояние костей. В связи с этим 60% операций не дают положительный результат. Решить данную проблему помогут шаблоны, напечатанные компанией Materialise. Производство таких шаблонов не требует больших затрат, и они доступны всем пациентам.
Оборудование: FlashForge 400
Время печати: 4 часа
Вес восковой модели: 30 г
Выгоды по сравнению с традиционным процессом: на 50% ускорился срок внедрения, на 45% сократились трудозатраты
Актуальность 3d-моделирования в будущем
Благодаря инновациям, о которых мы рассказали в этой статье, удается повысить надежность операций, сэкономить время, снизить производственные расходы и стоимость конечных изделий, а главное – улучшить и продлить жизнь пациентов.
Наряду с совершенствованием аддитивного оборудования ведется активная работа по созданию новых материалов для медицинских целей. С помощью аддитивных технологий можно будет, к примеру, напрямую печатать изделия из керамики, а также создавать цельные зубные протезы, включая зубы и десны, из биосовместимых материалов.
Направление современной медицины, с которым связывают прорыв в лечении болезней и патологий в обозримом будущем, – трехмерная печать тканей, кровеносных сосудов и органов, или 3D-биопринтинг. Ведущие научные и медицинские центры разрабатывают новые технологии и проводят клинические исследования в этой области.
Достижения аддитивных и биомедицинских технологий будут способствовать развитию бионического моделирования и 3d-печати тканей и органов, что позволит сохранить здоровье и спасти жизни огромному числу людей.
Помощь IT-индустрии в период пандемии коронавируса
Множество компаний поддерживают медицинские учреждения в период пандемии COVID-19. Поставщики медицинского оборудования не справляются с нагрузкой, особенно это связано с защитными средствами (респираторы, маски, экраны). Во всем мире трехмерная печать стала оказывать реальную помощь, выражающуюся в производстве прототипа клапана, который устанавливается в респиратор. Поставщик Lonati SPA в Италии смог напечатать клапан из PA12. Производительность составляла от 100 штук в сутки, а цена была минимальная.
В Великобритании многие производители перестроились на изготовление оборудования для вентиляции легких. Одна из компаний изготавливала детали из металлов и полимеров, которые помогли в производстве зажимов, креплений и корпусов. Благодаря лазерному спеканию можно производить одновременно десятки деталей, не требующих обработки.
Компанией ProtoFab была разработана защитная маска из мягкого полипропилена высокого качества. Она имеет особую конструкцию, которая разделяет дыхание через рот и нос, удобна в использовании и устойчива к любой температуре. Благодаря сменным фильтрам маска прослужит долго.
В нашем блоге мы продолжим знакомить вас с темой внедрения 3d-печати в медицине. Следите за публикациями!
Статья опубликована 15.11.2019 , обновлена 15.05.2023
