Влияние 3D-моделирования на шины и стенты дыхательных путей

Мы уже писали о растущей роли 3D-моделирования и печати в медицинских приложениях и их влиянии на улучшение жизни людей. Но эта технология обещает еще больше возможностей для спасательных операций.

В прошлых блогах мы рассказывали о механических протезах, разработанных исследовательской группой биомехатроники в Массачусетском технологическом институте, где необходимо смоделировать нижнюю конечность, чтобы понять ее внутреннюю структуру, а также силу отдельных тканей и мышц, используемых для управления конечностью. Таким образом, в то время как основная конечность является стандартной конструкцией, конструкция крепления и датчика должна быть смоделирована и изготовлена ​​для каждого клиента.

Мы также обсудили, как массовая кастомизация будет распространяться на операционную, где хирурги будут вставлять стенты коронарных вен и заменять суставы, адаптированные к пациенту, и что вскоре у пациентов будет 3D-моделирование пораженных артерий и суставов для определения точной конфигурации и размера. нужно.

Оба этих набора приложений демонстрируют, как 3D-моделирование и печать улучшают существующие методы лечения и приложения. И хотя они более или менее меняют жизнь, есть одно новое приложение, которое только практично благодаря 3D-моделированию и печати — стенты и шины для дыхательных путей или трахеи — предметы, которые могут спасти жизнь.

Текущее состояние дел

Современные стенты дыхательных путей (трахеобронхиальное дерево) представляют собой относительно грубые конструкции, состоящие из Y-образных трубок с каким-то механизмом, удерживающим их на месте. Они больше похожи на что-то из вашей машины, чем на медицинское устройство. Поскольку эти стенты просты по конструкции и подходят лишь приблизительно, они могут перемещаться в дыхательных путях, что снижает их эффективность. Или, что еще хуже, стент может заблокироваться слизью или вызвать образование новой ткани вокруг механизма, предназначенного для его удержания.

Форма и размер этих стентов могут быть изменены по индивидуальному заказу, но для этого необходимо провести измерения пациента, а затем сообщить их производителю. Этот процесс может занять несколько недель, прежде чем будет поставлен новый стент, и все же результат будет далеко не идеально подходящим стентом. И, конечно же, всегда бывают случаи, когда пациент не может ждать.

3D-производство выходит на новый уровень

Познакомьтесь с доктором Джорджем Чангом из Медицинского центра Бет Исраэль Диаконисс, который увидел потенциальное применение 3D-моделирования и печати для разработки индивидуальных стентов, которые решают проблемы с подгонкой существующих решений. Используя грант для финансирования проекта, д-р Чанг собрал разнообразную команду для решения проблемы. Первая проблема, с которой столкнулась команда, заключалась в том, что ни один 3D-принтер не мог справиться с силиконом медицинского назначения, необходимым для изготовления стента. Решение заключалось в том, чтобы напечатать на 3D-принтере форму, которую затем можно было использовать для создания необходимого стента из подходящего материала. Основываясь на этом понимании, команда написала программу для 3D-сканирования трахеи пациента и создания необходимой формы. Мало того, что новый стент идеально подходит и работает намного лучше, чем предыдущие коммерческие стенты, но и время, необходимое для создания стента, занимает всего несколько дней.

У работы доктора Чанга есть интересное побочное действие:слепки, сделанные для пациентов, представляют собой очень реалистичное учебное устройство для пульмонологов, которые учатся выполнять бронхоскопию. Эти слепки не только намного дешевле, чем используемые в настоящее время обучающие модели, но и отражают все детали настоящего трахеобронхиального дерева.

Дозвон до одиннадцати

Какой бы впечатляющей ни была новаторская работа доктора Чанга, он в основном заменяет стент старого типа. Но для младенцев, страдающих трахеобронхомаляцией (или ТБМ), единственными современными методами лечения являются сложные операции и постоянная вентиляция легких и мониторинг. Даже после операций шансы на выживание младенца невелики. Однако те, кто выживает, выздоравливают к трем годам.

ТБМ — это состояние, при котором дыхательные пути сдавливаются из-за давления внутренних органов на слабое трахеобронхиальное дерево. Хотя стент может быть очевидным решением, есть две основные проблемы:

• Размер дыхательных путей младенца. Из-за проблем с установкой стент нецелесообразен.
• Любое лекарство должно расти вместе с младенцем.

Команда доктора наук Скотта Холлистера, доктора философии Гленна Грина и доктора медицины Роберта Моррисона из Мичиганского университета в Анн-Арборе разработала концепцию 3D-печатной шины (окружающей трахею), которая растет вместе с пациентом. Кроме того, команда хотела создать шину, которая была бы биорезорбируемой, то есть она просто впитывалась бы в организм ребенка в течение нескольких лет, что устраняло необходимость в операции по удалению шины позже.

Предоставлено системой здравоохранения Мичиганского университета

Решение начинается с 3D-модели, построенной на основе компьютерной томографии дыхательных путей младенца. Из этой модели создается 3D-печатная модель трахеобронхиального дерева ребенка, используемая для примерки, вместе с самой шиной. Шина печатается с использованием биополимера под названием поликапролактон, который не только биоразлагаем, но и недорог. Полученную шину затем сшивают вокруг трахеи ребенка, поддерживая трахею, пока она не окрепнет.

Результаты потрясающие. Первая операция с использованием шины была проведена в феврале 2012 года маленькому ребенку, единственной альтернативой которому было удушье. После установки шины нормальное дыхание вернулось. Младенца сняли с аппарата ИВЛ через 21 день, и он смог вернуться домой без признаков проблем с дыханием. Учитывая, что ТБМ поражает 1 из 2200 младенцев, рожденных в США, количество спасенных жизней будет огромным.

В будущем мы можем ожидать появления таких решений на основе 3D-моделирования и печати для создания биорезорбируемых стентов и шин для решения различных проблем, что даст тысячам пациентов новую надежду.