Как 3D-моделирование трансформирует трахеальные штифты и стенты: повышение точности и результатов лечения

Мы писали о растущей роли 3D-моделирования и печати в медицинских применениях ранее и об их влиянии на улучшение жизней людей. Но эта технология несет еще большее обещание для обеспечения спасающих жизни процедур.

В прошлых блогах мы освещали бионические протезы, разработанные исследовательской группой Biomechatronics в MIT, где нижняя конечность должна быть смоделирована для понимания внутренней структуры плюс сила индивидуальных тканей и мышц, используемых для управления конечностью. Так пока базовая конечность — стандартная конструкция, структура крепления и сенсоров должна моделироваться и производиться для каждого клиента.

Мы также обсуждали, как массовая кастомизация расширится в операционную, где хирурги будут вставлять коронарные венозные стенты и заменяющие суставы, кастомизированные под пациента, и что скоро пациенты будут иметь свои пораженные артерии и суставы 3D-моделированными для определения точной конфигурации и размера.

Оба этих набора применений демонстрируют, как 3D-моделирование и печать улучшают существующие лечения и применения. И пока они более или менее меняют жизнь, есть одно новое применение, которое только практично благодаря 3D-моделированию и печати — дыхательные или трахеальные стенты и штифты — предметы, которые могут спасать жизни.

Текущее состояние дел

Текущие дыхательные (трахеобронхиальное дерево) стенты — относительно грубые вещи, состоящие из Y-образной трубки с каким-то механизмом для удержания на месте. Они выглядят больше как что-то из вашей машины, а не как медицинское устройство. Поскольку эти стенты просты в конструкции и только примерно подгоняются, они могут смещаться внутри дыхательных путей, снижая эффективность. Или хуже — стент может забиться слизью или вызвать образование новой ткани вокруг механизма удержания.

Форма и размер этих стентов можно кастомизировать, но это требует измерений пациента и передачи их производителю. Этот процесс может занять недели до доставки нового стента и все равно приводит к менее-идеально подходящему стенту. И конечно есть случаи, когда пациент не может ждать.

3D-производство, поднятое на новый уровень

Появляется доктор Джордж Чанг из Beth Israel Deaconess Medical Center, увидевший потенциал применения 3D-моделирования и печати для разработки кастомных стентов, устраняющих проблемы подгонки текущих решений. Используя грант для финансирования проекта, д-р Чанг собрал разнообразную команду для решения проблемы. Первая проблема — ни один 3D-принтер не мог обрабатывать медицинский силикон, нужный для стента. Решением стало 3D-печать формы, которая затем могла использоваться для создания нужного стента из правильного материала. На этом осознании команда написала программу для взятия 3D-скана трахеи пациента и генерации нужной формы. Не только новый стент — идеальная подгонка, работающая намного лучше коммерческих стентов, но время генерации стента занимает всего несколько дней.

Есть интересный побочный эффект работы д-р Чанга: формы, сделанные для пациентов, представляют очень реалистичное обучающее устройство для пульмонологов, обучающихся выполнять бронхоскопию. Не только эти формы намного дешевле текущих обучающих моделей, они захватывают все детали реального трахеобронхиального дерева.

Поднимаем на одиннадцать

Так впечатляюща, как пионерская работа д-р Чанга, она в основном заменяет старый стиль стента. Но для младенцев, страдающих трахеобронхомалацией (TBM), единственными текущими лечениями являются сложные операции и постоянная вентиляция и мониторинг. Даже с операциями шансы выживания младенца не хороши. Однако те, кто выживает, вырастают из состояния к трем годам.

TBM — состояние, где дыхательные пути сжимаются из-за внутренних органов, давящих на слабое трахеобронхиальное дерево. Пока стент может быть очевидным решением, есть два главных вызова:

• Размер дыхательных путей младенца. Из-за проблем с подгонкой стент не практичен.
• Любое средство должно расти с младенцем.

Команда Скотт Холлистер (PhD), Гленн Грин (PhD) и Роберт Моррисон (MD) из Университета Мичигана, Анн-Арбор, придумала концепцию 3D-напечатанного штифта (обволакивающего трахею), растущего с пациентом. Более того, команда хотела создать биоресорбируемый штифт, то есть впитываемый в тело ребенка за пару лет, устраняющий необходимость позднее операции по удалению штифта.

Решение начинается с 3D-модели, построенной из КТ-снимков дыхательных путей младенца. Из этой модели создается 3D-напечатанная модель трахеобронхиального дерева ребенка для подгонки, вместе с самим штифтом. Штифт печатается с биополимером под названием поликапролактон, который не только биодеградируем, но и недорог. Полученный штифт затем шьется вокруг трахеи ребенка, поддерживая трахею до ее укрепления.

Результаты удивительны. Первая операция с штифтом выполнена в феврале 2012 года на маленьком ребенке, чья единственная альтернатива — удушье. Как только штифт установлен, нормальное дыхание вернулось. Младенца сняли с вентилятора через 21 день и смогли вернуть домой без признаков проблем с дыханием. Учитывая, что TBM затрагивает 1 из 2200 родившихся в США младенцев, число спасенных жизней будет огромным.

Продолжая в будущем, мы можем ожидать увидеть эти типы решений на базе 3D-моделирования и печати для создания биоресорбируемых стентов и штифтов для решения различных состояний, предлагая тысячам пациентов новую надежду.