Как применяется 3D-печать в кардиохирургии?

Какие задачи решает 3D-печать

Анатомическое моделирование перед операцией

На основе КТ или МРТ сердца создаются точные физические модели сердца, сосудов и клапанов. Хирург может заранее примерить инструменты, оценить разрезы и отрепетировать вмешательство, например, при сложных врожденных пороках или аневризмах.

Перспективное направление: производство персонализированных имплантатов

• Биосовместимые сердечные клапаны, точно повторяющие анатомию пациента.

• Стенты и заплаты для закрытия дефектов.

• Сосудистые протезы при коарктации аорты.

Преимущества

Предоперационная оценка с помощью 3D-печатных моделей позволяет лучше понять анатомию конкретного пациента и заранее выбрать оптимальную тактику.

В хирургии сложных врожденных пороков 3D-печать позволяет создать модель с точностью, достаточной для хирургического планирования (вплоть до 0,1 мм в идеальных условиях), сокращая время операции и риск осложнений.

Модели создаются на основе данных конкретного пациента, что обеспечивает идеальную посадку устройств и снижает риск осложнений, связанных с анатомическим несоответствием.

Методы визуализации

По данным исследований, на основе компьютерной томографии (КТ) и магнитно-резонансной томографии (МРТ) производится подавляющее большинство 3D-печатных моделей сердечно-сосудистой системы. Также в числе используемых методов визуализации — ультразвуковое исследование (УЗИ) и трансэзофагеальная эхокардиография (ТЭЭ, чреспищеводная ЭхоКГ).

Технологии

Для задач кардиологии часто используют технологии SLA, FDM и PolyJet, основанной на отверждении жидких фотополимеров под воздействием УФ-излучения. PolyJet позволяет получать модели, максимально близкие по физическим свойствам мягким тканям человека.

Кейсы

Печать модели клапана сердца

Проблема

В результате протезирования клапанов сердца иногда случаются осложнения, когда кровь просачивается между кольцом протеза и окружающими тканями. Борьба с так называемыми паравальвулярными утечками остается сложной задачей.

Традиционные методы визуализации часто не позволяют в полной мере оценить глубину и расположение утечки. Поэтому команда из Верхнесилезского медицинского центра и Силезского медицинского университета в Польше исследовала использование данных трансэзофагеальной эхокардиографии для создания точных 3D-моделей, которые позволили бы лучше выбирать тип и размер клапана (окклюдера) до операции.

Решение

Ключевую роль в этом начинании сыграл 3D-принтер Stratasys Objet 30, работающий по технологии PolyJet и способный печатать высокоточные анатомические структуры с отклонением не более ±100 мкм для моделей длиной менее 100 мм.

• Модели были напечатаны в масштабе 1:1.

• Материалы: прозрачные фотополимеры.

• Примерные размеры окклюдеров: 12×5 мм, 10×5 мм, 8×4 мм.

Результаты

1. Модели, напечатанные на 3D-принтере Objet 30, точно воспроизвели структуру утечки, что позволило медицинской команде реалистично протестировать различные конфигурации окклюдера перед процедурой.

2. Были проанализированы восемь случаев пациентов с паравальвулярной утечкой в клапанах. В семи случаях выбор окклюдера, основанный на распечатанной модели, совпал с клиническим решением.

3. 3D-печатные модели позволяют точно воспроизводить твердые и мягкие структуры — от костей до кровеносных сосудов, что полезно для моделирования лечения и экспериментов по выбору имплантатов.

4. Напечатанные на 3D-принтере модели в масштабе 1:1 позволили моделировать процедуры, тестировать различные типы и размеры окклюдеров, а также оценивать их взаимодействие с клапаном и тканями.

5. Проект продемонстрировал, что 3D-печать для персонализации лечения сердечных заболеваний технически осуществами и потенциально может сокращать время подготовки к процедурам и повышать точность вмешательств.

Мягкие 3D-модели, имитирующие сердечные сокращения

Инженеры из Массачусетского технологического института разработали технологию 3D-печати мягких и гибких копий сердца, имитирующих перекачивание крови.

В качестве исходного материала исследователи использовали медицинские снимки 15 пациентов с диагнозом аортальный стеноз.

Команда преобразовала изображения каждого пациента в трехмерную компьютерную модель левого желудочка (главной насосной камеры сердца) и аорты.

Цифровые модели были отправлены на печать. В результате получились мягкие, гибкие оболочки, точно повторяющие индивидуальную форму органа. Благодаря использованным полимерным материалам каждая модель могла сжиматься и растягиваться подобно бьющемуся сердцу.

Чтобы имитировать насосную функцию сердца, инженеры изготовили рукава-манжеты для измерения артериального давления, которые обхватывают напечатанные на 3D-принтере сердце и аорту.

По словам исследователей, врачи смогут использовать технологию, сначала распечатав модель сердца и аорты пациента, а затем установив в нее клапаны. Это позволит определить, какой вариант обеспечивает наилучшую функциональность.

Эти модели сердца также могут использоваться исследовательскими лабораториями и медицинской промышленностью в качестве реалистичных платформ для тестирования методов лечения различных типов сердечных заболеваний.

3D-печать модели сердца изменила жизнь подростка

Саманта Родригес родилась с редким врожденным пороком сердца, при котором кровь перекачивает только один желудочек. Первую операцию она перенесла в возрасте трех недель, вторую — когда ей исполнился год.

Когда Саманте было 12 лет, кардиологи из Детского кардиологического центра больницы Бениофф при Калифорнийском университете в Сан-Франциско приняли решение провести повторную оценку ее состояния.