3D печать в медицине станет такой же рутиной, как рентген?
Более 100 лет назад госпожа Анна Рентген, увидев первый в мире рентгеновский снимок ее левой руки, была шокирована видом скелета собственных пальцев. «Я видела свою смерть!» – заявила она. Знаменитый снимок сделал ее муж, сэр Вильгельм Конрад Рентген, немецкий инженер–механик и физик.
Примечательно, что Сэр Вильгельм, обнаружив, что при помощи рентгеновских лучей можно заглянуть внутрь тела человека, не подумал о внедрении инновации в медицину. Этот снимок был одним из целой серии изображений, на которых в основном были запечатлены неодушевленные предметы. Однако рука мисс Рентген захватила воображение медиков, и ни для кого не секрет, что эта технология произвела революцию в медицине. Теперь ежегодно делается около 3.6 миллиардов диагностических рентгеновских снимков.
3D печать – еще одно немедицинское новшество, которое вызвало сильный интерес со стороны медиков. И, хотя возможность подержать собственные внутренние органы в руках может у кого-нибудь вызвать отторжение (как у миссис Рентген), годы спустя эта технология может стать таким же обыденным явлением, как рентген.
3D печать была изобретена инженером Чаком Халлом в 1980-х годах. Его жена, как и в случае с Рентгеном, тоже стала первым человеком, увидевшим продукт труда ученого. Халл разбудил ее ночью и попросил спуститься в лабораторию прямо в пижаме, на что она сказала ему: «Надеюсь, это того стоит». Можно с уверенностью сказать, что стоило – изобретение стало началом новой индустрии 3D печати, общий оборот которой, по некоторым оценкам, превысит 20 миллиардов долларов к 2020 году; индустрии, повлиявшей на такие разные сферы, как архитектура, аэронавтика и медицина.
Однако медицинская 3D печать все еще находится на начальной стадии. Сегодня около 100 больниц в США имеют собственные 3D принтеры по сравнению с тремя в 2010-м (по данным отчета SME 2018 о медицинской послойной печати). Следуя этой тенденции, за последние три года Департамент по делам здравоохранения ветеранов увеличил число больниц с 3D принтерами с трех до двадцати.
Ожидается, что энтузиазм по отношению к внедрению этой технологии будет расти быстрыми темпами, а новые медицинские приложения станут появляться еженедельно. Среди них можно назвать использование физически точных моделей анатомии пациента для предоперационного планирования, создание сделанных на заказ имплантатов, разработку специальных хирургических инструментов и хирургических шаблонов, а также индивидуальные ортопедические изделия и протезы. И список далеко не полный.
Магия 3D печати заключается в демократизации процесса изготовления моделей. Можно быстро и недорого создавать прототипы каких-нибудь органов или частей тела и протестировать на них новые концепции. Таким образом, инновация дает новые возможности людям, работающим на переднем крае медицинской науки, которые лучше других понимают сложные проблемы здравоохранения, требующие немедленного решения. Это объясняет сдвиг фокуса 3D печати от орфанных заболеваний на более распространенные болезни, поражающие миллионы людей, такие как рак, сердечно-сосудистые заболевания, диабет и проблемы опорно-двигательной системы.
Однако 3D печать не настолько элементарна, чтобы просто придумать что-нибудь и нажать кнопку с надписью print (по крайней мере, пока). Рожденная для решения инженерных задач, она требует понимания теоретических принципов проектирования, программного обеспечения для автоматизированного проектирования, химии материалов, методики тестирования качества и многого другого. Этим навыкам не учат в медицинских ВУЗах, поэтому люди с идеями и непосредственным знанием проблем здравоохранения часто теряются и не знают, как воплотить свои замыслы в реальный продукт. Сейчас, на заре 3D печати, инженеры, могущие говорить на языке медицины, и медицинские работники, которые успешно общаются с инженерами, будут играть доминирующую роль в этой области. Больницы и специалисты здравоохранения, которые могут стимулировать это перекрестное опыление идей и опыта, будут вознаграждены новыми продуктами и услугами, приносящими пользу пациентам.
Снимки со стенда на выставке изобретений Maker Fair 2015 Татьяны Келил, Ахмеда Хосни и Джеймса Уивера. Эта группа изобретателей напечатала 3D модели 10 самых распространенных болезней в США для того, чтобы выяснить, как лучше использовать трехмерную печать для их диагностики и лечения.
Недавняя работа Ахмеда Хосни и его коллег, опубликованная в «Журнале компьютерной томографии сердечно-сосудистой системы», прекрасно демонстрирует эту концепцию перекрестного опыления. Хосни, по образованию архитектор, объединился с двумя учеными-материаловедами и биологами, двумя радиологами, интервенционным кардиологом и кардиологом-анестезиологом, чтобы решить сложную проблему выбора сердечного клапана правильного размера для его замены в тех случаях, когда врачи просто не имеют физической возможности видеть сердце пациента. Каждый из новаторов в этом поистине Ноевом ковчеге смотрел на проблему под своим углом, и такое смешение точек зрения привело к чему-то новому.
Транскатетерная замена аортального клапана является сама по себе новаторской идей и представляет собой методику, использующую катетеры для доставки нового сердечного клапана пациенту через его кровеносные сосуды, что устраняет необходимость в операции на открытом сердце. Это позволяет лечить пациентов, которым не показано хирургическое вмешательство. Но процедура требует тщательного планирования для того, чтобы выбрать клапан нужного размера (слишком маленький или слишком большой может привести к катастрофическим результатам).
Рисунки из доклада Хосни и др., JCCT 2018. Концептуальный чертеж и специальное измерительное устройство позволили напечатать для конкретного пациента 3D модель пораженного аортального клапана.
Врачи описали проблему с выбором размеров клапана своим немедицинским товарищам по команде, которые для ее решения позаимствовали идеи из архитектуры и материаловедения. Для создания биомеханической модели пораженного сердечного клапана используется технология 3D печати из различных материалов с применением параметрического моделирования. Эта модель позволяет протестировать в контролируемых условиях клапаны различных размеров до проведения операции.
В качестве бонуса, при разработке многоразового устройства для определения размеров для 3D печати Хосни применил свои архитектурные навыки. Созданное устройство копирует сердечный клапан для планирования транскатетерной операции, помогая преодолеть главный барьер, связанный с предоперационным тестированием (фактическая цена клапана составляет тысячи долларов и открывать несколько клапанов, чтобы подобрать подходящий, крайне накладно).
Среди других многообещающих инноваций – виртуальное хирургическое планирование и 3D печать индивидуальных хирургических шаблонов для сокращения времени нижнечелюстных операций (сокращение операционного времени на два часа может сэкономить до 9 000 долларов США на лечении одного пациента); 3D печать ортопедических изделий, способных выдерживать повседневную нагрузку и повышающих комфорт пациента, а также – 3D биопечать тканей, которая когда-нибудь поможет решить проблему глобальной нехватки донорских органов.
А что насчет недостаточной доступности обычного диагностического рентгеновского оборудования для значительной части населения мира, для которых 3D печать – что-то из мира фантастики? Это значит лишь одно: наша работа по внедрению инноваций в этой сфере еще далека от завершения. Расширение доступности всех медицинских технологий, от рентгенографического оборудования до 3D принтеров, остается проблемой, требующей творческого подхода в разных областях медицины и за ее пределами.
Об авторе: доктор Бет Рипли, кандидат медицинских наук, специалист по радиологии, специализируется на переводе медицинской визуализации в виртуальные и 3D печатные модели с целью изменения подхода врачей и пациентов к пониманию и лечению заболеваний. Она также работает радиологом в системе здравоохранения VA Puget Sound и занимает должность доцента радиологии в медицинской школе Университете Вашингтона. Является специалистом по инновациям в Центре инноваций VHA и председателем консультативного комитета VHA 3D печати.
На фото сверх: слева: Кисть руки с кольцом. Один из первых рентгеновских снимков, сделанных Сэром Вильгельмом Рентгеном, на котором изображена рука его жены Анны вместе с кольцом. Справа: Модель части руки и кисть вместе с сухожилиями, напечатанная на 3D принтере.
