Druk 3D pomaga zaplanować operacje. Powstał trójwymiarowy model żyły ze zmianami nowotworowymi

Technologie przyrostowe coraz częściej są wykorzystywane do obrazowania chorych tkanek i narządów przed planowaną interwencją chirurgiczną, a światowy rynek druku 3D w zastosowaniach medycznych do 2027 roku wzrośnie prawie czterokrotnie.

Wizualizacja

Technologia druku 3D coraz częściej jest wykorzystywana do modelowania zmian nowotworowych u pacjentów, którzy mają być poddawani operacjom. Lekarze z argentyńskiego Hospital Transito Caceres de Allende wykorzystali go w planowaniu operacji u kobiety zmagającej się z nowotworem, dającym przerzuty do wątroby. Operacja była bardzo złożona i wymagała precyzyjnego planowania. Pomógł w tym wielokolorowy trójwymiarowy model zajętego chorobą narządu, wydrukowany z dokładnością do 0,02 mm.

Naukowcy z Politechniki Opolskiej wydrukowali z kolei trójwymiarowy model żyły, w której znajdowały się zmiany nowotworowe.

– Celem było przede wszystkim zwizualizowanie zmian patologicznych w żyle na podstawie obrazów tomografii komputerowej. Wspieraliśmy bezpośrednio zespół medyczny przed wykonaniem operacji, która była dosyć skomplikowana. Tego typu operacji przeprowadzono na świecie zaledwie kilka czy kilkanaście. Operatorzy, którzy wykonywali zabieg, prosili nas o to, żebyśmy pomogli im to zwizualizować i zaplanować całą operację – wyjaśnia w rozmowie z agencją informacyjną Newseria Innowacje dr hab. inż. Mirosław Szmajda, profesor Politechniki Opolskiej, Wydział Elektrotechniki, Automatyki i Informatyki.

Przetwarzanie danych

Aby wizualizacja była możliwa, konieczne było przeanalizowanie 1,5 tys. obrazów żyły uzyskanych w badaniu tomografem komputerowym. Dokonał tego zespół inżynierów biomedycznych.

– Chcieliśmy zamodelować żyłę, a marker wprowadzany był do tętnicy i w momencie, kiedy trafił do żyły, to praktycznie podświetlał nam cały organizm. Nie sposób było automatycznymi algorytmami wyłuskać tylko tę konkretną żyłę. Po tej serii zaznaczeń można było już przystąpić do cyfrowego przetwarzania tych danych – tłumaczy dr hab. inż. Jarosław Zygarlicki z Wydziału Elektrotechniki, Automatyki i Informatyki Politechniki Opolskiej.

Praca ta stanowiła punkt wyjścia do drugiego etapu, czyli wygenerowania trójwymiarowego modelu żyły, wraz z patologiczną zmianą, które opierało się na działaniu algorytmu maszerujących sześcianów i triangulacji.

Finalnym etapem było wydrukowanie fizycznego modelu.

– Bardzo istotnym wymogiem było wykonanie wydruku dwumateriałowego, co nie jest jeszcze na dzisiaj techniką standardowo stosowaną. Należało stworzyć dwa niezależne modele i przejść do wydruków w technologii FDM. Filamentem była termoplastyczna żyłka roztapiana do temperatury około 200 stopni i nakładana warstwa po warstwie w ustalonej rozdzielczości. Jeden z materiałów nakładany na wydruk był przeźroczysty, pełniący funkcję izolacyjną żyły – po to, by móc zajrzeć do tkanki nowotworowej, która znajdowała się wewnątrz – tłumaczy dr inż. Mariusz Sobol z Wydziału Elektrotechniki, Automatyki i Informatyki Politechniki Opolskiej.

Model

Tkanka nowotworowa była drukowana drugim filamentem w kolorze czerwonym. Pozwoliło to uwydatnić kolorystycznie jej rozrost i rozmieszczenie oraz określić, w jakich miejscach dotyka ścian żyły i w jakim zakresie się rozmieszcza.

Tak szczegółowe obrazowanie w powiększeniu pozwoliło dokładnie rozplanować przebieg operacji i określić jej szczególnie ryzykowne etapy.

– Mając w rękach ten model, zespół lekarzy mógł dokładniej przyjrzeć się z poszczególnych stron i zaplanować podejście, przewidzieć, gdzie należy spodziewać się problemu, bo na przykład może będzie trzeba chirurgicznie odcinać nowotwór od ścian – dodaje dr inż. Mariusz Sobol.

Pacjentka z rozległym nowotworem rozpoczynającym się od narządów rodnych i sięgającym aż do serca, wewnątrz dużej żyły, po zabiegu trafiła już do domu. Nie było komplikacji po zabiegu, a stan chorej szybko się poprawił.

Według analityków z Verified Market Research światowy rynek druku 3D w medycynie osiągnie do 2027 roku wartość 3,93 mld dolarów.

W 2019 roku było to 1,1 mld dol. Średnioroczne tempo wzrostu utrzyma się na poziomie 17,1 proc.