Триизмерният печат промени света на медицината – завинаги
(снимка: Materialise)
Един проект, финансиран от ЕС през 90-те години на 20 век, преобърна света на медицината, като въведе триизмерния печат в здравеопазването. Това доведе до много по-добри резултати при сложни хирургични операции, подобрявайки живота на хиляди пациенти.
от Том Касауърс
През 1990 г. Фрид Ванкрен посещава германско търговско изложение и е запленен от показания там триизмерен принтер — дотолкова, че купува един за новата си компания Materialise. Две години по-късно, с помощта на финансиране от Съюза, той повежда малкото си новосъздадено белгийско предприятие по път, който ще промени света на медицината и на триизмерния печат — завинаги.
С партньори от Германия и Обединеното кралство Ванкрен и Materialise стават пионери в използването на триизмерния печат за медицински цели. За пръв път те започват да създават точни, реални модели на човешки кости и органи въз основа на медицински изображения. Това помага неимоверно много на хирурзите при планирането на сложни процедури.
„Още тогава бяхме убедени, че триизмерните принтери ще променят света на медицината“, казва той.
След като Materialise от университетско приложно предприятие се превръща в многонационална компания, през 2024 г. Ванкрен се пенсионира като изпълнителен директор, за да стане председател на управителния ѝ съвет. Но той все още ясно си спомня вълнението от започването на новото начинание, с което да тестват идеите си, преди повече от 30 години.
Безвъзмездните средства от ЕС за научноизследователския им проект, наречен PHIDIAS, им помагат да поемат по този път. Той продължава три години, до края на 1995 г., и се съсредоточава най-вече върху създаването на точни медицински модели, основани на подобрени медицински изображения, предимно чрез компютърна томография (КТ).
„Разбира се, че си спомням“, възкликва Ванкрен, когато го питат за това. „Аз бях ръководител на проекта, изготвих предложението [за финансиране] и събрах партньорите“.
Сред тях са Imperial Chemical Industries от Обединеното кралство, чието фармацевтично поделение през 1993 г. става отделно дружество — Zeneca, както и Siemens — промишления гигант от Германия, който произвежда медицински устройства за образни изследвания, както и Льовенския католически университет в Белгия.
Създадено като клон на Льовенския католически университет, в Materialise сега работят около 2000 души, а дружеството е регистрирано на фондовата борса Nasdaq в Ню Йорк.
Междувременно триизмерният печат се утвърждава като основополагаща технология в хирургията. Триизмерните принтери редовно се използват за направа на импланти, протези и модели на телата на пациенти, върху които хирурзите могат да се обучават.
Когато Materialise започва дейността си обаче технологията все още е в началния си етап. Има съмнения доколко полезна може да е тя и дали лекарите могат да я използват за лечение на реални пациенти.
Сериозната работа започва на 1 януари 1993 г., по-малко от три години след основаването на дружеството.
„Това бяха началните ни дни“, казва Ванкрен. „По онова време екипът ни наброяваше около 20 души“.
От салами до спираловидно сканиране
Първостепенна цел на екипа на Ванкрен е подобряването на медицинските изображения.
„Сканирането с КТ по онова време беше като рязане на салам“, спомня си Ванкрен. „За да се извърши сканиране, скенерът прави изображение на един слой на тялото на пациента, след което се мести няколко сантиметра напред, за да сканира следващия слой — точно както се реже салам“.
„При всяко движение на пациента, дори и най-малкото, се появяваха проблеми с изображението“, разказва Ванкрен, като има предвид т.нар. „артефакти“, нежелани модели или изкривявания на изображението.
Триизмерният печат изисква точни изображения на тялото на пациента. Ако например искате да направите триизмерен печат на имплант, който да пасне точно, трябва да имате точно изображение на тялото на пациента. Артефактите в сканираното изображение водят до медицински проблеми и дискомфорт за пациентите на по-късен етап.
Поради тази причина екипът на Materialise заменя „метода на салама“ със спираловидно сканиране с компютърна томография. „Успяхме да сканираме пациента с едно движение“, твърди Ванкрен. „Компютърният томограф се движеше в спирала около него“.
Друго препятствие е преодоляно, когато Zeneca, която по-късно се обединява с шведската фармацевтична фирма Astra, за да образува AstraZeneca, разработва съвместим с човешкото тяло полимер, който може да се използва с триизмерен принтер. Той заменя по-старите полимери, които често били токсични за хората и не можели да се използват за импланти.
Ходене преди тичане
В стремежа си да разшири мащабите на пионерната си техника, екипът на Materialise пренася технологията в университетската болница на Льовен — родния град на проекта. Там те тестват дали хирурзите реално могат да се възползват от триизмерния печат, работейки в тясно сътрудничество с 30 хирурзи от Белгия, Германия, Франция и САЩ.
„Направихме първото истинско клинично изследване на приложението на триизмерния печат в здравеопазването“, казва Ванкрен. По-специално, те оказват помощ на хирурзите да се подготвят за сложни операции.
Екипът използва лазерна стереолитография — техника, при която се отпечатват сложни, точни модели слой по слой. Тя работи, като насочва ултравиолетов лазер върху смола, състояща се от големи молекули, чувствителни към ултравиолетовата светлина, с помощта на софтуер за компютърно проектиране.
С помощта на новите си скенери, които са в състояние да възпроизвеждат по-добри медицински изображения, те отпечатват триизмерни модели на органи и части на тялото, върху които хирурзите ще оперират. По този начин те могат да се подготвят за онова, което ще срещнат в тялото на пациента, и да коригират подхода си.
„В няколко случая успяхме да намалим броя на операциите, които трябваше да се направят на пациента“, казва Ванкрен.
„За един пациент бяха планирани три операции. Благодарение на нашата технология хирургът успя да ги планира по-добре и реално извърши процедурата с една операция. Това изключително много намали въздействието върху тялото му“.
Като обединява подобреното сканиране и отпечатване, екипът на PHIDIAS полага основите на бъдещи постижения в триизмерния печат за медицински цели.
„Трябваше да се научим да ходим, преди да започнем да тичаме“, казва Ванкрен. „PHIDIAS беше етапът, в който се научихме как да ходим“.
Трамплин за нови постижения
Един от изследователите, които са в предните редици на Materialise днес, е Рул Вирикс-Спетйенс — ръководител на медицинските изследвания. Той разработва нови решения, които надграждат работата на изследователите от PHIDIAS.
„PHIDIAS създаде нашето медицинско отделение“, казва той. „Оттогава например сме предоставили над 400 000 персонализирани инструмента за колене. Това е нещо, с което много се гордея“, казва той, като има предвид спомагателните инструменти, които помагат на хирурзите да работят по-точно.
По един проект в Materialise успяват да създадат подробен триизмерен модел на белите дробове на пациент, в това число на разклоненията на дихателните пътища и белодробните лобове, или дяловете, на всеки от белите дробове. Този модел помага на хирурзите, които трябва да отстранят раково образувание на белия дроб, като им позволява да определят точното местоположение на тумора.
„По този начин те премахват по-малка част от здравата тъкан на белия дроб“, казва Вирикс-Спетйенс. „Това прави възстановяването на пациента много по-леко“.
Те разработват също така нови технологии за триизмерен печат. Наред с други неща в Materialise разработват начини за подобряване на лицевата хирургия.
В миналото, ако пациент например получи нараняване, което деформира лицето му, хирурзите трябвало да използват стандартни импланти, за да заменят наранената кост и тъкан. Налагало им се е ръчно да извиват имплантите по време на операция, за да ги свържат със съществуващата лицева структура.
„Днес отпечатваме с триизмерен печат импланти, персонализирани за конкретния пациент“, казва Вирикс-Спетйенс. „Сканираме лицето и триизмерните ни принтери създават сложни импланти, които дават възможност на хирурзите да реконструират лицевата структура“.
Сега лечението може да бъде персонализирано съобразно нуждите на отделния човек. PHIDIAS беше ключова стъпка за постигането на това, с вълнуващи възможности, които все още предстоят.
„Правим това едва от 34 години“, казва Ванкрен. „Не зная докъде ще стигнем“.
Изследванията в тази статия са финансирани от Рамковата програма на ЕС. Възгледите на интервюираните лица не отразяват непременно позицията на Европейската комисия. Статията е публикувана за пръв път в Horizon, списанието на ЕС за изследвания и иновации.