Druk 3D w weterynarii. Personalizacja na wyciągnięcie ręki

Technologie przyrostowe pozwalają na wytwarzanie struktur o geometriach nieosiągalnych innymi metodami wytwórczymi, dzięki temu możliwe jest obniżenie wagi wytwarzanego elementu przy zachowaniu jej właściwości mechanicznych – mówi Magdalena Przychodniak, inżynier biomedyczny i redaktor naczelna portalu centrumdruku3d.pl. – W przypadku zwierząt obostrzenia związane z wyrobami medycznymi są mniejsze niż w przypadku ludzi, dlatego przypadki wdrożeń są znacznie szybciej realizowane i implementowane zwierzęcym pacjentom. 
Jednak druk 3D wciąż nie upowszechnił się w praktyce weterynaryjnej na szeroką skalę. Jedną z przyczyn może być fakt, że nie wszystkie firmy oferujące druk 3D zapewniają lekarzom fachowe doradztwo. Sposobem na połączenie technologii i medycyny jest współpraca z doświadczonym zespołem inżynierów medycznych, którzy zapewnią wsparcie dla lekarzy w całym procesie – od prawidłowego przeprowadzenia badania do dostarczenia gotowego rozwiązania w technologii 3D dla konkretnego pacjenta.

Obrazowanie medyczne

Jak podkreśla Mateusz Pawlik z firmy Cabiomede, która zajmuje się świadczeniem usług z zakresu inżynierii medycznej, podstawą do stworzenia modelu trójwymiarowego jest odpowiednie obrazowanie medyczne. 
– Punktem wyjścia do stworzenia wydruku 3D jest obrazowanie trójwymiarowe. Może to być tomografia komputerowa lub badanie rezonansem magnetycznym. W przypadku przygotowywania wydruku tkanki kostnej doskonale sprawdza się tomografia komputerowa, która przy zastosowaniu kontrastu w badaniu umożliwia również uzyskanie modeli naczyń krwionośnych. Natomiast modele tkanek miękkich uzyskiwane są na podstawie wyników rezonansu magnetycznego. Jednak badanie rezonansem magnetycznym, które umożliwi dobrą obróbkę i przygotowanie modelu 3D, jest w Polsce niedostępne. Polscy lekarze wykorzystują na ogół rezonanse niskopolowe, które nie nadają się do obrazowania trójwymiarowego na potrzeby druku – wyjaśnia ekspert. – Zatem w 99% przypadków wykorzystuje się obrazowanie na podstawie tomografii komputerowej. 
Badanie tomograficzne powinno być odpowiednio wykonane, bo od tego będzie zależała jakość wydruku. 
– Im mniejsze odstępy między kolejnymi projekcjami, tym większa dokładność modelu. Ponadto, im bardziej obrazowany obszar jest prostopadły do wiązki promieni rentgenowskich, tym jakość obrazu będzie lepsza. Wpływ na finalny wydruk ma samo ustawienie aparatu, sposób prowadzenia badania, ale także ułożenie pacjenta – uściśla Mateusz Pawlik. 
Uzyskany obraz jest zestawem przekrojów w odstępie np. jednego milimetra. Na tej podstawie powstają modele trójwymiarowe. Można do tego wykorzystać darmowe oprogramowanie, ale jest to proces bardzo czasochłonny, a jakość uzyskiwanych modeli pozostawia wiele do życzenia, jeżeli ktoś nie zajmuje się tym na co dzień. Dlatego najlepiej powierzyć to firmie, która specjalizuje się w druku medycznym i jest w stanie przygotować model na podstawie badania tomograficznego i nie wymaga tego od lekarza.
– W profesjonalnym podejściu lekarz weterynarii wysyła badanie tomograficzne i otrzymuje gotowe rozwiązanie w postaci wydruku 3D. Nie musi się zastanawiać, jak obrobić badanie, w jakim programie i jak powinny być zapisane pliki oraz czy ich jakość jest w ogóle wystarczająca do druku – zauważa Mateusz Pawlik. – Tym powinni zajmować się specjaliści od technologii druku 3D.

Modele przedoperacyjne

W weterynarii istnieje wiele zastosowań technologii przyrostowej, a jednym z nich są modele anatomiczne. W przypadku modeli wykorzystuje się technologię druku 3D z materiałów termoplastycznych i żywic światłoutwardzalnych. 
– Aby chirurgom i lekarzom ułatwić planowanie skomplikowanych weterynaryjnych zabiegów chirurgicznych, na podstawie danych z obrazowania medycznego powstaje model przedoperacyjny – wyjaśnia Magdalena Przychodniak. – Umożliwia on szczegółowe przygotowanie się specjalisty do zabiegu i przewidzenie potencjalnych sytuacji niebezpiecznych. Modele mogą posłużyć również jako ilustracja dla właścicieli zwierząt, która pomoże w wytłumaczeniu i zwizualizowaniu planowanych działań chirurgicznych. 
Na podstawie badania tomograficznego powstaje wydruk danych struktur. Lekarz może wydruk ten wziąć do ręki, pociąć, przewiercić i wykorzystać do zaplanowania operacji. Jak podkreśla Mateusz Pawlik, istotne jest, aby wydruk był wykonany z materiałów, które będą odpowiednio wytrzymałe i podobne do tych, które lekarz spotka podczas operacji. 
– Trzeba dążyć do tego, aby wydruk możliwie najlepiej obrazował tkankę – dodaje ekspert. – Powinien odzwierciedlać własności kości lub tkanek miękkich. Nie może być wykonany z materiału zbyt miękkiego ani zbyt twardego. Wrażenia z planowania operacji muszą możliwie najlepiej odwzorować rzeczywistość.

Prowadnice i szablony chirurgiczne

Wydruki 3D mogą stanowić pomoc dla chirurgów podczas operacji i optymalizować jej przebieg. Mają wtedy formę prowadnicy lub szablonu dostosowanego do anatomii zwierzęcia – umożliwiają wykonanie precyzyjnego nacięcia lub nawiercenia kości na odpowiednią głębokość, pod wcześniej ustalonym kątem. Model wykonywany jest na podstawie danych z badania tomografii komputerowej w oparciu o specjalistyczną wiedzę projektanta oraz lekarzy. Wydruki wykonywane są z materiałów medycznych, najczęściej z żywicy światłoutwardzalnej, która dopuszczona jest do kontaktu z tkanką. Jak podkreślają eksperci, lekarze powinni wymagać od firm, które wykonują druk, potwierdzenia, że materiały są certyfikowane na użytek medyczny w medycynie ludzkiej (nie ma certyfikatów potwierdzających wykorzystanie materiału w medycynie weterynaryjnej). 
– Modele z żywic światłoutwardzalnych wyróżniają się wysoką precyzją wykonania oraz dokładnością pomiarową, co jest niezwykle ważne w przypadku realizacji tego typu modeli – zaznacza Magdalena Przychodniak. 
Przy bardziej skomplikowanych operacjach można wykonać wirtualny plan zabiegu na modelach kości. Plan może mieć zastosowanie zarówno w przypadku kości długich, jak i innych kości w obrębie żuchwy, 
kręgosłupa itd. 
– Na podstawie takiego planu można wykonać szablon chirurgiczny – kontynuuje Mateusz Pawlik. – Jego zastosowanie jest bardzo praktyczne. Lekarz przykłada szablon do zdeformowanej kości, na szablonie ma zaznaczone cięcia, a z wykorzystaniem kolejnego szablonu może prawidłowo złożyć kość, aby po zabiegu była ułożona w odpowiedniej pozycji. Wszystko jest zaplanowane w porozumieniu z lekarzem. 
Mateusz Pawlik podkreśla, że współpraca inżynierów medycznych i lekarzy powinna polegać na propozycjach obu stron i poszukiwaniu optymalnego rozwiązania. Rolą zespołu inżynierów medycznych jest zaproponowanie rozwiązania lekarzowi (według najnowszej wiedzy i możliwości technologicznych), natomiast lekarz ocenia, czy rozwiązanie jest odpowiednie z medycznego punktu widzenia. Jeśli nie – inżynier medyczny dokonuje modyfikacji. 
Prowadnice operacyjne są produkowane na podstawie modeli uzyskanych z tomografu. Najlepiej, jeśli nadają się do sterylizacji parowej, ponieważ wtedy lekarz może wielokrotnie je wykorzystywać podczas planowania zabiegu, a następnie wysterylizować.

Indywidualne implanty

Na podstawie modelu z tomografii komputerowej można wykonać personalizowany implant. Implanty powstają najczęściej z certyfikowanych materiałów metalicznych klasy medycznej. Można wykorzystywać także materiały metalowe, polimerowe, ceramiczne, kompozytowe, a wybór uzależniony jest od konkretnego przypadku medycznego. Implant może dotyczyć praktycznie wszystkich narządów, ale stosowane są głównie w obrębie tkanki kostnej – fragmenty kości długich, uzupełnienia czaszki, kości wielokształtnych. 
– Obecnie implanty w obrębie tkanek miękkich nie sprawdzają się u ludzi, więc u zwierząt także nie są stosowane – uzupełnia Mateusz Pawlik. – Najczęściej wykonywane są indywidualne płyty kostne wykorzystywane do zespoleń kości wielokształtnych, implanty kręgosłupowe, np. do stabilizacji odcinka szyjnego kręgosłupa oraz indywidualne implanty w obrębie żuchwy. 
Jak zatem przebiega proces tworzenia implantu? Po wykonaniu tomografii komputerowej zespół projektantów w kontakcie z lekarzem przystępuje do projektowania – powstaje wirtualny implant według wytycznych dotyczących wagi czy najbardziej obciążonych miejsc. Gotowy implant musi zostać zaakceptowany przez lekarza, a następnie przesyłany jest do druku 3D. W Polsce produkcja implantów jest zlecana ośrodkom posiadającym certyfikowane maszyny. Co ważne, certyfikacji podlega zarówno maszyna, jak i materiał, przez co odbiorcy mają pewność, że otrzymany element będzie najwyższej jakości. Do druku 3D wykorzystuje się proszek metaliczny (najczęściej stal chirurgiczna lub tytan), który jest spajany wiązką lasera. W przypadku technologii druku 3D czas wykonania modeli zależy od technologii oraz materiału eksploatacyjnego, a także czasu niezbędnego na projektowanie i przygotowywanie modelu 3D.
– Proces druku jest dość czasochłonny, ale średni czas realizacji projektu od badania do gotowego wydruku to trzy–cztery dni, a w przypadkach pilnych do dwóch dni roboczych – zapewnia Mateusz Pawlik. 
Technologia druku 3D w każdym możliwym zastosowaniu medycznym jest stosunkowo droga, ponieważ daje możliwości, jakich nie zapewnia żadna inna technologia, ale koszt druku 3D nie przekracza zwykle 20% kosztów operacji. Dla przykładu, model przedoperacyjny do zaplanowania osteotomii korekcyjnej to koszt na poziomie 250–750 zł, w zależności od wielkości pacjenta.

Wózki inwalidzkie i ortezy

Weterynaryjne wózki inwalidzkie dostępne obecnie na rynku mają określone rozmiary. Nie zawsze zapewniają wygodę i dopasowanie do potrzeb zwierzęcia. 
– Klasyczne wózki wykonywane na miarę są rozwiązaniami ciężkimi i bardzo trudnymi w regulacji przez opiekuna – wyjaśnia Magdalena Przychodniak. – Dzięki technologii druku 3D możliwe jest nie tylko idealne dopasowanie geometrii, ale również obniżenie wagi wózka przy zachowaniu stabilności i bezpieczeństwa zwierzęcia. Podobnie jest w przypadku ortezy. Zapewnia ona odpowiednią stabilizację i wygodę chodu zwierzętom w trakcie rekonwalescencji po zabiegach lub dotkniętych chorobami 
zwyrodnieniowymi.