V liberecké nemocnici založili Českou společnost pro 3D tisk v medicíně. Chce sjednotit použití aditivních technologií jako běžné součásti léčby v nemocnicích.
V Krajské nemocnici Liberec (KNL) byla letos založena Česká společnost pro 3D tisk v medicíně pod Českou lékařskou společností Jana Evangelisty Purkyně. Jejím cílem je sjednotit použití 3D tisku v nemocnicích, nastavit standardy k jeho využití ve zdravotnictví a rozšířit tuto metodu do dalších nemocnic jako běžnou součást léčby pacientů.
„Metoda 3D tisku do medicínských oborů úspěšně proniká a dvojrozměrné zobrazení postupně budou nahrazovat trojrozměrné modely částí lidského těla. Zatím si ale jednotlivé nemocnice i oddělení tisknou potřebné modely samy a chybí vzájemná provázanost, která přinese další posun v uplatnění metody 3D tisku,“ říká Lukáš Čapek z KNL, jeden ze zakladatelů společnosti.
Liberecká nemocnice patří k průkopníkům 3D tisku v medicíně
Už v roce 2005 vyvinul docent Čapek ještě jako zaměstnanec katedry mechaniky, pružnosti a pevnosti Fakulty strojní Technické univerzity v Liberci (TUL) tehdy unikátní metodu vytváření náhrad poškozených lebečních a obličejových kostí na míru. Spolupracoval při tom s lékaři neurochirurgie a ústní, obličejové a čelistní chirurgie v KNL a firmou Lasak a liberečtí neurochirurgové začali jako první v republice vlastními silami vyrábět a implantovat přesné náhrady kostí pacientům, kteří při úraze utrpěli například komplikovanou zlomeninu lebky.
Přednosta neurocentra KNL MUDr. Pavel Buchvald, Ph.D., vzpomíná, že do té doby lékaři tvarovali implantáty doslova „na koleně“ z polymeru, který je možné následně upravovat na operačním sále. Konečné efekty tak nebyly z kosmetického hlediska uspokojivé. Takto připravený implantát často dobře „nepasoval“ a tvar hlavy nebo obličeje se někdy výrazně změnil i k horšímu. Odstranění větší části kosti lební klenby je však někdy nutné bez ohledu na kosmetické hledisko z různých důvodů, kdy strukturu zdravého mozku ohrožuje narůstající nitrolební tlak.
„To se může stát například při nádorovém onemocnění nebo po úrazu, kdy vzniká mozkový otok. A někdy je nutné přistoupit k rychlému řešení.
„Model klíční kosti“, respektive zrcadlově přetočený model zdravé klíční kosti, podle které se dopředu natvaruje dlaha tak, aby během operace přesně pasovala a pomohla se skládáním zlomeniny
Odstraněním kosti a otevřením tvrdé pleny lze okamžitě upravit narůstající nepoměr mezi pevně uzavřeným prostorem lebeční dutiny a jejím zvětšujícím se obsahem. Pak je nutné udělat kostní náhradu, kterou jsme vytvářeli přímo na sále. Většinou jsme však nemohli docílit úplné přesnosti. Především ženy, ale i muži trpěli psychicky tím, že mají někde nějakou propadlinu nebo asymetrii,“ říká MUDr. Buchvald.
Problém vyřešil tehdejší student doktorského studia na TUL Lukáš Čapek, který v roce 2005 získal studentský řešitelský grant z Fondu rozvoje vysokých škol a začal pracovat na nové technologii. Spočívala v tom, že tvarování kostí se provádělo na základě dat z počítačové tomografie.
„Data získaná po vyšetření pacienta na počítačovém tomografu (CT) jsme zpracovali a prostorovou digitalizací získali virtuální model lebky s defektem. Po dohodě s lékaři a po zpracování všech dat jsme model s poměrně velkou přesností dotvarovali do konečné podoby a vytiskli na 3D tiskárně. Přesnou kostní náhradu pak vyrobili lékaři ze standardně používaného rychle tvrdnoucího kostního cementu litím do forem z různých materiálů,“ vzpomíná na tehdy originální postup docent Lukáš Čapek, s tím, že přínosem tohoto postupu bylo i to, že bylo možno podle potřeby upravit funkční tloušťku kosti.
Nejobtížnější fází bylo podle něj zpracování dat, zvláště jednalo-li se o nesymetrický defekt. Na počítačový model lebky je totiž potřeba zhruba půl milionu souřadnic. Výroba jednoho implantátu tehdy trvala v průměru čtrnáct dnů, někdy i déle.
Díky 3D tisku drží lékaři v ruce reálný model zlomené kosti. Mohou si tak zlomeninu ze všech úhlů prohlédnout a skutečně osahat
Přínos 3D tisku pro medicínu je nezpochybnitelný
Od té se doby metoda 3D tisku v některých oblastech významně posunula kupředu. Dnes ji využívá řada českých nemocnic a lékaři přínos této metody, poskytující trojrozměrnou vizualizaci, rozhodně nezpochybňují. Podle docenta Milana Krtičky, přednosty Kliniky úrazové chirurgie Fakultní nemocnice Brno, 3D tisk významně zlepšuje celý proces operací od jejich plánování až po samotné provedení.
„Díky 3D tisku se výrazně zlepšila naše prostorová představivost. Na operaci zlomeniny se už nepřipravujeme jen na základě dvourozměrných rentgenových snímků či dat z CT, ale díky 3D tisku držíme v ruce reálný 3D vytištěný model zlomené kosti, případně kostí. Můžeme si tak zlomeninu ze všech úhlů prohlédnout a ‚osahat‘ na přesném modelu, který odpovídá skutečnosti. Jedná se o fantastickou možnost předoperační přípravy a plánování operace samotné. Díky tomu jsme schopni si dopředu velmi přesně určit, jaké konkrétní šrouby, dlahy, hřeby, případně kostní štěpy, včetně jejich velikosti, při operaci použijeme, a umíme je následně během operace lépe umístit do pozice, kde vytvoří správnou mechanickou stabilitu. Vytištěný 3D model zlomeniny máme k dispozici i v průběhu operace a realitu si na modelu potvrzujeme. Finální výsledek je přesnější, a tím se snižuje i riziko možných pooperačních komplikací,“ říká docent Krtička s tím, že vytištěné 3D modely pomáhají v traumatologii i při rekonstrukčních zákrocích.
Nespornou výhodou pro operatéry je podle něj i to, že na modelu vidí prostorově celou kost, na rozdíl od operačního stolu, kde se samozřejmě obnažuje jen její poškozená část. Díky 3D tisku také existuje možnost vytvořit speciální cíliče (guidy), které pomáhají např. u plánovaných korekčních osteotomií. Oceňuje také zkvalitnění tréninku méně zkušených chirurgů, kteří si na modelu mohou ověřit své závěry a operační postupy.
3D tisk se rozšířil i do dalších odvětví, neurochirurgové tisknou modely měkkých tkání
Od doby prvních aplikací 3D tisku v medicíně se mnohé změnilo. Díky tomu, že jsou k dispozici kvalitnější tiskárny i materiály, se tato metoda rozšířila i do dalších oborů včetně neurochirurgie. I když zatím je podle MUDr. Buchvalda Česká republika pozadu za zahraničím, kde je 3D tisk v oblasti neurochirurgie v mnoha ohledech již rutinní praxí, razí si 3D tisk postupně cestu i u českých neurochirurgů.
Například jen na oddělení liberecké neurochirurgie bylo v roce 2022 operováno deset pacientů, pro které byl pro lepší představivost operatéra předem vytvořen model patologické situace pomocí 3D tisku.
„Jednalo se o modely složitých aneuryzmat, kde trojrozměrná vizualizace přispěla k informaci o velikosti výdutě, šíři a pozici krčku a magistrálních tepen a rovněž napomohla při plánování přístupové strany a finálního uzávěru aneuryzmatu. U dvou nádorů lební báze nám 3D technologie umožnila naplánovat pozici a rozsah přístupu a získat optimální pohledový koridor umožňující jejich radikální odstranění. Navíc už můžeme vytisknout i zlomeniny obratlů a pak obratel do páteře na modelu zafixovat. To nám například umožní ujasnit si, jaké šroubky budeme potřebovat, a další nuance při operaci,“ popisuje významnou pomoc 3D tisku zkušený neurochirurg MUDr. Buchvald.
Tisk modelů zlomenin obratlů umožňuje lepší přípravu jejich dokonalé fixace
Liberecká nemocnice má centralizovanou laboratoř 3D tisku
Podle docenta Lukáše Čapka, který společně s kolegou Jiřím Vitvarem založil v liberecké nemocnici v lednu 2022 centrální laboratoř 3D tisku a dnes je jejím vedoucím, není příliš efektivní, pokud má každé oddělní vlastní tiskárnu a tiskne si jen „své“ modely.
„Vycházeli jsme ze zkušeností ze zahraničních nemocnic, kde jedna laboratoř zajišťuje tisk pro všechna oddělení, včetně administrativy. Podařilo se nám vytvořit systém, kterým pokrýváme všechna pracoviště liberecké nemocnice. A v laboratoři dnes tiskneme všechno: od sponek, stojánků a dalších věci do laboratoří, které zajišťují chod nemocnice, až po složité medicínské modely kostí, měkkých tkání, nádorů, poškození v organismu pacientů a podobně. Díky spolupráci s manažerkou kvality máme plně kontrolovaný a opakovatelný proces výroby 3D modelů, takže se nám například nestane, že zaměníme pravou stranu za levou. A garantujeme, že správný model dojde ve správný čas na správný sál a ke správnému lékaři. Součástí procesu je také zpětná kontrola v čase, tzv. follow-up, což je softwarová záležitost. V tomto ohledu nám velmi pomohl mezinárodní projekt 3Diamond, díky kterému máme celý proces v jednom systému,“ říká docent Čapek.
Lukáš Čapek (vlevo) s Jiřím Vitvarem, zakladatelé liberecké centrální laboratoře 3D tisku
Tisk virtuálních modelů podle něj probíhá standardizovanou metodou z nativních CT (MR) dat, tedy segmentací ve specializovaném programu, při které jsou vybrány potřebné anatomické struktury. Následně pracovníci pomocí algoritmu vytvoří prostorový virtuální model a vyčistí jej od nadbytečných struktur, které lékař pro plánování operace nepotřebuje. V případě nádorových onemocnění se s výhodou rekonstruují kostěné struktury z CT dat a měkké tkáně z MR dat. Virtuální modely se následně sesadí pomocí anatomicky významných bodů (landmarks). Velkou výhodou je, že v případě malých anatomických struktur (např. aneuryzmat) je možné vytvořit i modely zvětšené v měřítku 2 : 1, v případě potřeby i 3 : 1.
„Zvětšený model výrazně zlepší prostorovou vizualizaci a lékař si může lépe ujasnit postup operace. Takto vytvořený model je nutné připravit pro 3D tisk, tj. nastavit podpěry a výplně modelu. Modely se tisknou z různých materiálů podle druhu tiskárny. Pro klasickou filamentovou technologii, kdy se natavovaná plastová struna ukládá ve vrstvách, používáme běžně dostupné plasty ASA, ABS apod. Jedná se o modely, které nepřijdou do styku s tělem pacienta. Pro modely, které do styku s pacientem přijdou, například různé vrtné šablony pro ortopedy, musíme používat atestované materiály, jako jsou pryskyřice. Pro tyto účely máme rezinovou (pryskyřicovou) tiskárnu, která selektivním osvitem zespodu pomocí LC displeje vytvrzuje polymerní pryskyřice. V případě potřeby také spolupracujeme se špičkově vybaveným Národním centrem 3D tisku na Technické univerzitě v Liberci,“ doplňuje Jiří Vitvar tím, že existuje norma, která v pěti stupních tyto materiály striktně definuje. Od těch, které nepřicházejí do styku s pacientem, až po implantáty, které jsou dlouhodobě ve styku s krevním řečištěm, a proto se z nich nesmí nic uvolňovat. Výrobci materiálů jasně konstatují, jakému stupni normy určitý materiál vyhovuje.
„My pracujeme s prvními dvěma stupni, to znamená i s materiály, které mohou být krátkodobě (do 24 hodin) ve styku s krevním řečištěm. O poslední stupeň, tisk implantátů, neusilujeme. To je v podmínkách nemocnice neřešitelné a nemocnice využívají dodávek renomovaných firem,“ konstatuje.
Centrální laboratoř 3D tisku přináší nemocnici ekonomické úspory, ale šetří také čas lékařům. Proto chtějí liberečtí odborníci myšlenku centralizace a standardizace 3D tisku v medicíně rozšířit na další pracoviště.
Cílem je sjednotit a standardizovat 3D tisk a zapojit co nejvíce nemocnic
Liberečtí specialisté založili Společnost 3D tisku v medicíně, nastavili management kvality pro 3D tisk a také vyvinuli vlastní software, který umožňuje vkládat do databáze potřebné údaje. Ukládají se všechna data o pacientovi, informace o modelech včetně použitého materiálu a další podrobnosti. „Po přihlášení do aplikace 3Diamond je vidět, kolik pacientů a s jakou diagnózou jsme ošetřili, jaký lékař provedl zákrok a jaký použil materiál, kdo dělal model, jaká byla při vytvoření modelu teplota v trysce, jak dlouho se model tiskl a podobně. Do databáze vložíme i fotografii modelu včetně kontroly pravé a levé strany a také fotografie z výkonu. Taková databáze by měla sloužit lékařům k získávání zpětné vazby a také k výměně zkušeností a k odborné konzultaci,“ říká docent Čapek s tím, že chtějí tuto databázi nabídnout i jiným nemocnicím, které ještě takto sofistikovanou aplikaci nemají.
Takový registr může podle něj v budoucnu sloužit lékařům napříč Českou republikou. Ostatně s řadou z dalších nemocnic liberečtí odborníci spolupracují už nyní. Dominantním partnerem je Klinika úrazové chirurgie Fakultní nemocnice Brno, o centralizovaném pracovišti 3D tisku uvažují například nemocnice v Olomouci, Hradci Králové, Olomouci či Mladé Boleslavi. Přesah má KNL i do zahraničí, kde si vyměňují poznatky například s Italy, Belgičany nebo Španěly. „Díky tomu máme přehled o tom, co a jak se v které zemi dělá a jak bychom to měli dělat i my, a tyto informace můžeme poskytnout i ostatním,“ konstatuje docent Čapek.
Česká společnost pro 3D tisk v medicíně, přínos standardizace
Smyslem společnosti je předávat zkušenosti z různých pracovišť na základě společně sdílených dat a ukázat, že tato metoda má smysl a že je dobré ji rozvíjet. „Chceme nastavit know-how, standardní normy a postupy 3D tisku ve standardní kvalitě. Chceme ale, aby nemocnice byly také ochotné sdílet know-how, jak co tisknout. To má smysl třeba u úrazů, které se často opakují. Není přece potřeba, aby jednotlivá pracoviště vymýšlela své postupy, když se mohou podívat do databáze a využít osvědčenou metodu,“ tvrdí docent Čapek.
S tím souhlasí i docent Krtička, který jako člen předsednictva společnosti vidí hmatatelný přínos ve vytvoření jednotného standardizovaného postupu: „Teď si tak nějak každý tiskne po svém. Když ale začnete s 3D tiskem od píky, stojí vás postupné zlepšování hodně času a je přece zbytečné, aby všichni opakovali stejné začátečnické chyby. Standardní postup, kde jsou chyby odfiltrované, umožní těm, kteří nás budou následovat, jít bez tápání a případných omylů ‚rovnou na věc‘ a dostat se rychle do optimálního módu. Když se sdruží všichni z jednotlivých pracovišť, tak se logicky synergicky koncentruje síla do jednoho celku. Taková koncentrace mozků umožní i odborné debaty a výměnu zkušeností, které nás posunou zase dopředu,“ říká.
Zároveň připomíná význam společnosti v oblasti legislativy, kde se dříve nepočítalo s tím, že by se 3D tisk mohl v medicíně využívat. Je potřeba legislativně ošetřit nejen používané materiály, ale i práva pacientů. Připomíná také, že se nejedná o levnou záležitost a největší překážkou při zavádění trojrozměrných tisků do medicíny je stále aktuálně ekonomika. Pokud chtějí nemocnice metodu využívat, musí si zatím vše platit ze svého, a z hlediska dostupnosti je proto důležité, aby na ni reagovaly i zdravotní pojišťovny a byly schopné a ochotné ji hradit. Dosud tomu tak není přesto, že využití 3D tisku šetří statisíce až miliony korun za rychlejší a přesnější operace. I na tom chce Česká společnost pro 3D tisk v medicíně zapracovat.
„Klademe si mimo jiné za cíl, aby se zároveň se standardizací postupů připravily podklady pro jednání s pojišťovnami, abychom měli podporu k dalšímu rozvoji této metody a jejího rozšíření na další pracoviště. Česká republika totiž ještě za vyspělými zeměmi v této oblasti zaostává. Společnost bude autoritou, která bude lékaře zastupovat i navenek, a to i v případě, kdy se naše snaha udělat pro pacienta to nejlepší, může obrátit proti nám v podobě žaloby, třeba na údajně nevhodně použitý materiál a podobně,“ říká docent Krtička.
Dalším úkolem je podle něj také tuto metodu v lékařském prostředí popularizovat, aby byla co nejvíce a smysluplně využívána. Tím spíše, že vývoj zdaleka nekončí a rýsují se další možnosti 3D tisku v medicíně.
Vývoj pokračuje, hledají se nové materiály
Tiskem trojrozměrných pevných modelů nejsou podle docenta Čapka možnosti 3D tisku zdaleka vyčerpány. Ve spolupráci s Technickou univerzitou v Liberci řeší například 3D tisk medicínských prostředků ze vstřebatelných polymerních materiálů. V současné době neexistuje mnoho vstřebatelných polymerů vhodných pro 3D tisk metodou FDM a schválených pro použití v medicíně, a pokud na trhu v omezeném množství již existují, je jejich cena pro širší použití neúnosně vysoká.
Z univerzity přišel podnět, že by jako filament při 3D tisku mohl být využit chirurgický šicí materiál, který má průměr přibližně 0,7 mm, což je o hodně méně než u běžných filamentů používaných standardními tiskárnami. To podle docenta Čapka znamená nutnost přizpůsobit tomuto materiálu celou technologii tisku a vyvinout tiskárnu, která je schopná pracovat se vstřebatelným šicím chirurgickým materiálem a zároveň bude vyhovovat všem nárokům na tisk ve zdravotnickém prostředí. „Bude potřeba vyladit podmínky tisku tak, aby byl kontrolovatelný po celou dobu. Týká se to rychlosti podávání, orientace modelů, teploty a vlhkosti v trysce atd. Důležité je, aby při tisku, kdy se materiál zahřívá a pak zase chladne, nedošlo ke změně jeho vlastností. Vzhledem k malému průměru šicích materiálů bude nutné upravit i tiskovou hlavu tiskárny. Protože ale šicí vstřebatelný materiál splňuje zdravotnické atesty, stojí za to mu věnovat pozornost. V případě úspěchů by bylo možné z něj tisknout například drobné dlahy, ortopedické svorky či různé síťky,“ nastiňuje docent Čapek s tím, že se budou touto problematikou od příštího roku zabývat společně s královéhradeckou firmou Trilab v rámci šestiletého projektu Národní centrum kompetence (NCK P3DT) pro průmyslový 3D tisk polymerních materiálů s důrazem na podporu ekologicky a energeticky účinnější výroby.
Do projektu, který podpořila Technologická agentura ČR (TA ČR) dotací více než 280 milionů korun, se již zapojily tři desítky významných výzkumných organizací a průmyslových společností z České republiky. Vstřebatelný materiál, se kterým jsou v oblasti 3D tisku omezené zkušenosti, je podle Vojtěcha Tambora z firmy Trilab, která je předním výrobcem průmyslových FDM tiskáren, pro vývojáře velká výzva.
„Hlavní věc, na kterou se musíme zaměřit, je tloušťka materiálu, který je výrazně slabší než používané polymery, z nichž se struna o průměru zhruba 2 mm tlačí do tiskové hlavy a tiskne se ve vrstvách. Zdá se, že tisk ze šicího materiálu je něco podobného, ale je to zcela nová aplikace a my musíme vymyslet, jak tento slabý materiál budeme v tiskové hlavě dávkovat. Zatím si myslíme, že nebude nutné vyvíjet zcela novou tiskárnu, ale že se svého úkolu zhostíme modifikací některé ze stávajících konstrukcí; vývoj tiskové hlavy a jejích funkcí však bude tvořit samostatnou kapitolu,“ říká Vojtěch Tambor, který má ve firmě na starosti strategické řízení a vývoj řešení.
Část vývoje se podle něj zaměří i na softwarovou část, aby tiskárna mohla pracovat v medicínském prostředí, které je striktně regulováno. „Budeme muset řešit nadřazené funkce, jako je například archivace či průběžná kontrola kvality. Tyto detaily jsou pro taková využití zásadní,“ přibližuje budoucí vývoj Dr. Tambor.
Optimisticky se na nové aplikace 3D tisku v medicíně dívá také MUDr. Pavel Buchvald. Tisk fyzických modelů si sice pochvaluje, ale už uvažuje o tom, že by bylo prospěšné simulovat konzistenci měkkých tkání.
„Je velkým přínosem, že si na pevný model patologické změny můžeme sáhnout, udělat si představu o postupu. Ale do budoucna bychom chtěli tisknout i z měkkých materiálů, například na bázi silikonu. Až se to povede, vytvoříme model podobný měkké tkáni i po stránce fyzické a budeme si budeme moci ‚na nečisto‘ vyzkoušet i různé svorky,“ uvažuje přední liberecký neurochirurg o další nové cestě do budoucna a další možnosti aplikace 3D tisku v medicíně.