これまで、外科教育や研修は、教科書の図解、2Dスキャン、動物実験、そして稀な手術の実技体験に先立って長期間の観察を要する徒弟制度に依存していました。最近の3Dプリンティング技術の進歩により、医師や研究者は、教育や研究のために患者や病状に特化した解剖学モデルを作成するためのツールを手に入れることができました。 「私たちは3Dプリント技術と素材を活用し、他の方法では実現不可能な、実物そっくりの血管環境を作り出しています」と、ジェイコブス研究所の運営・起業担当ディレクター、マイク・スプリンガー氏は述べています。 ジェイコブス研究所の医師たちは
、新しい手技の研修を待つのではなく、脳卒中、血栓、動脈瘤、その他の病態を持つ患者の3Dプリントモデルを用いて、リスクのない環境で手術技術を磨いています。モデルは、さまざまな解剖学的特徴を再現できるようカスタマイズされており、参加する医師たちは、生身の患者を治療する際に直面するであろう限界を事前に体験することができます。 「3D血管モデルは、次世代の医師を育成するための新たなパラダイムです。
このパラダイムには、患者の治療を許可される前に、外科的および血管内治療のシミュレーションや技能評価を行うことが含まれます」と、ジェイコブス・インスティテュートおよびゲイツ血管研究所の創設者であるL・ネルソン・ホプキンス博士は述べています。3Dプリントモデルを用いたトレーニングは事実上どこでも実施可能であり、動物や人体遺体に必要な管理された環境下での運用に伴うコストや複雑さを回避できます。 バイオハザード対策、冷蔵保管、
または現場でのケアを備えた施設は不要であり、研修コストを大幅に削減できます。さらに、3Dプリントモデルは、生体組織の感触を失っている処理済みの遺体よりも、より現実的にさまざまな組織を再現することができます。 これらのモデルには、アクセスポイント、センサー、血流シミュレーション機能を組み込むことができ、非常にダイナミックでインタラクティブなトレーニングを可能にします。また、モデルに合併症を組み込むことで、研修生が初めて複雑な課題に直面する際、それが実際に手術台上の患者を相手にする状況にならないようにすることができます。
3Dプリンティングにより、ジェイコブス研究所は医療機器の設計を加速・改善することが可能になりました。CTRCのチームはまた、カスタマイズされた解剖学的モデルを用いて製品の検証のための前臨床試験を支援し、機器の性能に関するフィードバックを収集しています。医療機器メーカーが臨床性能や患者の解剖学的構造との相互作用に関する知見を早期に得れば得るほど、臨床試験の前に設計変更を迅速に行うことができます。 医師が、臨床性能を正確にシミュレートした現実的な解剖学的モデルを用いて医療機器
を評価できれば、前臨床検証試験の精度が大幅に向上します。「最近、我々は、解剖学的構造の屈曲度に応じて、特定の医療機器が脳にどれほど効果的に到達できるかを検証しました。 「屈曲度の異なる一連のモデルを設計し、そこでデバイスを試験しました」と、ジェイコブス研究所の最高医療責任者であり、バッファロー大学神経外科の副部長兼教授、カレイダ・ヘルス（Kaleida Health）の脳卒中神経外科サービス部長を務めるアドナン・シディキ博士は述べた。 「これは動物や患者では不可能なことですが、3Dプリント技術により、スムーズで効率的なプロセスで容易に実現できます。」新しい医療機器の患者治療における性能を向上させることに加え、設計者が実際の解剖学的構造を用いた試験から得る早期のフィードバックにより、費用がかさみ、かつ失敗の可能性がある動物実験を回避することが可能になります。
GVIおよびCTRCに紹介される最も困難な症例に備える際、医師たちは3Dプリント技術を活用しています。 トレーニング用や医療機器の試験用に解剖学的モデルを作成する際に開発されたのと同じ技術を用い、ジェイコブス研究所のスタッフは患者のスキャンデータをもとに実物大のモデルを作成し、手術計画の立案、手術チームとの連携、患者やその家族への説明、そして手術室に入る前のシミュレーションに活用しています。 患者から得られた実際の解剖学的構造をリアルな3Dモデルに変換することで、医師は視覚的および触覚的な手がかりを手術計画に統合することができます
。「3Dプリンティングは、チームで複雑な手術を計画する際に非常に有用です。 これなしでは、合併症への備えは理論上のものにとどまってしまいます」と、ヴィジャイ・アイヤー医学博士は述べています。「多くの場合、たとえ理論上の計画がどれほど完璧であっても、どう対処すべきか分からない状況に直面することがあります。」
物理的なモデルを用いることで、チームは患者が手術台に上がる前、つまり時間が極めて重要な局面になる前に、仮説を検証し、潜在的な合併症を明らかにすることができる。 最近、脳動脈瘤を患う女性患者を治療した症例では、チームは実施前に手術法の妥当性を評価することができました。「
当初の計画では、ウェブデバイスと呼ばれる金属製のバスケットを、極細のチューブを使って動脈瘤内に送り込み、動脈瘤を治療する予定でした。 この症例では、実際にそのウェブデバイスの展開を試みたところ、うまくいかないことが判明しました。3Dモデルに基づいて、潜在的な合併症を未然に防ぎ、動脈瘤を治療するためのより最適な方法を考案することができました」とシディキ医師は述べた。
シプリアン・イオニタ博士は、バッファロー大学の生物医学工学および脳神経外科の助教です。ジェイコブス研究所に所属する彼のチームは、科学機器や実験用の特注治具を作成するために、3Dプリンターを日常的に活用しています。 「院内のプリンターを使用することで、時間的遅れや費用の発生を招く外部の機械加工業者に頼る必要がなくなります。こうした固定具や部品のほとんどは、数時間以内に3Dプリントで作成可能です」とイオニタ博士は述べています。PolyJet™ テクノロジー特有の超高解像度により、実験室で求められる精度が実現されています。
ハイテクX線用部品については、チームは電子増倍管、光伝送光学系、およびペルチェ冷却システムの電子機器を収容する筐体を設計し、3Dプリントした。 このシステムは、完全な光結合を確保しつつ、摂氏0度近くで動作する必要がありますが、Durus 3Dプリント材料を使用したプリントであれば、この温度変化に対応可能です。 イオニタ博士の研究チームは、マイクロCTシステム用の特注筐体、組織のスキャンや切片作成用のホルダー、および実験室での研究を支援するその他の装置についても、高額な外部委託を行うことなく、迅速に3Dプリントで製作しています。
