3D szimuláció és nyomtatás a gerincsebészetben Dr. LazáryÁron PhD, Dr. Éltes Péter, Dr. Varga Péter Pál Országos Gerincgyógyászati Központ, Budapest
NYOMTATÁS:technológiai folyamat, mely során szöveget, képet hozunk létre - eredetileg - tintával papíron 1000 years The 100 BioChannel Life J. Gutenberg 1 2-8 1 1 1 Time C. Colombus 2 3-9 6 2 M. Luther 3 11-25 3 3 1000+ People of the Millenium and Beyond (http://rhsweb.org/library/1000peoplemillennium.htm#the_top_fifty) Gutenberg nyomdagépe (1439) 2.évezred legfontosabb találmánya 2
3D NYOMTATÁS:additív elven működő gyártástechnológia, tárgyak létrehozása a tárgy rétegeinek egymásra építésével. Szubsztraktív gyártás felesleget elveszi hulladék limitált formai szabadság Additív gyártás a tárgy rétegeit építi egymásra nincs hulladék bonyolult, összetett formák A harmadik ipari forradalom (Jeremy Rifkin) 3
A 3D NYOMTATÁS TÖRTÉNETE a gyors prototípus készítéstől a precíziós micro-gyártásig Chuck Hull A 3D nyomtatás feltalálója A 3D nyomtatás születése Az első SLA (sztereolitográfia) technológiát alkalmazó gép legyártása Az SLS(selectivelasersintering) technológia elterjedése Az első önmaga részeit lemásolni képes nyomtató A világ első 3D nyomtatású robotrepülőgépe, 3D nyomtatású autója, 3D nyomtatású ékszerek aranyból és ezüstből 1984 1992 2005 2006 2008 2009 2011 RepRap projekt: nyílt forráskódú ösztönző cél az önmaga alkotórészeit reprodukálni képes 3D nyomtató Do-it-yourself készletek elérhetőek a piacon 4
3D nyomtatás a medicinában - mérföldkövek - Dr. Forgács Gábor elméleti fizikus, biológus University of Missouri-Columbia BIOPRINTING Első 3D nyomtatott szövet (húgyhólyagfal) beültetés Áttörés a végtagpótló protézisek terén 3D nyomtatással készült állkapocs protézis sikeres beültetése 1999 2002 2008 2009 2012 Működő miniatűr 3D nyomtatott vese Vérerek nyomtatása 3D bioprinter segítségével 5
3000 2500 2000 1500 1000 500 0 3D nyomtatás a medicinában - új tudományág születik - Tudományos közlemények száma "3D nyomtatás" témában 6 2014 2015 2016 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013
3D nyomtatás a medicinában - felhasználási területek - 70 A 3D nyomtatási technikák használata az összes közlemény százalékában 60 50 40 % 30 20 10 0 Műtéti célzó Modell műtét tervezéshez Egyedi implantátum Modell implantátum formálásához Formák protézisekhez Betegek kiválasztását segítő modell 7
3D nyomtatás a medicinában - szakterületek - Az orvostudomány egyes szakterületeinek előfordulási aránya a közlemények összességében (%) Ortopédia - térd 30,7 Szájsebészet 24,1 Kraniális sebészet 12,7 Ortopédia - csípő Gerincsebészet 7,5 8,3 Fogászat 4,8 Kardiovaszkuláris 3,5 Ortopédia - váll Ortopédia - kézfej Cerebrovaszkuláris Ortopédia - medence Általános sebészet Fül-orr-gégészet Ortopédia - boka Ortopédia - kar Ortopédia - könyök 2,2 1,8 1,3 0,9 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 8
A sebészek bevonása a technológia-transzferbe nemzetközi felmérés (AOSpine) 300 gerincsebész, 92 országból A 3D technológiák terjedésének fő gátjai Ismeretszint a beteg-specifickus sebészet időigényes Már használtam ezeket a technológiákat Tudományos cikkek, konferenciaelőadások a sebészek nem motiváltak új típusú implantátumok használatában a piac telített tradícionális megoldásokkal drága technológia Általános ismeretek médiából, hírekből Nincs érdemi ismeretem a témáról a sebészek nincsennek tudatában a 3D nyomtatás/modellezés adta lehetőségekkel "távolság" a kórház és a nyomtató/modellező központ között "távolság" a sebészek és a mérnökök között 9
A gerinc egyedi, 3D anatómiája 10
3D szimuláció, tervezés és nyomtatás Adatok (morfológia) Adatok (anyagi minőség, antropometria, járás, biológia) Szimuláció (in silico tudomány) 11
12
Simulation Simulation
Az Országos Gerincgyógyászati Központ InSilicoBiomechanikaLaboratóriuma Hardver Szoftver Adatbázis Szakmai kapcsolatrendszer Pályázatok: OTKA, H2020 Dr. Éltes Péter Endre laborvezető Dr. Kiss László PhD hallgató
Keresztcsonti chordoma teljes rezekcióés rekonstrukció Closed Loop Technique (2001)
A sebészi implantátum-konstrukció energia elnyelő szerepe
A csontos átépülés folyamatának modellezése és mérése A csontos remodelling véges-elem modellje
A csontos remodelling(fúzió) folyamata
A véges-elem modell elemeinek eloszlása A csontsűrűség változása 20
Sebészi navigáció 3D nyomtatott célzó segítségével
Beteg-specifikus modell
Beteg-specifikus véges-elem modell
A csavarimplantáció modellje S.I. ALA
Design
3D nyomtatás
Implantátumok a 3D nyomtatási technológia előnyének kihasználása egyedi implantátumok gyártása bioanyagok A. Jakus et al., Science Translational Medicine (2016) 30
Jövőkép 31
aron.lazary@bhc.hu, www.ogk.hu