תלת ממד בכירורגיה אורתופדית

אורתופדיה היא תחום כירורגי הקשור לרוב להנדסה ביו-רפואית, אשר יושמה בתחומים אורתופדיים שונים, כגון כירורגיה טראומטית, החלפת מפרקים, כירורגיית גידולים ותיקון עיוותים. אחת הסיבות להצלחת היישומים הללו היא טכנולוגיות ההדמיה הרפואית העכשוויות שאפשרו ניתוח מפורט של מערכת השרירים והשלד של האדם. עם ההתקדמות בהדמיה הרפואית ובתכנות מחשבים, ניתן לייצר מודלים וירטואליים המייצגים את האנטומיה של המטופל לתכנון הליכים אורתופדיים ספציפיים למטופל.

משלב התכנון הקדם-ניתוחי ועד לאימון והדרכה ועד לתכנון שתלים, השימוש בהדפסת תלת-ממד הולך וגובר והפך לנפוץ יותר ביישומים רפואיים בעשור האחרון, ככל שמנתחים וחוקרים מנצלים יותר ויותר את הגמישות של הטכנולוגיה בייצור חפצים.

הדפסת תלת-ממד היא סוג של תהליך ייצור שבו חומרים כמו פלסטיק או מתכת מופקים בשכבות ליצירת אובייקט תלת-ממדי ממודל דיגיטלי. התהליך שונה משיטות ייצור מסורתיות בכך שהוא תהליך מוסיף (בניה) ולא תהליך מסיר (חריטה). במיוחד ביישומים כירורגיים, טכניקות ההדפסה בתלת-ממד יכולות לא רק ליצור מודלים המעניקים הבנה טובה יותר של האנטומיה והפתולוגיה המורכבות של המטופלים, אלא גם לייצר כלים מותאמים אישית (PSIs) או אפילו שתלים מותאמים אישית התפורים לדרישות הניתוחיות.

מאמרים רבים סקרו לאחרונה את טכנולוגיית ההדפסה בתלת-ממד ויישומיה הרפואיים. עם זאת, הם דווחו בעיקר מנקודת המבט של רדיולוגים, מנתחים ומהנדסים. למרות שמחקרים רלוונטיים ונתונים קליניים על הדפסת תלת-ממד באורתופדיה מוגבלים, הפוטנציאל שלה בטיפול מותאם אישית באורתופדיה הוא עצום. ככל שהיישומים הקליניים של הדפסת תלת-ממד ממשיכים להתפתח, על המנתחים האורתופדיים לאמץ את הידע העדכני ביותר על הטכנולוגיה ולשלב אותו בפרקטיקה הקלינית שלהם לטובת המטופלים.

יישומים של הדפסה תלת-ממדית באורתופדיה מותאמת אישית למטופל

בעשורים האחרונים, הדפסה תלת-ממדית עברה התפתחות מרשימה ויש לה כיום יישומים חשובים בתחומים שונים של הרפואה. עם זאת, דיווחים על יישומים בתחום האורתופדיה הם מוגבלים ומורכבים בעיקר מדיווחי מקרים או סדרות קטנות. אלה כוללים מודלים אנטומיים לתכנון ניתוחים, חינוך והכשרה, תכנון מותאם אישית של עזרים כירורגיים לסיוע בהליכים ניתוחיים, וייצור שתלים מותאמים אישית מורכבים ממתכת.

מודלים אנטומיים לתכנון

תכנון הקדם-ניתוחי המסורתי, מנתחים אורתופדיים השתמשו בצילומי רנטגן רגילים ובתמונות CT דו-ממדיות כדי להעריך את האנטומיה והפתולוגיה הגרמית של המטופל. עם התקדמות תוכנות עיבוד תמונה, ניתן לייצר תמונות תלת-ממדיות מתוחכמות יותר שאינן בציר ותמונות תלת-ממדיות, מה שמאפשר לבחור טיפול מותאם אישית למטופל על ידי בחינת כל התמונות הדיגיטליות. למרות התקדמות זו בטכנולוגיית עיבוד תמונה, האנטומיה התלת-ממדית עדיין נצפית כתמונה שטוחה.

כיום ניתן לשחזר מודלים פיזיים של עצמות מטופל על פי נתוני הדמיית הCT  באמצעות הדפסה תלת-ממדית. המודלים מאפשרים למנתחים לקבל הבנה מוחשית וחזותית של האנטומיה והפתולוגיה של מטופל, וכן לצפות את האתגרים הניתוחיים שיעזרו בתכנון ההליכים האורתופדיים.

מודלים פיזיים תלת-ממדיים היו מועילים בטיפול ניתוחי של שברים מורכבים באצטבולום, עצם הבריח ועצבוצת נוספות בעלות מבנה מורכב. המודלים סייעו להבנה טובה יותר של שברים באצטבולום והפחיתו באופן משמעותי את מידת השונות בין המנתחים בסיווג שברים אלו. בנוסף, ניתן היה למקם את הלוחות המתכתיים על מודל השבר ולכופף אותם כך שיתאימו למשטח השבר לפני הניתוח עצמו. לאחר מכן, ניתן להשתמש בלוחות קיבוע המעוצבים מראש כדי להעריך ולסייע בצמצום השבר, מה שאף הקל על קיבוע הלוח בצורה מינימלית בשברי עצם  הבריח מרוסקים

במחקר תצפיתי פרוספקטיבי של תפיסות המנתחים בנוגע לשימוש במודלים תלת-ממדיים להקלת מקרים ניתוחיים מורכבים בעמוד השדרה ובאגן בילדים עם אנומליות, נרשמו יתרונות משמעותיים בתכנון הניתוח, בחירת סוג השתל או המתקן החיצוני, ייחוס אינטרה-אופרטיבי לאנטומיה של המטופל, דיוק האוסטאוטומיות ותקשורת עם המטופלים.

זמן הניתוח עשוי אפילו להתקצר במקרים של עיוות מולד בעמוד השדרה כתוצאה מהשיפור בהבנה התלת-ממדית של המצב ותכנון הניתוח. על פי ניסיונו של המחבר, ניתן גם לעקר מודלים תלת-ממדיים מותאמים אישית כך שהמנתח יוכל לתפעל את המודל בשדה הניתוחי תוך כדי ביצוע ההליך. ייתכן שזה יסייע באישור האנטומיה הניתוחית ובכוונת כריתה בניתוחי גידולי עצם.

חינוך והכשרה כירורגית

מודלים תלת-ממדיים מותאמים אישית למטופל יכולים לשמש לחינוך ודיונים קדם-ניתוחיים על אסטרטגיות ניתוח ואפשרויות טיפול בקרב ספקי שירותים רפואיים מתחומים שונים. דווח על שימוש במודלים אלו במגוון הפרעות אורתופדיות בילדים, כגון מחלת פרת'ס, מחלת בלונט, מחסומים פיזיאליים, או קואליציות. מודלים אלה יכולים לסייע למנתחים, למטפלים ולמטופלים להבין טוב יותר את הפתולוגיה של מערכת השרירים והשלד של המטופל. מודלים של שברים שימשו גם לשיפור תהליך ההסכמה המודעת במטופלים עם שברים מורכבים באצטבולום. הם עשויים להגביר את שביעות הרצון של המטופל, שכן מטופלים ובני משפחותיהם יכולים להבין בקלות רבה יותר את מצבם הרפואי בעזרת מודלים פיזיים ממשיים.

לאחר הניתוח, ניתן לשמור את המודלים הפיזיים ואת קבצי ה-CAD האלקטרוניים שלהם כדי לבנות ספרייה של סוגי שברים שונים כך שניתן יהיה להדפיס שוב את המודלים במידת הצורך. אוסף כזה של מודלים של שברים מהווה כלי חינוכי שימושי עבור מנתחים, רופאים אחרים וסטודנטים לרפואה.

למרות שלא דווח על שימוש במודלים תלת-ממדיים בהכשרה כירורגית באורתופדיה, היתרונות הפוטנציאליים ברורים. רוב המנתחים מתאמנים רק בחדר הניתוח, מה שעלול לסכן את המטופלים כאשר מנתחים מנסים לרכוש מיומנויות כירורגיות מסוימות בשלב הלמידה הראשוני שלהם. עם מודלים מוחשיים מוצקים, מנתחים בכירים יכולים להעביר את ניסיונם הכירורגי למתמחים בצורה הרבה יותר יעילה. בנוסף, מכיוון שמקרים מורכבים או נדירים כמו תיקון עיוותים, קיבוע שברים או כריתת גידולי עצם עשויים שלא להתרחש במהלך הכשרת מתמחים, מודלים תלת-ממדיים של המקרים הללו יכולים לספק למתמחים או למנתחים צעירים הזדמנויות ייחודיות להכשרה כירורגית אותנטית המבוססת על סימולציה. מעבר לשיפור הבנת המנתחים את המצבים האורתופדיים, תרגול כירורגי על אבטיפוסים שנוצרו בהדפסת תלת-ממד מאפשר למנתחים להכיר טוב יותר את התרחישים הייחודיים למטופלים לפני ביצוע הליכים דומים בסביבה קלינית אמיתית. הדבר עשוי לשפר את בטיחות המטופלים.

שתלים מותאמים אישית בהדפסת תלת מימד

שתלים עצם בגדלים סטנדרטיים שמיוצרים בצורה מסורתית של ייצור מסחרי זמינים בדרך כלל לענות על הצורך הכירורגי של רוב המטופלים. בניגוד לשתל מוכן מהמדף שבו יתכן ויהיה צורך לשנות את האנטומיה של המטופל כדי שיתאים בצורה נאותה, שתל מותאם אישית מתאים באופן מושלם לאנטומיה הייחודית של אותו מטופל, מכיוון שהוא מבוסס על תמונות רפואיות של המטופל עצמו. שתלים מותאמים אישית עשויים להיות מוצעים כאשר 1) הגיאומטריה של העצם של המטופל נמצאת מחוץ לטווח של השתלים הסטנדרטיים מבחינת גודל השתל או דרישות הקשורות למחלה, ו-2) תוצאות כירורגיות משופרות צפויות בשל התאמה טובה יותר בין השתלים לצרכים האנטומיים של המטופל.

המסלול לפיתוחים אפשריים בעתיד

 לפני מספר שנים, רק פלסטיק יכול היה להיות מודפס בתלת-מימד כדי ליצור מודלים אנטומיים ושתלים מותאמים אישית (PSI). לאחר מכן, אבקות מתכת, כמו טיטניום או קובלט-כרום, שימשו לייצור שתלים מותאמים אישית בהדפסת תלת-מימד. ההתפתחויות בחומרים ביו-מימטיים להדפסת תלת-מימד יהוו כיוון מרכזי לפיתוחים עתידיים בטכנולוגיית הדפסת תלת-מימד בתחום האורתופדיה המותאמת אישית למטופלים. החומר צריך להיות ביוקומפטבילי וניתן לעיקור לשימוש בניתוחים. עצם מלאכותית מודפסת בתלת-מימד צריכה להיות מורכבת מחומרים עם תכונות מכניות דומות לעצם הטבעית, אשר עשויות לסייע בשחזור מבנים אנטומיים של העצם ובתפקוד ביומכני. דוגמה אחת היא פוליאתר אתר קטון (PEEK), שהשתמשו בו כחומר ביולוגי יעיל עבור מכשירים רפואיים להשתלה. חומר זה  בעל ביצועים גבוהים יכול כעת להיות מודפס בתלת-מימד ליצירת אובייקטים עמידים, קלי משקל ומורכבים גיאומטרית. בנוסף על כך שהוא מציע חוזק יוצא דופן עם עמידות גבוהה בחום ובכימיקלים, ל-PEEK יש מודולוס אלסטיות קרוב לזה של עצם הקורטיקלית, מה שעשוי לסייע בהפחתת השפעות מגן הלחץ בשתלים אורתופדיים.

החדרת תרופות היא שיטה למתן תרכובת תרופתית להשגת השפעה טיפולית בתאים ובבני אדם. טכנולוגיית ההדפסה בתלת-מימד ניתן פוטנציאלית לשלב החדרת תרופות וליצירת משתלים תלת-מימד המכילים מולקולות ביולוגיות או תרכובות תרופתיות בעיקר במחלות זיהומיות של העצם או סביב מפרקים.

הזרימה הנוכחית מהדמיה קלינית להדפסת מודלים פיזיים בתלת-מימד דורשת תוכנות נפרדות רבות המיועדות בעיקר למהנדסי ביו-רפואה. מנתחים עלולים להתקשות לשלוט בקלות בתהליכי העבודה כמו עיבוד תמונות, יצירת תמונות תלת-מימד המדגישות אזורי עניין, תכנון ניתוח עם אפשרויות שיחזור שונות ואפילו הערכה ביומכנית טרום-ניתוחית של עיצוב השתל או שיטת שיחזור. כדי להגדיל את הפופולריות של טכנולוגיית ההדפסה בתלת-מימד בקרב מנתחים אורתופדיים, יש לפתח פלטפורמת מחשב משולבת אחת שתאפשר תכנון קל ותקשורת חלקה בין ספקי טיפול שונים כגון רדיולוגים, מנתחים אורתופדיים, מהנדסים וחברות שתלים. כל הנתונים הדיגיטליים האורתופדיים יכולים להיות משולבים כדי להקל על טיפולים מותאמים אישית למטופלים. כך יוכלו מנתחים לבחור אילו מוצרים מודפסים בתלת-מימד הם המתאימים ביותר למטופליהם.