[CASE STUDY] Druk 3D na pomoc noworodkom

Chirurgia noworodkowa różni się diametralnie od chirurgii dorosłego. Chirurgia dziecięca wymaga większej delikatności, precyzji i szybszej reakcji, a to wszystko ze względu na kształtujący się jeszcze organizm ludzki. Niejednokrotnie operacja musi się odbyć bezpośrednio po narodzinach, gdzie każda minuta jest na wagę złota.

Dlaczego poruszam ten, z pozoru daleki od deeptech’u, temat? Ponieważ druk 3D to również realna pomoc dla nowonarodzonych dzieci. Jak to możliwe? Dowiecie się z poniższego case study!

Model czaszki prosto z drukarki 3D

W lutym 2022 wydrukowaliśmy przedoperacyjny model czaszki noworodka. Z pilnym zleceniem i gotowym do wydruku 3D modelem zgłosił się do nas Paweł Ozga – specjalista do spraw segmentacji obrazowania medycznego oraz wolontariusz fundacji e-Nable Polska prowadzonej przez lekarza Krzysztofa Grandysa.

Dziewczynka, która pojawiła się na świecie nie miała ukształtowanej kości potylicznej, co wiązało się z tym, że tkanka mózgowa była częściowo odsłonięta. Ubytek nie został zdiagnozowany w trakcie ciąży. Dziecko urodziło się w Rzeszowie, bezpośrednio po porodzie, zostało przetransportowane do Uniwersyteckiego Szpitala Dziecięcego w Krakowie na Oddział Patologii i Intensywnej Terapii Noworodka, gdzie wykonano szczegółową diagnostykę.  Czas po porodzie był tutaj kluczowy. Równocześnie poszukiwano ośrodka który zgodzi się na specjalistyczne leczenie wady. Podjął się tego zadania prof. Łukasz Krakowczyk z Centrum Onkologii w Gliwicach. Jednym z elementów przygotowania do operacji było wykonanie fizycznego modelu czaszki dziecka w skali 1:1. Lekarze poszukiwali wykonawcy, który podobnie jak oni będzie gotowy do błyskawicznego działania. Na wysokości zadania stanął zespół fundacji e-Nable Polska: Krzysztof Grandys i Paweł Ozga oraz firma Sygnis SA.

W przygotowaniach wirtualnego modelu pomogła fundacja e-Nable Polska od dawna współpracująca w takich problemach z Dziecięcym Szpitalem Uniwersyteckim w Krakowie. Za segmentacje obrazowania medycznego oraz proces przygotowania modelu 3D niezbędnego do wykonania wydruku, odpowiadał Paweł Ozga. Model został przygotowany na podstawie medycznego badania obrazowego MRI (rezonans magnetyczny) oraz CT (tomografia komputerowa) przy użyciu certyfikowanego, dedykowanego do takich działań oprogramowania.

Po zakończeniu diagnostyki dziecko zostało przetransportowane do Górnośląskiego Centrum Zdrowia Dziecka w Katowicach w celu leczenia operacyjnego.

Dzięki współpracy wszystkich stron, w rekordowym czasie powstał przedoperacyjny wydruk 3D czaszki noworodka, na podstawie którego lekarze mogli przewidzieć warunki panujące podczas operacji dziecka.

96 godzin

Dokładnie tyle czasu pozostało do momentu operacji w momencie, gdy odebraliśmy telefon z prośbą o pomoc. Reakcja Sygnis SA jak zwykle była natychmiastowa. Czas w tym przypadku był najważniejszym z czynników stanowiących o powodzeniu zarówno przygotowania do operacji, jak i samego zabiegu chirurgicznego.

Jeszcze tego samego dnia, po otrzymaniu odpowiedniego pliku, nasi inżynierowie rozpoczęli proces druku 3D modelu czaszki noworodka w dwóch różnych technologiach. Dlaczego rozpoczęliśmy symultaniczne działanie z dwiema różnymi technologiami? Nie mogliśmy pozwolić sobie na jakiekolwiek ryzyko niepowodzenia i chcieliśmy zapewnić lekarzom jak najszersze możliwości w czasie przygotowań do tak delikatnej operacji.

  • Pierwszy model został przygotowany w technologii SLS (selektywne spiekanie laserowe) – zrealizowany na drukarce 3D Sinterit Lisa Pro z prochu PA12. Czas wykonania – 24 godziny.
  • Drugi model w technologii SLA (technologia druku polegająca na utwardzaniu żywic światłoczułych warstwa po warstwie) – zrealizowany na drukarce 3D FlashForge Foto 8.9s z żywicy standard w kolorze białym. Czas wykonania – 8 godzin.

Z całą realizacją zamknęliśmy się w 26. godzinach. Po tym czasie wydruki 3D znajdowały się już w transporcie do szpitala. Zarówno technologia SLS, jak i SLA charakteryzują się wysoką precyzją i szczegółowością, która w przypadku modeli anatomicznych jest niezbędna.

Wydruk w technologii SLA

Wybór technologii żywicznej (SLA) na drukarce 3D FlashForge Foto 8.9s miał służyć szybkiemu uzyskaniu poglądowego wydruku do oceny przez specjalistów przed drukiem w technologii SLS.

Drukarka 3D Sygnis Flashforge Foto 8.9s to nowa wysokowydajna drukarka żywiczna. Dzięki innowacyjnemu zastosowaniu równoległego źródła światła UV, monochromatycznej matrycy LCD 4K i bardzo wysokiej jakości wykonania, Foto 8.9s prześciga inne drukarki żywiczne w swojej klasie.

Wydruk 3D w technologii SLA

Dokładność druku na warstwie 0.05mm i prędkość (8h) pozwoliła na szybkie sprawdzenie modelu i potwierdzenie, że jest wiernym odwzorowaniem obrazowania. Jednocześnie, dokładniejszy wydruk żywiczny był idealnym uzupełnieniem dla kolejnego, bardziej wytrzymałego wydruku 3D z technologii proszkowej SLS. Po procesie druku w technologii żywicznej należało usunąć materiał podporowy konieczny do druku skomplikowanych geometrii.

Wydruk w technologii SLS

Do wydruku 3D modelu do przedoperacyjnych ćwiczeń chirurgicznych wybraliśmy technologię SLS i druk z poliamidu (PA12). Technologia proszkowa umożliwia druk 3D bez korzystania ze struktur podporowych, co z kolei pozwala na idealne odwzorowanie bardzo złożonych geometrycznie struktur kostnych. Poliamid (PA12) jest natomiast materiałem wytrzymałym mechanicznie, dzięki czemu wiedzieliśmy, że nie ulegnie zniszczeniu w kontakcie z narzędziami chirurgicznymi w trakcie prób przedoperacyjnych. Model został wydrukowany z dokładnością 0.125 mm (w osi Z). Dzięki temu byliśmy w stanie zachować wysoką dokładność wymiarową i oddanie szczegółów anatomicznych przy zachowaniu stosunkowo krótkiego czasu druku. Po zakończeniu procesu druku wydruk w technologii SLS przeszedł proces należytego oczyszczenia z niespieczonego prochu i piaskowania.

Wydruk 3D w technologii SLS

Wykorzystane urządzenie do Sinterit Lisa Pro. Niezawodna drukarka wyprodukowana przez polskiego producenta z najwyższej jakości podzespołów, świetnie sprawdza się w pracy dla projektantów, inżynierów, przedsiębiorców oraz studentów. Posiada spory obszar druku – 110 x 160 x 245 mm oraz daje większy wybór materiałów, z których można drukować. Drukarka 3D Sinterit Lisa Pro daje możliwość tworzenia różnego rodzaju mechanicznych prototypów funkcjonalnych jak i tworzenia gotowych obiektów przestrzennych które charakteryzują się wysoką wytrzymałością oraz niebywałą szczegółowością.

Operacja zakończona sukcesem

28 lutego otrzymaliśmy informację o powodzeniu operacji i wypisaniu pacjentki ze szpitala. Wydruki 3D trafiły do archiwum przypadku chirurgicznego i stanowią element pracy i praktyki lekarskiej w podobnych przypadkach. Prof. dr hab. n. med. Łukasz Krakowczyk (chirurg prowadzący operację) po udanej współpracy podkreślił, że „badania obrazowe były przydatne w celu określenia ubytku kostnego czaszki. Nie pokrywały się jednak idealnie z ubytkiem skóry, dlatego tak istotny był wydruk modelu. Wydruk 3D będzie również niezbędny na etapie rekonstrukcji ubytku kości czaszki, kiedy to nastąpi potrzeba idealnego dopasowania i zaplanowania odbudowy kości”.

Dziewczynkę w przyszłości czeka jeszcze kilka zabiegów. Kości czaszki dziecka ewoluują i przechodzą ciągłe zmiany, dlatego nie możemy tutaj mówić o efekcie finalnym.

Podsumowanie:

  • 96 godzin na realizację projektu
  • Natychmiastowe działanie, realny czas wykonania – 26 godzin
  • 2 wydruki
  • 2 zastosowane technologie
  • Działanie pod presją czasu
  • Wysoka precyzja zastosowanych technologii

To nie pierwsza i nie ostatnia tego typu współpraca

Jako Sygnis SA ze szczególną uwagą bierzemy udział w projektach, w których chodzi o realną pomoc w ratowaniu życia.  Kilka miesięcy po udanej współpracy z katowickim szpitalem wykonaliśmy kolejny przedoperacyjny model, tym razem był to kręgosłup kilkuletniego dziecka z przepukliną oponowo – rdzeniową i skoliozą bardzo znacznego stopnia. Ze względu na szczegółowość i wytrzymałość materiału zastosowaliśmy wyłącznie technologię SLS. Zastosowanie w tym przypadku druku żywicznego z usuwanymi kolejno podporami mogłoby zaburzyć oczekiwany efekt precyzyjnego uwidocznienia wszystkich patologicznych zmian.

Wydruk 3D w technologii SLS w przestrzeni postprocessingowej

Druk 3D w medycynie to:

– zwiększenie wartości diagnostycznej obrazowania, szansa na lepsze przygotowanie kadry chirurgicznej do przeprowadzanych operacji, minimalizowanie ryzyka niepowodzeń i skrócenie czasu zabiegów;

– rozwiązanie, na które dotychczasowa medycyna nie mogła sobie pozwolić (zwyczajne metody wytwórcze były czasochłonne lub nieosiągalne kosztowo): niskobudżetowe i, dzięki możliwości wykonania skanu, precyzyjne w swoim wykonaniu, np. protezy; implanty czy biotusze umożliwiające biodruk 3D;

– realna szansa na uratowanie komuś życia.

W Projekcie udział wzięli:

Lek. Inż. Krzysztof Grandys – założyciel fundacji e-Nable Polska oraz anestezjolog Uniwersyteckiego Szpitala Dziecięcego w Krakowie.

Paweł Ozga – etatowy pracownik Wydziału Architektury Wnętrz krakowskiej Akademii Sztuk Pięknych, pracownik Collegium Medicum Uniwersytetu Jagiellońskiego jako specjalista ds. segmentacji obrazowania medycznego.

Fundacja e-Nable Polska – fundacja ukierunkowana przede wszystkim na pomoc dzieciom z wrodzonymi lub nabytymi w wyniku urazów wadami kończyny górnych. Fundacja pomaga w formie open – source współpracując z wolontariuszami, którzy za pomocą ogólnodostępnych narzędzi, takich jak drukarki 3D mogą pomóc w tworzeniu protez. Fundacja nie odmawia innych form pomocy, w sytuacjach gdzie widzą, że ich zaplecze będzie mogło uratować życie, tak było w przypadku wspominanej małej pacjentki z Krakowa.

SYGNIS SA – Sygnis SA to polska spółka deeptech realizująca hardware’owe projekty B+R w czterech głównych segmentach działalności: nowe technologie addytywne, energetyka, biotechnologia i nanotechnologia. Wprawiamy w ruch przełomowe idee, które mają potencjał, by zmienić świat na lepsze.