デジタル製造が現代医療の解剖学的モデリングを革新する

デジタル製造は、アルミニウム試験管ホルダーの加工のような小さなものから、チタンインプラントの3Dプリンティングのような未来的な実践まで、医療の多くの分野に大きな影響を与えています。

デジタル製造の多くの医療用途の中で、特に飛躍的に進歩している分野が解剖学的モデルの作成です——臓器、骨、その他の身体部位の物理的レプリカで、医師のトレーニングや患者の手術準備に医療専門家によって使用されます。

これらの解剖学的モデルは、さまざまな製造技術と材料で作成でき、その使用は世界中で増加しています。

なぜ解剖学的モデルを作るのか？

3Dモデリングソフトウェアや3Dプリンターのようなデジタル製造技術により、教育、トレーニング、手術目的でリアルな解剖学的モデルを迅速かつ低コストで作成することがこれまで以上に容易になりました。

これらのモデルは汎用的で、講義や授業で健常または影響を受けた身体部位を説明するために使用できます。または患者固有のもので、医療画像データを使用して個々の患者の身体部位を物理的に複製するために作成されます。

患者固有の解剖学的モデルは、デジタル製造技術の最もエキサイティングな用途の一つです。なぜなら、外科医が手術する必要がある損傷または病気の臓器のリアルなコピーを見て触れることを可能にするからです——時には実際の手術よりかなり前の段階で。

物理的なスケールモデルを手に取ることで、外科医は手術により万全の準備ができ、本番の手術前にプラスチックレプリカでさまざまな切開や動きを試せます。この追加のハンズオン準備レベルは、患者にとってポジティブな結果の可能性を高めます。

医療画像を3Dモデルに変換

患者固有の医療モデル作成プロセスの大部分は、患者の体からデータを取得することです。これには、患者を検査しさまざまな問題をチェックするために病院で使用されるCTまたはMRIスキャナーが必要です。

これらのスキャナーはX線や強力な磁場を使用して、患者の脳、肺、その他の身体部位の画像を取得します。

残念ながら、医療画像装置は3D画像を取得するようには設計されていません。代わりに、一連の2Dスライスを生成します——これらを全体として捉えることで、医師は患者の体を分析できます。

しかし、これらの2Dスライスは比較的容易に3D形状に変換できます：医療専門家が2D画像セットを入手したら（一般的にDICOM形式で保存）、ソフトウェアを使用してデータをデジタル3Dモデルに変換できます。

その画面上のモデルは変更、リサイズ、着色が可能で、関連する方法で処理されてから3Dプリンターやその他のマシンに送られます。

解剖学的モデルのデジタル製造

患者固有と汎用の両方の解剖学的モデルを作成する最良の新しい方法の一つは、積層造形、すなわち3Dプリンティングです。

FDM（熱溶解積層法）またはSLA（光造形法）3Dプリンターを使用して、医療専門家はCTやMRIスキャンから変換されたデジタル情報を用いてモデルを迅速に製造できます。そして3Dプリンターは実験室やオフィスに設置できるため、ビルドプロセス全体を非常に短時間で実行できます。

FDMが最も一般的で安価な3Dプリンティング技術ですが、医療分野の多くは解剖学的モデルにはSLAを好みます。光ベースの技術は半透明・透明なレジンと互換性があり、そのような材料での3Dプリンティングは内部セクションを持つ複雑な臓器の提示に有用です（さらに異なる色で強調表示可能）。

より一般的な用途の解剖学的モデル——教育目的ではなく手術目的で作られるものなど——には、他の技術も積層造形と同様に有用です。

例えば射出成形は、単一モデルの複数コピーをコスト効率よく製造する方法であり、病院や教育機関で複数のユーザーが使用できます。

解剖学的モデルの実世界でのメリット

解剖学的モデルのデジタル製造は単なる一時的なトレンドではありません。実際、レプリカプラスチック身体部品のおかげで、世界中で既に数え切れない命が救われています。

今年初め、ロンドンのGuy's and St Thomas'病院の外科医たちは、マルチマテリアル3Dプリンティングを用いて、2歳の子供の複雑な腎移植手術の準備を行いました。

「患者の解剖学をさまざまなテクスチャで3Dプリントし、血管の複雑さが明確に可視化できることで、構造間の重要な解剖学的関係を区別できます」と、同病院の移植登録医Pankaj Chandak氏は述べています。「柔軟な材料により、腹腔内の臓器の柔軟性をより良く模倣し、手術環境のシミュレーションが可能になりました。」

その手術より前に、中国の吉林省人民病院の医師たちは、全肺静脈異常還流という心臓欠損に苦しむ赤ちゃんの治療を支援するために3Dプリントモデルを使用しました。

「モデルがあったおかげで、どこをどう切開すべきか、切開をどの大きさにすべきかを正確に知ることができました」とZhang Xueqin医師は説明します。「そのような徹底した計画のおかげで、予想時間の半分で手術を完了できました。」

より多くの医療専門家が正確な解剖学的モデルを作成するためにデジタル製造を採用するにつれ、医師たちはより多くの情報を得、患者の命を救うためにより良い装備を整えています。

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