3Dモデリングが気道スプリントとステントを変革：精度と患者アウトカムの向上

以前のブログで、医療アプリケーションにおける3Dモデリングとプリントの役割の拡大と、人々の生活改善への影響について書きました。しかし、このテクノロジーは、命を救う手順を可能にする上で、さらに大きな可能性を秘めています。

過去のブログでは、MITの生体メカトロニクス研究グループが開発した動力義肢について取り上げました。そこでは下肢の内部構造と、肢を制御するために使用される個々の組織と筋肉の強度を理解するためにモデリングが必要でした。基本的な肢は標準的な構造ですが、取り付けとセンサー構造は各クライアントごとにモデリングと製造が必要です。

また、大量カスタマイズが手術室に拡大し、外科医が患者に合わせてカスタマイズされた冠静脈ステントと人工関節を挿入し、間もなく患者の影響を受けた動脈と関節が3Dモデリングされ、必要な正確な構成とサイズが決定されるようになることについても議論しました。

これら両方のアプリケーション群は、3Dモデリングとプリントが既存の治療とアプリケーションをどう改善しているかを示しています。それらはどちらかといえば人生を変えるものですが、3Dモデリングとプリントのおかげでのみ実用的になった新しいアプリケーションがあります。気道または気管ステントとスプリントです。これらは命を救うアイテムです。

現状

現在の気道（気管支樹）ステントは、何らかの固定機構を持つY字型チューブで構成される、比較的粗雑なものです。医療機器というより、車の部品のように見えます。これらのステントは構造がシンプルで、のみおおよそフィットするため、気道内で移動し、効果を低下させる可能性があります。あるいは、粘液でステントが詰まったり、固定機構の周りに新しい組織が形成されたりすることさえあります。

これらのステントの形状とサイズはカスタマイズ可能ですが、患者の測定を行い、それをメーカーに伝える必要があります。このプロセスは新しいステントが届くまで数週間かかり、それでも完璧ではないフィットのステントになります。そしてもちろん、患者が待つことができないケースも常にあります。

3D製造を次のレベルへ

Beth Israel Deaconess Medical CenterのDr. George Changが、3Dモデリングとプリントを活用して、現在のソリューションのフィット問題を解決するカスタマイズステントを開発する潜在的応用を見出しました。プロジェクト資金助成金を得て、Dr. Changは多様なチームを編成して問題に取り組みました。チームが直面した最初の課題は、どの3Dプリンタもステントに必要な医療グレードのシリコンを扱えないことでした。解決策は、適切な材料でステントを作成するために使用できる金型を3Dプリントすることでした。この認識に基づき、チームは患者の気管の3Dスキャンを取り、必要な金型を生成するプログラムを作成しました。新しいステントは完璧なフィットで、以前の市販ステントよりもはるかに優れた機能を発揮するだけでなく、ステント生成にかかる時間はわずか数日です。

Dr. Changの仕事には興味深い派生効果があります：患者用に作られた金型は、気管支鏡検査を学ぶ肺疾患医にとって非常にリアルなトレーニングデバイスを表します。現在使用されているトレーニングモデルよりもはるかに安価であるだけでなく、実際の気管支樹のすべての詳細を捉えています。

レベルを最大へ

Dr. Changの開拓的な仕事が印象的である一方で、それは基本的に古いスタイルのステントを置き換えるものです。しかし、気管支軟化症（TBM）に苦しむ乳児にとって、現在の治療は複雑な手術と継続的な人工呼吸とモニタリングのみです。手術をしても、乳児の生存率は良くありません。しかし、生存した乳児は3歳までにこの状態から成長し克服します。

TBMは、内臓が弱い気管支樹を圧迫することで気道が圧迫される状態です。ステントが明らかな解決策に見えますが、2つの大きな課題があります：

• 乳児の気道のサイズ。フィットの問題により、ステントは実用的ではない
• あらゆる治療は乳児の成長に合わせて成長しなければならない

ミシガン大学アーバン校のScott Hollister博士、Glenn Green博士、Robert Morrison医師のチームは、患者とともに成長する3Dプリントスプリント（気管を囲む）の概念を考案しました。さらに、チームは生体吸収性のスプリント、つまり数年で子供の体内に吸収され、後でスプリントを除去する手術を不要にするものを作りたいと考えました。

解決策は、乳児の気道のCT画像から構築された3Dモデルから始まります。このモデルから、フィッティング用の子供の気管支樹の3Dプリントモデルとスプリント自体が作成されます。スプリントはポリカプロラクトンという生体高分子でプリントされ、これは生分解性であるだけでなく、安価です。その結果のスプリントは子供の気管の周りに縫い付けられ、気管が強くなるまで支えます。

結果は驚異的です。スプリントを使用した最初の手術は2012年2月、窒息以外の選択肢のなかった小さな子供に対して行われました。スプリントが装着されるとすぐに正常な呼吸が戻りました。乳児は21日後に人工呼吸器から外れ、呼吸トラブルの兆候なしで帰宅できました。TBMが米国で生まれる2,200人の乳児のうち1人に影響することを考えると、救われる命の数は膨大です。

将来に向けて、これらのタイプの3Dモデリングとプリントベースのソリューションが、さまざまな状態に対応する生体吸収性ステントとスプリントの作成に使用され、数千人の患者に新たな希望を提供することが期待されます。