脳と動脈が見える3Dプリントされた頭蓋骨で、開頭手術の訓練に使用されます。
近年、血管内治療技術の進歩により、脳動脈瘤の開頭手術の必要性が減少しています。現在、ほとんどの複雑でない脳動脈瘤は、低侵襲の血管内手術で治療されています。
しかし、開頭手術が不可避なより複雑で重篤なケースでは、リスクを軽減し治療成績を向上させるために、3Dプリンティング技術が術前計画や術中のガイダンスツールとして利用されています。
ハチェッテペ大学脳神経外科のシャーヒン・ハナルオグル医師は、この分野の主要な専門家の一人であり、手術成績を向上させるために3Dプリントモデルを使用する先駆者です。
問題：
以下のケーススタディでは、比較的大きな脳動脈瘤を持つ患者がいます。
動脈瘤は血管の異常であり、血管壁の脆弱性によって引き起こされる血管の膨らみです。脳動脈瘤が破裂すると、脳内出血を引き起こす可能性があります。
さらに、動脈瘤内に血栓が形成された場合、静脈や動脈を詰まらせる血栓塞栓症の原因となることもあります。
解決策：
この動脈瘤を脳の通常の循環系から分離します。
一般的に、動脈瘤は脳の奥深くに埋もれており、その部位に到達するためには、顕微鏡手術技術を用いて、脳の裂溝や周囲の自然な経路を慎重に分離し剥離する必要があります。
最終段階では、動脈瘤は外科用クリップで循環系から分離され、傷は閉じられます。この手術は「動脈瘤クリッピング」と呼ばれます。
従来の方法と3Dプリンティングの比較：
従来の方法では、脳神経外科医はCTやMRI画像と自身の解剖学的知識を用いて、頭蓋内の病変の3次元的な関係を想像します。
しかし、3Dプリンティング技術と3D画像シミュレーションにより、3D VRヘッドセットを通して画面上で、または3Dプリンターで印刷されたモデルから、具体的な解剖学的構造を容易に確認することができます。
近年、3D画像シミュレーション技術は信じられないほど発展していますが、多くの外科医にとって、個々の患者に合わせてカスタマイズされたモデルに実際に触れ、それを使って練習することは、手術結果にさらに良い影響を与えます。
Btech社の多層、分割、完全に統合された3Dモデルは、脳外科医が頭蓋骨に穴を開けて一部を取り除き、下の組織を損傷することなく「手術のための開口部」を作成する必要がある開頭手術に役立つ可能性があります。
このユニークなモデルは、外科医が構造を見るだけでなく、手術のシミュレーションも可能にします。
外科医は、実際の手術の前に手術をリハーサルし、病変を除去するためのさまざまなアプローチを探す機会を得て、各手術技術の長所と短所、そして手術の障害となる可能性のある部分を理解することができます。
Formlabsプリンター専用ソフトウェア「PreForm」を使用して、部品の配置と造形を行います。
重要なことは、3Dプリンターで印刷されたモデルを使用することで、複雑な手術の前に自信を高めることができる点です。「手術中に驚くことはなく、手術前にすべてを練習できます。これは私自身の治療にとっても、私が話した多くの外科医にとっても有益です」とハナルオグル氏は述べています。
3Dプリンティングのその他の利点：3Dプリントモデルは、患者にとって重要であるだけでなく、大学院生や研究室の学生の教育にとっても重要です。MRAや3DボリュームMRVなどのさまざまな種類の放射線学的モダリティがあり、完全で精巧なモデルを作成できます。しかし、各モダリティは、間脳の構造や脳室の構造など、脳内の特定の構造組織を1つまたは2つしか見ることができません。腫瘍などの病変がある場合、脳の構造は解剖学的に変化したり、位置がずれたりします。したがって、病変の種類に応じて、正常な組織の再構築と新しい構造の作成が必要です。3Dプリンターで作成されたモデルは、患者の疾患と病理に合わせてカスタマイズされた、完全にパーソナライズされたモデルです」とハナルオグル氏は述べています。
ハナルオグル氏は、「複雑な手術では、主治医だけが患者のどこに問題があるのかを完全に理解できることがあります」と述べています。「しかし、3Dプリントモデルがあれば、研修医を含む全員が知識を持って手術に臨むことができ、術中の指導が容易になります」
さらに彼は、「この3Dプリントモデルは、研修医、学生、他の同僚との手術練習に役立ちます」と述べています。「3Dプリントモデルがあれば、医学生、研修医、若い脳神経外科医の訓練や、手術に関する議論に役立ちます」とハナルオグル氏は述べています。
右の図では、異なるモダリティが、この3次元の病理という単一の現実の異なる部分を示しています。しかし、3Dプリントモデルがあれば、これらの異なる情報は1つに統合されます。左は術中画像です。
3Dモデルの作成方法：
Btech社は、モデルのセグメンテーションにMaterialiseまたはMimicsソフトウェアを使用しています。生物医学エンジニアは、このソフトウェアを使用して、異なるモダリティで撮影された個々のDICOMファイルをインポートします。
セグメンテーション、モデリング、シミュレーションのプロセスは、ソフトウェアの機能を使用して実行され、最終ファイルは.stlまたは.obj形式でエクスポートされます。
外科医はこのプロセスに参加し、病理を明確にし、最終的なデジタルファイルを造形用に微調整することができます。例えば、外科医は2つの血管の重なりや干渉を特定し、自身の専門知識を用いて各モデルを再確認することができます。
画像処理技術は高解像度ですが、このような複雑なシステムでは、セカンドオピニオンは非常に重要です。
患者の視点：
55歳の患者のてんかん様発作症状が分析され、CTおよびMRIスキャンによる脳画像評価から開始されました。
脳画像から、左シルビウス裂（前頭葉と側頭葉の間）に1.5cmの塊が発見されました。当初、巨大な腫瘍または動脈瘤の可能性が疑われました。
追加の画像診断の後、これは血栓を伴う巨大動脈瘤（2cm以上の大きさ）であることが確認されました。
動脈瘤内に血栓が見つかった場合、小さくて厚い血栓が末梢動脈に移動して動脈を閉塞させる可能性があります。これらの閉塞は、脳の重要な部分への血流を遮断し、患者に脳卒中を引き起こす可能性があります。
外科的治療が選択肢として提案された際、医療チームはCT、MR、MR血管造影、3D回転デジタルサブトラクション血管造影などの高度な画像診断からのデジタルモデルを使用して、患者と手術計画について話し合いました。
今回のような緊急手術が必要な急性期では、3Dモデルを使用することで、外科医は視覚化しやすくなり、練習に使用でき、また患者が手術前に理解し納得するのに役立ちます。
デジタルシミュレーションからわかるように、デジタルモデルの色、角度、位置を変更して、最終的な手術の外観をシミュレートすることができます。
この画像は、中心のプリズムと下にある血管との複雑な関係を示しています。このモデルは、外科医が術前に脳底動脈の主要な枝とクリッピングシミュレーションとの関係を検討するのに役立ちます。
これにより、外科医は手術準備中に視覚情報を容易に入手でき、より効果的な手術につながります。
課題と考慮事項：
3Dプリンティングの欠点は、部品の作成にかかる時間です。ハナルオグル氏は、モデルの準備と印刷には1〜2日以上かかると述べています。そのため、非常に緊急性の高いケースでは、3Dモデルを作成できない場合があります。
外科医はまた、高解像度スキャナーや高品質の3Dプリンターなどの適切な機器があることを確認する必要があります。
ハナルオグル氏によると、3Dプリンターを選択する際に最も重要視する特性は次のとおりです。
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頭蓋骨と動脈の両方を含むモデルであるため、硬い材料と柔らかい材料の両方を印刷できること。
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手術シミュレーションを可能な限り現実に近づけるために、部品が高解像度であること。
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1つの部品あたりのコストが妥当であること。
3Dプリンティング、献体、手術計画：
ほとんどの医師は、3Dプリントモデルを、献体された遺体の代わりではなく、補助的なツールとして認識しています。
しかし、献体された遺体のみに頼る学習と実践には限界があり、研究機関は、知識のギャップを低コストで補うために、3Dプリントモデルをますます使用するようになっています。
研修医のグループが非常に多く混雑している場合、教師は献体された遺体を使って個々の学生を指導することはできません。
「したがって、私たちは献体された遺体を使って基礎を教え、3Dプリントモデルを使ってより詳細なプロセスを練習します。もちろん、医学生のレベルに合わせて3Dプリントモデルの詳細を調整することもできます。例えば、モデルのさまざまな部分に色を付けることは、新入生にとって役立つでしょう」とハナルオグル氏は述べています。
したがって、医学教育において最大限の価値を生み出すためには、3Dプリントモデルと献体された遺体を調和的に使用する必要があります。
3Dプリントモデルの利点は、脳が透明であるため、側頭葉や前頭葉の下にある動脈瘤や血管を容易に見ることができる点です。
3Dデジタルモデルと比較すると、外科医が手術に対処する経験がまだ十分でない場合に、3Dプリントされた物理モデルの重要性が明確になります。
3Dプリントモデルは、経験の少ない外科医が動脈瘤の位置を特定し、開頭術を標準化するのに役立ちます。
3Dデジタルモデルは仮想的に再配置およびセグメント化できますが、触覚フィードバックはありません。
3Dプリントモデルの場合、外科医は手動でモデルを移動させて、さまざまな角度から脳を見ることができます。しかし、モデルが損傷したり切断されたりすると、元の状態に戻すことはできません。
3Dプリントモデルに使用される材料：
この3Dプリントモデルでは、脳血管、組織、頭蓋骨の解剖学的構造データが画像から取得されています。
Durable Resinは骨モデルの印刷に使用され、Elastic 50A Resinは脳組織と血管の印刷に使用されます。
このモデルはForm 3で印刷されましたが、最近Form 3B+に切り替えられました。
ハナルオグル氏は、血管の組織を模倣できるため、Elastic 50Aのエラストマー特性を利用して、正確な練習を可能にしています。
彼は、「近年、材料が改良され、血管により近い触感になりました。まだ改善の余地はありますが、触覚は以前よりも良くなっています」と述べています。
最後に、ハナルオグル氏は、「印刷された動脈モデルに色を塗ることで、さまざまな部分を区別するのに役立ちます。Elastic 50A Resinのような柔らかい材料に色を塗れることも、この材料のもう一つの利点です」と述べています。
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参照元
https://www.datadesign.co.jp/formlabs/casestudy/p4804/
