Comment la modélisation 3D transforme les attelles et stents trachéaux : Précision et résultats patients améliorés

Nous avons écrit sur le rôle croissant de la modélisation et l'impression 3D dans les applications médicales auparavant, et leur impact sur l'amélioration de la vie des gens. Mais cette technologie promet encore davantage en permettant des procédures vitales.

Dans des blogs précédents, nous avons couvert les prothèses motorisées développées par le groupe de recherche Biomechatronics au MIT où le membre inférieur doit être modélisé pour comprendre la structure interne ainsi que la force des tissus et muscles individuels utilisés pour contrôler le membre. Ainsi, tandis que le membre de base est une construction standard, la structure d'attache et de capteurs doit être modélisée et fabriquée pour chaque client.

Nous avons également discuté de la façon dont la personnalisation de masse s'étendra à la salle d'opération où les chirurgiens inséreront des stents veineux coronaires et des articulations de remplacement personnalisés pour s'adapter au patient, et que bientôt, les patients auront leurs artères et articulations affectées modélisées en 3D pour déterminer la configuration et la taille exactes nécessaires.

Ces deux ensembles d'applications démontrent comment la modélisation et l'impression 3D améliorent les traitements et applications existants. Et bien qu'ils changent plus ou moins la vie, il y a une nouvelle application qui n'est que pratique grâce à la modélisation et l'impression 3D — les stents et attelles des voies respiratoires ou trachées — des dispositifs qui peuvent sauver des vies.

État actuel des choses

Les stents actuels des voies respiratoires (arbre trachéobronchique) sont des dispositifs relativement rudimentaires consistant en un tube en Y avec un某种机制 pour les maintenir en place. Ils ressemblent plus à quelque chose sorti de votre voiture qu'à un dispositif médical. Parce que ces stents sont simples dans leur construction et sont seulement approximativement ajustés, ils peuvent bouger dans les voies respiratoires, réduisant leur efficacité. Ou pire, le stent peut se boucher avec du mucus ou causer la formation de nouveau tissu autour du mécanisme destiné à le maintenir en place.

La forme et la taille de ces stents peuvent être personnalisées, mais cela nécessite des mesures sur le patient puis leur communication au fabricant. Ce processus peut prendre des semaines avant qu'un nouveau stent ne soit livré et aboutit encore à un stent moins bien ajusté. Et bien sûr, il y a toujours des cas où un patient ne peut pas attendre.

Fabrication 3D portée au niveau supérieur

Entre le Dr George Chang du Beth Israel Deaconess Medical Center, qui a vu l'application potentielle de la modélisation et l'impression 3D pour développer des stents personnalisés qui résolvent les problèmes d'ajustement des solutions actuelles. En utilisant une subvention pour financer le projet, le Dr Chang a assemblé une équipe diverse pour s'attaquer au problème. Le premier défi que l'équipe a rencontré était qu'aucune imprimante 3D ne pouvait gérer le silicone de qualité médicale nécessaire pour le stent. La solution a été d'imprimer en 3D un moule qui pourrait ensuite être utilisé pour créer le stent nécessaire avec le bon matériau. Sur cette base, l'équipe a écrit un programme pour prendre un scan 3D de la trachée d'un patient et générer le moule nécessaire. Non seulement le nouveau stent est un ajustement parfait, fonctionnant bien mieux que les stents commerciaux précédents, mais le temps pour générer le stent ne prend que quelques jours.

Il y a un sous-produit intéressant du travail du Dr Chang : les moules faits pour les patients représentent un dispositif d'entraînement très réaliste pour les médecins pulmonaires apprenant à faire une bronchoscopie. Non seulement ces moules sont beaucoup moins chers que les modèles d'entraînement actuels, ils capturent tous les détails d'un vrai arbre trachéobronchique.

Monter d'un cran

Autant impressionnant que soit le travail pionnier du Dr Chang, il remplace essentiellement un style plus ancien de stent. Mais pour les nourrissons souffrant de trachéobronchomalacie (ou TBM), les seuls traitements actuels sont des chirurgies compliquées et une ventilation et surveillance constantes. Même avec les chirurgies, les chances de survie d'un nourrisson ne sont pas bonnes. Cependant, ceux qui survivent grandissent hors de la condition à l'âge de trois ans.

La TBM est une condition où les voies respiratoires sont compressées en raison d'organes internes pressant sur un arbre trachéobronchique faible. Bien qu'un stent puisse être une solution évidente, il y a deux défis majeurs :

• La taille des voies respiratoires du nourrisson. En raison de problèmes d'ajustement, un stent n'est pas pratique
• Tout remède doit grandir avec le nourrisson

L'équipe de Scott Hollister, PhD, Glenn Green, PhD, et Robert Morrison, MD, de l'Université du Michigan, Ann Arbor, a eu le concept d'une attelle imprimée en 3D (entourant la trachée) qui grandit avec le patient. De plus, l'équipe voulait créer une attelle biorésorbable, signifiant qu'elle serait simplement absorbée dans le corps de l'enfant dans quelques années, obviant le besoin d'une chirurgie ultérieure pour retirer l'attelle.

La solution commence par un modèle 3D construit à partir d'imagerie CT prise des voies respiratoires du nourrisson. De ce modèle, un modèle 3D imprimé de l'arbre trachéobronchique de l'enfant utilisé pour l'ajustement est créé, ainsi que l'attelle elle-même. L'attelle est imprimée en utilisant un biopolymère appelé polycaprolactone, qui n'est pas seulement biodégradable, mais aussi peu coûteux. L'attelle résultante est ensuite cousue autour de la trachée de l'enfant, soutenant la trachée jusqu'à ce qu'elle devienne plus forte.

Les résultats sont étonnants. La première opération utilisant l'attelle a été réalisée en février 2012 sur un jeune enfant dont l'unica alternative était l'étouffement. Dès que l'attelle a été installée, la respiration normale est revenue. L'enfant a été retiré du ventilateur après 21 jours et a pu rentrer à la maison, ne montrant aucun signe de difficulté respiratoire. Considérant que la TBM affecte 1 enfant sur 2 200 nés aux États-Unis, le nombre de vies sauvées sera énorme.

En continuant vers l'avenir, nous pouvons nous attendre à voir ces types de solutions basées sur la modélisation et l'impression 3D créer des stents et attelles biorésorbables pour traiter diverses conditions, offrant à des milliers de patients un nouvel espoir.