H τεχνολογία 3D έχει σημαντικές ελληνικές ρίζες, καθώς η σύνδεση της τομογραφίας με τον ψηφιακό σχεδιασμό και τα μηχανήματα τρισδιάστατης εκτύπωσης, αλλά και οι πρώτες ιατρικές εφαρμογές παγκοσμίως, ερευνήθηκαν και έγιναν από τον Έλληνα καθηγητή εμβιομηχανικής του Πανεπιστημίου Sussex κ. Παναγιώτη Διαμαντόπουλο. Ακολουθεί συζήτηση που έκανε ο ιστοχώρος Vita με τον έλληνα καθηγητή για το παρόν και το μέλλον της 3D τεχνολογίας στην ιατρική:
Πώς γεννήθηκε η τεχνολογία της τρισδιάστατης εκτύπωσης; Και πώς έχει καταστεί δυνατή η πραγματοποίησή της;
Η τρισδιάστατη εκτύπωση (3D Printing) γεννήθηκε ως συνέχεια του τρισδιάστατου σχεδιασμού μέσω υπολογιστή (Computer Aided Design), και της ανάγκης να υπάρχει η δυνατότητα άμεσης πραγματικής κατασκευής του εικονικού σχεδίου. Αποτελεί μία από της τεχνικές Ταχείας Πρωτοτυποποίησης (Rapid Prototyping) και τα πρώτα μηχανήματα εμφανίστηκαν την δεκαετία του 1980, με βασικό χαρακτηριστικό ότι ‘χτίζουν' υλικό αντί να ‘κόβουν'. Η στερεολιθογραφία π.χ., μια από τις άλλες γνωστές τεχνικές, χρησιμοποιεί λέιζερ το οποίο χτυπάει και στερεοποιεί ακρυλική ρητίνη χτίζοντας ένα αντικείμενο. Η τρισδιάστατη εκτύπωση επίσης χτίζει, αλλά λιώνοντας και κολλώντας υλικό. Την τελευταία δεκαετία η τεχνική της τρισδιάστατης εκτύπωσης έχει απλοποιηθεί πολύ, ώστε τα σχετικά μηχανήματα να μοιάζουν πλέον αρκετά με τους κοινούς εκτυπωτές. Έτσι δίνεται η δυνατότητα σε όποιον έχει το ενδιαφέρον να σχεδιάσει και να εκτυπώσει την ιδέα του, οδηγώντας σταδιακά στην άμεση παραγωγή και χρήση. Ο αρχικός σκοπός του απλού πρωτοτύπου τείνει να ξεπεραστεί, και η Τρισδιάστατη Εκτύπωση κερδίζει έδαφος όχι μόνο ως τεχνική αλλά και ως γενικότερος όρος. Πλέον υπάρχει μια μεγάλη ποικιλία μηχανημάτων ανάλογα με την χρήση και την εφαρμογή που προορίζεται.
Με ποιο τρόπο “εκτυπώνεται” τρισδιάστατα ένα πιστό ανατομικό αντίγραφο ενός ιστού;
Το βασικό εργαλείο σε όλη την διαδικασία είναι το λογισμικό που επιτρέπει την επεξεργασία της ιατρικής εικόνας και την σύνδεση της με τα μηχανήματα κατασκευής. Εφόσον λοιπόν γίνει μία αξονική τομογραφία, στην συνέχεια το ειδικό λογισμικό επιτρέπει τον προσδιορισμό και την τρισδιάστατη ανασύνθεση των ιστών που μας ενδιαφέρουν και στέλνει το εικονικό μοντέλο σε μορφή εντολών που δέχεται ο εκτυπωτής. Ο τρισδιάστατος εκτυπωτής απλά κατασκευάζει το αντίγραφο όπως θα κατασκεύαζε και όποιο άλλο αντικείμενο. Να σημειωθεί ότι ανάλογα με τον ιστό που μας ενδιαφέρει μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε καί άλλες μεθόδους απεικόνισης, όπως μαγνητική τομογραφία, υπέρηχο ή ακόμα και τρισδιάστατη φωτογραφία. Γενικά χρησιμοποιούμε την μέθοδο απεικόνισης που δείχνει καλύτερα τον ιστό/όργανο που θέλουμε να κατασκευάσουμε.
Ποια είναι τα “μελάνια” εκτύπωσης;
Για τα ανατομικά αντίγραφα χρησιμοποιούνται ακρυλικές ρητίνες που μπορεί να είναι βιοσυμβατές και που έχουν αναπτυχθεί ειδικά για ιατρικές εφαρμογές. Τα υλικά αυτά μπορούν να αποστειρωθούν ή, σε μερικές περιπτώσεις, ακόμα και να εμφυτευτούν. Μπορούν να είναι διαφανή ή να χρωματιστούν επιλεκτικά, για να τονίσουν συγκεκριμένες περιοχές ενδιαφέροντος όπως νεύρα, αρτηρίες, αγγεία, ρίζες δοντιών κ.λ.π.. Αν μιλάμε για εμφυτεύματα, τότε ως υλικό εκτύπωσης μπορούν να χρησιμοποιηθούν και μέταλλα όπως το τιτάνιο.
Σε ποια πεδία της ιατρικής έχουν σημειωθεί τα μεγαλύτερα επιτεύγματα της εν λόγω τεχνολογίας μέχρι σήμερα;
Η σχετική τεχνολογία έχει εφαρμογή και επιτεύγματα σε ένα πολύ ευρύ φάσμα της ιατρικής, αλλά το μεγαλύτερο επίτευγμα είναι νομίζω προς το παρόν στo χειρουργικό πεδίο, όπου αλλάζει ή και σώζει ζωές. Καταρχήν τα ανατομικά αντίγραφα είναι τα κατάλληλα μέσα απεικόνισης και επικοινωνίας ενός σύνθετου προβλήματος, π.χ. ένα συντριπτικό κάταγμα, δίνοντας μια ολοκληρωμένη εικόνα της κατάστασης στην χειρουργική ομάδα. Είναι επίσης τα κατάλληλα εργαλεία για τον προεγχειρητικό σχεδιασμό και την πειραματική εξάσκηση των διαδικασιών. Για παράδειγμα, για μια επανορθωτική επέμβαση, οι οστεοτομές προγραμματίζονται και οι μετατοπίσεις οστών σχεδιάζονται εκ των προτέρων πάνω στο αντίγραφο. Οι γιατροί γνωρίζουν ακριβώς τη πρέπει να γίνει πριν καν ακουμπήσουν τον ασθενή, κερδίζοντας σημαντικό χειρουργικό χρόνο, μειώνοντας την ταλαιπωρία του ασθενή, αυξάνοντας την αποτελεσματικότητα της επέμβασης και μειώνοντας τον κίνδυνο επιπλοκών. Η μεταμόσχευση προσώπου δεν θα μπορούσε να επιτευχθεί χωρίς αυτήν την τεχνολογία. Γενικότερα, η δυνατότητα κατασκευής εξατομικευμένων εμφυτευμάτων, προθέσεων και χειρουργικών εργαλείων είναι ένα ακόμα πολύ μεγάλο επίτευγμα που θα ήταν επίσης αδύνατον να γίνει χωρίς την σχετική τεχνολογία. Εφόσον γίνει η αξονική τομογραφία, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε την ανατομία που απεικονίζεται, να σχεδιάσουμε πάνω σε αυτή ότι εμφύτευμα είναι αναγκαίο και τελικά να το εκτυπώσουμε έτοιμο για χρήση. Παρομοίως, μπορούν να αναπτυχθούν και εργαλεία προσαρμοσμένα στην ανάγκη και στον συγκεκριμμένο ασθενή, όπως χειρουργικοί οδηγοί για να μεταφέρουν ένα προεγχειρητικό σχέδιο με ακρίβεια στη χειρουργική επέμβαση πχ. την ακριβή θέση τοποθέτησης μιας πλάκας και βιδών οστεοσύνθεσης.
Ποια είναι τα πεδία στα οποία εφαρμόζεται ήδη στην κλινική πράξη η τεχνολογία της τρισδιάστατης εκτύπωσης;
Όπως προανέφερα, είναι ήδη πάρα πολλές και σημαντικές οι εφαρμογές σχεδόν σε όλους τους τομείς. Γναθοχειρουργική, κρανιοπροσωπική χειρουργική, ορθοπεδική χειρουργική, πλαστική και επανορθωτική χειρουργική, νευροχειρουργική, ογκολογία, καρδιολογία και καρδιοχειρουργική, αγγειοχειρουργική, οδοντιατρική είναι μερικά από τα βασικά πεδία εφαρμογών. Είναι πολύ δύσκολο να απαριθμήσω όλες τις εφαρμογές. Αυτό που θα ήθελα να τονίσω είναι ότι η τρισδιάστατη εκτύπωση είναι το επόμενο βήμα της αξονικής τομογραφίας. Ότι βλέπουμε σε ένα φιλμ ή σε μια οθόνη, μπορούμε και να το έχουμε πραγματικότητα στα χέρια μας. Γενικά, όπου έχει αξία η ιατρική απεικόνιση, έχει ακόμα πιο πολύ η τρισδιάστατη ιατρική εκτύπωση.
Πιστεύετε ότι ο στόχος της εκτύπωσης πραγματικών οργάνων προς μεταμόσχευση είναι πραγματοποιήσιμος;
Καταρχήν όποιο όργανο και γενικά όποιο μέρος της ανατομίας φαίνεται σε μια τομογραφία μπορεί να αντιγραφεί και να εκτυπωθεί σε βιοσυμβατό ή μη υλικό. Θέλουμε αντίγραφο μιας γνάθου, ενός γονάτου, κάποιων αγγείων, ενός κρανίου, μιας καρδιάς, ή ακόμα και ολόκληρο το ανθρώπινο σώμα; Αυτό μπορεί να γίνει άμεσα. Αν επίσης θεωρήσουμε ότι τα εμφυτεύματα είναι ένα είδος μεταμόσχευσης οργάνου, τότε αυτό ήδη γίνεται. Αν θεωρήσουμε και μια τεχνητή καρδιά ως όργανο, και αυτό ήδη γίνεται. Αυτό που δεν γίνεται όμως ακόμα, είναι να εκτυπώσουμε ολοκληρωμένα όργανα χρησιμοποιώντας πραγματικό βιολογικό ιστό και που στην συνέχεια να μπορούν να λειτουργήσουν αυτούσια. Δηλαδή να σχεδιάσουμε, εκτυπώσουμε και να αλλάξουμε ένα νεφρό. Για να το πετύχουμε αυτό μάλλον θέλουμε καιρό ακόμα. Ίσως όμως να μπορούμε σύντομα να χτίσουμε τμήματα ενός οργάνου ώστε να βοηθήσουμε τον ίδιο τον οργανισμό να διορθώσει το όποιο πρόβλημα. Μην ξεχνάμε ότι αυτό που μας ενδιαφέρει είναι να διορθωθεί και να συνεχιστεί μια λειτουργία του οργανισμού, όχι απλά να αντικαταστήσουμε κάτι.
Στη χώρα μας σε ποιους τομείς εφαρμόζεται η τεχνολογία της τρισδιάστατης εκτύπωσης;
Η εφαρμογή στην Ελλάδα έχει ξεκινήσει σχεδόν ταυτόχρονα και παράλληλα με τη σχετική έρευνα. Προσωπικά προσπάθησα στο όριο του δυνατού να εφαρμοστεί άμεσα. Μπορώ να πώ ότι στην χώρα μας έχουν γίνει από τις πρώτες εφαρμογές παγκοσμίως. Ως παραδείγματα μπορώ να αναφέρω την χρήση ανατομικών αντιγράφων στην γναθοχειρουργική για τον προεγχειρητικό σχεδιασμό πολύπλοκων επεμβάσεων αλλά και την κατασκευή εμφυτευμάτων. Επίσης στην ορθοπεδική για τους ίδιους λόγους. Στην καρδιοχειρουργική για την αντιγραφή της καρδιάς και την κατανόηση σύνθετων παθολογιών. Στην ογκολογία επίσης για την διευκόλυνση της επικοινωνίας μεταξύ της χειρουργικής ομάδας και του ασθενή. Γενικά, η κατασκευή ανατομικών αντιγράφων είναι θα έλεγα πλέον μια συχνή διαδικασία στην χώρα μας. Είναι σημαντικό να αναφέρω, ότι η σχετική τεχνολογία παρέχει όλες τις απαραίτητες πληροφορίες για την επίτευξη ενός χειρουργείου μέσω ελάχιστα επεμβατικών τεχνικών, μιλώντας πλέον για Υπολογιστικά Καθοδηγούμενη Χειρουργική. Εφόσον όλη η προετοιμασία έχει γίνει εκ των προτέρων, ο χρόνος της επέμβασης μειώνεται δραστικά, επιταχύνεται η αποκατάσταση της υγείας του ασθενή, αλλά και μειώνεται το γενικό κόστος της θεραπείας. Χαρακτηριστικό τέτοιο παράδειγμα, που επίσης εφαρμόζεται στην χώρα μας, είναι στην τοποθέτηση οδοντικών εμφυτευμάτων. Μέσω ενός προγράμματος στον υπολογιστή, ο οδοντίατρος μπορεί να δει την αξονική τομογραφία, να σχεδιάσει σε τρισδιάστατο περιβάλλον την θέση των μελοντικών δοντιών, και μέσω τρισδιάστατης εκτύπωσης να φτιάξει έναν χειρουργικό νάρθηκα ο οποίος καθοδηγεί τα εμφυτεύματα με ακρίβεια στην κατάλληλη θέση. Αποτέλεσμα είναι ο λιγότερος πόνος στην επέμβαση και το βέλτιστο αισθητικό αποτέλεσμα για ένα ωραίο χαμόγελο. Αυτό ακριβώς είναι το κίνητρο μας για την εφαρμογή αυτής της τεχνολογίας στην Ιατρική. Λιγότερη ταλαιπωρία, περισσότερα χαμόγελα.
Ποιο είναι το προσωπικό σας όνειρο σχετικά με αυτή την τεχνολογία;
Το προσωπικό μου όνειρο ήταν και είναι να ενσωματωθεί η σχετική τεχνολογία μέσα σε ένα κλινικό περιβάλλον στην Ελλάδα, όπως ένα νοσοκομείο, και να μπορώ άμεσα να δίνω λύσεις στις ιατρικές ανάγκες αλλά και να ερευνώ τις τυχόν νέες εφαρμογές. Για εμένα αυτό θα ήταν πραγματική «καινοτομία», που μπορεί να βοηθήσει και να αλλάξει την ζωή πολλών συνανθρώπων μας.
