3D 모델링이 기도 스플린트와 스텐트를 변화시키는 방법: 정밀도와 환자 결과 향상

우리는 이전에 의료 애플리케이션에서 3D 모델링과 프린팅의 증가하는 역할과 그것이 사람들의 삶을 개선하는 영향에 대해 썼습니다. 하지만 이 기술은 생명을 구하는 절차를 가능하게 하는 데 있어 훨씬 더 큰 약속을 담고 있습니다.

과거 블로그에서 우리는 MIT의 생체메카트로닉스 연구 그룹이 개발한 구동 의족을 다루었습니다. 여기서 하지 의족은 내부 구조와 의족을 제어하는 데 사용되는 개별 조직과 근육의 강도를 이해하기 위해 모델링되어야 합니다. 기본 의족은 표준 구성이지만, 부착 및 센서 구조는 각 고객마다 모델링되고 제조되어야 합니다.

우리는 또한 대량 맞춤화가 수술실로 확장되어 외과의가 환자에게 맞춤화된 관상동맥 스텐트와 교체 관절을 삽입할 것이며, 곧 환자들은 영향을 받은 동맥과 관절을 3D 모델링하여 필요한 정확한 구성과 크기를 결정하게 될 것이라고 논의했습니다.

이 두 애플리케이션 세트 모두 3D 모델링과 프린팅이 기존 치료법과 애플리케이션을 개선하는 방법을 보여줍니다. 그리고 그것들이 어느 정도 삶을 변화시키는 것이지만, 3D 모델링과 프린팅 덕분에 오직 실용적인 새로운 애플리케이션이 하나 있습니다. 바로 기도 또는 기관 스텐트와 스플린트입니다. 이들은 생명을 구할 수 있는 아이템들입니다.

현재 상황

현재 기도(기관지 나무) 스텐트는 제자리에 고정하기 위한 일종의 메커니즘이 있는 Y자형 튜빙으로 구성된 비교적 조잡한 것입니다. 이들은 의료 기기보다는 자동차에서 나온 것처럼 보입니다. 이 스텐트들은 구조가 단순하고 대략적으로만 맞춰지기 때문에 기도 내에서 움직여 효과를 감소시킬 수 있습니다. 또는 더 나쁘게는 스텐트가 점액으로 막히거나 제자리에 고정하기 위한 메커니즘 주변에 새로운 조직이 형성될 수 있습니다.

이 스텐트들의 모양과 크기는 맞춤화할 수 있지만, 환자의 측정을 수행한 다음 제조업체에 전달해야 합니다. 이 과정은 새로운 스텐트가 배달될 때까지 몇 주가 걸릴 수 있으며 여전히 완벽하지 않은 맞춤의 스텐트가 됩니다. 그리고 물론 환자가 기다릴 수 없는 경우도 항상 있습니다.

3D 제조를 다음 단계로

베스 이스라엘 디코니스 메디컬 센터의 조지 창(Dr. George Chang) 박사가 3D 모델링과 프린팅의 잠재적 적용을 보고 현재 솔루션의 맞춤 문제를 해결하는 맞춤형 스텐트 개발에 나섰습니다. 프로젝트 자금 지원을 위한 보조금을 사용하여 창 박사는 다양한 팀을 구성하여 문제를 해결했습니다. 팀이 직면한 첫 번째 과제는 의료용 실리콘을 처리할 수 있는 3D 프린터가 없다는 것이었습니다. 해결책은 필요한 스텐트를 적절한 재료로 만들기 위해 사용할 수 있는 금형을 3D 프린팅하는 것이었습니다. 그 깨달음을 바탕으로 팀은 환자의 기도 3D 스캔을 가져와 필요한 금형을 생성하는 프로그램을 작성했습니다. 새로운 스텐트는 완벽한 맞춤으로 이전 상업용 스텐트보다 훨씬 더 잘 작동할 뿐만 아니라, 스텐트를 생성하는 데 불과 며칠밖에 걸리지 않습니다.

창 박사의 작업에서 흥미로운 파생 효과가 있습니다: 환자를 위해 만들어진 금형은 기관지경을 수행하는 법을 배우는 폐 전문의들을 위한 매우 현실적인 훈련 장치를 나타냅니다. 현재 사용되는 훈련 모델보다 훨씬 저렴할 뿐만 아니라 실제 기관지 나무의 모든 세부 사항을 포착합니다.

열한 단계로 끌어올리기

창 박사의 개척적인 작업이 인상적이지만, 기본적으로 오래된 스타일의 스텐트를 대체합니다. 하지만 기관지연화증(또는 TBM)으로 고통받는 영아들에게 현재 유일한 치료법은 복잡한 수술과 지속적인 인공호흡 및 모니터링입니다. 수술을 해도 영아 생존 확률은 좋지 않습니다. 그러나 생존하는 아이들은 3세가 되면 이 상태에서 벗어납니다.

TBM은 내부 장기가 약한 기관지 나무를 압박하여 기도가 압축되는 상태입니다. 스텐트가 명백한 해결책일 수 있지만 두 가지 주요 과제가 있습니다:

• 영아 기도의 크기. 맞춤 문제로 인해 스텐트는 실용적이지 않습니다.
• 어떤 치료법도 영아와 함께 성장해야 합니다.

미시간 대학 앤아버의 스콧 홀리스터(Scott Hollister, PhD), 글렌 그린(Glenn Green, PhD), 로버트 모리슨(Robert Morrison, MD) 팀은 환자와 함께 성장하는 3D 프린팅 스플린트(기관을 둘러싸는) 개념을 고안했습니다. 게다가 팀은 생체흡수성 스플린트를 만들고 싶었습니다. 즉, 몇 년 내에 아이의 몸에 흡수되어 나중에 스플린트를 제거하기 위한 수술이 필요 없게 만드는 것입니다.

해결책은 영아의 기도 CT 영상에서 구축된 3D 모델로 시작합니다. 이 모델로부터 아이의 기관지 나무에 맞춤용으로 사용되는 3D 프린팅 모델과 스플린트 자체가 생성됩니다. 스플린트는 폴리캡롤락톤(polycaprolactone)이라는 생체고분자로 프린팅되는데, 이는 생분해될 뿐만 아니라 저렴합니다. 결과 스플린트는 아이의 기관 주위에 꿰매어져 기관이 더 강해질 때까지 지지합니다.

결과는 놀랍습니다. 스플린트를 사용한 첫 수술은 2012년 2월 질식 외에는 대안이 없던 어린 아이에게 수행되었습니다. 스플린트가 설치되자마자 정상 호흡이 돌아왔습니다. 영아는 21일 후 인공호흡기에서 제거되어 집으로 돌아갈 수 있었고 호흡 곤란 징후를 보이지 않았습니다. TBM이 미국에서 태어난 영아 2,200명 중 1명에게 영향을 미친다는 점을 고려하면 구명될 생명의 수는 엄청날 것입니다.

미래로 이어지면서, 우리는 다양한 상태를 해결하는 생체흡수성 스텐트와 스플린트를 만들기 위해 이러한 유형의 3D 모델링 및 프린팅 기반 솔루션을 보게 될 것으로 기대하며, 수천 명의 환자들에게 새로운 희망을 제공할 것입니다.