3D-printing av organanaloger ved Intervensjonssenteret

Fra venstre: Ole Jakob Elle, Leder for Teknologiforskning ved Intervensjonssenteret OUS, Henrik Brun, Overlege Kardiologi ved Barnehjerteseksjonen OUS, Robin Bugge, Medisinsk Fysiker ved Intervensjonssenteret/Avd. for Diagnostisk Fysikk, OUS

Pipelinen for fremskaffelse av en fysisk organmodell består av separate segmenter; Pasientavbildning, bildesegmentering, 3D-modellering, printing og klinisk applikasjon, som alle krever dyptgående kunnskap om en rekke ulike områder i ulike fagfelt. Tverrfaglig arbeid er kanskje den største utfordringen vi har i dette prosjektet, samtidig som det åpner for muligheter som ellers ikke er tilgjengelige. Pasienter har så langt blitt avbildet med to ulike modaliteter, CT og MRI. Begge modaliteter byr på kjente utfordringer i for­- bindelse med hjerte- og respirasjonstrigging, stråledose (ved CT) og bruk av kontrastmiddel. Magnetisk Resonansavbildning (MRI) og computertomografi (CT) anvendes daglig ved Oslo Universitetssykehus (OUS) og gir ­mulig- heten til å diagnostisere intern patologi ikke-invasivt. Ved IVS utforsker vi muligheten til å anvende disse avbildningsteknikkene som grunnlaget for 3D-printede modeller av relevante strukturer i forbindelse med plan­legg­ing av kompliserte operasjoner, på både voksne og barn. Ved å kunne tilby en 3D-printingstjeneste ved OUS håper vi å kunne bedre geometrisk romforståelse, å gi mulighet til å teste ut relevant utstyr og lette samarbeid i planleggingsfasen. Spesielt utfordrende er de yngste pasientene som kommer inn i prosjektet gjennom samarbeidet vårt med Barnekardiologisk Avdeling ved overlege Henrik Brun. Her er det ­ønskelig å modellere hjertestrukturer som skiller seg fra normal anatomi, f.eks. på grunn av VSD’er eller som følge av morfologiske forandringer, noe som blir vanskeligere jo mindre og finere disse strukturene er. Avbildningsoppløsning blir ofte en kompliser­- ende faktor, som vi tar høyde for når segmenteringsområdet settes i samarbeid med lege. Ved preliminære undersøkelser har vi fått veldig gode tilbakemeldinger fra radiologer og kirurger som sier at muligheten til å vise frem en fysisk modell for planlegging og undervisning, spesielt for kompliserte operasjoner, gir økt forståelse for problemstillingen lenge før pasienten ligger på operasjonsbordet. Modellen er printet i et mykt, semi-gjennomsiktig, fleksibelt materiale som kan kuttes med skalpell, sys i med nål, strekkes og tøyes med ulike instrumenter. Her har vi forsøkt i samarbeid med overlege Gry Dahle å anvende måleinstrument for klaffediameter i forbindelse med operasjon, som en piloteringsunder­søkelse og proof of concept.

Printing av modellene har så langt blitt gjort ved to ulike lokalisasjoner; ROBIN-gruppen (ROBotikk og INtellig­ente systemer) ved Institutt for Informatikk (IFI) ved UiO, som er en av våre største samarbeidspartnere med Yngve Hafting som kontaktperson, og til dels hos Canon som har bidratt med eksempelprint basert på modeller vi har laget. 3D-printing er en teknologi med store muligheter, men også med begrensninger man må være kjent med i et slikt prosjekt. Her har det vært uunnværlig å sitte med informatikerne fra UiO som vet hva slags teknologier som er tilgjengelige og hva de kan anvendes til. Støttemateriale har vært en av våre store utfordringer i printi­ng­- prosessen, da modellen ikke kommer ut av printeren i ferdig tilstand. Siden hjertet er en hul struktur så støttes denne opp på innsiden av et porøst plastmateriale som må skylles ut med en høytrykkspyler, ofte i en til to timer for å få et godt resultat. Da har det vært interessant å få prøve Canons printer som anvender voksbasert støtte­materiale som varmes opp og smeltes ut av den ferdige modellen med et vesentlig renere resultat.

I dagens pipeline anvender vi en kommersiell softwarepakke levert av Materialise (Materialise NV, Leuven, Belgia) som inkluderer programmene; Mimics, for segmentering og preliminær postprossesering, og 3-Matic, en postprosseseringspakke med mulighet for ferdigstillelse av modell til printing. Grunnet kostnadene til denne soft­warepakken er det også blitt kartlagt mulighet for å anvende open source-­programmer som kan utføre samme oppgaver som Mimics og 3-Matic. Her er det selvsagt egne utfordringer i det å vite at den ferdig­segmenterte modellen du vil printe faktisk representerer interesseområdet ditt på en god måte.

Det vil gjøre seg dårlig om modellen viser en VSD med dobbelt så stor omkrets som den reelle strukturen. Prosjektet er nå i datainnsamlingsfasen der vi skal sammenligne reelle strukturer på pasienten under operasjon, målt fra fotografier eller film, opp mot den modellerte strukturen og de diagnostiske bildene for å bedre kunne dokumentere hvor nøyaktige vi er i segmentering og printingen av strukturen, en helt nødvendig kvalitetssikring av arbeidet vårt og en av de mest spennende fasene vi har vært i så langt. Da vi kan si noe endelig om hvor godt disse modellene fungerer i praksis. Det har også vært et ønske i gruppen om å undersøke ­muligheten til å anvende ultralydav­bildning for 3D-modellering. Prosjektet har mottatt innovasjonsmidler fra Helse Sør-Øst, og er ledet av seksjonsleder Ole Jakob Elle. Forfatter av ­artikkelen, medisinsk fysiker Robin A. B. Bugge, er fungerende bindeledd mellom teknologer og klinikere, og er ansvarlig for pipelinen fra avbildning via segmentering til ferdig printet organmodell. •

Denne hjertemodellen er utgangspunkt for både 3D visualisering ved hjelp av f.eks Hololenstekno­logien til Microsoft av fysisk hjertemodell. Disse teknikkene kan tenkes å utfylle hverandre ved kirurgisk planlegging.

3D printet hjerte (åpen) basert på samme segmenteringen som bildet under.

3D printet hjerte (lukket) basert på segmenteringen i bildet under.