מתכנון מדויק של ניתוחים מורכבים עם מודלים נאמנים למציאות ועד ייצור ציוד מותאם אישית בזמן אמת, הדפסה בתלת מימד מבשרת מהפכה של ממש בעולם הרפואה. הצצה אל מאחורי הקלעים של אחד הניתוחים היותר מסעירים שנעשו באחרונה בישראל, חושפת את חלקה (המאוד חשוב) של הטכנולוגיה החדשנית ששימשה את הצוות המנתח
הכותרות געשו באחרונה כאשר נודע על סיומו המוצלח ביותר של ניתוח מורכב במיוחד ונדיר לא פחות, שבוצע לראשונה בישראל – ניתוח להפרדת תאומות המחוברות בראשן. הניתוח התבצע בבית החולים סורוקה, על ידי צוותים רפואיים של בית החולים בשילוב עם מומחים בינלאומיים, לאחר היערכות והכנה של חודשים ארוכים. הניתוח הנדיר, שבוצע רק 20 פעמים בלבד בעולם כולו, דרש חודשים של הכנות מקיפות, וכלל שימוש במודלים מודפסים תלת מימדיים שהתבססו על הדמיות ה – MRI, CT ואנגיוגרפיה כדי לדמות בצורה מדויקת להפליא את החיבור של כלי הדם, קרומי המוח, עצמות הגולגולת והעור של התאומות.
הניתוח המרשים בסורוקה הוא רק דוגמא אחת למגוון השימושים ההולך וגדל בהדפסה בתלת מימד לצרכים רפואיים. מומחים בתחום החלו לאמץ את הטכנולוגיה, המשתכללת משנה לשנה, למגוון רחב של צרכים – כמו הדפסה של ציוד רפואי הכרחי בבתי חולים, סימולציות הדרכה לאנשי רפואה וגם הדפסת אבות טיפוס של מוצרים רפואיים חדשניים המשמשים להוכחת התכנות. זו אולי גם הסיבה מדוע בעשר השנים הקרובות הדפסה תלת מימדית צפויה לצמוח לתעשייה של 8.9 מיליארד דולר, כאשר 1.9 מיליארד דולר (21%) מנתון זה צפויים להיות מושקעים ביישומים רפואיים.
בזמן הקורונה, למשל, הדפסה בתלת מימד הפכה לכלי חשוב ביותר ואת הדוגמאות ניתן היה למצוא בכל מרכז רפואי. כך לדוגמה, באביב 2020, בחודשים הראשונים להתפרצות מגיפת הקורונה, מערכת בתי החולים הגדולה ביותר באירופה התקינה 60 מדפסות תלת מימד של סטרטסיס לתמיכה בצוותים הרפואיים. המדפסות, שהותקנו בבתי החולים עצמם, הבטיחו ייצור מהיר ועל פי דרישה של ציוד חיוני לשימוש על ידי עובדי בית חולים, כמו מגיני פנים ומסיכות, משאבות מזרקים חשמליות, ציוד אינטובציה ושסתומי הנשמה. סטרטסיס יצרו למעשה קואליציה של חברות ואוניברסיטאות כדי לייצר מגיני פנים, עם 150 חברות, ביניהן מדטרוניק ובואינג. הקואליציה שירתה את הצרכים של כמעט 100 מערכות בריאות שונות, הכוללות בתי חולים, מרפאות, מרכזים רפואיים אקדמיים ובתי אבות.
תמונה 1: אולי מוקדם מדי לבנות על הדפסת לב, אבל, בטוח ניתן ללמוד משהו מהמודל המותאם אישית שלו. קרדיט: STRATASYS
מעצמות ועד תאי גזע
הדפסה תלת מימדית יושמה בתחום הרפואה כבר מתחילת שנות האלפיים, אז שימשה הטכנולוגיה לראשונה לייצור שתלי שיניים ותותבות מותאמות אישית. מאז, היישומים הרפואיים להדפסה בתלת מימד התפתחו במידה ניכרת. סקירות שפורסמו לאחרונה מתארות את השימוש בהדפסה תלת מימדית לייצור עצמות, אוזניים, שלדים חיצוניים, עצמות לסת, משקפיים, תרביות תאים, תאי גזע, כלי דם, רשתות כלי דם, רקמות ואיברים, כמו גם צורות מינון ו׳מיכלי׳ תרופות חדשות.
ניתן לארגן את השימושים הרפואיים הנוכחיים בהדפסה תלת מימדית למספר קטגוריות רחבות: ייצור רקמות ואיברים, שתלים, כלים מותאמי פציינט, מודלים אנטומיים ומחקר תרופות בנוגע לגילוי תרופות, אספקה וצורות מינון.
שימוש מרתק אחד מגיע מעולם הפרוטזות/תותבים – כיום ניתן לייצר שתלים ותותבים כמעט בכל גיאומטריה שאפשר להעלות על הדעת באמצעות תרגום סריקות רנטגן, MRI או CT לקבצי הדפסה תלת מימדיים. באופן זה, הדפסה תלת מימדית שימשה בהצלחה בתחום הבריאות לייצור גפיים תותבות מותאמות סטנדרטיות ומורכבות ושתלים כירורגיים, לפעמים תוך 24 שעות. גישה זו משמשת כיום לייצור שתלים דנטליים, שתלי עמוד שדרה וירכיים.
טכנולוגיות הדפסה תלת מימדית אף נמצאות בשימוש במחקר וייצור תרופות, והן מבטיחות להיות טרנספורמטיביות. היתרונות של הדפסה תלת מימדית כוללים שליטה מדויקת בגודל ומינון, כמו גם ייצור המותאם לפרופילים מורכבים של שחרור תרופות. ניתן לייצר גם תקנים לתהליכים מורכבים של ייצור תרופות באמצעות הדפסה תלת מימדית על מנת להפוך אותם לפשוטים ויעילים יותר.
מרקם הדומה לאיבר האמיתי
אחד השימושים בהם הדפסה תלת מימדית הביאה
תמונה 2: מודלים אנטומיים משמשים לצרכי מחקר ולימוד
קרדיט: STRATASYS
להצלחה רבה הוא בחדר הניתוח – בפרט, להכנה לניתוחים מורכבים. השונות והמורכבות האינדיבידואליות של גוף האדם הופכות את השימוש במודלים המודפסים בתלת מימד לאידיאליים להכנה כירורגית. לימור חביב, מעצבת תעשייתית ובעלת החברה 3D4OP, מספרת עד כמה קריטי היה המודל המודפס בתכנון הניתוח המפורסם בסורוקה. “המודל המודפס של התאומות אפשר לערוך דיונים על תוכנית הניתוח בין הדיסציפלינות השונות והכירורגים הרבים שהיו מעורבים בניתוח. המנתחים הפלסטיים בדקו את גודל החתך שהם צריכים לבצע בעור ומדדו כמה עור ועצם הם צריכים כדי לשחזר את גולגולות התינוקות לאחר הפרדתן. הנוירוכירורגים בדקו על המודל ותכננו מהיכן כדאי להתחיל את הניתוח, בגישה קדמית או אחורית, מה גודל החלון בגולגולת אותו יצטרכו להוציא כדי להגיע לכלי הדם הרלוונטיים ולבצע את ההפרדה של מעטפת הגולגולת (הדורה).
הצוות בדק באיזה אופן הכי נכון להשכיב את התינוקות בזמן הניתוח, איך כדאי להחדיר את מכשירי ההנשמה, כיצד לקבע את ראשיהן על מיטת הניתוחים והתאים את העזרים הנכונים – והכל לפי לפי המודל המודפס. המודל שימש את הכירורגים גם בזמן הניתוח לוודא שהם מנתחים בדיוק לפי התכנון הקדם ניתוחי. בעזרת מדפסות התלת מימד המתקדמות של סטרטסיס (J850) והטכנולוגיה החדשנית (digital anatomy printing DAP) ניתן להדפיס את חלקי המודל במרקם ובקושיות דומה לאיבר האמיתי. הגולגולת למעשה הודפסה מחומר הדומה במאפייניו המכאניים לעצם, כלי הדם הודפסו בחומרים גמישים, הדורה (מעטפת המוח) הודפסה מחומר גמיש ושקוף שאיפשר לבצע את הסימולציה בדיוק כמו שהניתוח יתבצע בפועל.”
אולם זה לא המקרה היחיד בו הייתה מעורבת חביב, שדרש שימוש בהדפסת תלת מימד. “לבית החולים שיבא, הגיע ילד בן ארבע עם מום מורכב בלב, כשגם אבי העורקים וגם עורק הריאה יוצאים מחדר ימין של הלב. צוות המנתחים ממכון הלב התלבט מהי הגישה הנכונה ואיזו פרוצדורה יש לבצע כדי להציל את ליבו של הילד. מסריקת הה-CT של הילד נבנה מודל תלת מימד וביחד עם ד”ר אוריאל כץ, עיצבתי מודל לסימולציה שהודפס מחומרים מיוחדים של חברת סטרטסיס המדמים את רקמת הלב ואת המסתמים. כאשר המנתחים החזיקו ביד את המודל המודפס, ודימו את הניתוח על המודל, הם הבינו בדיוק את הפרוצדורה אותה הם צריכים לבצע בניתוח מורכב זה. במקרים שונים, כמו זה, סימולציה ממוחשבת לא מספיקה, ורק כאשר המנתח מחזיק בידו מודל מודפס ויכול לבצע עליו את הפרוצדורה הניתוחית ממש כמו לבצע אימון יבש לפני רטוב, הוא מצליח להבין את ההליך הכירורגי על דיוקו ויכול להסיק איך לבצע את הניתוח בפועל. במקרה הזה המודל חסך דילמות והתלבטויות מיותרות בזמן הניתוח, שבסופו של דבר התבצע בצורה מדוייקת ובהצלחה לפי התכנון.”
תמונה 3: לפני ואחרי הניתוח של התאומות מבאר שבע שעשה כותרות ענק.
באדיבות בית החולים סורוקה
בן קליין, דירקטור פתרונות מדיקל ורפואה בסטרטסיס, מספר שאנטומיה דיגיטלית כיום הפכה למתקדמת במיוחד, עם מדפסות מתקדמות שפותחו – בשילוב עם חומרים חדשניים כמו TissueMatrix, BoneMatrix ו-GelMatrix – כדי לענות על צרכים רפואיים מורכבים בהכנה לניתוחים. “המדפסות האלה – כמו ה- J750 למשל – מתוכנתות מראש עם יישומים אנטומיים שונים, טכנולוגיה שפותחה בשיתוף עם יצרני מכשירים רפואיים, מוסדות מחקר ברמה עולמית, בתי חולים ואנשי רפואה כדי לדמות את התחושה, ההתנהגות והמידות של האיבר האמיתי – מטקסטורה וצבע ועד שקיפות וגמישות״.
קליין מספר שניתן ליצור מבני כלי דם עדינים עד לקוטר פנימי של 1 מ”מ בלבד ולעובי דופן של 1 מ”מ. ״כאשר אתה קובע את המבנים שאתה רוצה לעבוד איתם, זה משתנה בעובי ה׳קיר׳ כדי לחקות את תאימות כלי הדם. זה יוצר תוצאות מציאותיות במיוחד המספקות משוב ריאליסטי מבחינה קלינית. מבני כלי הדם המחקים את המציאות מאפשרים הדמיה מדויקת של פרוצדורות קליניות, לצרכי הדרכה ואו פעילויות רפואיות ב/שטח׳, דוגמת הכנסת קטטר, פריסת TAVR, תיקוני מפרצות באבי העורקים הבטני ו- LAAC. הם משכפלים במדויק את זרימת הדם ויכולים לשחזר הסתיידות הנראית תחת פלואורוסקופיה, מה שהופך אותם לכלים לא יסולא בפז עבור מתרגלים ומפתחי מוצרים.”
גם בניתוחי לב, למשל, אומר קליין, המודלים המודפסים נועדו לשמור על תאימות, להציע עמידות ולשעתק את המציאות בגוף המנותח. כך מקבלים המנתחים חוויה מדויקת של הליכים כמו חיתוך ותפירה, מיקום והתקנים של מכשירים, מה שהופך אותם לכלי למידה ופיתוח חיוניים.
תמונה 4
המודל אפשר לקיים דיונים על תוכנית הניתוח
בין אינספור השותפים לו. באדיבות לימור חביב
“כיוון שמדפסת תלת מימד מאפשרת לאנשי רפואה לייצר חלקים אנטומיים כל כך קרובים לדבר האמיתי, היא מפחיתה את הצורך בשימוש בדגמים סינתטיים, בעלי חיים וגוויות, ומאפשרת לצוות הרפואי לבדוק הליכים מורכבים ולהתאמן בכל מקום. המשמעות היא הפחתה בעלויות ההכשרה והרכש, כמו גם שיפור ברמה האתית, עם ביטול הצורך בבדיקת פרוצדורות כירורגיות והתקנים על בעלי חיים,” מסביר קליין. לא רק זה, חולים שהמקרה הרפואי שלהם סבוך במיוחד עולים הרבה יותר – השיפור אם כך מיטיב הן עם בית החולים והן עם המטופל, עם ירידה משמעותית בעלויות ניתוחים סבוכים. כך למשל, בי”ח בבירמינגהם שבבריטניה דיווח שהדפסת מודלים אנטומיים מדויקים לפני ניתוחים חסכו להם 3-4 שעות בחדר הניתוח פר ניתוח, כשכל שעה שווה 5000 ליש״ט – חיסכון משמעותי ביותר.
השיפור מגיע גם לאיכות הטיפול שניתן למטופל עצמו. שחזור מדויק של האנטומיה של המטופל מאפשר למנתחים לקיים אינטראקציה ישירה עם האנטומיה של המטופל הספציפי הרבה לפני הכניסה לחדר הניתוח. המשמעות היא תוכנית כירורגית מותאמת טוב יותר ומודעות גדולה יותר אצל החולים. מודלים מודפסים בתלת מימד מאפשרים למנתחים לדמות פתולוגיה מורכבת ואוריינטציות מרחביות באופן שעולה ברמתו על דגם דו מימדי במחשב. ניתן לשכלל את ההליכים לפני הניתוח כך שבניתוח עצמו יהיו פחות סיבוכים, הליכים קצרים יותר וכתוצאה מכך זמני החלמה מהירים יותר למטופל – וככלל, תוצאות טובות יותר בכל הליך. “ספקי שירותי הבריאות יכולים להעריך ולזהות גישות זולות יותר ופחות פולשניות, לקבל החלטות קריטיות לפני הכניסה לחדר הניתוח, לאמן ולחנך צוותים עם אתגרים ייחודיים ומורכבים, לבדוק וליצור סוגי מכשירים ואבות טיפוס שונים להתאמה אופטימלית, לשפר את התקשורת לפני הניתוח עם צוותים רב תחומיים ולהקל על תהליך הסכמה מהמטופל ומשפחתו,” מסביר קליין.
מודלים מודפסים בתלת מימד יכולים להיות שימושיים גם מעבר לתכנון כירורגי. לאחרונה, למשל, הודפסה שרשרת פוליפפטיד בהדפסה תלת מימדית באופן שיכול להתקפל למבנים משניים. ניתן להשתמש במודלים דומים בכיתות לימוד, כדי לסייע בהבנת סוגים אחרים של מבנים ביולוגיים או ביוכימיים – תוצאות מחקר הראו שתלמידים מסוגלים להבין מבנים מולקולריים טוב יותר כאשר משתמשים במודלים תלת מימדיים כאלה.
תמונה 5: לימור בסטודיו. המודל המודפס היה קריטי להצלחה.
באדיבות לימור חביב
העתיד – מודפס
חביב מתארת חזון שבו “כל מטופל המגיע לחדר הניתוח יזכה לתכנון מקדים מסוג זה. גם בפרוצדורות פשוטות יחסית כמו הכוונת שתלים דנטליים. כיום הטכנולוגיה קיימת, נגישה לכל מנתח ומצויה במגוון גדול של בתי חולים בארץ ולכל מנתח יש את האפשרות להיעזר בה. רופאים ומנתחים המשתמשים בתכנון קדם ניתוחי בתלת מימד ומשקיעים זמן לפני הניתוח – מגדילים את הסיכויים שהניתוח יצא מדויק יותר ויחסוך בעיות לאחר מכן. למה לאלתר כשאפשר לתכנן מראש, במיוחד כשמדובר בחיי אדם.”
התחזית של חביב לא רחוקה מהמציאות. לפי תחזיות עדכניות, הדפסה תלת מימדית צפויה למלא תפקיד חשוב במגמה לרפואה מותאמת אישית, באמצעות השימוש בה בהתאמה אישית של מוצרים תזונתיים, איברים ותרופות. הדפסה תלת מימדית צפויה להיות נפוצה במיוחד בבתי מרקחת – למשל, ניתן להחליף פורמולציות של תרופות במייל ולהדפיס תרופות על פי דרישה. בדרך זו, המטופלים יוכלו לצמצם את נטל התרופות שלהם לפוליפיל (רב-כדור) אחד ליום, מה שיקדם את דבקות החולה בנטילת תרופות.
תמונה 6: צוות המנתחים מסורוקה משווה את המודל
להדמיות טרום הניתוח. באדיבות לימור חביב
החלק היותר ׳סקסי׳ בסיפור על הטכנולוגיה החדשה-ישנה, מדבר, ללא ספק, על השימושים המערבים את החולים עצמם. כך למשל, כשל רקמות או איברים עקב הזדקנות, מחלות, תאונות ומומים מולדים הוא בעיה רפואית קריטית. הטיפול הנוכחי באי ספיקת איברים מסתמך בעיקר על השתלות איברים מתורמים חיים או מתים. עם זאת, קיים מחסור כרוני באיברים אנושיים הזמינים להשתלה, עם אלפי מתים ברחבי העולם מדי יום שמחכים ברשימות המתנה ארוכות, עם קושי מיוחד למצוא תורם מתאים. ניתוחי השתלת איברים ומעקב גם הם יקרים, ועולים למעלה מ -300 מיליארד דולר בארה”ב בלבד בשנה. סביר להניח שבעיה זו תוסר על ידי שימוש בתאים שנלקחו מגופו של החולה לבניית ו״הדפסת״ והשתלת איברים מודפסים כאיבר חלופי. זה ימזער את הסיכון לדחיית רקמות, כמו גם את הצורך לקחת תרופות מדכאות חיסון לכל החיים. למרות שהדפסה ביולוגית של רקמות ואיברים עדיין בחיתוליה, מחקרים רבים סיפקו הוכחה לרעיון – למשל, חוקרים השתמשו במדפסות תלת מימד ליצירת מיניסקוס בברך, שסתום לב, דיסק בעמוד השדרה, סוגים אחרים של סחוס ועצם, אוזן מלאכותית ואפילו כדי ליצור כבד מלאכותי. רופאים מאוניברסיטת מישיגן פרסמו מחקר על מקרה שדיווח כי שימוש במדפסת תלת מימד וצילומי CT של דרכי הנשימה של מטופל תינוק איפשר להם לייצר סד קנה נשימה שאף ניתן לספיגה ביולוגית שהושתל בניתוח (ספיגה מלאה של הסד צפויה להתרחש בתוך שלוש שנים).
תמונה 7: המנתחים מתרגלים על המודל המודפס את
מהלכי הניתוח. באדיבות לימור חביב
מספר לא מבוטל של חברות ביוטכנולוגיה מתמקד כיום ביצירת רקמות ואיברים למחקר רפואי. מדענים ב- Organovo מפתחים רצועות של רקמת כבד מודפסת למטרה זו; בקרוב, הם מצפים שהחומר יתקדם מספיק לשימוש בטיפולים תרופתיים חדשים. חוקרים אחרים עובדים על טכניקות לגידול איברים אנושיים שלמים שיכולים לשמש למטרות סינון במהלך גילוי תרופות. איבר שנוצר מתאי גזע של המטופל עצמו יכול לשמש גם לצורך בדיקת טיפולים כדי לקבוע אם תרופה תהיה יעילה לאותו אדם.
במבט קדימה, האפליקציה המתקדמת ביותר להדפסה תלת מימדית שצפויה בעתיד היא הדפסה ביולוגית של איברים מורכבים. זה אמנם עדיין רחוק, אך ההתקדמות שחלה מבטיחה. עם התקדמות הטכנולוגיה, צפוי כי רקמות הטרוגניות מורכבות, כגון רקמות כבד וכליות, ייוצרו בהצלחה, מה שיפתח את הדלת לייצור שתלים חיים קיימים, כמו גם מודלים של רקמות ואיברים מודפסים לשימוש בגילוי תרופות. ייתכן גם שניתן להדפיס את הרקמה של המטופל כחלק שניתן להשתמש בה בבדיקות כדי לקבוע איזו תרופה תהיה הטובה ביותר עבורו. בעתיד, אפשר יהיה אפילו לקחת תאי גזע משיני התינוק של הילד לשימוש לכל החיים לגידול ופיתוח רקמות ואיברים חלופיים.
תמונה 8: הצצה אחרונה לפני הניתוח עצמו.
באדיבות בית החולים סורוקה
הדפסה של שתלים או איברים חיים בגוף האדם במהלך ניתוחים היא מגמה עתידית נוספת שצופים מומחים. באמצעות שימוש בהדפסה ביולוגית תלת מימדית ניתן להפקיד תאים, גורמי גדילה ו”פיגומים” ביו-חומריים לתיקון נגעים מסוגים שונים ועובי עם שליטה דיגיטלית מדויקת. הדפסה ביולוגית לתיקון איברים חיצוניים, כגון עור, כבר התרחשה. במקרה אחד, מדפסת תלת מימד שימשה למלא נגע בעור בקרטינוציטים ופיברובלסטים, באזורים מרובדים ברחבי הפצע. גישה זו עשויה להתקדם לשימוש לתיקון איברים פנימיים פגומים או חולים.
מדפסת תלת מימד בגודל כף יד לשימוש לתיקון רקמות ישירות היא חידוש צפוי נוסף בתחום זה, כמו גם התקדמות בתחום הרובוטיקה עם מדפסות ביו וניתוחים בעזרת רובוט שעשויים להיות גם הם חלק בלתי נפרד מההתפתחות של טכנולוגיה זו.
שאלות הנוגעות לגובה הציפיות מהטכנולוגיות הקיימות להדפסת תלת מימד, ביטחון ואבטחת נתונים, פטנטים וזכויות יוצרים ורגולציות לאומיות ובינלאומיות, הן חלק מהותי מהדיון בנושא הפיתוח העתידי של טכנולוגיות רפואיות אלה. אולם המומחים עדיין אופטימיים. הדפסה תלת מימדית הפכה לכלי שימושי והביאה לשינוי, יש האומרים דרמטי, במספר תחומי חיים שוניםוביניהם הרפואה. ככל שביצועי המדפסות, הרזולוציה והחומרים הזמינים גדלו, כך גם גדלו ויגדלו מספרי היישומים. חוקרים ממשיכים לשפר יישומים רפואיים קיימים המשתמשים בטכנולוגיית הדפסה תלת מימדית ולחקור יישומים חדשים.
לדברי זיו שדה, מנכ”ל Su-Pad, נציגת סטרטסיס בישראל, עד שכל הסוגיות ייפתרו להן, מערכת הבריאות ואזרחי ישראל כבר מתחילים להינות ממערכת בריאות מתקדמת שמבססת את החלטותיה הכירורגיות על תכנון קדם ניתוחי ומודלים תלת מימדיים. ״בתי החולים בישראל מקימים מרכזי תלת מימד לשימוש הכירורגים ולתועלת המטופלים. אנו גם מתחילים לראות תנועה של הרגולטורים וחברות הביטוח להבנה והכרה של הערך של השימוש בתלת מימד לטובת המטופלים ומערכת הבריאות״. שדה מעריך כי תוך מספר שנים מועט שימוש בתלת מימד יהפוך להיות שגרה במרכזים הרפואיים בישראל.
בן קליין, דירקטור פתרונות מדיקל
ורפואה בסטרטסיס
קרדיט: STRATASYS
קרדיט תמונת שער : STATASYS
