心臓分野における3Dプリント技術の応用展望と課題

30 年以上にわたる開発において、3D プリント技術はその大きな利点により、建設、機械製造などの分野の発展を促進してきました。材料科学と医療画像の進歩に伴い、3D プリント技術は、整形外科や顎顔面外科を中心に医療分野に徐々に応用されてきました。

近年、3D プリントされた心臓モデルは、心血管の指導、技術トレーニング、治療計画の策定において独自の役割を果たしています。この記事では、心臓血管疾患の分野における 3D プリント技術の応用について説明し、この技術の潜在的な価値を探ります。

心臓の解剖学的構造は繊細かつ複雑です。心臓の構造を理解するには強力な空間思考能力が必要であり、先天性心疾患の空間構造を構築することはさらに困難です。 3D プリント技術は心臓を直感的に表示することができ、空間構造の表示に明らかな利点があります。

研究によると、3Dプリント技術を使用して作成された心臓モデルを心臓血管医療スタッフの教育とトレーニングに使用すると、良好な結果が得られ、心臓病の解剖学的および病態生理学的特徴に対する理解が深まったことが示されています。心臓外科医の研修期間が長いことは業界の共通認識です。その大きな理由は、心臓の特殊な生理学的特性と手術技術の難しさです。実際、満足のいく研修モデルの不足も避けられない問題です。

3D プリント技術により、病気に特化した心臓モデルを製作することが可能になります。 Hermsenらは、閉塞性肥大型心筋症の3Dモデルを使用して手術をシミュレートし、実際の手術と比較しました。良好な一貫性は、モデリング方法の成功だけでなく、手術技術のトレーニングに新しいアイデアを提供しました。

一方、3Dプリント技術は心臓の構造を正確に復元できるため、術前計画や手術計画における3Dモデルの使用は、心血管治療の分野で広く使用されています。両出口右心室に代表される複雑な先天性心疾患を例にとると、異なる解剖学的タイプには異なる外科的処置と治療戦略が必要となるため、3D プリントされた心臓疾患モデルは、外科医による複雑な解剖学的空間関係の理解を深め、手術前に合理的な手術計画を策定するのに役立ちます。

複雑な先天性心疾患は、心臓内の解剖学的構造の変形として現れるだけでなく、心臓外の大血管の位置関係の変動も伴い、手術の難易度が増します。 3D心臓モデルは、主要血管の位置関係を明確に表示できるという利点があり、先天性心疾患の心臓移植や補助人工心臓の埋め込みなど、複雑な手術計画の立案に役立ちます。さらに、心臓腫瘍などの希少疾患の外科的治療では、3D モデルによって腫瘍の大きさ、位置、周囲の構造物に対する距離を正確に表示できるため、手術戦略の計画に役立ちます。

欠損端が短い心房中隔欠損症の場合、3D プリントモデルによる閉塞テストにより適切な症例をスクリーニングできるため、より多くの患者が低侵襲治療の恩恵を受けることができます。左心耳閉塞症の場合、3Dモデルを使用することで、手術前に直径をより正確に測定し、使用する閉塞器のモデルを事前に選択し、閉塞効果を正確に予測し、手術時間を大幅に短縮することができます。 3D モデルを使用して経皮的僧帽弁形成術および経皮的大動脈弁移植術をシミュレートすると、手術計画、経路、および特別な機器をより詳細に計画できるため、手術のリスクが軽減されます。

3D プリントモデルは心血管疾患の診断と治療において独自の役割を果たしますが、改善が必要な独自の欠点も持っています。まず、モデルをより洗練させる必要があります。現在、3D モデリングデータは臨床超音波、CT、磁気共鳴画像 (MRI) 検査から取得されていますが、これらの検査にはそれぞれ制限があります。超音波検査は空間分解能が不十分で微細構造を鮮明に映し出すことができません。CT検査は放射線量が多く、ヨウ素アレルギーのある患者は造影CT検査を受けることができません。また、CT検査では弁や軟部組織などの構造を鮮明に映し出すことができません。MRI検査は時間がかかりすぎ、体内に金属インプラントがある患者には実施できません。

ほとんどの研究では、モデリングは CT データに基づいており、心臓モデルでは弁、心房中隔欠損の柔らかい縁、心室中隔欠損嚢などの構造を十分に反映できません。第二に、印刷材料を改良する必要があります。技術的条件の制限と心臓構造の周期的な変化により、3D モデルが実際の心臓を完全にシミュレートできるようになるまでにはまだまだ時間がかかり、モデルの作成には長い時間とコストがかかります。

最も重要なことは、3D プリント技術がまだ心臓血管分野に革命的な変化をもたらしていないことです。 20年前にはすでに、画像再構成技術によって、画面上で3次元画像を見たり、心臓を回転させてさまざまな角度から観察したりすることが可能になりました。

近年、コンピュータ技術の急速な発展により、コンピュータ画面上で心臓を自由に切断し、さまざまな断面の3次元画像を観察できるようになりました。それに比べて、3D プリントされたモデルは、画面上の画像を、手で操作できるモデルに変換するだけです。

一部の専門家は、3D プリントが「ギミック」である根本的な理由は、3D プリントが治療方法と治療効果を実際には変えていないことだと考えています。3D プリントがなくても、同じ治療計画と効果はコンピューター画面上の 3D 画像を通じて達成できます。例えば、両大動脈右室出口症候群の場合、3次元画像に基づいて患者の内部トンネルを構築できないと判断された場合、3Dプリントモデルで手術をシミュレーションした後でも、上記の判断を覆すことはできず、手術方法を変更することができません。

空間構造の表示における 3D プリントの利点は、心臓専門医にとってそれほど大きな驚きではなかったことがわかります。そのため、心臓血管分野における 3D プリントの焦点は、in vitro テスト機能、つまり、印刷されたモデルで治療をシミュレートしてさまざまな治療計画を策定することにあります。上記のモデルの改良と材料のシミュレーション性能は、in vitro テスト機能を制限する鍵となります。

たとえば、3D プリントは左心耳閉塞手術のガイドとして使用されます。プリントされた心耳は 3 次元再構成画像に比べて優れている点はありませんが、閉塞物を心耳に埋め込んでその安定性をテストすることができます。しかし、印刷材料の硬度の制限により、閉塞材の安定性のテストはあまり信頼できるものではありません。さらに重要なことは、3D 印刷モデルを使用して選択された閉塞材が従来の方法を使用して選択された閉塞材よりも優れているという証拠がないことです。

さらに深刻な課題は、心血管疾患の特殊性から生じます。心血管分野の埋め込み型デバイスは比較的複雑であるため、心臓手術で埋め込まれる弁には良好な血行動態特性が求められ、経カテーテル埋め込み技術では、埋め込み型デバイスを圧縮してカテーテル内に装填できることが求められます。

そのため、整形外科分野ではすでに患者向けにカスタマイズされた骨ブロックを印刷し、それを体内に移植して治療を完了することが可能となっている一方、心臓血管分野での3Dプリントの応用は依然として構造表示とin vitro試験に限定されており、その応用は大きく制限されています。

心臓血管疾患には独自の特殊性があります。これらの特殊性を十分に考慮することによってのみ、3D プリントが「ギミック」になることを避けることができます。心臓血管分野における 3D プリント応用の潮流の中で、私たちのチームは 3D プリントを使用して治療パターンと効果を変えるという原則を主張し、「3D+」の概念を提唱しています。 3D プリント技術が従来の技術、より洗練されたモデル、より優れた材料よりも優れた結果を提供できない場合、患者の経済的負担が増加するだけです。

3D プリント技術は、空間構造とインビトロ試験の利点しか提供しておらず、臨床ニーズを満たすにはほど遠いものです。3D プリント技術は、他の新しい技術と組み合わせることによってのみ、大きな役割を果たすことができます。インターネットが金融、物流、ソーシャルネットワーキング、エンターテイメントなどと組み合わせられなければならないのと同じように、その相互接続の役割を発揮することができます。「3D+」時代では、さまざまな新技術が3Dプリント技術と組み合わされ、そのin vitro試験機能が十分に発揮され、患者に新しい治療法が提供されます。

たとえば、多発性心房中隔欠損症の患者の場合、3D プリントモデルに基づいて最適な閉塞穴、最適な閉塞材の種類とサイズを選択し、最適な治療計画を作成できますが、この最適な治療計画を実行することはできません。従来の介入治療では放射線誘導が使用されますが、放射線では塞ぐべき穴の最適な位置を特定できません。

したがって、3Dプリント自体は、多発性心房中隔欠損症の治療モードと治療効果を変えることはできません。3Dプリントをベースに超音波ガイド下経皮的介入技術を適用することによってのみ、超音波の助けを借りて最適な閉塞穴に入り、3Dプリントによって策定された治療計画を実行し、それによって臨床的に多発性心房中隔欠損症の治療効果を変えることができます。

自然科学のさらなる発展に伴い、「3D+」の概念を適用して3Dプリント技術を他の技術と組み合わせることで、3Dプリントは「ギミック」のイメージを払拭し、心血管疾患の治療モデルと効果を変えるでしょう。国立循環器病センターは、3D 印刷技術の分野で多くの取り組みを行っており、取得技術、材料の研究開発、in vitro 試験プラットフォーム、印刷装置の小型化などの研究開発に重点を置き、3D 印刷技術の発展を強力にサポートしています。

将来的には、画像化技術と電気生理学的取得技術の進歩により、3D プリントは心臓の 3 次元構造をシミュレートするだけでなく、心臓の伝導系を同時に表示できるようになり、外科医が縫合経路を計画したり、電気生理学者がアブレーション部位を特定したりするのに役立ちます。

体外試験技術と細胞材料の進歩により、3Dプリントモデルは運動機能を獲得し、術後の血行動態をモデル上で試験できるようになり、手術計画の精度が大幅に向上します。材料科学の進歩により、将来的には、整形外科分野と同様に、心臓血管分野でも患者向けにカスタマイズされたインプラントデバイスを印刷できるようになるでしょう。たとえば、重度の石灰化大動脈弁狭窄症の患者向けにカスタマイズされた縫合不要の弁を印刷することで、弁周囲漏出や心臓破裂などの合併症を効果的に回避できます。

印刷装置がより小型化、高度化するにつれ、カテーテル技術と組み合わせることで生体内印刷が実現されるようになるでしょう。人々は、個々のインプラントデバイスをカスタマイズするだけでは満足せず、代わりに小型の印刷デバイスを体内に直接送り込み、パーソナライズされたデバイスを印刷しながらインプラントを完了するようになります。たとえば、重要な枝を含む大動脈解離、左右の肺動脈狭窄、冠動脈分岐部病変の患者は、すべて体内で分岐ステントを印刷することができます。 3D プリントは、傍観者やテスターではなく、また「ギミック」でもなく、実際の治療法になります。

3D プリント技術は新しいものではありません。臨床ニーズと組み合わせ、治療パターンと臨床効果の変化を目指す場合にのみ、心臓血管治療の分野でより大きな応用価値を発揮することができます。 3D+時代では、3Dプリント技術が他の技術と組み合わされ、従来の治療モデルを変え、心血管疾患の診断と治療を改善し、大多数の心血管疾患患者により良い利益をもたらします。

著者: パン・シャンビン

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