耳鼻咽喉科分野における3Dプリント技術の研究状況

3D プリント技術は製造業界における革命だと考えられています。コンピュータ技術の発展、生産プロセスの進歩、新素材の出現により、3D プリンティングは生命科学やバイオメディカルを含む多くの分野で大きな進歩を遂げています。その開発プロセスは、初期の探索的な術前モデルの複製から、骨欠損を修復するための適合人工装具の印刷の成功、そして現在のさまざまな新しい医療材料や細胞調製技術にまで及び、医療修復の応用分野で満足のいく進歩を遂げてきました。次に、Antarctic Bearは、近年のバイオメディカル分野における3Dプリント技術の研究と進歩について紹介し、耳鼻咽喉科および頭頸部外科の分野での研究開発状況を紹介します。

3D プリント技術は、事前設計に基づいて特定の材料を層ごとに追加することで 3 次元オブジェクトを構築する革新的なデジタル製造技術です。この技術は、他の多くの画期的な技術と同様に、1980 年代にマサチューセッツ工科大学によって初めて提案されました。初期の 3D プリント技術は、プロセスが複雑で効率が低く、設備が高価で完成品が粗雑だったため、普及しませんでした。近年、コンピュータ技術の進歩、新しい設計ソフトウェアの開発、新しい材料や新しいプロセスの応用により、3D プリント技術は多くの分野で急速に発展しています。

3Dプリント技術の基本原理、製造プロセス、主な種類
「セグメント化された製造とレイヤーごとの積み重ね」の原則に基づいています。 3D プリントのワークフローは 3 つのステップに分かれています。

最初のステップは画像の取得です。人体の画像データは光学スキャンやホログラフィーで取得でき、内部の部分はCT、MRI、さらには陽電子放出断層撮影（PET）で取得して、高解像度で高コントラストの医療画像データを取得できます。

2 番目のステップは画像の後処理です。光学スキャンまたはホログラフィック写真撮影により、標準の 3D モデルファイル (ステレオリソグラフィー、STL) 形式を取得できます。CT、MRI、PET などの医療用画像処理によって取得されたデータは通常、DICOM (デジタル画像および医療通信) 形式で保存されます。この形式のファイルは、データ変換後に読み取られ、対象物の 3D セグメンテーションと視覚化が実現され、最終的にコンピューター支援設計 (CAD) モデルを使用して 3D 印刷デバイスに出力されます。

3 番目のステップはラピッドプロトタイピングです。つまり、CAD データを 3 次元の実物に変換し、最終的にコンピュータ支援製造 (CAM) を実現します。
3D 印刷技術は、成形技術の原理とさまざまな印刷材料に応じて、ステレオリソグラフィー装置 (SLA)、熱溶解積層法 (FDM)、選択的レーザー焼結法 (SLS)、積層造形法 (LOM)、インクジェット印刷などのモードに分類できます。実際の適用では、印刷材料、印刷精度、補綴物の強度の違いに応じて、異なる印刷モードが選択されます。

耳鼻咽喉科、頭頸部外科分野における3Dプリントの研究と応用
1. 耳の手術解剖学のトレーニングと医学教育: 側頭骨は人体の中で最も複雑な骨系であり、複雑な骨と軟部組織の構造を持つだけでなく、多くの微細な空気と液体を含む空間も含んでいます。これらには、顔面神経、内頸動脈と静脈、蝸牛、前庭、三半規管などの重要な構造が含まれます。側頭骨の構造には個人差が大きいため、解剖学的な変異がよく発生します。側頭骨の解剖学に精通することは、耳鼻咽喉科医にとって不可欠なスキルです。しかし、側頭骨は不規則な三次元形態と繊細で複雑な微細構造を持つため、従来の二次元画像による指導には大きな限界があります。解剖材料（死体頭部）が極端に不足しているため、物理的な側頭骨解剖学のトレーニングを促進することは困難です。長い間、側頭骨手術の解剖学的構造を習得することが、耳鼻咽喉科医の技術の発展を制限するボトルネックとなっていました。

外科解剖学のトレーニングの分野も、3D プリント技術の登場以来、大きな進歩を遂げています。 Vorwerk 氏と Begall 氏は、側頭骨の CT スキャンデータと CAD 技術、および SLA 技術を組み合わせて、最も初期の人間の側頭骨モデルを作成しました。このモデルは、基本的な微細解剖学の演習や外科手術のシミュレーションに使用されました。その後、鈴木らはSLS技術を使用して高解像度CTスキャンによりより詳細な側頭骨モデルを作成し、従来の外科器具を使用して顕微鏡下で解剖と外科手術の練習を行うことができました。 2012年、ワシントン大学のモンファレドらは、3Dプリント技術を利用して、骨と軟部組織をそれぞれ異なる材料でシミュレートし、忠実度が高く低コストの外科用中耳モデルを作成したと報告しました。このモデルは、精度、信頼性、機械的な触覚フィードバックの点で優れた性能を発揮し、業界から認められました。このモデルを研修医のトレーニングガイドラインに含めることが推奨されています。さらに、3Dプリントは微細構造を正確に拡大して表示することもできます。ドイツ・ハンブルクのWulfらは高解像度のμCTを使用して人間の耳小骨を収集し、この技術を使用して20倍に拡大されたプラスチックの解剖モデルを作成し、耳小骨の構造を完璧かつ正確に表示する教育効果を実現しました。

2. 術前バーチャルリアリティと 3D モデリング: 3D プリント技術は、手術計画やバーチャルモデリング、つまり手術前の「リハーサル」にも使用できます。外科医は手術の手順を事前に明確に把握できるように、実際に手術する臓器や部位と同じ大きさのものを訓練に使用します。 3D 手術ドリルは、手術時間を短縮し、手術中に起こり得る問題を特定して手術結果を予測し、潜在的なリスクを回避し、手術の品質と安全性を効果的に向上させることができます。例えば、フィンランドのオウル大学の耳鼻咽喉科医は、複雑な人工内耳手術の前に、患者の側頭骨の高解像度CTデータを抽出し、SLA技術を使用して側頭骨モデルを複製し、顔面神経管、卵円窓、正円窓などの構造を正確に表示して術前シミュレーションを行い、手術のリスクを軽減しました。さらに、手術モデルは、医師が患者とその家族と必要な術前コミュニケーションを行うのにも役立ちます。

3. 骨組織欠損の充填と修復: 顎顔面領域 (下顎骨や上顎骨など) の大きな硬組織欠損の修復は、通常、自家腓骨または腸骨で行われます。ただし、「お金をかけて別のポケットを埋める」ことの欠点は明らかです。人工骨の研究が深まるにつれ、3D プリント技術は人間の骨の複雑な曲線や形状の違いに対処する上で独自の利点を示してきました。生体適合性の高いチタン製人工骨を直接印刷し、ラック材料粉末の粒子サイズを多孔度に応じて調整するほか、スライスの充填方法を変えることで多孔度と微細孔サイズを調整し、細胞の成長に適応する活性スキャフォールドを構築します。下顎骨、椎骨等の製作に成功し、臨床現場での使用が開始されました。

コンピュータの支援により、患者の下顎欠損部と同じ正常な形状の個別チタン製補綴物が設計され、手術中に移植されました。手術後、患者の顔の外観は正常に戻り、咬合と口の開きも良好に回復しました。ベルギーのハッセルト大学BIOMED研究所は、SLS技術とCNCレーザーを使用して、積み重ねられたチタン粉末粒子の層を正確に融合し、外観とまったく同じ下顎骨を印刷し、さらに表面にバイオセラミック層をスプレーして拒絶反応を減らしました。その後、オランダの外科医と協力して、83歳の患者に3Dプリントされたチタン下顎骨を移植することに成功しました。ハイドロキシアパタイト (HA) は優れた骨誘導特性を有するため、HA は光感受性ポリマーとともに生体活性骨組織工学スキャフォールドを調製するための原料として使用されます。日本の東京医科大学の松尾らは、ポリL-乳酸/HA（PLLA/HA）を原料とし、SLA技術を用いて吸収性多孔質ブラケットを作製し、下顎腫瘍切除後の下顎再建に補助歯移植材料と併用したところ、金属チタンブラケットよりも優れた修復効果が得られました。南極熊3Dプリントネットワークにご注目ください。

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3Dプリントの用途は拡大し続けており、口腔修復の分野でのその利点はますます顕著になっています。出典：中国耳鼻咽喉科ジャーナル

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