Η τρισδιάστατη εκτύπωση όλο και περισσότερο εξαπλώνεται στον χώρο της ιατρικής, εξελίσσοντας τη Βιοϊατρική Μοντελοποίηση (Biomedical Modelling) και ανοίγοντας νέους ορίζοντες στους επιστήμονες, χαρίζοντας παράλληλα ελπίδα σε εκατομμύρια ασθενών παγκοσμίως. Ο συντελεστής της Βιοϊατρικής Μοντελοποίησης και της τρισδιάστατης εκτύπωσης στην ιατρική και επικεφαλής του σχετικού τμήματος του Πανεπιστημίου του Sussex στην Αγγλία, Παναγιώτης Διαμαντόπουλος, μιλά αποκλειστικά στο newpost.gr και εξηγεί τις δυνατότητες, τις εφαρμογές και τις προοπτικές τους.
Καταρχήν τι είναι η «Βιοϊατρική Μοντελοποίηση»;

Είναι κλάδος της Βιοϊατρικής Μηχανικής και ουσιαστικά είναι η εφαρμογή μεθόδων σχεδίασης και κατασκευών στην ανθρώπινη ανατομία. Βασικός σκοπός είναι η διάγνωση παθολογιών, η προσομοίωση χειρουργικών διαδικασιών και η χειρουργική καθοδήγηση. Επίσης, σκοπεύει στην δημιουργία εξατομικευμένων εμφυτευμάτων, εργαλείων και σχετικών ιατρικών προϊόντων. 
     
Πως ξεκίνησε το ενδιαφέρον σας για αυτό το αντικείμενο;              
                                           
Ως συνέχεια της διπλωματικής μου εργασίας, σαν μηχανολόγος μηχανικόs βιοϊατρικής, εργάστηκα το 1994 με την εταιρεία Johnson & Johnson πάνω στην βελτίωση εμφυτευμάτων αρθροπλαστικής. Κατά την διάρκεια αυτής τη εργασίας έπρεπε να χρησιμοποιηθεί η νέα ακόμα τεχνολογία του σχεδιασμού μέσω υπολογιστή (γνωστή πλέον ως CAD ή Computer Aided Design) για την δημιουργία ενός εικονικού μοντέλου του γονάτου. Η σχεδίαση όμως αυτής της γεωμετρίας αποδείχτηκε κάτι παραπάνω από δύσκολη, καθώς χρειάστηκε να δημιουργηθεί σημείο-σημείο, γραμμή-γραμμή.... κάτι που πήρε αρκετούς μήνες.... και τελικά το αποτέλεσμα δεν έδειχνε ως γόνατο... Αποφάσισα λοιπόν στην συνέχεια να ασχοληθώ σε μεταπτυχιακό επίπεδο με την ανάπτυξη μιας διαδικασίας που θα διευκόλυνε παρόμοιες εργασίες. Αυτό οδήγησε στην δημιουργία του σχετικού εργαστηρίου στο πανεπιστήμιο από το 1996 και σκοπός της ερευνάς μου έγινε πλέον η δημιουργία ανατομικών μοντέλων (εικονικών και φυσικών) μέσω πρακτικών διαδικασιών, καθώς και η μελέτη των εφαρμογών τους στην Ιατρική και Βιοϊατρική Μηχανική. 

Πως φτάσατε στην τρισδιάστατη εκτύπωση;

Η διαδικασία που αναπτύχθηκε για πρώτη φορά, ήταν η σύνδεση της Ιατρικής Απεικόνισης (Medical Imaging) (όπως αξονική τομογραφία), με διαθέσιμες τεχνολογίες σχεδίασης, προσομοίωσης και κατασκευών. Στο πλαίσιο αυτό μελετήθηκαν και οι διάφορες μέθοδοι παραγωγής, γνωστές ως Ταχεία Προτοτυποποίηση (Rapid Prototyping). Μία από αυτές τις μεθόδους ήταν και η Στερεολιθογραφία (Stereolithography), όπως, στη συνέχεια, και η τρισδιάστατη εκτύπωση (3D Printing). Αποτέλεσμα ήταν να αυτοματοποιήσουμε την μεταφορά πληροφοριών της ανθρώπινης γεωμετρίας μεταξύ τομογράφου και μηχανήματος κατασκευής και να την εφαρμόσουμε σε πραγματικά κλινικά περιστατικά.

Αν καταλαβαίνω σωστά, υπάρχουν πολλές τεχνικές τρισδιάστατης εκτύπωσης;  

Ναι. Η τρισδιάστατη εκτύπωση ξεκίνησε ως μια από τις τεχνικές Rapid Prototyping, αλλά ως όρος όμως σταδιακά υπερισχύει καθώς είναι εύκολα κατανοητός και τα περισσότερα μηχανήματα αρχίζουν να μοιάζουν πλέον με 'μεγάλους' εκτυπωτές. Όλες αυτές οι μέθοδοι έχουν βασικό χαρακτηριστικό ότι «χτίζουν» υλικό, αντί να «κόβουν» και το πρώτο μηχάνημα παρουσιάστηκε εμπορικά το 1987 (Στερολιθογραφία). Η τρισδιάστατη εκτύπωση ως τεχνική (με χρήση υλικού σε σκόνη) ολοκληρώθηκε στα τέλη της δεκαετίας του 90 και γίνονται διαρκώς σημαντικές βελτιώσεις, π.χ. μεγαλύτερη ακρίβεια, δυνατότητα χρωματισμού, νέα υλικά, κλπ. Είναι πλέον μια πραγματικότητα και καθώς γίνεται όλο και ποιο προσιτή, πρακτικά και οικονομικά, θα είναι σύντομα μέρος της ζωής μας. Σαν γενική διαδικασία, αντί να γράφεις ένα κείμενο, σχεδιάζεις με το κατάλληλο πρόγραμμα και απλά εκτυπώνεις το σχέδιό σου... όπως και με τους κοινούς εκτυπωτές. Ήδη έχω έναν τέτοιον εκτυπωτή και με βοηθάει για απλά θέματα της εργασίας μου.  

Πως αποδέχτηκε ο ιατρικός κόσμος τις νέες αυτές μηχανολογικές δυνατότητες;

Την όλη διαδικασία απεικόνισης-σχεδιασμού-κατασκευής (Biomedical Modelling) την παρουσιάσαμε πρώτη φορά το 1999 στο Λονδίνο και στο Royal College of Surgeons, και στην συνέχεια σε πάρα πολλά συνέδρια διαφόρων ειδικοτήτων. Το 2004 οργανώθηκε το πρώτο σεμινάριο «Medical Prototyping» στην Βρετανία και από τα πρώτα παγκοσμίως. Από τότε και μέχρι τώρα, από τις βασικές μου ασχολίες είναι η παρουσίαση των δυνατοτήτων αυτής της τεχνολογίας. Δεν σας κρύβω όμως ότι όσο πιο μεγάλο ενδιαφέρον υπήρχε από την πλευρά των εμβιομηχανικών, αλλά τόσο συγκρατημένη ήταν η αντίδραση του ιατρικού κόσμου. Αυτό συχνά με έκανε να αμφιβάλλω και εμένα τον ίδιο για τα το πόσο χρήσιμη μπορεί τελικά να είναι.

 Το γεγονός όμως ότι όλο και περισσότεροι γιατροί (ιδίως χειρουργοί) έδειχναν ενδιαφέρον και έκαναν χρήση αυτών των «βιομοντέλων», μου έδινε κουράγιο να συνεχίζω ώστε να αποδείξω την αξία αυτής της τεχνολογίας. Αυτό κάνω ακόμα και σήμερα, και η βασική μου ασχολία είναι να δουλεύω καθημερινά στην εφαρμογή αυτών των διαδικασιών όπου χρειάζεται.  

Πείτε μας λίγα λόγια για τη διαδικασία που ακολουθείται για την κατασκευή των ιατρικών τρισδιάστατων μοντέλων.

Συνήθως απαιτείται αξονική τομογραφία (CT), αλλά ανάλογα με την ανατομία που μας ενδιαφέρει, μπορεί να γίνει χρήση και άλλων μεθόδων. Πλέον υπάρχει ακόμα και η δυνατότητα τρισδιάστατης φωτογραφίας, αν μας ενδιαφέρουν μόνο τα εξωτερικά χαρακτηριστικά, π.χ. το πρόσωπο και όχι εσωτερικές δομές.
Στη συνέχεια γίνεται επεξεργασία της εικόνας που παίρνουμε από το απεικονιστικό μηχάνημα και μέσω εξειδικευμένου λογισμικού προσδιορίζεται η ανατομία που θέλουμε. Αποτέλεσμα είναι η δημιουργία ενός καταρχήν τρισδιάστατου εικονικού μοντέλου. Τέλος, αυτό το εικονικό μοντέλο μεταφέρεται ως συγκεκριμένο format αυτόματα στο μηχάνημα τρισδιάστατης εκτύπωσης και κατασκευάζεται slice by slice. Το χρονικό διάστημα μπορεί να είναι μερικές ώρες ή ακόμα και μια μέρα, ανάλογα με το μέγεθος του μοντέλου. Το κόστος είναι ανάλογο του χρόνου επεξεργασίας, του χρόνου κατασκευής και του υλικού.

Οι πιο κοινές μέθοδοι για ιατρικές εφαρμογές είναι: Stereolithography και 3D Printing. Υπάρχουν όμως πλέον διάφορες τεχνικές κατασκευής, όλες με τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματά τους. Σε γενικές γραμμές, το αποτέλεσμα είναι αντίγραφα της ανθρώπινης ανατομίας με ακρίβεια μικρότερη του χιλιοστού. Η διαδικασία είναι γενικά γνωστή ως Medical Rapid Prototyping, Biomodelling, Medical Modelling ή και Medical 3D Printing.   

Τι υλικά χρησιμοποιούνται για την κατασκευή τους;

Μπορούν να παραχθούν σε πολλά υλικά, συνήθως ρητίνες, συμπεριλαμβανομένων και βιο-συμβατών που έχουν αναπτυχθεί ειδικά για ιατρικές εφαρμογές. Οι ρητίνες αυτές μπορούν π.χ. να αποστειρωθούν, να έρθουν σε επαφή με τον ασθενή ή, σε μερικές περιπτώσεις, ακόμα και να εμφυτευτούν. Επίσης, έχουν ιδιότητες παρόμοιες με εκείνες των ανατομικών ιστών (π.χ. οστά), έτσι ώστε να μπορεί να γίνει η πρακτική εξάσκηση μίας επέμβασης χρησιμοποιώντας τα εργαλεία ενός χειρουργείου. Τέλος, είναι διαφανείς ή μπορεί να χρωματιστούν επιλεκτικά, για να τονίσουν συγκεκριμένες περιοχές, όπως  νεύρα, αρτηρίες, αγγεία, ρίζες δοντιών, ή π.χ. όγκους. 

Σε ποιους τομείς της ιατρικής εφαρμόζεται και με ποιον τρόπο συμβάλλει στην αποτελεσματικότερη θεραπεία του ασθενή;

Το «Medical Rapid Prototyping» έχει εφαρμογή σε πολλούς ιατρικούς κλάδους, όπως η γναθοχειρουργική, η ορθοπεδική, η κρανιοπροσωπική χειρουργική, η πλαστική και επανορθωτική χειρουργική, η νευροχειρουργική, η ογκολογία, η οδοντιατρική, η αγγειακή χειρουργική, η καρδιολογία και η νευρολογία. Τυπικές κλινικές εφαρμογές είναι σύνθετα κατάγματα, αφαίρεση όγκων, εμφυτεύματα κρανιοπλαστικής, ολικές αρθροπλαστικές, τεχνικές επιμήκυνσης, κρανιοπροσωπικές δυσμορφίες, προσθετική προσώπου, μεταμοσχεύσεις, κλπ. Καθώς όμως το «Medical Prototyping» είναι ακόμα μία πολύ πρόσφατη τεχνική, αυτές είναι μόνο μερικές από τις εφαρμόσιμες κλινικές περιπτώσεις. Οι πραγματικές εφαρμογές καλύπτουν όλο το φάσμα της Ιατρικής και απομένει να τις βρούμε.  

Από τα βασικά πλεονεκτήματα αυτών των τεχνικών είναι ότι τα ιατρικά προβλήματα μπορούν να γίνουν καλύτερα κατανοητά. Ένα πραγματικό αντίγραφο της παθολογικής περιοχής του ασθενή, διευκολύνει τον χειρουργό να καταλάβει το πρόβλημα και να αντιληφθεί την πολυπλοκότητα του. Η δυνατότητα περιστροφής σε πραγματικό χρόνο είναι εμφανής όπως και η διευκόλυνση της επικοινωνίας μεταξύ της χειρουργικής ομάδας και του ασθενή. 
  
Το ανατομικό μοντέλο παρέχει όλες τις απαραίτητες πληροφορίες για την επίτευξη των βέλτιστων αποτελεσμάτων. Στην κρανιοπλαστική για παράδειγμα, ένα αντίγραφο του κρανίου είναι το τέλειο εργαλείο για την διαμόρφωση του επιθυμητού εμφυτεύματος. Κατά αυτό τον τρόπο επιτυγχάνεται υψηλότερη ακρίβεια, βέλτιστη μορφή και καλύτερο αισθητικό αποτέλεσμα. Επιπλέον, ο χρόνος της σχετικής χειρουργικής επέμβασης μειώνεται δραστικά, δεδομένου ότι όλη η προετοιμασία έχει γίνει εκ των προτέρων και το εμφύτευμα είναι έτοιμο για τοποθέτηση.
 
Τέλος, όπως είναι δυνατή η μείωση του χρόνου της εγχείρησης και η επιτάχυνση της αποκατάστασης της υγείας του ασθενή, έτσι μειώνεται και το γενικό κόστος της θεραπείας και της χειρουργικής επέμβασης.

Εφαρμόζεται και στην Ελλάδα η μέθοδος αυτή;

Ναι, υπάρχουν πολλές εφαρμογές και με τη βοήθειά σας ελπίζω να αναδειχθούν. To Medical Prototyping  παρουσιάστηκε πρώτη φορά στην Ελλάδα το 1999, στο Πανελλήνιο Συνέδριο Ακτινολογίας, και στην συνέχεια σε πολλά αλλά Συνέδρια όπως της Ορθοπαιδικής, Γναθοχειρουργικής, Καρδιολογίας. Ένας από τους κλάδους που έχει σημαντική εφαρμογή είναι στην Οδοντιατρική και στην κατασκευή χειρουργικών οδηγών για την τοποθέτηση οδοντικών εμφυτευμάτων. Στην συγκεκριμένη εφαρμογή, τα πλεονεκτήματα είναι λιγότερο τραύμα, λιγότερη ταλαιπωρία, λιγότερος πόνος και καλύτερο αισθητικό αποτέλεσμα. Μάλιστα πρόσφατα ολοκληρώθηκε και ένα σχετικό ελληνικό βιβλίο. 

Αυτή την περίοδο πάνω σε τι εργάζεται η ομάδα σας; Τι προοπτικές έχει η τεχνική;

Η ιατρική απεικόνιση έχει πλέον συνδυαστεί με τον σχεδιασμό και την κατασκευή, αλλά ακόμα δεν έχει ενσωματωθεί η προσομοίωση, τουλάχιστον στον βαθμό που θέλουμε. Βασικό ενδιαφέρον μας λοιπόν είναι η αυτοματοποίηση και αυτής της δυνατότητας, που θα σημαίνει ότι π.χ., αν ένας ασθενής χρειάζεται αρθροπλαστκή, θα γίνεται η αξονική, θα σχεδιάζεται το εμφύτευμα στα μέτρα του, θα κατασκευάζεται μέσω 3D εκτύπωσης (ήδη μπορεί να γίνει), αλλά όλα αυτά αφού ήδη έχει μελετηθεί εικονικά και η συμπεριφορά του εμφυτεύματος αυτού για την μελλοντική του χρήση. Ίσως να ακούγεται «επιστημονική φαντασία», αλλά 15 χρόνια πριν, αυτή ήταν η αντιμετώπιση και της 3D εκτύπωσης και αυτών που συζητάμε σήμερα. Σύντομα η τρισδιάστατη εκτύπωση θα αποτελεί βασικό διαγνωστικό εργαλείο δίπλα στον αξονικό τομογράφο. Προς το παρόν δεν υπάρχει η τεχνογνωσία και η εμπειρία για την χρήση αυτών των μεθόδων. Η πραγματικότητα είναι τριών διαστάσεων αλλά ακόμα προσπαθούμε να μάθουμε πως να την διαχειριστούμε. 

Υπάρχουν πολλές αντίστοιχες ερευνητικές ομάδες στην Ευρώπη και τον κόσμο;

Καθώς το αντικείμενο και τα πλεονεκτήματα αυτών των διαδικασιών γίνονται γνωστά, ασφαλώς υπάρχουν πλέον αρκετές επιστημονικές ομάδες παγκοσμίως. Η κάθε μία όμως έχει διαφορετικά ενδιαφέροντα. Το σημαντικό είναι ότι πλέον προάγεται η συνεργασία διαφόρων ειδικοτήτων και έτσι είναι σίγουρο ότι θα υπάρξει σημαντική περαιτέρω ανάπτυξη στον τομέα. Ήδη, όπως αναφέρθηκε, γίνονται προσπάθειες για εκτύπωση με «βιοϋλικά». Ένα μεγάλο κεφάλαιο.... Νομίζω ότι όλοι φανταζόμαστε τι μπορεί να σημαίνει αυτό....  

Στο μέλλον να περιμένουμε δηλαδή ίσως και «εκτύπωση» ολοκληρωμένων οργανισμών;  

Αυτό είναι σίγουρα το μέλλον και βασικός περιορισμός προς το παρόν είναι η διαχείριση των «βιολογικών υλικών» και η διαδικασία για την πρακτική εκτύπωση. Είναι όμως μια από τις πλέον σημαντικές εφαρμογές και που μάλλον πρέπει να τη συζητήσουμε ξεχωριστά...

Είστε ο μόνος Έλληνας που ασχολείται τόσο ενεργά με τις τεχνικές «Βιοϊατρικής Μοντελοποίησης»  και τρισδιάστατης εκτύπωσης στην ιατρική; Τι οραματίζεστε;  

Ως μηχανικός δεν γνωρίζω δυστυχώς κάποιον άλλον Έλληνα που να ασχολείται ενεργά με το συγκεκριμένο αντικείμενο, αλλά ευτυχώς υπάρχουν πολλοί Έλληνες γιατροί που εκτιμούν αυτή την τεχνολογία και έχουν βοηθήσει πολύ στη εισαγωγή και εφαρμογή της στην χώρα μας. Ευτυχώς, υπάρχουν επιστήμονες που θέλουν και προσπαθούν να βελτιώσουν το έργο τους, ακόμα και κάτω από τα συνήθη ελληνικά προβλήματα.... Προσωπικά, σκοπός μου ήταν πάντα να αναπτυχθεί μια συγκεκριμένη τεχνολογία και τώρα αυτή είναι διαθέσιμη. Η εξέλιξη της από εμάς ή άλλους επιστήμονες είναι δεδομένη.

Το προσωπικό μου όνειρο ήταν και είναι να οργανωθεί μια τέτοια διαδικασία μέσα σε ένα κλινικό περιβάλλον στην Ελλάδα, όπως ένα νοσοκομείο, και να μπορώ άμεσα να δίνω λύσεις στις ιατρικές ανάγκες αλλά και να ερευνώ τις τυχόν ιδέες του ιατρικού προσωπικού. Για εμένα αυτό είναι «καινοτομία», που μπορεί πραγματικά να αλλάξει την ζωή όλων.