3D 打印用于放射治疗的患者特定推注装置

手持 3D 打印推注装置的男子站在 Form 3 系列 3D 打印机旁

到 2040 年,全球癌症病例预计将攀升至每年 2950 万例。随着病例的增加,医疗保健专业人员正在努力开发更有效的治疗方案。目前医学界采用手术、化疗和放疗等多种手段对抗癌症,根据具体病情单独或联合使用。

技术进步在开发优化治疗方案中发挥着关键作用,其中效率、护理调平、患者体验和临床效果则是主要的考虑因素。

在癌症放射治疗方面,Adaptiiv 公司正通过技术创新推动治疗发展。放射科医生利用该公司通过监管部门认证的软件,设计患者特定的推注装置和表面近距离放射治疗器,用于治疗癌症。设备设计完成后,Adaptiiv 通过其“Adaptiiv On Demand”服务制造并配送至医院。3D 打印和生物医学材料是关键所在,能够制造出患者特定的自定义设备,从而提高临床精确度和运营效率。

图片左侧为 3D 打印的医疗器械,右侧为戴着耳机在电脑前工作的人员
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用于放射治疗的传统推注装置

根据世界卫生组织 (WHO) 的数据,50% 以上的癌症患者的治疗计划采用放射治疗 (RT)。其中包括一些最常见的癌症类型,如乳腺癌、肺癌、结肠直肠癌和皮肤癌。

放射治疗利用高能辐射破坏癌细胞 DNA。治疗时,放射治疗师会为患者佩戴 RT 辅助设备,最常见的是用于治疗皮肤癌和浅表肿瘤。这些 RT 设备可优化剂量输送或保护健康组织免受辐射影响。RT 设备包括:

  • 改善剂量分布的传统推注装置
  • 减少治疗中的患者移动并辅助程序设置的固定装置
  • 保护健康组织免受辐射影响的电子束限光筒
  • 通过定位导管输送微型放射源的表面近距离放射治疗器。 

外部束放射治疗(光子和电子)中使用的传统推注器通常是放置在患者皮肤上的扁平状橡胶材料,确保肿瘤获得正确的辐射剂量。传统的推注装置通常是拼凑而成的,可能导致某些患者出现气隙,从而可能导致肿瘤剂量不足或健康组织剂量过多。 

表面近距离放射治疗器置于治疗区域皮肤表面,通过导管通道输送放射性源。这种手动流程耗时较长,放射科医生往往需要 2 到 6 天的时间来尝试创建个性化设备。对于表面近距离治疗应用器而言,导管装置与患者解剖结构的放置匹配也是重大挑战,如果导管放置不当,患者可能得不到最佳治疗。

Form 4B 前的 3D 打印透明手部,其中包括骨骼
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手动创建传统设备的挑战

对于放射治疗师来说,创建传统推注装置是一个杂乱且耗时的过程。常见的传统材料如 Heated Dental Wax 和 Superflab(橡胶薄片)难以塑形,其工艺和材料多变,缺乏标准化。

近距离放射治疗器的制作需要额外的人工测量和导管放置,因此存在很大的误差空间。

如果确定装置配合不佳,很可能需要重新制造,这就要求重复模具制造和铸造过程。这意味着放射治疗师工作量、材料消耗及患者复诊次数的增加。

手动创建传统的推注装置既浪费时间与材料资源,又常影响治疗精度。这些痛点促使业界许多人寻求其他替代方案。

听诊器和 3D 打印的透明推注装置
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Adaptiiv 的优势

时间成本、资源消耗、患者舒适度和设备精度是医疗保健供应商最关心的问题。James Robar 博士是达尔豪斯大学放射肿瘤学系教授兼医学物理主任,深耕放射治疗领域多年,Robar 发现,虽然肿瘤放射治疗的计划、设备和技术已达一流水平,但所用推注装置却削弱了治疗效果。

Robar 在 2017 年发表论文对比了 3D 打印推注装置与传统乙烯基凝胶片推注装置在乳房切除术后胸壁放射治疗中的表现,由此结识 Alex Dunphy。两人共同创立了 Adaptiiv 公司,致力于“实现癌症放射治疗最终环节的数字化,并使临床医生能精准执行其所设计的治疗方案,”Dunphy 表示。

Robar 的职业生涯一直与现状材料打交道,这促使他开发了 Adaptiiv 的数字工作流程。Adaptiiv 现在与美国和世界各地的癌症中心合作,继续测试和扩展其产品线。 

推注装置的数字工作流程

Adaptiiv 于 2017 年首次开发出通过监管部门(FDA、CE)认证的临床软件,并验证了用于内部制造的打印机。有了 Adaptiiv 软件,临床医生就可以设计患者特定的推注装置,然后在内部打印出来。

新冠疫情爆发时,癌症中心也受到了冲击。许多癌症中心缺乏内部打印的资源。此外,Dunphy 标识:“随着时间的推移,我们逐渐意识到癌症中心希望治疗癌症,而不是成为微型制造商。于是,Adaptiiv 推出 Adaptiiv On Demand 服务,癌症中心可在 Adaptiiv 软件中设计部件,然后通过 Adaptiiv 的监管审批解决方案订购。”

Form Cure L 中的 3D 打印部件

对 SLA 3D 打印部件进行后固化可达到其最佳机械性能并实现最高尺寸精度。Form Cure L 适合大型打印或多次打印,以提高产量。

通过这个解决方案,临床医生利用 Adaptiiv 的软件设计推注装置,然后将文件发送给 Adaptiiv。通过这一工作流程,Adaptiiv 实现了模具室的完全数字化。Adaptiiv 的制造工厂将打印好的自定义推注装置邮寄给医院,使临床医生能够专注于病人护理而不是制造过程。

“随着我们步入制造领域,我们认识到需要一台能够打印我们所有解决方案的打印机。此外,我们还需要高产量和低停机时间。Formlabs 打印机具有出色的质量控制、卓越的客户支持以及法规合规性。”

Alex Dunphy,Adaptiiv 首席执行官兼联合创始人

Adaptiiv 采用 Formlabs Form 3B+ 立体光固化成型 (SLA) 3D 打印机,用于医疗保健应用,利用其专有软件设计打印患者特定的 HDR 表面近距离放射治疗器。Form 3B+ 体积小巧,可使用高性能树脂,包括由 Formlabs 经 FDA 注册、ISO 13485 认证工厂制造的生物相容性、可灭菌材料。

通过 3D 打印实现的内部制造能力,Adaptiiv On Demand 可以在三到五天的制造周期内制造出自定义设备,大幅度缩短时间周期,并提高传统推注装置的效率。

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监管许可

医疗器械制造需要跨越多重监管门槛。对于 Adaptiiv 来说,这要求对软件、制造平台和材料进行审核。这是一个漫长的过程,需要多次测试和主文件编制。Adaptiiv 在内部完成所有部件的验证工作,包括材料验证。

当 Adaptiiv 公司拓展到表面近距离放射治疗领域时,他们发现需要透明材料来观察内部通道。正如 Dunphy 所说,“腔内和间质近距离放射治疗要求材料能够安全地插入人体。” 这意味着要找到一种既具有生物相容性又透明的材料。

透明 3D 打印近距离放射治疗设备

3D 打印近距离放射治疗设备是根据患者的个体情况打印的,可实现自定义适配。

带可视通道的近距离放射治疗器

严格的公差使得 3D 打印这种近距离放射治疗器中的通道成为可能。

“Formlabs 是唯一符合这些需求的材料制造商。尽管合作始于材料选择,但我们最终发现 Formlabs 3D 打印机不仅是市场上最稳定的打印机,更是 3D 打印材料的先驱。”

Alex Dunphy,Adaptiiv 首席执行官兼联合创始人

在表面近距离放射治疗应用中,使用的是 Clear Resin。Formlabs Clear Resin 是一种刚性材料,可抛光至接近光学透明,具有高清晰度和光滑的表面处理效果。透明且刚性,非常适合展示内部特征,这也是近距离治疗通道的要求。对于腔内间质近距离放射治疗器,BioMed Clear Resin 是一种通过 USP VI 类认证的材料,可用于要求与皮肤或黏膜长期接触的生物相容性应用。

Dunphy 指出,使用 Formlabs SLA 打印机打印的好处之一是可以利用材料库。“Formlabs 对新材料和树脂的持续创新,加上现有全系列监管认证树脂,使得[与 Formlabs 合作]的决策更加顺理成章。” 从 ElasticResin 到生物相容性和 Clear Resin,丰富的材料特性让 Adaptiiv 能为不同客户提供最优产品。

不同颜色的 BioMed 树脂的打印样品部件
免费样品部件

BioMed 树脂样品

每个 BioMed 树脂样品都采用浮雕和压花设计,切口厚度为 0.5-2.0mm 并附有该树脂的专属监管信息。

索取免费样品部件

专注于患者护理

改善患者的治疗效果和体验是 Adaptiiv 的首要任务。波多黎各的一个放射治疗团队在治疗一名九个月大的患者时束手无策,无法找到一款适配的儿科近距离放射治疗器。寻找解决方案时,他们联系了西门子医疗公司旗下的 Varian,后者向他们推荐了 Adaptiiv。

Adaptiiv 能够利用他们的软件平台设计出五款用于改装现有给药装置的治疗器样品部件。利用 3D 打印制造,该团队能够提供完美贴合患者解剖结构的生物相容性和可灭菌装置。

3D 打印实现的患者个性化使治疗更方便、更有效。正如 Dunphy 所说,“我们为市场提供规模化个性化方案,如果没有专业的技能、工具和预算,医疗机构自行合规实现个性化几乎不可能。我们提供的是规模化个性化的访问。”

3D 打印解剖模型和手术工具
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推注装置的未来前景

Adaptiiv 的 On Demand 软件平台可用于设计患者特定装置,然后通过 3D 打印实现自定义解决方案。他们还在积极努力扩大产品范围,利用数字化方法和 3D 打印技术,为医疗保健专业人员带来新颖独特的技术。

“Adaptiiv 致力于推出创新解决方案,而 Formlabs 作为材料、工艺和打印机创新的合作伙伴,与我们形成完美协同。”

Alex Dunphy,Adaptiiv 首席执行官兼联合创始人

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