クレイトン大学医学部放射線科では、従来のシリコン製モデルでは再現できなかった“生体らしい手応え”を追求し、ストラタシスのDigital Anatomy™プリンターを活用した患者別乳房生検ファントムを開発しました。MRIデータをもとにGrabCAD Printのプリセットを用いて、超音波設定を最適化することで、リアルなエコー像と針の挙動を実現。臨床現場の評価でも従来品を大きく上回る性能を示し、医学生・研修医の教育ツールに革新をもたらしています。詳細なプロセスと学びのポイントをご紹介します。
医療研修生向けの患者特異的生検モデルの開発
全国の医科大学では、乳腺病変生検のような超音波ガイド下放射線手技の実演や練習のために、既製のシリコンモデルを日常的に使用しています。経験豊富な放射線科医は、これらの標準的な練習用モデルが、針生検の際に人体組織と比較して不自然な反発（リコイル）を生み出すと報告しています。乳腺病変生検のような手技では、その「感触」が重要だからです。
ネブラスカ州オマハにあるクレイトン大学医学部は、実際に人体組織のような感触と挙動を持つモデルを構築することを目指しました。これにより、医療研修生が乳房組織と病変組織を正確に区別できるようになるためです。
クレイトン大学医学部オマハキャンパス放射線科科長のクリスチャン・コックス医師は次のように述べています。「私がやりたかったのは、研修医や医学生が、実際の特定の患者で経験することになるであろう状況と一致するようなもので訓練できるように、患者特異的なモデルを作成することです。私は、医学部の幹部がそのモデルを見て『すごい。こんなことができるなんて信じられない』と言うような、印刷解像度を求めていました。」
研究とトレーニングを強化するための高忠実度乳房ファントムのレシピの発見
コックス医師がクレイトン大学医学部の教員になった際、彼と彼のチームは、3Dプリンターを用いて患者特異的で触覚を伴う教育の限界を押し広げたいと考えていました。その出発点として最も基本的なのが生検シミュレーションでした。
コックス医師は言います。「私たちは、実際の病変のように見え、触れることができる乳房生検モデルを作成したかったのですが、3Dプリント材料が超音波とどのように反応するかは分かりませんでした。これまで試してきた3Dプリント技術では、私が望む結果は得られませんでした。Digital Anatomyプリンターで初めて、高忠実度のシミュレーションモデルを製作できるようになったのです。」
ストラタシス社製のPolyJet方式技術を用いたDigital Anatomyプリンターは、複雑なディテール、複雑な形状、フルカラーの組み合わせ、様々な透明度、柔軟なパーツなど、幅広い特性を持つ視覚的かつ機能的なモデルを製作します。さらに、GrabCAD Printソフトウェアには、100以上の臨床的に検証された解剖学的プリセットが含まれており、これによって様々な人体組織や骨の質感や密度をリアルに模倣するように材料を堆積させることができます。
リアルな超音波ガイド下乳房生検モデルの構築
Digital Anatomyの材料と匿名化された患者のMRIスキャンを用いて、研究チームは超リアルな乳房組織モデルを作成することを目指しました。
GrabCAD Printソフトウェアの解剖学的プリセットライブラリから、彼らは乳房組織自体を再現するために「Encapsulated Subcutaneous Fat（封入皮下脂肪）」を、そして腫瘍には「Solid Internal Organ 6（固形内臓器官6）」を選択しました。
ポイントオブケア超音波（POCUS）を使うと、チームはすぐに病変を視覚化できましたが、より強力なプローブを備えた超音波検査室に移行した際、POCUSの設定に合わせるために周波数を下げる必要があることを発見しました。この調整により、プリントされたモデルが実際のヒト乳房組織からの信号と類似した信号を生成することが保証されました。
モデルのリアリティを高めるために、彼らは皮膚表面に「Soft DM 400」プリセットを施してモデルを仕上げました。これにより、効果的な超音波透過を可能にしつつ、生きているかのような感触が実現されました。
最後に、チームは彼らのモデルをマンモグラフィ検査の専門家に提供し、既製のシリコンモデルと比較して、その性能と触覚的な品質に関するフィードバックを収集しました。
機能的なモデルを作成するために多くのバリエーションをテストした後、コックス医師と彼の研究アソシエイト兼プロトタイピングエンジニアであるリチャード・”ベニ”・ツォルダスは、いくつかの重要な教訓を得たことを記録しました。
- プリント材料間の界面が重要であること
「最も重要なのは、素材の中に配置する物体と、その母材（バルク材）との間の違いのようです」とツォルダス氏は述べています。「皮下脂肪（Subcutaneous Fat）と固形内臓器官6（Solid Internal Organ 6）は、対比においてうまく機能します。」コックス医師は「この2つの材料は、非常に優れたエコー源性界面を持っています」と付け加えています。 - モデルの寿命のために液体に注意すること
「皮下脂肪組織を水に浸したり、超音波ジェルをモデルに残しておくと、時間の経過とともにモデルが劣化します」とツォルダス氏は述べています。これは、Elasticoコーティングが、洗浄中やトレーニング用途で使用される液体の一部を吸収するときに発生します。「一般的に言って、材料がモデルの内部に完全に封入されていない限り、コーティングされていないモデルを水に浸すことはありません」とツォルダス氏は付け加えます。 - 超音波装置をキャリブレーションすること
3DプリントされたモデルはPOCUS（ポイントオブケア超音波）を使用した場合、良好な超音波透過性を示しましたが、超音波検査室の装置には調整（キャリブレーション）が必要でした。
「一連の調整を行う必要がありましたが、周波数をPOCUSと同じ範囲にまで下げたところ、臨床用ユニットでも病変が見えるようになりました」とコックス医師は言います。「低周波数の設定が、モデル内部の材料を見ることを可能にしました。」
標準的なシリコンよりも優れた性能を発揮する乳房生検モデル
「我々が購入した型取りされた乳房生検モデルと、我々が作成したモデルを初期段階で比較したところ、我々のマンモグラフィー専門家（マンモグラファー）の経験から、生検の感触はシリコンよりも実際の患者にはるかに近いものであった、とコックス医師は述べています。」
コックス医師は、シリコン製の既製モデルでは、最初の採取時に生検針が不自然に反動すると説明します。それに加えて、生検の採取溝（トラフ）自体の容量が、マンモグラファーが3Dプリントモデルや実際の患者から得られるものよりも少ないのです。「超音波の忠実度から感触、採取溝の採取量に至るまで、あらゆる面で、我々の3Dプリントモデルはオンラインで購入できるものより、はるかに、はるかに優れています」とコックス医師は言います。
より良いトレーニングと準備が、より良い患者の予後（アウトカム）を意味するならば、医療教育のためのツールの質は重要です。Digital Anatomyプリンターは、生体力学的に正確で、非常にリアルな練習用モデルを作成でき、これにより外科的準備と臨床的洞察力を大幅に向上させることが可能です。
症例準備のための患者特異的な3Dプリントモデルは、手術室（OR）と回復時間の短縮に効果があることが示されており、再現性の高いリアルな外科的準備により、病院は医療提供を標準化することができます。
この事例で登場した製品
Stratasys J850 Digital Anatomy Printer
生物学・解剖学・医療用途に最適な3Dプリンター
