Hỗ trợ phát triển thiết bị y tế và đào tạo phẫu thuật với các giải pháp tùy chỉnh của máy in 3D Formlabs

Hai nhà đồng sáng lập của COSA Ltd., Tiến sĩ Filip Hrncirik và Tiến sĩ Iwan Vaughan Roberts, cung cấp các mô hình giải phẫu tùy chỉnh nhưng dễ tiếp cận, phù hợp cho các lĩnh vực thính học, phẫu thuật tai – mũi – họng (ENT), cũng như các ứng dụng liên quan đến đầu, cổ và thần kinh. COSA Ltd. đặt mục tiêu thay đổi thị trường mô hình giải phẫu với các sản phẩm chất lượng cao có thể tạo ra cả mô hình trực quan lẫn mô hình chức năng.

Công việc này không thể thực hiện được nếu không có công nghệ in 3D, do các sản phẩm của COSA Ltd. yêu cầu hình học phức tạp, kênh bên trong, vật liệu linh hoạt và độ chính xác cao.

“Đặc biệt là đối với một công ty nhỏ mới thành lập cách đây khoảng hai năm và thực hiện nhiều loại in ấn khác nhau, Formlabs thực sự đã giúp chúng tôi khởi đầu. Chúng tôi đã khai thác được rất nhiều giá trị từ máy in Formlabs.”

Tiến sĩ Iwan Vaughan Roberts, đồng sáng lập COSA Ltd.

Máy in 3D resin của Formlabs giúp COSA Ltd. cung cấp các giải pháp tùy chỉnh với chi phí thấp hơn, từ đó tăng khả năng tiếp cận các công cụ đào tạo phẫu thuật và cải thiện sự đa dạng của các khóa đào tạo chuyên môn.

Mô hình giải phẫu cho đào tạo phẫu thuật

Việc đào tạo phẫu thuật thường được thực hiện trên xác người hiến tặng và đóng vai trò quan trọng trong việc giúp các bác sĩ phẫu thuật trải nghiệm giải phẫu thực tế cũng như thực hành các kỹ thuật phẫu thuật. Tuy nhiên, xác người hiến tặng có chi phí rất cao, khó tiếp cận ở Vương quốc Anh do các quy định nghiêm ngặt và hạn chế khả năng tiếp xúc của học viên với các trường hợp giải phẫu không điển hình. Ví dụ, trong phẫu thuật cấy ghép ốc tai và các phẫu thuật liên quan đến tai, một xác hiến tặng chỉ cung cấp được hai tai để thực hành các quy trình khác nhau. Điều này có nghĩa là lần đầu tiên một bác sĩ phẫu thuật có thể tiếp xúc với một dị tật hoặc một ca bệnh cụ thể có thể là ngay trong lúc thực hiện ca phẫu thuật thực tế.

Công nghệ in 3D mô hình giải phẫu giúp mở rộng khả năng tiếp cận, cho phép mỗi học viên trong một khóa đào tạo có thể thực hành trên nhiều mô hình để có trải nghiệm đầy đủ và chuyên sâu hơn. Bên cạnh đó, bằng cách hợp tác với các khoa giải phẫu, COSA Ltd. đang xây dựng một thư viện các cấu trúc giải phẫu đầu, bao gồm cả những trường hợp không điển hình. Nhờ vào các mô hình in 3D, học viên có thể tiếp cận trực tiếp với những biến thể này, giúp họ chuẩn bị tốt hơn cho các ca phẫu thuật phức tạp.

Ngoài đào tạo phẫu thuật, các mô hình chính xác cũng đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển và thử nghiệm các thiết bị y tế mới cũng như các kỹ thuật phẫu thuật tiên tiến. Mô hình động vật lớn thường không tái tạo được chính xác giải phẫu của con người, trong khi đó, xác hiến tặng cũng có những hạn chế riêng do quá trình bảo quản làm thay đổi đặc tính mô.

“Với xác hiến tặng, bạn chỉ có thể sử dụng những gì có sẵn, trong khi với công nghệ in 3D, bạn có thể điều chỉnh mô hình một cách hệ thống để hiểu cách các biến số ảnh hưởng đến kết quả hoặc tái tạo nhiều ca phẫu thuật thực tế khác nhau nếu có dữ liệu quét phù hợp. Đây là phương pháp tương tự như mô hình song sinh kỹ thuật số (digital twin), một xu hướng ngày càng được áp dụng để giảm rủi ro và đẩy nhanh quá trình phát triển các giải pháp chăm sóc sức khỏe mới.”

Tiến sĩ Iwan Vaughan Roberts, đồng sáng lập COSA Ltd.

COSA Ltd. bắt đầu với dữ liệu quét, sau đó trải qua khoảng 20-30 lần tinh chỉnh khác nhau. Trong suốt quá trình này, các bác sĩ phẫu thuật sẽ thử nghiệm mô hình và đưa ra phản hồi để điều chỉnh các đặc điểm giải phẫu cần có cũng như tối ưu hóa các thuộc tính cấu trúc. Mục tiêu là tạo ra một mô hình mang lại cảm giác giống như khi khoan vào xương thật, điều này được thực hiện thông qua các cấu trúc bên trong mô hình.

“Vì đây là một cấu trúc khép kín với nhiều chi tiết bên trong, cách duy nhất để sản xuất chính là thông qua công nghệ in 3D. Phần lớn công việc của chúng tôi tập trung vào thiết kế để vừa đảm bảo các mô hình có thể mở rộng quy mô sản xuất, vừa có tính lặp lại cao khi cần sản xuất hàng loạt với chi phí hợp lý để ứng dụng trong thực tế.”

Tiến sĩ Iwan Vaughan Roberts, đồng sáng lập COSA Ltd.

Ngoài ra, phản hồi từ người dùng còn mang lại lợi ích quan trọng khác, đó là giúp quá trình kiểm chứng mô hình với các trường y và tổ chức học thuật, đảm bảo tính hữu ích và khả năng ứng dụng rộng rãi của chúng.

Máy in 3D SLA của Formlabs: Bề mặt mịn và độ phân giải cao

 

Xương thái dương, nơi chứa tai trong, có cấu trúc rất xốp. Để tái tạo mô hình với mức độ chi tiết và độ xốp cần thiết, các bản quét vi CT (micro CT) được sử dụng để ghi lại chính xác giải phẫu của các kênh bên trong. Bên cạnh thiết kế mô hình, việc lựa chọn vật liệu cũng đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo mô hình phản ứng giống như xương thật khi được khoan.

Công nghệ in 3D quang trùng hợp (SLA) cung cấp vật liệu và độ chính xác cần thiết để tạo ra các chi tiết tinh xảo và các kênh bên trong chính xác cho mô hình giải phẫu có kết cấu tương tự xương thật. Trong khi đó, công nghệ in 3D nung chảy sợi nhựa (FDM) và các dòng máy in resin giá rẻ khác hoặc không đạt được mức độ chi tiết cần thiết để mô phỏng xương, hoặc không thể làm điều đó một cách ổn định.

“Formlabs nằm ở vị trí lý tưởng. Máy in FDM hoặc các dòng máy resin giá rẻ có thể đạt được một phần độ phân giải cần thiết cho các mô hình này, nhưng không ổn định, và việc tối ưu hóa máy in để hoạt động tốt là một thách thức. Trong khi đó, các máy in đa tia cao cấp có giá hàng trăm nghìn bảng Anh, khiến thời gian hoàn vốn (ROI) dài hơn nhiều so với Formlabs.”

Tiến sĩ Filip Hrncirik, đồng sáng lập COSA Ltd.

“In FDM không thể đạt được mức độ chính xác cần thiết về đặc tính vật liệu cũng như độ phân giải. Ở thái cực còn lại, các máy in vật liệu dạng tia (material jetting) lại gặp khó khăn trong việc tái tạo độ xốp mong muốn và có chi phí rất cao — đặc biệt đối với những mô hình cần khả năng khoan được. Để hợp tác với NHS, chúng tôi cần một giải pháp hợp lý về chi phí và hiệu quả.”

Tiến sĩ Iwan Vaughan Roberts, đồng sáng lập COSA Ltd.

Các mô hình độ chính xác cao giúp nâng cao giao tiếp và phát triển, thử nghiệm thiết bị y tế

Mô hình tai trực quan trên đây được phát triển với giải phẫu chính xác nhưng được đơn giản hóa, tập trung vào các yếu tố quan trọng trong phẫu thuật cấy ghép ốc tai. Mục tiêu là tạo ra một mô hình hấp dẫn về mặt thị giác, đồng thời cho phép bác sĩ lắp một thiết bị cấy ghép ốc tai thực tế vào để mô phỏng cách thiết bị hoạt động.

Mô hình này có một số yêu cầu đặc biệt. Các xương nhỏ và màng nhĩ cần được in riêng biệt, sau đó lắp ráp vào sau khi đã được tô màu. Ngoài ra, mô hình cần kết hợp cả vật liệu cứng trong suốt và vật liệu mềm có màu.

“Chúng tôi có thể sử dụng hệ thống in đa tia, nhưng chi phí cao hơn rất nhiều. Trên thực tế, chúng tôi đạt được kết quả tốt hơn với Formlabs khi thực hiện xử lý hậu kỳ, đặc biệt về bề mặt và chi tiết cuối cùng. Chúng tôi không nghĩ rằng mình có thể in được những phần nhỏ như các xương tai giữa, nhưng khi thay đổi góc in, máy hoạt động rất tốt.”

Tiến sĩ Iwan Vaughan Roberts, đồng sáng lập COSA Ltd.

Resin trong suốt (Clear Resin) được sử dụng để tái tạo cấu trúc xương, trong khi da được in bằng Flexible 80A Resin nhuộm màu bằng Color Kit. Tất cả các thành phần đều được in trên máy Form 3B+ và lắp ráp bằng nam châm. Ban đầu, COSA Ltd. đã gửi mô hình ốc tai (cấu trúc xoắn trong tai trong) đến năm nhà sản xuất máy in khác nhau để đánh giá công nghệ của họ. Tuy nhiên, Roberts nhận thấy rằng:

“Formlabs linh hoạt hơn rất nhiều, có thể in được nhiều loại vật liệu khác nhau, đồng thời các bản cập nhật phần mềm và hỗ trợ sử dụng cũng tốt hơn.”

COSA Ltd. cũng phát triển các mô hình mô phỏng cả tính chất cơ học và điện của ốc tai. Các mô hình này cần có các kênh nhỏ, và theo Roberts:

“Chúng tôi đã có thể thêm các lỗ nhỏ vào cấu trúc và đưa dung dịch muối dẫn điện vào bên trong. Số lượng lỗ trong mô hình quyết định độ dẫn điện.”

Những mô hình tùy chỉnh này hỗ trợ thử nghiệm các thiết bị cấy ghép y tế. Bên cạnh độ dẫn điện, COSA Ltd. còn phát triển các mô hình để thử nghiệm lực chèn thiết bị và tích hợp cảm biến vào mô hình in 3D để đo áp suất. Các mô hình này cũng có thể được sử dụng cho đào tạo và phát triển thiết bị y tế. Hrncirik cho biết:

“Chúng tôi tiếp cận từ góc độ lâm sàng — chúng tôi làm việc trực tiếp với các bác sĩ phẫu thuật, trao đổi với người sử dụng cuối cùng và liên tục nhận được phản hồi về sản phẩm.”

Nhờ đó, COSA Ltd. có thể cung cấp cho các công ty thiết bị y tế những thông tin giá trị phục vụ cho quá trình phát triển sản phẩm, bao gồm cả chương trình đào tạo chuyên biệt.

Độ tin cậy trong sản xuất

“Điều chúng tôi thực sự đánh giá cao ở Formlabs là tỷ lệ in thành công. Chúng tôi đã có đủ vấn đề với khâu thiết kế — từ quét vi CT, phân đoạn thiết kế, đến xử lý lưới — nên tôi rất trân trọng việc chỉ cần đưa mô hình vào máy và có đến 90-95% khả năng nó sẽ in ra đúng như mong đợi. Điều đó thật tuyệt vời. Dù chúng tôi có một máy in 3D DLP dành cho các kênh vi mô, nhưng nó quá khó sử dụng, nên chúng tôi vẫn thích dùng Formlabs hơn. Vì với Formlabs, nếu cần in một mẫu 20 lần, việc đó trở nên cực kỳ dễ dàng, và sai số gần như không đáng kể.”

Tiến sĩ Filip Hrncirik, đồng sáng lập COSA Ltd.

Một dự án được sản xuất nội bộ tại COSA Ltd., gọi là “tai mở rộng”, là một bộ phận in 3D chứa micro. Giáo viên trong lớp sẽ đeo thiết bị này, và nó sẽ truyền âm thanh đến tai nghe dẫn truyền qua xương cho học sinh bị nhiễm trùng tai mãn tính. Với những dự án như thế này, khi số lượng sản xuất dưới 500 sản phẩm, việc in 3D nội bộ là giải pháp tối ưu vì chi phí làm khuôn quá đắt đỏ.

“Các dự án của chúng tôi mang tính tùy chỉnh cao. Chúng tôi không in với số lượng lớn, nhưng việc có một hệ thống đáng tin cậy như Formlabs để sản xuất hàng chục sản phẩm mỗi lần là rất hữu ích. Ngoài ra, còn có nhiều tiện ích nhỏ khác, chẳng hạn như khả năng in từ xa.”

Tiến sĩ Iwan Vaughan Roberts, đồng sáng lập COSA Ltd.

Tỷ lệ tin cậy 98,7% của máy in Form 3 và Form 4, được kiểm chứng bởi bên thứ ba, đảm bảo tính nhất quán trong sản xuất. Trong khi đó, phần mềm Dashboard hỗ trợ quản lý in từ xa và gửi thông báo, giúp một công ty quy mô nhỏ như COSA Ltd. có thể vận hành linh hoạt hơn.

Nâng cao khả năng tiếp cận, đào tạo và phát triển với in 3D Formlabs

“Chúng tôi mong muốn tạo ra những mô hình thực sự có chức năng và mô phỏng giải phẫu thực tế, thể hiện sự khác biệt giữa các cá nhân, thậm chí tiến xa hơn với các hướng dẫn phẫu thuật dành riêng cho từng bệnh nhân và các quy trình phức tạp. Vẫn còn nhiều khoảng trống trong các quy trình và trường hợp cụ thể, và chúng tôi muốn mở rộng khả năng tiếp cận với các mô hình mô phỏng chất lượng cao thực sự.”

Tiến sĩ Iwan Vaughan Roberts, đồng sáng lập COSA Ltd.

Với máy in 3D Formlabs, COSA Ltd. có thể phát triển và sản xuất nhiều loại sản phẩm tùy chỉnh cho các quy trình cụ thể cũng như mô hình trực quan phục vụ lâm sàng một cách linh hoạt và với chi phí thấp. Hrncirik chia sẻ:

“Hầu hết các mô hình giải phẫu hiện nay được sản xuất bằng phương pháp đúc phun và sau đó được sơn thủ công, rất tốn thời gian. Vì vậy, tôi dự đoán trong vài năm tới, phần lớn các nhà sản xuất này sẽ chuyển sang in 3D, bao gồm cả việc tạo ra các mô hình lớn hơn, tốt hơn và nhanh hơn.”

Khám phá các dòng máy in 3D resin của Formlabs để bắt đầu in ngay hôm nay hoặc liên hệ với đội ngũ tư vấn để tìm giải pháp tối ưu nhất cho doanh nghiệp của bạn.