فناوری، مدل‌های واقع‌گرایانه‌ای را در اختیار پزشکان قرار می‌دهد که می‌توانند از آن‌ها برای تمرین و برنامه‌ریزی جراحی استفاده کنند.
هدف این فناوری، کمک به جراحان برای برنامه‌ریزی و تمرین رویکردهای پیچیده و آموزش جراحان تازه‌کار به کمک شبیه‌سازی است که همچون یک عضو حقیقی رفتار می‌کند.
جراحان فرآیند آناتومیکیٍ پیچیده‌ای راه هدایت می‌کنند. آن‌ها باید با دقت و سرعت درمورد محل برش‌ها و بخیه‌ها تصمیم‌گیری کنند. کار آن‌ها با این واقعیت که آناتومی انسان‌ها با هم یکسان نیست، دشوارتر است. آن‌ها برای آماده گشتن و برنامه‌ریزی، به‌طور منظم از تصاویر دو بعدی سی‌تی اسکن یا MRI استفاده می‌کنند. اما با پیشرفت‌های اخیر در زمینه‌ی چاپ سه‌بعدی اعضای بدن، آن‌ها درحال روی آوردن به مدل‌های واقع‌گرایانه‌ی سه‌بعدی هستند که برای هر بیمار اختصاصی است. چنین مدل‌هایی برای آموزش بیماران، آموزش‌های عمومی و برنامه‌ریزی و تمرین مخصوصا رویکردهای دشوار مورد استفاده قرار گرفته است. اما در آینده، مدل‌های سه‌بعدی، (فیزیکی یا مجازی) می‌توانند به ابزار معمولی برای آموزش جراحان یا تعیین موقعیت عمل جراحی تبدیل گردند.
پژوهشگران به‌منظور چاپ سه‌بعدی، ابتدا برش‌های دو بعدی دیجیتال متوالی حاصل از سی‌تی اسکن یا MRI را در یک نقشه‌ی توپوگرافیک که ساختارهای پیچیده را در سطوح مختلف ارگان برجسته می‌کند، با هم ترکیب می‌کنند. سپس چاپگرها مدل‌ها را لایه به لایه می‌سازند؛ گاهی اوقات با استفاده از یک جوهرافشان برای ریختن قطرات رزینی که به‌وسیله‌ی تابش نور فرابنفش فیکس می‌گردد و گاهی نیز با استفاده از پلیمری که به محض خارج گشتن از دستگاه چاپ، سخت می‌گردد.
این تکنولوژی برای بار نخست در دهه‌ی ۱۹۸۰ توسعه پیدا کرد. در آن زمان، چنین چاپگرهایی گران و مواد آن‌ها محدود بود. اما پیشرفت‌های اخیر موجب ارزان‌تر شدن آن به‌صورتی گردید که حتی برای کاربران خانگی نیز قابل استفاده است. همچنین پیشرفت در روش‌های چاپ و نرم‌افزارها، دانشمندان و مهندسین را قادر ساخته است که ساختارهای پیچیده‌ای از رنگ و بافت را با دقت بالا چاپ کنند. براین اساس، ایجاد مدل‌های بسیار دقیق و واقع‌گرایانه از اعضای بدن امکان‌پذیر گردیده است.
نیزار زین، متخصص گوارش کلینیک کلویلند، در سال ۲۰۱۲ پس از مطالعه‌ی مقاله‌ای درمورد ساخت خانه با استفاده از چاپگرهای سه‌بعدی و ظرفیت آن در رابطه با اکتشافات فضایی، ایده‌ی چاپ سه‌بعدی اعضای بدن را مطرح کرد. او می‌خواست بداند که آیا این روش می‌تواند موجب ایمن‌تر شدن پیوند کبد گردد یا خیر. هر کبد دارای شبکه‌ی پیچیده منحصربه‌فردی از سرخرگ‌ها، سیاهرگ‌ها و مجاری صفراوی است و یک برش اشتباه می‌تواند منجربه بروز عوارض جدی و حتی مرگ اهداکننده ودریافت‌کننده گردد. بنابراین زین، گروهی از دانشمندان از رشته‌های مختلف مانند پزشکی، متخصصان تصویربرداری و مهندسین و طراحان نرم‌افزار را به کار گرفت تا برای راهنمایی فرآیند جراحی، یک کبد سه‌بعدی از بیمار را با رزین تولید کنند.
زین یادآوری کرد که نمونه‌ی اولیه‌ی آن‌ها خام بود؛ درست مانند کودکی که با خمیر بازی چیزی می‌سازد. اندازه‌ی آن کمتر از یک چهام کبد طبیعی بود، چندان شفاف نبود و برای بافت‌های مختلف دارای کدهای رنگی نبود. اما همین مدل موجب امیدواری جراحان گردید، مخصوصا که آن‌ها درحال بحث درمورد پرونده‌ی مهمی بودند که در آن یک اهداکننده‌ی کبد روی میز جراحی دچار مشکل جدی گردیده بود. زین به یاد می‌آورد که یکی از آن جراحان می‌گفت چنین مدلی شاید بتواند جان اهداکننده را نجات دهد.
زین این مدل را پالایش کرد و در سال ۲۰۱۳ شروع به مطالعه‌ی این موضوع کرد که چگونه یک مدل سه‌بعدی کبد با اندازه‌ی طبیعی، می‌تواند نحوه‌ی برنامه‌ریزی جراحی‌ها را تغییر دهد. او در یک مطالعه‌ی کوچک اولیه نشان داد که این مدل‌ها ازنظر شکل و آناتومی با اندام‌های زنده سازگاری دارند. مدل‌های زین و گروهش در بیش از ۲۰ جراحی مورد استفاده قرار گرفته‌اند. زین می‌گوید در بسیاری از موارد، نگاه کردن به مدل موجب گشته که جراحان نحوه‌ی برش اندام را تغییر دهند و حتی در یک مورد موجب گردیده جراحان به این نتیجه برسند که آن اهداکننده مناسب نیست. اکنون گروه زین در مسیر چاپ مدل‌های سه‌بعدی تومورهای پیچیده‌ی کبدی برای درک نحوه‌ی اتصال آن‌ها به کبد و بنابراین برنامه‌ریزی عملیات جراحی قرار دارند. او می‌گوید:
هرچه ما در مورد آناتومی و ساختارهای بیمار بیشتر بدانیم، عمل جراحی بهتر انجام خواهد گرفت.
مدل‌های سه‌بعدی اعضای بدن می‌توانند به آموزش پزشکان نیز کمک کنند. احمد غازی، اورولوژیست دانشگاه روچستر می‌خواست مدل‌های واقع‌گرایانه‌ای از کلیه بسازد که عمل جراحی را شبیه‌سازی کند. او می‌گوید:
من چیزی می‌خواستم شبیه به یک کلیه‌ی واقعی و حتی خونریزی کند.
جراحان کلیه اغلب با برداشت تومورها با اندامی رو‌به‌رو هستند که پر از عروق خونی است. آن‌ها قبل از اینکه این عضو با خون مسدود گردیده و شروع به مردن کند، تنها ۳۰ دقیقه زمان دارند.
گروه غازی برای ساخت یک مدل کلیه، چربی، روده‌ها و دیگر بافت‌های شبیه‌سازی گردیده را در حفره‌ای مانند حفره‌ی شکمی لایه لایه روی هم قرار دادند. غازی می‌گوید:
به کمک این مدل جراح قادر است که عمل را از ابتدا تا انتها انجام دهد.
او و همکارانش مدل‌های عمومی را به‌منظور آموزش و نیز نمونه‌هایی را با استفاده از تصاویر اسکن بیماران برای شبیه‌سازی جراحی‌های خاص ساخته‌اند. غازی این سیستم را با همکاری ۵ جراح متخصص و ۱۰ جراح مبتدی روی رویه‌ی معمول ولی چالش‌برانگیز شکستن سنگ‌های بزرگ کلیه آزمایش کرد. متخصصان، این مدل را بسیار واقع‌گرایانه یافتند و جراحان مبتدی معتقد بودند این مدل‌ها به تمرین جراحی قبل از انجام عمل جراحی واقعی کمک می‌کند.
نیکول ویک، متخصص تصویربرداری زیست‌پزشکی نیز تأثیر مدل‌های کلیه را روی برنامه‌ریزی جراحی مورد بررسی قرار داده است. در یک مطالعه‌ی سال ۲۰۱۷، او و همکارانش از سه جراح باتجربه خواستند که ۱۰ جراحی پیچیده‌ی متفاوت کلیه را مرور کنند. آن‌ها ابتدا تصاویر دو بعدی بیماران را مرور کردند و برنامه‌ی جراحی آن‌ها را شرح دادند. یک هفته بعد، این کار را با مدل سه‌بعدی تکرار کردند. در تمام موارد، حداقل یکی از جراحان، استراتژی خود را تغییر داد و میزان اطمینان آن‌ها در مورد برنامه‌ی جراحی بیشتر گشته بود.
زین می‌گوید که در ساخت مدل‌های سه‌بعدی اعضای بدن، انتخاب مواد بستگی به استفاده‌ی مورد نظر دارد. پلاستیکِ سخت، برای تجسم ساده‌ی سه‌بعدی وقتی هدف جزئیاتی مانند شکل یک تومور یا انحنای عروق و مجاری نباشد، مناسب است. اما مواد انعطاف‌پذیر و اسفنجی شامل سیلیکون‌ها، پلاستیک‌های نرم و هیدروژل‌ها واقعی‌تر به‌نظر می‌رسند. خاصیت انعطاف‌پذیری آن‌ها می‌تواند خواص مکانیکی بافت زنده را تدایی کند و یک اندام تمرینی را مهیا می‌کند که جراحان بتوانند آن را باز کرده و عرض و عمق برش‌های لازم برای انجام عمل را برنامه‌ریزی کنند. همچنین، مدل‌های نرم‌تر می‌توانند شامل ویژگی‌های دیگری مانند حسگرهای فشار باشند که اطلاعات بیشتری را در اختیار جراحان قرار دهند.
غازی و همکارانش انواع مختلفی از مدل‌ها را با بافت‌های ویژه ایجاد کرده‌اند. آن‌ها به‌جای چاپ مستقیم، از چاپ سه‌بعدی برای ایجاد قالب‌های دقیق استفاده می‌کنند. سپس هیدروژل‌های تخصصی را درون این قالب‌ها تزریق می‌کنند؛ پلاستیک‌های ژله‌‌مانندی که در ساختار آن‌ها ۷۰ درصد آب وجود دارد و طوری تنظیم می‌گردد که همچون عضلات، چربی و عروق خونی واکنش نشان دهند. آن‌ها حتی مایعاتی را به این ساختارها اضافه می‌کنند، به‌صورتی که همان‌طور که در جراحی‌های واقعی اتفاق می‌افتد، برش عروق خونی یا دیگر مجاری موجب خونریزی یا چکه کردن آن‌ها گردد.
مایکل مک‌آلپاین، مهندس مکانیک دانشگاه مینه‌سوتا به‌عنوان ابزار آموزشی جراحان، مدل‌های سه‌بعدی پروستات ایجاد کرده است که دارای ویژگی‌های مکانیکی بافت حقیقی هستند. تیم او از نمونه‌های پروستات جداگردیده از بیماران سرطانی برای آزمایش ویژگی‌هایی نظیر استحکام و انعطاف‌پذیری در این مدل‌ها استفاده کرده‌اند. آن‌ها حتی مدل‌های پروستات را با حسگرهای حساس به فشار ساخته شده از هیدروژل‌ها و سیلکون‌های لاستیکی مجهز کردند. حسگرها می‌توانند فشار اعمال‌گردیده به‌وسیله‌ی آندوسکوپ یا قیچی‌های جراحی را اندازه‌گیری کنند و اطلاعات مفیدی را در اختیار پزشکان قرار دهند.
مراکز پزشکی مجهز و متخصص اکنون می‌توانند برخی از انواع مدل‌های سه‌بعدی دارای جنس پلاستیکی سخت را در ازای کمی بیش از چند صد دلار چاپ کنند. شرکت‌هایی مانند Lazarus 3D و Materialise نیز در حال حاضر به تولید مدل‌های ارگان با استفاده از داده‌های تصویربرداری مشغول هستند. اما سازمان‌های نظارتی و شرکت‌های بیمه درمانی هنوز از این تکنولوژی عقب هستند. فقط یک بسته‌ی نرم‌افزاری که به‌وسیله‌ی Materialise توسعه پیدا کرده، تأیید FDA را برای ساخت فایل‌های چاپ مورد استفاده در تشخیص بیماری دریافت کرده است. بیمه برای ایجاد چنین مدل‌های اختصاصی برای بیمار، پولی پرداخت نمی‌کند.
مدل‌های چاپی اعضای بدن ممکن است گامی بزرگ به‌سوی توسعه‌ی مدل‌های سه‌بعدی مبتنی برکامپیوتر باشد که از واقعیت افزوده استفاده می‌کند و در آن جراحان از هدست‌ها و ابزارهای دیگری برای مشاهده و دستکاری نمایش‌های سه‌بعدی استفاده می‌کنند. در اصل، غازی قصد داشت که کارش را به این شیوه آغاز کند اما به‌زودی به سمت مدل‌های فیزیکی حرکت کرد: هنوز نمی‌توان یک اندام مجازی را با احساس درست برش داد؛ یا اینکه از این مطلب آگاه گشت که اگر یک عضو در بخش‌های مختلفی برش داشته شود، چقدر خونریزی اتفاق خواهد افتاد. او در حال حاضر، برای تهیه‌ی مدل‌های فیزیکی به‌عنوان ابزاری واقع‌گرایانه برای توسعه‌ی نرم‌افزار برنامه‌ریزی جراحی‌های مجازی در حال کار با شرکت‌های واقعیت مجازی است. مک آلپاین می‌گوید:
در آینده، جراحی‌های تمرینی با استفاده از تصویربرداری سه‌بعدی (واقعیت مجازی یا مدل‌های فیزیکی چاپی) می‌توانند به‌جای استثناء تبدیل به یک رویه‌ی معمول گردند. من فکر می‌کنم که این رویه بسیار معمول خواهد گشت.
