Применение 3D-печати в детской нейрохирургии.

Введение.

Я - нейрохирург одного из ведущих национальных центров страны. Давно хотел поделиться своим опытом в применении 3D печати в повседневной работе. И главной целью своей статьи я считаю показать возможности и реальность применения печати в медицина. На сайте большое количество статей о печати органов, костей, имплантов, однако подавляющее число их - эпизодические случаи, описания иностранных разработок или переажиотированные записи на основании статей из СМИ, которые мало вникают в суть проблемы. Я постараюсь кратко описать свой опыт в использовании 3D-печати в клинической практике.

Наука.

Свой путь в 3D печати я начал с анализа литературы. Если вбить запрос '3d printing' на сайте www.ncbi.nlm.nih.gov, то можно наблюдать забавную кривую по количеству публикаций за каждый год.Если говорить об областях применения, то на 2017 год данные приблизительно такие:

Хирургических рекомендаций – 60%

Изготовление моделей для хирургического планирования - 38,7%

Индивидуальные имплантаты - 12,1% (титан, PEEK, гидроксиапатит, метакрилат, силикон)

Ортезы и протезы – 3,9%

Лекало – 1,7%

Отбор пациентов для хирургии - 0,8%

Области применения:

ЧЛХ – 24%

Черепно-лицевая хирургия – 12,7%

Спинальная хирургия – 7,4%

Сосудистая нейрохирургия – 1,3%

Стоит отметить, что солидных публикаций по 3D-печати в России практически нет. Я перерыл все публикации по запросу в elibrary.ru, и был несколько разочарован. Связано это с одной стороны с тем, что у нас в стране нет сертифицированных методик, принтеров и материалов для печати и использования, с другой, что врачи по сути не получают существенного профита от технологии с учетом личностных и финансовых затрат. По большей части все описанные на сайте случаи - энтузиазм отдельных людей, реже - студенческих кружков.

Что же можно делать?

Представляется, что наибольшее практическое применение имеют стоматологические модели и импланты и стельки, но тут коллеги могут меня поправить.

Что касается нейрохирургии, то реальное применение с внедрением в клиническую практику имеют 3D SLS модели из титана для краниопластики (такие например изготавливают в ФГАУ 'НМИЦ им.Н.Н.Бурденко) и биополимерные модели на основе PEEK и PMMA (опыт применения их есть в НИИ неотложной детской хирургии и травматологии). Объемы выполняемых операций с применением подобных технологий в год не превысит пары десятков.

Более перспективной областью применения является изготовление моделей для предоперационного планирования. На первое место тут выходят травматология и нейрохирургия. Именно на этой части я остановлюсь подробнее позже. Стоит отметить, что изготовление прототипов для подготовки к операции не требует специальной сертификации.

Так же, достаточно обширной областью представляется печать демонстрационных моделей для студентов, ординаторов и самих пациентов, так как наглядное представление гораздо облегчает общение с человеком, далеким от анатомии человека.

Создание модели.

Не буду пересказывать широко освещенные методики импорта STL из DICOM, остановлюсь только на паре особенностей, которые мне показались важными.

Практически для всех моделей я использовал InVesalius, поскольку его интерфейс и скорость создания модели выгодно отличают его от того же 3DSlicer. Сразу хочется предостеречь энтузиастов, которые хотят печать анатомические модели органов - выйдет стремно. Кратко для обывателей: компьютерная томография - метод, основанный на поглощении тканями рентгеновского излучения. Он хорошо дифференцирует ткани по плотности: воздух черный, мягкие ткани серые, кость черная. Опухоли, сосуды, паренхиматозные органы видны не будут. InVesalius увидит разницу в плотности в пару сотен единиц Хаусфилда (HU), а у всех органов разница 15-30 HU. Исключение составит только контрастное исследование сосудов, и то только в том случае, когда правильно подобрано время прохождения контраста, иначе разница с мягкими тканями будет минимальна.

Что касается магнитно-резонансной томографии - основана она на резонансе атомов водорода, хорошо различается ткани с разной концентрацией воды/белков/жиров/металлов.Получить 3D модель из такой последовательности снимков практически нереально, либо постобработка займет катастрофическое количество времени. То же касается и опухолей с выраженной сосудистой сетью - на уровне сосудов среднего калибра получится очень много разрозненных объектов, печатать такое нереально. Смысла печатать магистральные сосуды в предоперационной подготовке не считаю нужным - хирург чаще всего знает, где проходит магистраль.

Таким образом, реально с небольшими затратами печатать образования костной плотности (собственно кости, кальцинаты, инородные тела - пули, лезвия, дробь....) и контрастные исследования (сосуды, камеры сердца).

Предоперационная подготовка.

На данный момент мой материал составляет 18 моделей. Все модели изготовлены по данным компьютерной томографии пациентов в возрасте от 1 месяца до 14 лет. Из них моделей черепа - 13, моделей сосудов - 3, моделей позвоночника - 2.

Модели печатались на 2х принтерах: Ultimaker 2 и Designer X PRO.

В предоперационном планировании использовалось 8 моделей. Суть патологии - краниосиностоза - врожденная деформация черепа, связанная с ранним закрытием черепаных швов. Деткам с такой патологией необходимо проводить реконструктивные операции по исправлению формы черепа. После получения готовой модели, удаления поддержек и постобработки, при помощи мини-дрели выполнялась 'остеотомия' - череп распиливался так, как это предполагается на операции. Готовые фрагменты ремоделировались, устанавливались в правильном положении и фиксировались титановыми пластинами, которые так же подгонялись при планировании. В части случаев эти пластины и отправлялись на стерелизацию и имплантировались пациенту.

Клинический пример.

Ребенок с синдромом Крузона, бикоронарным краниосиностозом. Был оперирован ранее ранее в другом учреждении. Поступил с жалобами на обширные дефекты костей черепа с пролабированием мозгового вещества в костные дефекты. При дообследовании выявлен краниоцеребральная диспропорция - несоответствие объема черепа объему головного мозга. Ребенку требовалось одновременно выполнить и расширяющую реконструкцию и краниопластику дефектов. Была изготовлена модель черепа, размерами 1:1.

Рендер DICOM изображений:И сама модель после печати и удаления поддержек (PLA). Конкретно эта модель была напечатана при помощи Ultimaker 2.Учитывая необходимость реконструкции верхних отделов орбит, расширение лобных отделов черепа, образовались обширные дефекты свода. Еще до операции на шаблоне были намечены линии остеотомии, смоделирована титановая сетка для закрытия дефекта. Сама операция заняла 7 часов, что было связано с выраженными рубцово-спаечными процессами после первой операции. Итоговый вариант на компьютерной томографии выглядел так:Таким образом выполнялось планирование еще 7 пациентам. Временной промежуток данной работы - 1 год. Я не старался сделать модели для всех планируемых операций - в этом нет необходимости. Но в сложных клинических случаях изначально иметь представлении об анатомической структуре - бесценно.Остальные модели использовались в качестве демонстраций и учебных моделей, что так же имело немалый смысл. Заинтересовавшись этой темой, даже удалось найти научно обоснованные исследования, подтверждающие улучшение усвоения материала при использовании различных материальных анатомических моделей.

Выводы/Заключение.

На современном этапе развития медицины применение 3D-моделей в качестве имплантатов остается явлением единичным. К сожалению, больших работ в области не ведется. Что касается изготовления макетов для планирования - область имеет как перспективы развития, так и реальную практическую ценность, по крайней мере моим пациентом это кране помогло.

Хотелось бы выразить огромную благодарность людям, которые помогли советом и печатью всех моделей:

Москвичеву Ивану Николаевичу, известный как plastmaska - реализация идеи была бы невозможна без его помощи;

Исупову Андрею Викторовичу, Vato - за техническую поддержку, помощь в печати моделей;

Кучеровой Полине Алексеевне - за информационную и техническую поддержку.

Если интересны какие то конкретные детали по применению моделей, может что то в обработке или самом получении STL - постараюсь ответить, пишите в комментарии. Напоследок еще просто несколько фотографий.