Компьютерный инжиниринг и аддитивные технологии в нейрохирургии: изготовление краниофациальных имплантов с использованием автоматизированного проектирования и 3D-печати Текст научной статьи по специальности «Медицинские технологии»

УДК: 616.8-89:61:681.3

компьютерный инжиниринг и аддитивные технологии в нейрохирургии: изготовление краниофациальных имплантов с использованием автоматизированного проектирования и 3D-nEMA™

м.м. АЗИЗОВ, К.Э. МАХКАМОВ, Р.Р. ГУБАйДУЛЛИН, А.С. РЕШЕТЧЕНКО

Республиканский научный центр экстренной медицинской помощи

Описана инновационная технология создания 30-имплантов для краниофациальных костных дефектов черепа. Использован разработанный в РНЦЭМП новый алгоритм компьютерного 30-моделирования имплантов для обширных и сложных по конфигурации краниофациальных дефектов черепа. Описан также метод предоперационного компьютерного инжиниринга и этапы изготовления импланта из полиметил-метакрилата. Всего выполнено 25 реконструктивных операций с установкой 30-имплантов, созданных с использованием 30-моделирования и аддитивных технологий. Локализация дефекта черепа: лобно-орби-тальная область - 3 наблюдения, лобно-теменная область с двух сторон - 1, теменно-височная область - 20, затылочная область - 1. Минимальная площадь дефекта - 35 см2, максимальная - 163 см2. Краниопластика проводилась в сроки от 2-х до 6 месяцев после травмы. Представлены клинические случаи, в которых использована технология биоскульптинга с последующим использованием 30-печати. Показано, что внедрение аддитивных технологий в нейрохирургическую практику значительно сокращает продолжительность хирургического вмешательства и снижает риск инфекционных осложнений.

Ключевые слова: 3D-моделирование, дефекты черепа, краниопластика, реконструктивная нейрохирургия.

COMPUTER ENGINEERING AND ADDITIVE TECHNOLOGIES IN NEUROSURGERY: PRINTING OF CRANIOFASCIAL IMPLANTS USING AUTOMATED COMPUTER MODELING AND 3D PRINTING

M.M. Azizov, K.E. MAKHKAMOV, R.R. GUBAI0ULLIN, A.S. RESHETCHENKO

Republican Research Centre of Emergency Medicine

The article describes an innovative technology for creating 30 implants for craniofacial skull defects. The new algorithm of computer 30 modeling of implants for the large and complex craniofacial defects of the skull was utilized, which has been developed in RRCEM. The article describes the method of preoperative computer engineering and the stages of manufacturing an implant made of polymethylmethacrylate. Overall 25 reconstructive surgeries using 30 printed implants were performed. Localization of skull defects were: frontoorbital - 3 cases, bilateral frontoparietal - 1, parietotemporal region - 20, occipital region - 1. Minimal defect size was 35 cm2 and maximal was 163 cm2. Cranioplasty was performed after 2 to 6 month following trauma. Clinical cases where biosculpting technology with subsequent 30 printing is used are shown. Implementation of additive technologies to the practice of neurosurgery significantly reduces the duration of surgery and the risk of infectious complications.

Keywords: 3D modeling, skull defects, cranioplasty, reconstructive neurosurgery

Прогрессивный рост и развитие современных технологий способствуют появлению новых направлений производства и поиску эффективных методов решения существующих проблем [2,4]. Компьютерный инжиниринг - это совокупность методов и средств практического решения инженерных задач с помощью компьютерной техники и прикладных информационных технологий, среди которых особое место занимают системы автоматизированного проектирования (САПР) (англ. Computer Aided Design - CAD) [2,3].

В основе технологии 3D-печати лежит использование 3D-сканирования поврежденных участков тела для более точного определения особенностей проблемы пострадавшего и 3D-моделирования на принципах индивидуального подхода к каждому отдельному пациенту [1,5,6].

К настоящему времени в связи с развитием и внедрением современных методов комплексных ней-рореанимационных пособий внедрение малоинвазивной микронейрохирургии, использование современных мето-

дов нейровизуализации позволили значительно снизить летальность у больных с тяжелой черепно-мозговой травмой, церебральными сосудистыми патологиями. В связи с этим увеличивается число пациентов с послеоперационными дефектами черепа. Нарушение целостности черепа приводит к развитию «синдрома трепанированных» вследствие влияния ряда факторов: атмосферного давления, нарушения ликвородинамики, изменения мозгового кровотока. Еще одним грозным осложнением у больных этой категории является посттравматический судорожный синдром вследствие рубцово-спаечных процессов в пораженной части головного мозга. Эти функциональные и органические нарушения являются показанием к проведению реконструктивных операций [3].

Цель. Улучшение результатов хирургического лечения пациентов со сложными и обширными кранио-фациальными дефектами путем внедрения реконструктивных операций с использованием методов 3D-моделирования и аддитивных технологий.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ

Описан клинический опыт отдела нейрохирургии Республиканского научного центра экстренной медицинской помощи (РНЦЭМП) г. Ташкента. В РНЦЭМП в 2017-2018 гг. было выполнено 25 реконструктивных операций с установкой 3D-имплантов, созданных с использованием 3D-моделирования и аддитивных технологий. Локализация дефекта черепа: лобно-орбитальная область - 3 наблюдения, лобно-теменная область с двух сторон - 1, теменно-височная область - 20, затылочная область - 1. Минимальная площадь дефекта - 35 см2,

максимальная - 163 см2. Краниопластика проводилась в сроки от 2-х до 6 месяцев после травмы.

Во всех наблюдениях выполнялась МСКТ черепа с толщиной среза 2 мм. Данные МСКТ в формате DICOM пересылались фирме-производителю. Имплант соответствующего дизайна создавался совместно с инженерами для планирования операции. С учетом всех особенностей костного дефекта и краниопластики компьютерный дизайн импланта обсуждался и согласовывался с оперирующим хирургом. Производство имплантов происходило по следующему этапу (рис. 1).

Рис. 1. Порядок действий при изготовлении индивидуализированного прецизионного импланта для восполнения костного дефекта черепа.

DICOM-файлы черепа после мультипланарной реконструкции обрабатывались в 3D-редакторе (Solid Works). Применрялся разработанный с нейрохирургами РНЦЭМП алгоритм моделирования с использованием модуля скульптинга и модификаторов преобразования. В последующем имплант из 3D-формата преобразовался в формат для печати на 3D-принтере (рис. 2).

Изготовление модели имплантата и черепа осуществляется с помощью систем быстрого прототипи-

рования с использованием технологии FDM (Fused Deposition Modeling) аддитивного производства. Технология FDM подразумевает создание трехмерных объектов за счет нанесения последовательных слоев материала, повторяющих контуры цифровой модели. Нагревающая головка с фильерами (экструдер) расплавляет тонкую пластиковую нить и послойно укладывает ее согласно данным математической 3D-модели (рис. 3).

Рис. 2. Этапы изготовления импланта.

Рис. 3. Схема работы 3D-печати по FDM-технологии и общий вид 3D-принтера. 3D-принтер обеспечивает точность изготовления хирургического шаблона до 0,016 мм без участия человека. Таким образом, ошибки исключены.

После этапа 3D-печати начинается следующий этап - формование и полимеризация импланта. В конечном итоге проводится припасовка импланта с дефектом черепа. Стерилизация имплантатов производилась в низкотемпературном плазменном стерилизаторе.

результаты

Операции выполнялись под общей комбинированной анестезией. Во всех случаях применялся подковообразный разрез. В связи с применением нового алгоритма моделирования во всех наблюдениях отмечалось хорошее прилегание импланта к краям костного дефекта (рис. 4-9).

Рис. 4. Гигантский посттравматический костный дефект черепа в левой височно-теменной области. А - вид больного до операции и виртуальная модель черепа с костным дефектом; Б - вид больного после операции; В - виртуальная модель реконструированного черепа.

Рис. 5. Больной после неудачной краниопластики без учета анатомических особенностей черепа. А - вид больного до операции: ранее установленный имплант пролабирует в области костного дефекта; Б - вид больного после операции: симметричность черепа восстановлена, достигнут наилучший эстетический результат; В - стереолитографическая модель черепа с 3D-имплантом.

Рис. 6. Послеоперационный костный дефект черепа краниофациальной области и результаты реконструктивной операции. А - вид больного до операции; Б - 3D-модель черепа с имплантом; В - стереолитографическая модель черепа с 3D-имплантом; Г - вид больного после операции.

А

Рис. 7. Больной после декомпрессивной трепанации черепа правой височно-теменной области после тяжелой черепно-мозговой травмы. А - виртуальная модель реконструированного черепа в 3D-среде: завершающий этап компьютерного моделирования импланта в 3D-среде - модель черепа и импланта в режиме заливки (Solid) и каркасном (Wireframe) режиме отображения; Б -вид больного с распечатанным черепом до операции; В - вид больного после операции: целостность черепа восстановлена с наилучшим эстетическим результатом.

Рис. 8. Модель глазницы с посттравматической деформацией дна правой орбиты в 3D-cpede в режиме Solid и Wireframe. Завершающий этап восстановления нормальной анатомии правой орбиты.

Рис. 9. Модель черепа с дефектом левой скуловой кости и смоделированного импланта в 3D-среде в режиме Solid и Wireframe.

Готовый имплант позволяет хирургам заранее планировать ход операции. При этом можно увидеть объем и конфигурацию костного дефекта, выполнить необходимые корректировки и, таким образом, резко сократить продолжительность операции.

выводы

Внедрение компьютерного 3D-моделирования позволяет смоделировать кастомизированные импланты для сложных по конфигурации дефектов костей черепа и вследствие этого достигаются лучшие косметические результаты. Внедрение аддитивных технологий в нейрохирургическую практику значительно сокращает продолжительность хирургического вмешательства и снижает риск инфекционных осложнений. Компьютерное моделирование импланта учитывает анатомические особенности черепа пациента, имеет определяющее значение для восстановления пациента после тяжёлой травмы головного мозга и определяет дальнейшее качество его жизни. Технология компьютерного инжиниринга - высокотехнологичный, инновационный и совершенно безопасный для пациента метод проведения вживления имплантов.

Разработанный и апробированный инновационный метод реконструктивных вмешательств с использованием компьютерного инжиниринга необходимо внести

в утвержденный Минздравом Республики Узбекистан перечень стандартов оказания высокотехнологической медицинской помощи пострадавшим с сочетанной черепно-мозговой и черепно-лицевыми травмами.

ЛИТЕРАТУРА

1. Васкес Г.Д. Использование технологии 30-печати в медицине. Достижение науки и образования. 2017.

2. Выставка передовых технологий 30-печати и сканирования. Медицина. 2017.

3. Потапов А.А., Корниенко В.Н., Кравчук А.Д. и др. Современные технологии в хирургическом лечении последствий травмы черепа и головного мозга. НИИ нейрохирургии им. Н.Н. Бурденко РАМН, Москва. 2012.

4. Чемоданова Т. Компьютерный инжиниринг в инженерно-графическом образовании. САПР и графика. 2004; 4.

5. Bogu Ph., Kumar R., Kumar Khanara Asit. Modelling and structural analysis of skull/cranial implant: beyond mid-line deformities. Acta Bioengineer Biomechan Original. 2017; 1.

6. Sundseth J., Berg-Johnsen J. Prefabricated Patient-Matched Cranial Implants for Reconstruction of Large Skull Defects. J Centr Nerv Syst Dis. 2013; 5: 19-24.

НЕйРОХИРУРГИЯДА КОМПЬЮТЕРЛИ ИНЖИНИРИНГ ВА АДДИТИВ ТЕХНОЛОГИЯЛАР: АВТОМАТЛАШТИРИЛГАН ЛОйИХДЛАШТИРИШНИ ВА 3D-БОCМАНИ КУЛЛАГАН Х.ОЛДА КРАНИОФАЦИАЛ ИМПЛАНТЛАРНИ ТАйЁРЛАШ

М.М. АЗИЗОВ, К.Э. МАХКАМОВ, Р.Р. ГУБАЙДУЛЛИН, А.С. РЕШЕТЧЕНКО

Республика шошилинч тиббий ёрдам илмиймаркази

Бош чаногининг краниофациал суяк нуксонларини ёпиш учун кулланиладиган 30-имплантларни яра-тишнинг инновацион технологияси ёритилган. Бош чаногининг катта ва мураккаб шаклдаги краниофациал нуксонлари учун мулжалланган имплантларни тайёрлашда компьютерли 30-моделлаштиришнинг РШТЁИМда ишлаб чикилган янги алгоритми кулланилган. Операциядан аввал компьютер инжиниринг технологиялари асосида полиметилметакрилатдан имплантларни ясаш усули ва боскичлари келтирил-ган. 30-имплантларни куллаган холда жами 25 та реконструктив амалиётлар бажарилган. Бош чаноги нуксонларининг локализацияси: пешона-орбитал сохаси - 3 та, икки томонлама пешона-тепа сохаси - 1 та, тепа-чакка сохаси - 20 та, энса сохаси - 1 та. Нуксоннинг минимал майдони - 35 см2, максимал майдони - 163 см2. Краниопластика шикастланишдан сунг 2 ойдан 6 ойгача булган муддатларда бажарилган. Биоскульп-тинг технологияси ва ундан сунг 30-босмани куллаш буйича клиник холатлар келтирилган. Аддитив тех-нологияларни нейрохирургик амалиётга татбик килиш хирургик амалиётлар вактини ва инфекцион асо-ратлар микдорини кискартириши курсатилган.

Калит сузлар: 3D-моделлаштириш, чаноц нуцсонлари, краниопластика, реконструктив нейрохирургия.

Азизов Миралим Мирабидович

Тел.: +998974401879

e-mail: [email protected]

РНЦЭМП, отдел сочетанных травм с нейрохирургией.