CC BY
31
© А.Н. Рудык, М.А. Бусыгин, Р.Г. Хамидуллин, В.А. Чернышев, М.Р. Хамитов, Р.И. Минвалеев, В.В. Жаворонков, А.Р. Уткузов, М.С. Чернов, 2017
УДК 616.716.4-006.4-089.844
ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЙ 3D ВИЗУАЛИЗАЦИИ И ПРИНТИНГА В КЛИНИЧЕСКОЙ ПРАКТИКЕ ПРИ РЕКОНСТРУКЦИИ ДЕФЕКТОВ НИЖНЕЙ ЧЕЛЮСТИ ПРИ ЗЛОКАЧЕСТВЕННЫХ НОВООБРАЗОВАНИЯХ
A.Н. Рудык, М.А. Бусыгин, Р.Г. Хамидуллин, В.А. Чернышев, М.Р. Хамитов, Р.И. Минвалеев,
B.В. Жаворонков, А.Р. Уткузов, М.С. Чернов
ГАУЗ «Республиканский клинический онкологический диспансер МЗ РТ», г. Казань
APPLICATION OF 3D VISUALIZATION AND PRINTING TECHNOLOGIES IN CLINICAL PRACTICE OF MANDIBULAR RECONSTRUCTION IN MALIGNANT NEOPLASMS
A.N. Rudyk, M.A. Busygin, R.G. Khamidullin, V.A. Chernyshev, M.R. Khamitov, R.I. Minvaleev, V.V. Zhavoronkov, A.R. Utkuzov, M.S. Chernov
Tatarstan Cancer Centre, Kazan
Рудык Андрей Николаевич — кандидат медицинских наук, врач онкологического отделения №5 опухолей головы и шеи ГАУЗ «Республиканский клинический онкологический диспансер МЗ РТ»
420029, г. Казань, Сибирский тракт, д. 29, тел.: (843) 519-27-40, +7-905-020-21-40, e-mail: [email protected] Rudyk A.N. — Cand. Med. Sc., doctor of oncology department №5 of head and neck tumors of the Tatarstan Cancer Centre 29 Sibirskiy Trakt, Kazan, Russian Federation, 420029, tel.: (843) 519-27-40, +7-905-020-21-40, e-mail: [email protected]
Реферат. Сообщаются результаты и анализ клинической практики по использованию и применению 3D моделирования и изготовлению имплантов в лечебной работе онкологического отделения, специализирующегося на реконструктивных операциях при опухолях головы и шеи (онкололгическое отделение №5) Республиканского клинического онкологического диспансера Министерства здравоохранения Республики Татарстан с 2015 по 2017 гг.
Ключевые слова: 3D импланты, 3D моделирование, реконструктивные операции, рак слизистой полости рта, первый опыт.
Abstract. The given example presents clinical practice analysis concerning usage and application of 3D modeling and production of implants in medical work of Oncological Department №5 from 2015 to 2017, which specializes in head and neck tumor reconstructive operations and is the part of the Tatarstan Cancer Centre. Key words: 3D implants, 3D modeling, reconstructive operations, oral cavity сancer.
Введение
Современные технологии ЭР прочно вошли в повседневную практику врача. Прогрессивному специалисту нет нужды перечислять все их достоинства и недостатки — практически все разделы хирургии могут использовать данную технологию в своей работе. Не осталось анатомических областей, где ЭР технологии не применимы. На сегодняшний день, в медицине, эта технология вышла за рамки простых анатомических моделей. В хирургии используют импланты, протезы,
фиксаторы, хирургические инструменты и хирургические шаблоны для рассечений [1, 2, Э].
Исторические аспекты внедрения ЭР моделирования и печати в практику — отдельная, интереснейшая тема. Любопытна эволюция этой технологии в России, что может стать темой других публикаций.
Челюстно-лицевая хирургия и ортопедия — стали первыми в мире медицинскими отраслями, где наиболее востребованными оказались и были применены технологии ЭР моделирования, проектирования и в последствии печати [4-8].
Успехи и достижения лучевых методов диагностики стали ключевым звеном в формировании направления ЭР визуализации, а далее принтинга (печати). Все исследования, речь идет о рентгеновской компьютерной томографии (РКТ) и магнитно-резонансной компьютерной томографии (МРТ), в большинстве случаев архивируются в формате Р1СОМ. Для дальнейшей работы эти данные обрабатываются специальными программами, преобразуются для работы с виртуальными моделями и направляются на компьютеры приборов, используемых для изготовления анатомических моделей или иных целей (принтеры, фрезерные многоосевые станки) [1, 4, 9, 10, 11].
Существует множество специальных программных продуктов для работы и визуализации изображений. В большинстве случаев — это требует участия специалиста-инженера, подготовленного к работе с подобными программами.
Практикующему врачу сложно ориентироваться в этой области, дискутабельны вопросы о необходимости таких навыков вообще. Однако подобное положение дел замедляет процесс изготовления анатомической модели, импланта или инструмента. Учитывая эти особенности созданы системы, где основное программное обеспечение расположено на центральных серверах, а доктору предоставляется доступ через специальную программу-клиент к данным, загруженным на сервер и к программе, обеспечивающей виртуальное моделирование. Однако и эта схема предполагает участие инженера, участвующего в моделировании и ответственного за изготовление конечного продукта [4, 12, 13].
Вероятно, будущее за автоматизированными комплексами, способными проанализировать клинические задачи, помочь с выбором тактики и изготовить необходимое изделие под руководством и контролем доктора в каждой конкретной клинической ситуации, начиная от ургентной хирургии и заканчивая плановыми сложными реконструктивными операциями, в том числе при злокачественных новообразованиях.
Материал и методы
В онкологическом отделении №5 (опухолей головы и шеи) с 2015 года внедрена в практику методика имплантации индивидуально изготовленных метали-ческих фиксирующих пластин (имплантов) при радикальных операциях по поводу плоскоклеточного рака слизистой полости рта (4 пациента) и мезенхимальной злокачественной опухоли нижней челюсти (1 паци-
ент, фибросаркома) с одномоментной реконструкцией дефектов нижней челюсти и мягких тканей. Таким образом, всего выполнено 5 операций: 2 операции с реконструкцией дефекта костно-мышечно-кожным аутотрансплантатом с включением малоберцовой кости и микрохирургической реваскуляризацией. И 3 операции с использованием импланта и лучевого лоскута с предплечья.
Импланты изготавливались методом 3D печати, путем лазерного спекания порошка титанового сплава, grade 5. Моделирование импланта осуществлялось при участии биоинженера, в подходящих программах на основании рентгеновских компьютерных томограмм, индивидуально для каждого пациента (рис. 1). Фиксация имплантов осуществлялась титановыми винтами соответствующего диаметра и длины по методике бикортикальной фиксации. Дентальные импланты не использовались.
Результаты
Послеоперационный период у 3 пациентов протекал без особенностей, у одной пациентки на фоне антикоагуллянтной терапии низкомолекулярным гепарином в терапевтических дозах, на 2-е сутки развилась гематома в области операционной раны с компрессией вен трансплантата, что привело к повторному хирургическому вмешательству в объеме ревизии раны шеи и дополнительному гемостазу, ре-анастомозирование не потребовалось, лоскут сохранил жизнеспособность, дальнейший послеоперационный период протекал без особенностей. У второго пациента, через 6 мес. после операции и неосложнен-ного послеоперационного периода, произошел перелом металлоконструкции в подбородочном отделе. Была изготовлена дополнительная пластина методом 3D печати с использованием предыдущих и настоящих рентгеновских компьютерных томограмм пациента, изготовление индивидуальных для конструкций титановых винтов, конгруэнтных для обоих изделий. Мы связываем данный случай с недостатками при производстве первой пластины. Нами был выбран «малоинвазивный» путь решения проблемы. Клиническая ситуации, а точнее перелом конструкции без повреждения слизистой полости рта в проекции подбородочного отдела и незначительным смещением отломков импланта, позволила выбрать следующий выход из сложившейся ситуации — ремонт сломавшейся пластины, который заключался в репозиции и фиксации отломков импланта с помощью дополни-
Рис. 1. Вид готового титанового импланта, изготовленного методом 3D печати
Рис. 2. Операционная рана с установленным и фиксированным к фрагментам нижней челюсти имплантом
Рис. 3. Рентгенограмма через 7 дней после операции, контроль фиксации и установки импланта
тельной пластины и винтов (рис. 5). Обоснованность такого подхода — покажет время, однако пациент избежал продолжительной и травматичной операции по замене всего импланта, хирургическое вмешательство не превысило по продолжительности 60 минут (рис. 6).
Обсуждение
Концепция использования трехмерной медицинской визуализации, в частности применение данных, полученных при рентгеновской компьютерной томографии, впервые была реализована в 1979 г. — была создана модель таза из полистерола. Исторические аспекты и особенности технологического цикла не являются предметом обсуждения в данной публикации, на сегодняшний день, подобных публикаций множество в англоязычных источниках. К сожалению, отечественных сообщений значительно меньше и большинство из них появилось только в последние годы.
Основные направления использования 3D печати в медицине, это — изготовление анатомических моделей, имплантов и хирургических инструментов.
Суть процесса известна: получение медицинского цифрового изображения при РКТ или МРТ (наиболее часто в формате файлов DICOM), преобразование изображения в формат SLA или STL, необходимых для всех 3D-принтеров, обработка изображения, моделирование и собственно печать требуемого объекта.
В нашей практике мы столкнулись с некоторыми трудностями на каждом из приведенных этапов. Вероятно, описанные проблемы, характерны для периода освоения методики в современной отечественной медицине. Допускаем вероятность, что существуют клиники, преодолевшие или миновавшие этап становления, и успешно реализуют новые современные технологии в практику.
Итак, получение цифрового изображения. Зачастую, не имея должных технических возможностей и ресурсов для хранения результатов исследования, при выполнении РКТ или МРТ, врачами лучевой диагностики намеренно и вынужденно увеличивается ширина между сканами либо результаты исследования сохраняются с такими характеристиками, достигая 5-8 мм. Это недопустимо ни с точки зрения клинической ценности и целесообразности при исследовании черепно-лицевого комплекса и шеи, ни тем более для моделирования. Подобный шаг сканирования приводит к получению некачественных изображений и изделий, которые невозможно использовать. Для проектирования адекватной и качественной модели минимальный шаг сканирования должен составлять не более 0,5-1,0 мм.
Этап моделирования. Принципиальная точка конфликта. Конфликта логистики, собственно инжиниринга, идеологии и практики. В нашем представлении, современный, опытный и знающий хирург (напомним, хирург — это ключевой элемент всей лечебно-технологической цепочки) является заложником организационно-методических и инженерных проблем, которыми он заниматься не должен. Мы столкнулись с проблемой «ручного» проектирования каждого этапа в изготовлении импланта. Проблема заключается в трудоемкой и затратной по времени переписке с неизбежным биоинженером, неизвестности о точном времени изготовления продукта, паузах в информационном обмене между хирургом и компанией-производителем. Данные обстоятельства — неустранимый в данный момент и не удовлетворительный фактор на пути развития и широкого внедрения технологии в практику.
На мировом рынке подобных услуг уже существуют аналоги, лишение представленных недостатков. Возможно, в ближайшем будущем — подобный под-
а вШЯ т б
Рис. 4а, б. Перелом импланта в подбородочком отделе через 10 мес. после операции
Рис. 5. «Ремонтная» пла- Рис. 6. Установка пластины, скрепляющей отломки импланта и фиксация винтами стина с винтами, изготовлена методом ЭР печати
ход будет реализован в отечественной системе здравоохранения и медицинском бизнесе, в рутинной практике врача-хирурга.
Изготовление конечного продукта. В случае использования анатомических моделей изготовленных из полимеров, нами отмечено следующее: при планировании хирургического вмешательства — необходимы распилы моделей, то есть максимальное приближение к ходу операции. Однако, при использовании хирургического силового оборудования (осциляторные пилы, сагитальные пилы), наблюдается плавление материала, из которого модель изготовлена. Очевидно, что охлаждение, которое проводится в реальном хирургическом поле, на моделях не выполняется и приводит к порче весьма дорогостоящих режущих полотен, неточному моделированию и сопоставлению фрагментов предполагаемого костного рецепиентного и донорского материала. В целом, путь изготовления анатомических моделей, нам видится тупиковым. Изготовление полимерных прототипов — затратное и малопродуктивное использование имеющихся ограниченных ресурсов.
Исторически — это важный этап развития технологии, однако, современные возможности компьютерного проектирования — полностью удовлетворяют все потребности хирурга, при должном и полном их использовании.
Выводы
1. Технологии ЭР визуализации и их «материальное воплощение» являются основным достижением современной медицины за последние три десятилетия, в отраслях, где требуется дооперационное планирование. Преимущества — неоспоримы, недостатки — известны.
2. Доступность данных технологий в современном отечественном здравоохранении — существенная проблема. Данные продукты затратны в финансовом и логистическом аспектах, о повсеместном внедрении вообще не приходится говорить.
3. Необходимы условия для развития данного направления, регламентируемые на уровне правовых документов, которые позволят расширить и легали-
зовать применение для практических врачей и облегчат работу производителям. Необходимо создание современной, объективной конкурентной борьбы для фирм-изготовителей, что должно повлечь снижение стоимости и увеличение качества подобных продуктов и спектра оказываемых пациентам и докторам услуг.
4. Данные технологии и методики не входят в перечень обязательных медицинских «услуг». На фоне отсутствия внятных отечественных стандартов оказания медицинской помощи, эта проблема еще больше усугубляется.
5. Решение приведенных выше вопросов, осознание глубины проблемы, высокая квалификация специалистов на всех уровнях — от практического врача до руководителя, позволят вывести качество оказания медицинской помощи в России на принципиально иной в данном направлении, не достижимый для большинства ведущих систем здравоохранения, уровень.
Литература
1. Dimitris Mitsouras, Peter Liacouras, Amir Imanzadeh et al. Medical 3D Printing for the Radiologist // Radiographics. — November-December 2015. — 35 (7). — P. 1965-1988.
2. Fernandes N., van den Heever J., Hoogendijk C. et al. Reconstruction of an Extensive Midfacial Defect Using Additive Manufacturing Techniques // J. Prostho-dont. — 2016. — 25. — P. 589-594.
3. Green J.M. 3rd, Lawson S.T., Liacouras P.C. et al. Custom Anatomical 3D Spacer for Temporomandibular Joint Resection and Reconstruction. // Craniomaxillofac Trauma Reconstr. — 2016. — 9. — P. 82-87.
4. Don Hoang, Perrault D., Stevanovic M., Alidad Ghiassi. Surgical applications of three-dimensional printing: a review of the current literature & how to get started // Ann. Transl. Med. — 2016. — Dec. 4 (23). — P. 456.
5. Guk Bae Kim, Sangwook Lee, Haekang Kim et al. Three-Dimensional Printing: Basic Principles and Applications in Medicine and Radiology // Korean J. Ra-
diol. — 2016. — Mar-Apr. — 17 (2). — P. 182-197.
6. Chan H.H.L., Siewerdsen J.H., Vescan A. et al. 3D Rapid Prototyping for Otolaryngology — Head and Neck Surgery: Applications in Image-Guidance, Surgical Simulation and Patient-Specific Modeling // PLoS One. — 2015. — 10 (9). — e0136370. — https:// doi.org/10.1371/journal.pone.0136370 (18.08.2017)
7. Seres L., Varga E., Jr, Kocsis A. et al. Correction of a severe facial asymmetry with computerized planning and with the use of a rapid prototyped surgical template: a case report/technique article // Head Face Med. — 2014. — 10. — P. 27.
8. Azuma M., Yanagawa T., Ishibashi-Kanno N. et al. Mandibular reconstruction using plates prebent to t rapid prototyping 3-dimensional printing models ameliorates contour deformity // Head Face Med. —
2014. — 10. — P. 45.
9. Holt B.A., Hearn G., Hawes R. et al. Development and evaluation of a 3D printed endoscopic ampullectomy training model (with video) // Gastrointest Endosc. —
2015. — 81. — P. 1470-14757.
10. Li Y., Jiang Y., Ye B. et al. Treatment of Dentofacial Deformities Secondary to Osteochondroma of the Mandibular Condyle Using Virtual Surgical Planning and 3-Dimensional Printed Surgical Templates // J. Oral. Maxillofac. Surg. — 2016. — 74. — P. 349-368.
11. Dong Z., Li Q., Bai S. et al. Application of 3-Dimen-sional Printing Technology to Kirschner Wire Fixation of Adolescent Condyle Fracture // J. Oral. Maxillofac. Surg. — 2015. — 73. — P. 1970-1976.
12. Masaki Azuma, Toru Yanagawa, Naomi Ishibashi-Kanno et al. Mandibular reconstruction using plates prebent to fit rapid prototyping 3-dimensional printing models ameliorates contour deformity // Head Face Med. — 2014. — 10. — P. 45.
13. Narges Shayesteh Moghaddam, MSc, Ahmadreza Jahadakbar, Amirhesam Amerinatanzi et al. Metallic Fixation of Mandibular Segmental Defects: Graft Immobilization and Orofacial Functional Maintenance // Plast. Reconstr. Surg. Glob. Open. — 2016. — Sep. 4 (9). — P. 858.
