Современные возможности применения 3D-технологий для лечения дефектов костной ткани

Полный текст

АКТУАЛЬНОСТЬ

В настоящее время активными темпами развиваются 3D-технологии, которые позволяют создавать индивидуализированные имплантаты из различных полимерных материалов, а также дают возможность моделировать отдельные анатомические области для лучшей визуализации и подготовки к оперативному вмешательству, что, в свою очередь, снижает операционные риски, вероятность развития осложнений и сокращает длительность операции [1]. Возможности использования 3D-печати (3DP) появились в практике с 80-х гг. XX века, когда Чак Холл в 1984 году получил патент «Устройство для производства трёхмерных объектов методом стереолитографии» [2]. Трёхмерная печать — это роботизированная технология, которая в связи с востребованностью развивается быстрыми темпами для всех отраслей, особенно биомедицинской инженерии. Целью 3DP является создание точных моделей для проведения сложных и индивидуальных вмешательств, направленных на восстановление органов пациента, доставку лекарств, улучшение процессов визуализации, проектирования персонализированных дозоспецифичных препаратов, разработку 3D-моделей органов для планирования операций и понимания патологии заболеваний, производство экономически эффективных хирургических инструментов, а также изготовление имплантатов и устройств для замены органов и продления жизни пациентов и т. д. [3]. Для создания протезов и имплантатов повсеместно используется 3DP объектов из полимерных материалов, также выполняется непосредственно печать живыми клетками [1]. Особенно продвигается трёхмерная печать в ортопедической хирургии [4]. Она востребована по четырём основным клиническим направлениям при операциях на тазобедренном суставе (ТБС) и тазу:

1. создание анатомических моделей для планирования и моделирования операций в предоперационном периоде;
2. изготовление индивидуальных наборов хирургических инструментов для пациентов;
3. 3D-аддитивное производство протезов;
4. печать на 3D-принтере индивидуальных протезов [4, 5].

Проблема эндопротезирования ТБС (ЭТБС) становится всё более актуальной, поскольку частота поражений данной области ежегодно увеличивается ввиду появления новых случаев коксартрозов, переломов шейки бедра, травм и их осложнений, например, аваскулярного некроза головки бедренной кости, аутоиммунных заболеваний, новообразований и метастазирований в область ТБС и иных нозологий [4]. Правильно выполненное ЭТБС способно значительно улучшить качество жизни пациентов, уменьшить боль и восстановить подвижность сустава [6, 7]. В настоящее время первичное ЭТБС вошло в рутинную практику врача — травматолога-ортопеда. Успешное выполнение ЭТБС требует не только опыта и мастерства хирурга, но и использования современных технологий и оборудования. Существует широкий спектр инновационных методик, которые помогают повысить эффективность операций, сократить реабилитационный период и уменьшить риск осложнений [8]. Их использование играет значительную роль в улучшении результатов ЭТБС [6]. Современные материалы и технологии позволяют добиться более точной посадки имплантата, снизить риск осложнений и улучшить функциональные результаты. Сложные случаи первичного и особенно ревизионного ЭТБС требуют участия дополнительных материалов для укрепления кости и закрытия дефектов [9, 10].

ОПИСАНИЕ 3D-ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ ЭНДОПРОТЕЗИРОВАНИЯ ТАЗА И ТАЗОБЕДРЕННОГО СУСТАВА

Принцип работы 3D-сканирования для создания индивидуальных имплантатов

Ключевым этапом подготовки стабильного и биомеханически функционального протеза является предварительное сканирование области оперативного вмешательства, выявление её дефектов и подбор наиболее рациональной формы эндопротеза, его позиционирования на месте имплантации. На основании полученных данных проектируются подходящие методики остеоинтеграции и способы фиксации элемента с учётом уникальной архитектоники костной ткани и расположения прилежащих мягких тканей с сосудисто-нервными пучками [11, 12]. Реконструкция таза производится на основании результатов компьютерной томографии (КТ); толщина срезов, как правило, варьирует в диапазоне 0,5–1 мм. Помимо этого, данные о состоянии органа можно получить через иные методы инструментальной диагностики: ультразвуковое исследование, рентгенография, магнитно-резонансная томография [13]. Построение изображения может производиться на основании двухмерных снимков, которые инженер-конструктор впоследствии преобразует в трёхмерную модель, либо применяется трёхмерная КТ. Биоинженер визуализирует анатомическую область (в частности, таз) в формате цифровой 3D-модели, предварительно устранив наводки, мягкие ткани. Совместно с лечащим врачом-хирургом происходит доработка цифрового 3D-образца и создание тактильной 3D-модели в масштабе 1:1 с учётом индивидуальных особенностей и дефектов изучаемой области. Имея натуральную модель, оперирующий врач может детально спланировать ход лечения и оптимизировать позиционирование и фиксацию протеза [1, 11]. Создание модели начинается с цифровой проекции полученных инструментальных данных: информацию переносят в программное обеспечение, где происходит формирование 3D-модели на основании томограмм. Альтернативным вариантом является создание прототипа анатомического объекта без данных 3D-сканирования в системах CAD, CAM. Программное обеспечение позволяет смоделировать индивидуализированный, оптимизированный объект; удостовериться в отсутствии дефектов и погрешностей цифровой детали [15]. При полном соответствии анатомической модели требуемым запросам утверждается её печать и дальнейшее применение в ходе лечения. Слайсинг — переходный этап от компьютерного моделирования к печати, подготавливающий 3D-объект к физической печати посредством разделения модели на последовательность слоёв, которые повторит печатающая головка принтера [14]. Для изготовления индивидуализированных имплантатов применяются технологии быстрого прототипирования (RP), базируемые на послойном формировании 3D-объекта [15], технология SLA — стереолитография, SLS — селективное лазерное спекание, SLM-селективное лазерное плавление [16]. Ответвление данной методики — DMLS — прямое лазерное спекание металлов, основанное на использовании металлических порошков [17]. Создание конструкции происходит путём послойного нанесения материала в соответствии с цифровой моделью, спроектированной инженером-конструктором. Посредством лазерного излучения частицы спекаются как между собой, так и с последующими слоями, формируя полноценное изделие, с учётом анатомических особенностей и костных дефектов конкретного пациента под контролем электромеханической системы зеркал. Преимуществом методики является возможность создания 3D-моделей сложной формы, в том числе с навесными элементами без использования опорных конструкций; готовое изделие требует минимальной механической обработки. SLM-методика позволяет создавать 3D-модели ячеистой структуры, увеличивая показатели остеоинтеграции и снижая экранирование напряжения, адаптируя имплантат к морфологической структуре костной ткани пациента [17].

Преимущества использования 3D-моделирования при планировании операции

Хирургическое лечение в травматологии и ортопедии сопряжено с детальным планированием проведения вмешательства, что располагает к применению 3D-технологий не только с позиции индивидуализации объектов для протезирования, имплантации, но и на этапе предоперационной подготовки [14]. Традиционно для оценки состояния пациента использовались данные инструментальных исследований. Современные технологии позволяют создавать индивидуальные нативные, тактильные 3D-модели области будущего оперативного вмешательства со всей совокупностью персональных дефектов, особенностей пациента, на основании КТ-изображений для планирования хирургической реконструкции [18, 19]. Для подготовки нативной морфологической модели пациентам предварительно проводится КТ с охватом таза и бедренной кости, толщина среза, как правило, варьирует от 1,0 до 1,25 мм. Данные визуализации переносят в программное обеспечение для пострентгенологической обработки томограмм с последующим моделированием исследуемой области. Печать физической копии 3D-модели производится из полимерных материалов с учётом всех индивидуальных особенностей, дефектов и с акцентом на состоянии вертлужной впадины (для объективной оценки дефектов применяется классификация Paprosky) [6]. Материал для трёхмерной модели должен обладать определёнными свойствами: лёгкостью, прочностью, гибкостью, ударостойкостью, механической устойчивостью. Индивидуализированный подход обеспечивает более высокую степень соответствия эндопротеза анатомическим характеристикам конкретного пациента, что способствует улучшению функционирования сустава после операции [20–22]. Помимо индивидуальных особенностей форм и дефектов костных структур, хирурги сталкиваются с проблемами различных биомеханических свойств, плотности костной ткани, что влияет на процесс ЭТБС, особенности фиксации и отдалённый результат вмешательства [23]. 3D-моделирование анатомической области способствует выбору оптимального имплантата. Для жизнеспособности костного трансплантата необходимы следующие интегральные свойства: остеоиндуктивность — индуцирует дифференциацию остеопрогениторных клеток (стволовых клеток) в остеогенные линии; остеокондуктивность — благоприятно влияет на пролиферацию остеобластов и проникновение кровеносных сосудов, приводя к образованию остеоида; остеогенность — имплантированный материал трансплантата должен сам интегрироваться с костью реципиента, одновременно поддерживая жизнеспособность клеток [23]. С помощью виртуальных симуляций возможно протестировать различные варианты имплантатов, их расположение в суставе, увеличивая вероятность успешного исхода операции и сокращая время вмешательства [24]. Предоперационная подготовка на тактильной 3D-модели предоставляет хирургу возможность более детально изучить анатомию сустава и спланировать ход оперативного вмешательства, что позволяет сократить время его выполнения, снизить риск послеоперационных осложнений, чрезмерной кровопотери и избыточной анестезиологической нагрузки на пациента [25]. Тем не менее есть авторы, которые сообщают об увеличении времени операции и объёма кровопотери и рекомендуют принятие обоснованных решений при выборе метода лечения [26]. Повышенная точность планирования и выполнения операции позволяет снизить риск послеоперационных осложнений и улучшить общую эффективность вмешательства, акцентируя необходимость дальнейших научных исследований и клинических испытаний [27]. Благодаря более точному планированию операции, меньшим травмам и более быстрому восстановлению после хирургического вмешательства пациенты имеют больше шансов на успешное восстановление и более полноценную активную жизнь после операции [8].

Потенциальные преимущества и вызовы, связанные с использованием 3D-технологий при онкопатологии скелета

Применение 3D-технологий особенно актуально при гемиэндопротезировании таза и ТБС после резекционных операций в онкологии [28]. Индивидуальные имплантаты, наиболее часто изготавливаемые из титана, позволяют точно соответствовать резецированному сегменту и более быстро перейти к процессу реабилитации уже ослабленного онкологического пациента [29]. Новообразования таза и ТБС имеют сложную анатомическую локализацию, что затрудняет выполнение оперативных вмешательств и требует индивидуального подхода в каждом случае выполнения резекции поражённой области [30–33]. Онкология — направление медицины, в котором каждый случай как течения заболевания, так и его лечения сугубо индивидуален и требует учёта специфики морфофункционального состояния пациента, компетенции хирурга, течения заболевания [34]. Аддитивные технологии позволяют облегчить выполнение реконструктивных операций и должны применяться с целью индивидуализации лечебного процесса для достижения лучших результатов [35]. В связи с низким уровнем изучения и осведомлённостью медицинских работников и пациентов о возможностях и прогнозах применения аддитивных технологий ведутся дискуссии о их безопасности и долгосрочных результатах при применении, в частности, у онкологических пациентов, что является проблемой 3D-направлений лечения [35, 36]. Таким образом, применение современных 3D-технологий в гемиэндопртезировании таза и ЭТБС является важным шагом в развитии травматологии и ортопедии, онкологии, способствуя повышению эффективности операций и улучшению качества жизни пациентов. К сожалению, в настоящее время во многих больницах по всему миру не хватает биомедицинских инженеров, которые взаимодействуют с ортопедическими хирургами в рамках 3D-технологий, что приводит к потенциальной потере возможности применения трёхмерной печати [37].

ПРОГНОЗЫ РАЗВИТИЯ 3D-ТЕХНОЛОГИЙ В МЕДИЦИНЕ

Тенденции развития и инновации в области 3D-технологий

Ежегодно потребность в применении аддитивных технологий интенсивно увеличивается, параллельно с этим расширяется диапазон медицинских специальностей, заинтересованных в развитии данного направления [1]. Активнее всего 3D-инновации используются в травматологии и ортопедии [8], нейрохирургии [38, 39], стоматологии [40], в образовательном процессе. Применение аддитивных технологий в нейрохирургии и стоматологии сопряжено с необходимостью успешно, эффективно и с минимальными рисками постоперационных осложнений производить сложнейшие оперативные вмешательства, требующие использования высокотехнологичных и индивидуализированных имплантатов [14].

Возможные перспективы использования 3D-печати в создании индивидуальных имплантатов

Возросшая потребность в развитии аддитивных технологий мотивирует к созданию усовершенствованных способов, материалов, систем для печати [34]. В течение длительного времени ведутся исследования возможности применения стволовых клеток для послойной печати органов в трансплантологии [42]. Преимуществом данного направления является учёт анатомических особенностей пациента и более высокий шанс успешной трансплантации [41]. Помимо усовершенствования аппаратуры и разработки новых технологий для печати, ведутся активные модификации программного обеспечения, которое является ключевым инструментом, позволяющим применять аддитивные технологии [41]. Совершенствуются методики сбора информации о конструируемой модели, анализа информации об изделии и об анатомических особенностях конкретного пациента, связь полученных данных с технологическим процессом и алгоритмизация рабочего процесса с адаптацией к любому уровню сложности. Процесс преобразования требуемых характеристик запрашиваемого объекта в цифровую модель — это один из основных этапов в разработке имплантата, протеза или любой другой медицинской конструкции, требующий активного внедрения новых разработок и привлечения специалистов [42].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Обобщая основные этапы исследования, можно отметить, что современные 3D-технологии играют значительную роль в совершенствовании результатов хирургического вмешательства при дефиците костного скелета. Благодаря использованию 3D-моделей, адаптированных к анатомическим особенностям конкретного пациента, хирурги получают возможность более скрупулёзно планировать операцию. Это позволяет улучшить прогнозы успеха вмешательства, снизить риск осложнений и улучшить результаты восстановления. Необходимое условие для внедрения 3D-технологий в клиническую практику — это слаженное взаимодействие биомедицинских инженеров и техников с врачами-специалистами хирургического профиля. В будущем хирург в рабочем процессе будет руководить инструментом 3D-навигации, а все этапы, включая, проектирование и печать будут выполняться автоматически. С развитием 3D-технологий в значительной степени расширяется спектр проводимых реконструктивных операций, что, в свою очередь, улучшает качество жизни нуждающихся в подобных операциях пациентов.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Вклад авторов. Все авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией). Наибольший вклад распределён следующим образом: Б.С.В. — концепция и дизайн исследования, сбор и обработка материала, написание текста, редактирование; Б.К.О. — концепция и дизайн исследования, сбор и обработка материала, написание текста; Е.Г.О. — концепция и дизайн исследования, сбор и обработка материала; П.И.А. — сбор и обработка материала, написание текста.

Источник финансирования. Авторы заявляют об отсутствии внешнего финансирования при проведении исследования и подготовке публикации.

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с проведенным исследованием и публикацией настоящей статьи.

ADDITIONAL INFORMATION

Authors’ contribution. B.S.V. — study concept and design, collection and processing of material, writing, editing; B.K.O. — study concept and design, collection and processing of material, writing; E.G.O. — study concept and design, collection and processing of material; P.I.A. — collection and processing of material, writing. Thereby, all authors made a substantial contribution to the conception of the work, acquisition, analysis, interpretation of data for the work, drafting and revising the work, final approval of the version to be published and agree to be accountable for all aspects of the work.

Funding source. This work was not supported by any external sources of funding.

Competing interests. The authors declare that they have no competing interests.

Об авторах

Светлана Валентиновна Брагина

Северный государственный медицинский университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: svetabragina69@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-0900-4572
SPIN-код: 5490-9821

канд. мед. наук, доцент, зав. каф., каф. травматологии, ортопедии и военной хирургии

Россия, 163069, Архангельск, пр-т Троицкий, д. 51

Карина Олеговна Бокарева

Северный государственный медицинский университет

Email: bokarkar@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0001-6924-3233
SPIN-код: 6406-1075

студ. VI курса, лечебный факультет

Россия, 163069, Архангельск, пр-т Троицкий, д. 51

Глеб Олегович Епифанцев

Северный государственный медицинский университет

Email: rozgles@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0002-3881-8417
SPIN-код: 2760-1987

студ. VI курса, лечебный факультет

Россия, 163069, Архангельск, пр-т Троицкий, д. 51

Ирина Алексеевна Полякова

Северный государственный медицинский университет

Email: pirinka51@gmail.com
ORCID iD: 0009-0001-1717-2752
SPIN-код: 9023-8516

студ. VI курса, лечебный факультет

Россия, 163069, Архангельск, пр-т Троицкий, д. 51

Список литературы

Дополнительные файлы