Отдел биоинженерных и аддитивных технологий был создан в 2019 году. Начальник отдела, Апанасенко Александр Олегович - инженер-разработчик, исследователь, соавтор научных статей и патентов в области аддитивных технологий в медицине. Отдел был создан для помощи клиническим отделениям в индивидуальном 3D планировании моделей и создания персонализированных конструкций и имплантов для оперативного лечения.
В современной медицинской деятельности широко развиты методы визуализации такие как: КТ, МРТ, рентген и другие, которые помогают врачам диагностировать патологию, определить размеры, локализацию, отношение к окружающим тканям и органам, а также толщину и структуру изменений. В работе хирурга при планировании операции важно взаимоотношение органов, четкая направленность действий, толщина тканей в конкретном месте. Представить это на основании 2-х мерного изображения на томограммах и затем перенести в реальную ситуацию довольно сложно. На помощь приходят 3D-методики. Для их создания необходимо специализированное программное обеспечение, наличие на отделении 3Д принтеров различного назначения и самое главное - синергия в работе между врачом, инженером и пациентом.
За годы работы сформировались устойчивые механизмы взаимодействия с отделениями травматологии и ортопедии взрослым и детским, а также с онкологическим отделением.
В отделе биоинженерных и аддитивных технологий решаются как конкретные клинические задачи для помощи врачам, так и научные:
- Изучение и внедрение новых методик в хирургической практике.
- Изучение и проверка работоспособности методик зарубежных коллег.
- Проверка различных гипотез, связанных с 3Д планированием и вмешательствами с его использованием и без него.
- Изготовление индивидуального инструмента и доработка собственных идей врачей.
- Изготовление новых видов инструментов, а также тренажеров для студентов и ординаторов отделений.
- Внедрение вспомогательных 3д технологий в рутинные практики.
С появлением таких методов диагностики как компьютерная томограмма у инженеров появилась возможность не только просматривать содержимое, но и создавать как виртуальные, так и твердотельные модели различного назначения, от примерки до непосредственного использования в теле пациента.
КТ - серия снимков, в которой по шкале светимости можно разделить любые ткани, выделить их в отдельные слои, и таким образом получить с отдельно взятого пациента большое количество данных, для изучения, статистики, измерений, планирования или изготовления индивидуальных вспомогательных инструментов или имплантатов.
Рис. 1. На основании компьютерной томографии осуществляется сегментирование тканей с последующей 3D-визуализацией и при необходимости изготавливаются модели для различных операций.
Чаще всего при планировании работы достаточно простых моделей костей или органов для имитации вмешательства. Модели дают очень точное представление о геометрии дефекта и разительно отличаются по восприятию от компьютерного варианта, где масштаб весьма относителен.
Рис.2 Использование 3Д моделей в силиконовой оболочке для выбора верной тактики лечения имитации вмешательства и отработки будущих действий.
Рис. 3. Одним из вариантов применения 3D моделирования являются направители (шаблоны) для рассверливания или резекции костей.
Задачей направителей (рис. 3) является точный перенос координат из запланированных виртуальных - в реальное тело пациента. Примеряя такой шаблон к выбранному сегменту кости с естественной неровностью, мы ставим его на позицию. После чего, выполненные в нем отверстия или прорези для пилы, позволяют осуществить манипуляцию в заданном направлении и получить точно запланированный результат.
Клинические примеры применения 3D-технологий в медицине
Пример 1: Планирование хирургического вмешательства у детей при полидактилии.
Рис.4 Произведена реконструкция на модели, которая помогла лучше определить тактику лечения, соразмерность при выборе инструмента, а также правильно подобрать расходные материалы.
Рис. 5. Алгоритм работы: а. Взаимное расположение костей в суставе здоровой конечности принимается за верное положение.
Производится 3Д симметрия здоровой конечности. Она накладывается на больную и определяется отклонение поврежденной от нормального состояния.
Рис.6. Далее разрабатывается индивидуальный хирургический направитель для корригирующей остеотомии таким образом, чтобы вернуть положение головки на свою позицию, ориентируясь на здоровую конечность.
Индивидуальное 3D планирование. Индивидуальные ревизионные эндопротезы по антропометрическим данным пациента. Кейсы
Кейс 1. Онкоортопедия
Пациент с солитарным метастазом рака почки в среднюю треть диафиза большеберцовой кости. Согласно клиническим рекомендациям, пациенту показана радикальная операция.
Представлен вариант реконструкции диафиза большеберцовой кости на основе интрамедуллярного остеосинтеза, обеспечивающего первичную стабильность, в сочетании с индивидуальным диафизарным имплантатом. В таком варианте замещения дефекта персонифицированная конструкция обеспечивает оптимальные условия для остеоинтеграции на границе кость-имплантант.
Подобный вариант реконструкции кости сопоставим по эффективности с онкологическим диафизарным эндопротезированием. Однако стоит отметить преимущество экономической составляющей и доступности на сегодняшний день в сравнении со сложно доступными и высокими в стоимости онкологическими протезами.
Кейс 2. Ревизионное эндопротезирование тазобедренного сустава
Пациентка 60 лет. Родственники обратились с просьбой проанализировать ситуацию по МСКТ снимкам.
При осмотре выявлен дефект вертлужной впадины. Как оказалось, вертлужный компонент эндопротеза тазобедренного сустава мигрировал в таз. По 3D-реконструкции был проработан подробный план по его извлечению.
В контакте с лечащим врачом разработана модель индивидуального вертлужного компонента тазобедренного сустава под вкладыш, который выполнял роль опорной конструкции при фактическом недостатке костной структуры для опоры.
Кейс 3. Цементные спейсеры для подготовки к ревизионному эндопротезированию
При глубокой перипротезной инфекции коленного сустава проводится 2 -х этапное ревизионное эндопротезирование. На первом этапе удаляется эндопротез и устанавливается цементный спейсер (временная конструкция).
Кейс 4. Предоперационное планирование при онкологии печени
3D-реконструкция модели печени дает более детальное и точное представление о структуре печени, ее анатомических особенностях. Помогает хирургам определить местоположение опухоли, размеры и отношения с окружающими сосудами и другими органами.
3D-реконструкция позволяет планировать оптимальные местоположения разрезов и подходов к печени, что может снизить риск повреждения сосудов и минимизировать потерю крови во время операции. Предварительная оценка объема резекции помогает предотвратить лишние повреждения печени и сохранить как можно больше здоровой ткани.
Кейс 5. Ревизионное эндопротезирование коленного сустава индивидуальными пористыми аугментами (конструкции для заполнения дефекта кости)
Пациент- женщина 75 лет. Ревизия после первичного эндопротезирования с нагноением. Конструкции эндопротеза удалены, установлен цементный спейсер. Далее недостающие опорные конструкции из пористого титана были изготовлены по индивидуальным антропометрическим данным пациента, с учетом геометрии выбранного серийного изделия. И в дальнейшем установлены пациентке.
Кейс 6. Изготовлен индивидуальный направитель для установки окципитальной Y-образной пластины и сделана 3-х мерная модель спинного мозга с сосудами, корешками для точного проведения винтов при операции у ребенка с краниоцервикальной патологией и нестабильностью в шейном отделе.
Индивидуальные хирургические направители в данном случае играют немаловажную роль. Например, при установке окципитальной Y-образной пластины задача провести винт через самую толстую часть гребня затылочной кости. Вершина гребня находится с внутренней стороны. 3D-планирование и создание индивидуального направителя для сверла позволяет быть уверенным в выборе траектории введения инструмента.
К сожалению, в этой области наиболее часто возникают пороки развития и нарушения формирования. Они могут встречаться как у внешне здоровых детей, так и сопровождаться разными степенями кривошеи и неврологическими расстройствами, вплоть до тетраплегии (паралича конечностей) и нарушения дыхания.
Планы и перспективы развития отдела биоинженерных и аддитивных технологий
Подобные технологии требуют достаточно много времени и усилий, и применяются в определённых нестандартных ситуациях, где без этого сложно обойтись. Они довольно трудно применимы для повседневного потока в условиях стационара. Но борьба за жизнь и здоровье пациентов, энтузиазм врачей дают стимул для того, чтобы браться за сложные виды работ, стремиться к осуществлению своих намерений и достигать успехов на этапе подготовки к операции. Мы планируем внедрять подобные технологии в рутинную практику.
Рис. 7. Добиваясь удешевления технологий, мы получаем доступ для работы в таких сферах как дополненная и виртуальная реальность. Это рассматривается нами как вспомогательный инструмент для быстрой ориентации в ходе операций, на сложно разветвленных системах кровоснабжения и других видах вмешательств где это применимо.