3D-печать в челюстно-лицевой хирругии
Доктор-онколог клинического онкологического диспансера №1 (г. Краснодар, Россия) Грант Забунян впервые провел планирование операций на кости нижней челюсти с помощью 3D-моделей и реконструировал челюсть пациента после резекции. В ряде операций были пересажены фрагменты лопатки, подвздошной кости пациентов. Технология создания 3D-модели челюсти пациента на основе компьютерной томографии и DICOM-файлов предоставлена руководителем группы “Станции трехмерной печати” в Молодежном центре Краснодара Артемом Соболевым. Прототипирование осуществлялось на российских 3D-принтерах PICASO 3D, для обработки использовалось условно-бесплатное программное обеспечение.
В наше время злокачественные новообразования представляют для общества одну из наиболее серьезных проблем, причем не только медицинского, но и социального, и экономического характера. В России, как и во многих других странах, отмечается неуклонный рост онкозаболеваний, что влечет за собой необходимость совершенствования как применяющихся методов, так и организаций, оказывающих специализированную помощь в данной сфере. Новые подходы к решению подобных вопросов привели к использованию, в том числе, и аддитивных технологий (в разговорной речи встречается также название «3D-печать»).
Патогенез опухолей ротовой полости является поликомпонентным. Основными причинами появления раковых образований в ротовой полости врачи называют пристрастие к алкоголю и курению. К развитию опухолей приводят и ранее некачественно установленные импланты, которые травмировали слизистую ротовой полости, а также предраковые заболевания и папилломавирус человека (ВПЧ).
Раньше использовались традиционные методы борьбы с этими заболеваниями, и при подобных поражениях целостность челюсти не восстанавливалась. Фрагмент с опухолью удалялся, болезнь была побеждена, но в большинстве случаев снижалось качество жизни пациента, который впоследствии испытывал трудности с жевательной функцией и артикуляцией. Грант Забунян — первый врач-онколог в Клиническом онкологическом диспансере №1 г. Краснодара, осуществивший планирование операций на нижней челюстной кости с помощью 3D-модели и выполнивший реконструкцию нижней челюсти пациента после резекции (рис. 1).
Рассказывает Грант Забунян, врач-онколог: «Мой выбор пал на 3D-печать, потому что не существует других способов, чтобы потрогать руками пораженную опухолью челюсть целиком, отбросив все мягкие ткани, или чтобы прицелиться и отточить операцию до ее начала (рис. 2). В итоге, в нашей клинике уже сделано шесть резекций нижней челюсти с одномоментным реконструктивным этапом с использованием фрагмента лопатки, а также одна — с использованием подвздошной кости и еще одна — с фрагментом малоберцовой кости.
В представленных примерах реконструкций с использованием фрагмента лопатки мы делали только копию нижней челюсти, на которой могли прорепетировать уровень резекций и длину забираемого трансплантата. В случаях с малоберцовым лоскутом требуется выполнить проектирование длины, углов отпила забираемого материала. К тому же, необходимо придать прямой кости форму подковы (подобное моделирование требуется чаще всего). Это делается путем выпиливания клинов определенного вида в некоторых местах, чтобы полностью воссоздать резецированную челюсть.
На представленных фотографиях изображен снимок челюсти пациента, где трансплантатом является фрагмент лопатки в позиции резецированной нижней челюсти справа (то, что находится между металлическими пластинами). Как можно заметить, произошла полная консолидация краев, то есть резецированная кость полностью замещена фрагментом лопатки. Реабилитация больного прошла успешно, и качество его жизни вернулось на прежний уровень».
Артем Соболев, руководитель обучающего направления группы «Станции трехмерной печати» на базе Молодежного центра в Краснодаре, рассказывает о проекте: «Наша группа занимается поставкой 3D-принтеров, оказывает услуги по 3D-моделированию, 3D-сканированию, прототипированию и 3D-печати, обучает этому инновационному направлению молодежь и специалистов предприятий Краснодара и Краснодарского края. Стоит отметить, что 3D-печать находит сегодня широчайшее применение в различных областях медицины. Помимо медицины, в частности хирургии и протезирования, особенно быстро эти технологии развиваются в инструментальной промышленности, аэрокосмической и военной отраслях.
В 2015 году Грант обратился ко мне с интересным предложением — для его работы необходимо было создать 3D-модель челюсти пациента (Подробнее о печати фрагментов человеческих костей см. в свободно распространяемой книге «Доступная печать для науки,образования и устойчивого развития»), основываясь на компьютерной томограмме черепа и DICOM-файлах (DICOM (англ. Digital Imaging and Communications in Medicine) — отраслевой стандарт создания, хранения, передачи и визуализации медицинских изображений и документов обследованных пациентов). Интерес и желание попробовать свои силы и помочь страдающему от недуга человеку стали двигателями проекта, при реализации которого мне представился шанс самому попробовать напечатать подобную модель (рис. 3).
При подготовке проекта к 3D-печати необходимо было убрать «артефакты» (побочные шумы), которые присутствовали на томограмме. Для создания 3D-модели было использовано программное обеспечение Blender, которое позволяет не только смоделировать прототип, но и проверить его на наличие ошибок и адаптировать для 3D-печати (рис. 4).
В настоящее время, за год сотрудничества с докторами ГБУЗ «Клинический онкологический диспансер №1» Министерства здравоохранения Краснодарского края, нами было распечатано 7 прототипов челюстей с различными степенями поражения (рис. 5).
Для наиболее сложных моделей использовалась так называемая «древовидная поддержка», создаваемая в программе Meshmixer. Проект выполнялся на трех принтерах PICASO 3D Designer российской компании PICASO 3D. Тогда это были односопельные принтеры, и удаление поддержек из того же материала из геометрически сложных моделей представляло довольно сложный и кропотливый процесс. В конце 2016 года эта же компания представила на рынке более продвинутую модель PICASO Designer PRO 250, позволяющую печатать модели несколькими материалами одновременно
Программа Meshmixer позволила оптимизировать затраты пластика, а построенные поддержки оставляли менее заметные следы на поверхности модели и легче удалялись. Так как для конечного прототипа требуется дополнительная обработка, при печати мы используем ABS пластик. Все используемые нами программы (, InVesalius, Meshmixer) доступны для бесплатного использования, и достаточно легки в освоении».
Подводя итоги удачного совместного проекта, можно отметить, что процедура применения прототипа при планировании операции достаточно проста и заключается в следующем: врач изучает дефект, держа модель в руках, определяет необходимость и степень хирургического вмешательства. Затем делаются необходимые замеры на распечатанном прототипе, чтобы впоследствии, во время операции, взять с лопатки или ребра этого же пациента фрагмент кости, необходимый для восстановления поврежденного участка челюсти. Подобное планирование сокращает время проведения операции и уменьшает риск возникновения осложнений.
В ближайшем будущем врачи ГБУЗ «Клинический онкологический диспансер №1» Министерства здравоохранения Краснодарского края планируют осуществить проект по изготовлению шаблона для создания челюстного импланта на основе малоберцовой кости.