Перейти к содержимому

Как 3D-печать помогает в сложной хирургии аневризмы головного мозга

В последние годы достижения в области внутрисосудистых технологий помогли уменьшить необходимость в операциях по удалению аневризмы головного мозга. Минимально инвазивные внутрисосудистые методы в настоящее время используются в большинстве случаев при аневризмах мозга низкой сложности. В более сложных и тяжелых случаях, когда внутричерепная операция абсолютно необходима, 3D-печать используется как инструмент интраоперационного руководства и планирования для снижения риска и улучшения результатов. Один из ведущих хирургов в этой области, Сахин Ханалиоглу, доктор философии, из отделения нейрохирургии Университета Хаджеттепе, стал пионером в использовании напечатанных 3D-моделей для улучшения результатов хирургического вмешательства.

Проблема: в приведенном ниже случае у пациента обнаружена аневризма головного мозга больших размеров. Аневризма — это сосудистая мальформация (выпуклость кровеносного сосуда, вызванная слабостью стенки кровеносного сосуда), и, если аневризма сосудов головного мозга разрывается, это может привести к кровоизлиянию в мозг. Кроме того, если аневризма тромбируется (когда сгустки крови закупоривают вены или артерии), она может стать источником эмболии. 

Решение: исключить аневризму из нормального мозгового кровообращения. Аневризмы обычно располагаются глубоко в мозге, и чтобы добраться до них, необходимо с помощью микрохирургической техники аккуратно разделить мозговые трещины и естественные коридоры, рассекая их по окружности. В конце концов, аневризма будет исключена из кровообращения с помощью хирургических зажимов, а рана будет закрыта. Эта процедура называется клипированием. 

Традиционный метод в сравнении с 3D-печатью: традиционно хирурги головного мозга используют изображения КТ или МРТ, а также собственные анатомические знания, чтобы мысленно представить себе трехмерные отношения патологии. Теперь, благодаря технологии 3D-печати и 3D-симуляции, они могут легко увидеть осязаемую анатомию как на экране (гарнитура 3D VR), так и на напечатанной 3D-модели.

Технология визуального 3D-симулирования достигла невероятных успехов в последние годы, но для многих хирургов физическое прикосновение и практика на индивидуальной модели могут оказать еще большее положительное влияние на результаты хирургических операций. Многослойные, сегментированные и полностью интегрированные модели от Btech могут помочь при краниотомии, когда хирург должен просверлить череп и удалить его часть, чтобы создать "хирургическое окно", не повредив ткани под ним.

Эта уникальная модель не только позволяет хирургам визуализировать, но и помогает им симулировать операцию. Хирурги имеют возможность репетировать операцию и применять различные подходы к воздействию на патологию до фактической даты, чтобы понять преимущества и недостатки определенных хирургических методов, а также изучить препятствия.

Команда использовала для подготовки ПО PreForm для ориентации и печати деталей.

Важно отметить, что использование напечатанных моделей помогает укрепить уверенность перед сложной процедурой. "Вы не увидите никаких сюрпризов во время операции, вы можете все отрепетировать перед операцией. Это очень важно в моей собственной практике и для многих хирургов, с которыми я общаюсь", - говорит Ханалиоглу. 

Другие преимущества 3D-печати: напечатанные модели также важны для обучения аспирантов и студентов, и для пациентов. Существуют различные радиологические методы, такие как МРТ-ангиография и трехмерная объемная томография МР-венография, позволяющие получить полностью сложные модели. Однако каждый из этих методов может визуализировать одну или две определенные ткани внутренней структуры мозга, например, диэнцефальные структуры или структуры желудочков. Но структуры мозга анатомически изменяются или смещаются при наличии дополнительной патологии, например, опухоли. «Поэтому нам необходимо заново визуализировать и реконструировать новую форму нормальной ткани в зависимости от типа патологии. Эти модели являются индивидуальными и полностью персонализированными моделями в зависимости от заболеваний или патологий пациента", - говорит Ханалиоглу.

Ханалиоглу рассказал, что "иногда при сложной операции только главный хирург может быть полностью осведомлен о том, где у пациента проблемы. Теперь, с напечатанными моделями, все, даже ординаторы, идут на операцию со знанием дела. Это облегчает интраоперационное руководство".

Он продолжил, сказав, что "напечатанные 3D-модели помогают нам репетировать операции с ординаторами, студентами и другими коллегами. Когда у вас есть напечатанная модель, она становится ценной для обучения студентов-медиков и ординаторов или молодых нейрохирургов для обсуждения операции", - сказал Ханалиоглу.

Справа представлены различные методы, показывающие различные части одной единственной реальности, которой является эта трехмерная патология. Но как только у вас появляется напечатанная модель, вы получаете все эти различные фрагменты информации в одном месте. Слева - текущая операция. 

Как создавать 3D-модели: Btech использовал программное обеспечение Materialise (Mimics) для сегментации модели. Биомедицинский инженер использует данное ПО для импорта каждого DICOM-файла, полученного с помощью различных модальностей. Сегментация, моделирование и симуляция выполняются с помощью функций программного обеспечения, а окончательный файл экспортируется в формате .stl или .obj. Хирург также может быть вовлечен в этот процесс, чтобы помочь определить патологию и точно настроить окончательный цифровой файл для печати. Например, хирург может помочь определить интерференцию между двумя сосудами, используя свой опыт для перепроверки каждой модели. Несмотря на высокое разрешение методов визуализации, второе мнение неоценимо для таких сложных систем. 

Хирургический случай: Пациентка 55 лет с подозрением на приступы была проанализирована и обследована сначала с помощью КТ и МРТ головного мозга. При визуализации мозга было обнаружено образование размером 1,5 см в левой Сильвиевой щели между лобной и височной долями мозга. Первым предположением была огромная опухоль или возможность аневризмы. После дальнейшей визуализации было подтверждено, что речь идет о тромбированной гигантской аневризме (более 2 см). Когда внутри аневризмы обнаруживается тромб, маленькие и толстые тромбы (сгустки крови) могут перемещаться в дистальные артерии, блокируя их. Эти закупорки прекращают кровоснабжение важных участков мозга, вызывая инсульт у пациента.

На тот момент, когда хирургическое лечение было представлено как вариант, медицинская команда использовала цифровые модели передовых методов визуализации, таких как КТ, МРТ, МР-ангиография и 3D-вращательная цифровая субтракционная ангиография, и обсудила с пациентом планирование хирургического вмешательства. В подобной острой ситуации, требующей срочного хирургического вмешательства, использование 3D-модели может помочь хирургу представить себе и попрактиковаться, а также помочь пациенту свыкнуться с мыслью о процедуре.

Как видно из цифрового моделирования, цвет, углы и положение цифровой модели можно изменять и имитировать окончательную операцию. Это изображение показывает сложные взаимоотношения центральных призм с нижележащими сосудами. Модель позволяет хирургам увидеть взаимосвязь основных ветвей под мозгом и смоделированное клипирование до операции, поэтому при подготовке к операции визуальная информация легко доступна, что приводит к более эффективным процедурам.

Проблемы и соображения: Одним из недостатков использования 3D-печати является время, необходимое для создания моделей. Ханалиоглу рассказал нам, что ему требуется не один и не два дня для полной подготовки и печати моделей. Поэтому для срочных случаев создание 3D-моделей может оказаться невозможным. 

Хирурги также должны убедиться, что у них есть необходимое оборудование, которое включает сканер с высоким разрешением и качественный 3D-принтер. 

По словам Ханалиоглу, при выборе 3D-принтера он обращает внимание на следующие основные характеристики: 

  • Возможность печати как твердыми, так и мягкими материалами. Это необходимо потому, что могут понадобиться модели как черепов, так и артерий.
  • Разрешение деталей очень важно, чтобы как можно точнее смоделировать операцию.
  • Затраты должны быть разумными в расчете на одну деталь.

3D-печать, трупы и планирование хирургических операций: Большинство практикующих врачей воспринимают напечатанные модели как дополнительный инструмент, а не как замену трупам. Тем не менее, существуют ограничения в практике исследований, основанных исключительно на трупах, и учреждения все чаще используют напечатанные модели для устранения любых пробелов в знаниях при небольших затратах.  

Если в ординаторской группе много студентов, профессора не могут обучать каждого студента индивидуально. "Трупы можно использовать для базового обучения, а более детальные репетиции процесса можно проводить с помощью напечатанных физических моделей. Конечно, в зависимости от уровня студентов-медиков, детали напечатанной модели могут быть скорректированы.  Например, раскрашивание различных частей модели может быть полезно для начинающих студентов", - говорит Ханалиоглу.

Поэтому, как напечатанные модели, так и трупы должны использоваться совместно, чтобы обеспечить максимальную ценность в медицинском образовании.

Напечатанный череп с обнаженным мозгом и артериями, используемый для тренировочной краниотомии.

Приятной стороной напечатанной 3D-модели является то, что мозг прозрачен, и аневризма и сосуды под височной и лобной долями мозга легко видны. Важность физической напечатанной модели по сравнению с цифровыми 3D-моделями хорошо видна, когда хирурги недостаточно опытны для проведения операции! Напечатанная модель может помочь неопытным хирургам стандартизировать положение аневризмы и краниотомию.

Хотя цифровые 3D-модели позволяют регулировать и сегментировать виртуально, например, менять положение, не хватает тактильной обратной связи. В напечатанной модели хирурги могут иметь различные углы обзора мозга, меняя свои собственные позиции. Однако это не обратимо, если модель повреждена или разрезана. 

Материалы, используемые для печати моделей: в данной напечатанной модели сосуды мозга, ткани и анатомия черепа были получены с помощью визуализации. Для печати моделей костей использовалась Durable Resin, а для печати тканей и сосудов мозга - Elastic 50A Resin. Модели печатались на SLA 3D-принтере Form 3B+.

Ханалиоглу использовал Elastic 50A из-за его эластомерных свойств; его способность имитировать ткань артерии полезна для точной практики.  По его словам, в последние годы "материалы были усовершенствованы. На ощупь они гораздо больше похожи на артерии". Наконец, Ханалиоглу раскрасил напечатанные модели артерий, чтобы помочь в идентификации.

Предыдущая статья 3D-принтеры для большой печати: сравнение UltiMaker S5 и BCN3D Epsilon W27