Применение технологии трехмерной печати при планировании тактики хирургического лечения сложных врожденных пороков сердца

Появившаяся совсем недавно технология 3D-печати стала широко использоваться в новых отраслях промышленности, что улучшило производительность и качество работы предприятий, а также способствовало быстрому технологическому прогрессу. Доступность 3D-моделирования в таких сферах производства, как авиационная промышленность, судоходная индустрия, разработка компьютеризированной техники и виртуальное моделирование значительно повысила эффективность, качество, скорость и точность выполнения поставленных задач, ранее выполнявшихся людьми вручную.

Усовершенствование технологий, несомненно, отражается и на медицине и позволило разработать такие методы визуализации, как рентгенологическое и ультразвуковое исследование, компьютерная томография. Наряду с повышением производительности, улучшением качества работы предприятий, а также c быстрым технологическим прогрессом во многих областях промышленности технологию 3D-печати начали применять и в медицинской практике [2, 3]. Все это предоставляет возможность совершенствовать методы хирургической коррекции различных заболеваний.

С течением времени хирургия становится все более сложной и миниатюризированной благодаря появлению лапароскопической, роботизированной и других форм миниинвазивной хирургии. С одной стороны, появился способ выполнения операции через хирургические доступы меньших размеров, можно уменьшать травматичность и способствовать снижению интенсивности боли в послеоперационном периоде, а также сокращать время заживления послеоперационных ран и длительность госпитализации пациента. Но, с другой стороны, повышается риск развития осложнений. Поэтому предварительное планирование хирургического вмешательства благодаря технологиям реконструкции рентгенографических изображений при компьютерной (КТ) и магнитно-резонансной томографии (МРТ), несомненно, позволяет снизить эти риски [1, 2]. Такие исследования выполняются большинству пациентам, которым планируется операция. Подобные технологии позволяют получить виртуальную 3D-реконструкцию любой области тела для определения более точной анатомии поражения и пространственного взаимоотношения органов и структур в области вмешательства, локализации опухоли и многого другого [3, 4]. КТ и МРТ помогают врачу ответить на многие вопросы. Но при моделировании сердца с магистральными сосудами у детей с врожденными пороками сердца довольно сложно оценить пространственное взаимоотношение магистральных сосудов, коронарных артерий, образований и дефектов, особенно внутрисердечных, что иногда не позволяет корректно выбрать тактику хирургической коррекции.

В сердечно-сосудистой хирургии эту технологию начали активно применять в течение последних 8 лет, о чем свидетельствует незначительное количество публикаций, большинство из которых являются клиническими случаями и затрагивают вопросы применения трехмерной печати при лечении взрослых пациентов [5, 14, 17]. Следует также отметить, что интерес среди специалистов к применению 3D-печати в детской кардиохирургии растет.

Настоящее исследование выполнено с целью анализа клинической эффективности 3D-печати в различных отраслях медицины и определения основных преимуществ применения этой технологии в хирургии врожденных пороков сердца.

Был проведен поиск публикаций в библиографических базах PubMed, Web of Science, Scopus и национальной библиографической базе данных научного цитирования (РИНЦ), посвященных использованию технологии трехмерной печати в хирургии. Исследования, выполненные не в области хирургии, исключались из анализа.

Всего в национальной библиографической базе данных научного цитирования (РИНЦ) и в иностранных базах цитирования найдено 367 статей (36 и 331 соответственно) по применению 3D-печати в хирургии, из которых 25 исследований не связаны с трехмерной печатью. В области сердечно-сосудистой хирургии выполнено 87 работ, включающие 31 статью, связанную с детской кардиохирургией, в том числе 16 клинических случаев. Следует также отметить, что среди этих 87 публикаций в области интервенционной коррекции пороков сердца издано 23 работы.

3D-печать уже используется во многих медицинских областях для изготовления нестандартных хирургических инструментов, направляющих, устройств доставки, приспособлений и веществ, ортопедических изделий и др. [6—8]. Но все же в большей степени применение 3D-печати в медицине все еще находится на стадии исследований и разработок [9]. На данный момент существует множество работ с демонстрацией опыта применения 3D-печати в медицинской практике с различными целями. Некоторые применяют этот способ для изготовления медицинских устройств и приспособлений, например, в таких областях медицины, как пластическая и реконструктивная хирургия [10]. Другие применяют 3D-печать для изучения анатомии и синтопии, например, в гепатологии при резекциях печени по поводу новообразований [11, 12]. Но большинство работ все же имеется в области стоматологии и челюстно-лицевой хирургии, особенно при реконструкциях нижней челюсти [13, 14]. Результаты исследований P. Tack и соавт. [8] демонстрируют преимущества применения моделей органов для оценки анатомии и патологии, полученных методом 3D-печати, по сравнению с традиционными методами визуализации в медицине.

В таких разделах медицины, как онкология, сердечно-сосудистая хирургия, травматология и ортопедия, такой способ визуализации любой анатомической зоны позволит улучшить результаты лечения пациента, так как появится возможность оценить пространственное взаимоотношение анатомических структур, образований и снизить риск развития возможных неблагоприятных последствий манипуляций в зоне операции. Кроме того, при печати с применением таких полимеров, как силикон, можно выполнить все запланированные манипуляции на изготовленной модели. Разъяснение пациенту и его родственникам плана операции и вариантов коррекции патологии будет более продуктивным и понятным при использовании напечатанной 3D-модели.

Очевидно, что чем более сложной является анатомическая область и чем меньше размеры структур, дефектов и образований, тем сложнее для хирурга представляется задача планирования варианта и этапов операции в каждом случае. При наличии идентичной физической анатомической модели, например какого-либо органа, значительно повышается вероятность избежать неблагоприятных последствий при выполнении операции, поскольку появляется возможность точной оценки как размеров интересующих структур, так и их пространственного взаимоотношения. Использование этого метода в челюстно-лицевой хирургии, а также в травматологии и ортопедии существенно улучшило результаты пластических и реконструктивных операций [15, 16]. В то же время в смежных разделах хирургии (хирургия печени, кардиохирургия) 3D-печать только начинает применяться. Это связано в том числе с методами и технологиями подготовки данных исследований для трехмерной печати, а также с зонами интересов для хирурга. За последние года технология 3D-печати значительно усовершенствовалась, стала более доступной, появляется возможность печати с применением гибких и эластичных полимеров, таких как силикон. Изготовление паренхиматозного и/или полого органа, в первую очередь, фокусируется на внутренней области, например, на дефекте межжелудочковой перегородки при врожденном пороке сердца и ее расположении по отношению к магистральным сосудам. При реконструкции костных структур наиболее важно акцентировать внимание на наружных ее зонах и областях. Основными показателями успеха применения 3D-печати во всех областях медицины были продолжительность операции, точность манипуляций или позиционирования, соответствие 3D-модели реальным размерам, функциональные особенности. В результате проведенных исследований в онкохирургии выявлено, что метод 3D-печати в рамках предоперационной подготовки позволил уменьшить продолжительность операции, снизить кровопотерю и сократить длительность послеоперационного восстановления [8].

Применение изготовленных этим способом различных устройств медицинского назначения, таких как имплантаты, протезы и ортопедические устройства, все больше демонстрирует не только индивидуализированный подход к каждому пациенту, но и улучшение результатов лечения и качества жизни. Кроме того, все рандомизированные контролируемые исследования доказывают высокую эффективность использования метода 3D-печати в медицине по сравнению с другими имеющимися способами диагностики и виртуальной оценки. Однако в одном исследовании в области травматологии и ортопедии авторы пришли к выводу, что улучшение результатов лечения с применением технологии 3D-печати было незначительным [17].

Из-за вариабельности расположения аневризм, участков расслоений аорты и клинических проявлений этих заболеваний хирургические вмешательства при поражениях аорты остаются очень сложными. Благодаря использованию трехмерных моделей и печати возможна не только верификация диагноза, но и оценка всех сегментов и анатомии аорты. Точность, обеспечиваемая трехмерным моделированием, имеет важное значение для выбора подходящего эндопротеза, особенно у пациентов с обширной атеросклеротической аневризмой аорты, которым планируется экстраанатомическое шунтирование [18]. E. Nocerino и соавт. [5] в 2016 г. представили два случая клинического применения 3D-печати у взрослых кардиохирургических пациентов. Целью являлась оценка пространственного расположения магистральных сосудов относительно друг друга и структур сердца с последующим выполнением их протезирования. В результате такой подход позволил учесть специфические особенности имеющейся патологии, выбрать лучший вариант хирургической коррекции и нивелировать риски развития фатальных интраоперационных осложнений. Авторы этих работ подтверждают превалирование преимуществ трехмерной печати в сердечно-сосудистой хирургии над ее недостатками, но данные исследования затрагивают лишь взрослых пациентов.

Существуют исследования, посвященные изучению анатомических и морфометрических параметров на фиксированных препаратах органов, в том числе изготовленных методом силиконовой пластинации [19]. Такие препараты позволяют оценить вариантную анатомию патологии, изучить возможные способы коррекции, провести точную сравнительную оценку любых параметров и измерений. Главным недостатком этого метода является отсутствие индивидуального подхода к лечению, поскольку эти препараты изготавливаются на основе нативных органов.

Применение 3D-печати в детской кардиохирургии, по данным некоторых исследований, может быть не менее эффективным [20, 21]. В ряде публикаций отмечается, что напечатанные модели сердца более информативны по сравнению с методами виртуальной трехмерной визуализации. I. Valverde и соавт. [20] считают, что использование печатных 3D-моделей в дооперационном планировании может значительно улучшить качество выполнения сложных хирургических вмешательств, таких как процедура Nikaido у пациентов с транспозицией магистральных артерий и обструкцией выходного отдела левого желудочка. Кардиохирурги НИИ кардиологии (г. Томск) одними из первых в России применили метод трехмерной печати в детской кардиохирургии при планировании тактики хирургической коррекции у ребенка с аномальными мышечными тяжами в правом желудочке, которые приводили к формированию дополнительных полостей. На напечатанной 3D-модели сердца удалось детально изучить анатомические особенности инфундибулярного отдела правого желудочка, локализацию дефекта межжелудочковой перегородки, что позволило определить наиболее оптимальный план операции и успешно выполнить коррекцию порока. Авторы пришли к выводу, что своевременное выполнение компьютерной томографии сердца с дальнейшим созданием физической трехмерной модели позволяет выбрать правильную хирургическую тактику для коррекции врожденного порока сердца [21].

Другое весьма привлекательное применение трехмерных моделей — планирование хирургического лечения у детей с синдромом гипоплазии левых отделов сердца [22, 23]. Исследования проводили с целью определения варианта пластики легочных артерий с использованием предварительно напечатанной 3D-модели. Кроме того, очень важным и до сих пор нерешенным остается вопрос об эффективности 3D-моделирования перед трансплантацией у пациентов с измененной циркуляцией (после операции Фонтена), у которых всегда имеют место изменения в анатомии и топографии магистральных сосудов в результате выполненных операций [24].

В результате проведенного анализа литературы следует отметить, что количество центров, которые внедрили в клиническую практику технологии трехмерной печати, в частности, в сердечно-сосудистой хирургии, увеличивается с каждым годом. Планирование операции и изучение особенностей порока на напечатанной 3D-модели сердца и сосудов становятся все более актуальными и приводят к улучшению результатов хирургического лечения, в том числе у больных с врожденными пороками сердца. Использование этого метода имеет перспективы как при оценке внутрисердечной анатомии, так и при экстракардиальных пороках в виде изолированных сосудистых аномалий, а также в структуре врожденных пороков сердца, например, аорто-легочных коллатералей у пациентов с атрезией легочной артерии. На 3D-модели предоставляется возможность детального изучения топографической анатомии этих коллатералей, что чрезвычайно информативно при предоперационном планировании.

В такой области сердечно-сосудистой хирургии, как врожденные пороки сердца, хирургическая коррекция зачастую необходима в периоде новорожденности и грудном возрасте. Это еще одна область хирургии, где реконструированная анатомия имеет первостепенное значение, поскольку эффект выполненной операции напрямую определяет гемодинамические последствия у пациента.

Трехмерная печатная модель сердца и магистральных сосудов у пациентов с врожденными пороками сердца предоставляет возможность точной дооперационной оценки анатомии порока в каждом отдельном случае, т.е. пространственного взаимоотношения анатомических образований, таких как магистральные и коронарные артерии, внутрисердечные дефекты и аномалии. Все это позволит составить индивидуальный предварительный план хирургической коррекции сложных врожденных аномалий сердца и сосудов у детей, предвидеть возможные сложности и определить оптимальную тактику лечения. Это будет способствовать уменьшению рисков развития осложнений, сокращению времени операции и искусственного кровообращения. Кроме того, в случае печати 3D-модели сердца и магистральных сосудов с применением мягких и гибких материалов, таких как силикон, появляется возможность выполнения запланированного способа коррекции порока и оценки эффективности непосредственно на модели.

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых — кандидатов наук (МК-376.2020.7).

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

The authors declare no conflict of interest.