Роль трехмерного моделирования в современной кардиохирургии

Благодаря развитию информационных технологий в настоящее время можно получать высококачественные изображения сердца с помощью мультиспиральной компьютерной томографии (МСКТ) и магнитно-резонансной томографии (МРТ) и переводить их в трехмерный формат с возможностью дальнейшей печати.

Трехмерная (3D) печать является многообещающей технологией, хорошо зарекомендовавшей себя для индивидуализации лечения в ортопедической хирургии [1], но польза от ее применения в сердечно-сосудистой хирургии еще не определена. В связи с анатомическими и физиологическими особенностями сердце достаточно сложно поддается моделированию, и долгое время не было возможности использовать этот инструмент в клинической практике. Благодаря появлению современных программ, позволяющих с высокой точностью проводить сегментацию структур сердца и затем преобразовывать в формат, пригодный для 3D-печати, все большее количество клиник стали использовать новый способ предоперационного планирования [2]. После распространения данной технологии начался поиск области в сердечно-сосудистой хирургии, где можно применять ее с наибольшей пользой. Специальная группа по 3D-печати радиологического общества Северной Америки разработала рекомендации с изложением конкретных клинических ситуаций, в которых желательно использование 3D-печати. Такие врожденные пороки, как общий артериальный ствол, правый желудочек с двойным отхождением магистральных сосудов и левый желудочек с двойным отхождением магистральных сосудов, получили высший класс рекомендаций [3].

Модели, напечатанные на 3D-принтере для конкретного пациента, могут использоваться не только для планирования хирургического вмешательства, но и для тренировки выполнения сердечно-сосудистых операций, повышения осведомленности пациентов, а также для разработки и оттачивания новых методов хирургического лечения болезней сердца.

Цель систематического обзора — оценка клинической пользы технологии 3D-печати при планировании, разработке и изучении методик сердечно-сосудистых вмешательств, а также ограничений 3D-моделирования.

Был произведен систематический запрос литературы по базам данных PubMed и eLibrary с использованием ключевых терминов «3D-печать», «3D модель», а также одного из терминов «сердце», «сердечно-сосудистая», «кардиохирургия». Были определены вмешательства, которые сопровождаются созданием индивидуальных трехмерных моделей, и затем произведен дополнительный поиск, используя термин «3D-печать» с одним из следующих терминов: «аортальный клапан», «митральный клапан», «трехстворчатый клапан», «клапан легочной артерии», «врожденный порок сердца», «миксома», «гипертрофическая кардиомиопатия». Применяли следующие фильтры: клинические исследования, обзоры литературы, метаанализы, систематические обзоры. Временные рамки публикаций: с 1 января 2010 г. по 1 ноября 2023 г. Критериями включения были: использование авторами, по крайней мере, одной индивидуальной распечатанной на 3D-принтере модели сердца пациента применительно к выполнению, тренировке, разработке сердечно-сосудистых вмешательств, также включены обзоры литературы и метаанализы, посвященные применению индивидуальных 3D-моделей в сердечно-сосудистой хирургии. Сердечно-сосудистое вмешательство было определено как открытое хирургическое или транскатетерное вмешательство на сердце и/или восходящей аорте. Исследования, в которых описывали применение неиндивидуальных 3D-моделей, работы, посвященные описанию методики моделирования, и статьи о тканевой инженерии или биопечати были исключены.

После удаления дублирующих записей выделено 308 статей, соответствующих ключевым поисковым запросам, из которых в общей сложности 109 соответствовали критериям включения. Большая часть выявленных исследований была опубликована после 2017 г. Выбранные исследования разделены по следующим тематическим группам:

— обзоры использования технологий индивидуального 3D-моделирования и печати в кардиохирургии в целом (n=29);

— применение индивидуального 3D-моделирования и печати в подготовке к хирургическим вмешательствам при врожденных пороках сердца (ВПС) (n=28);

— исследования, посвященные вопросу эффективности 3D-моделей сердца для обучения студентов и ординаторов (n=11);

— применение индивидуального 3D-моделирования и печати для планирования вмешательств на атриовентрикулярных клапанах при приобретенных пороках сердца (n=13);

— использование индивидуального 3D-моделирования и печати модели сердца для планирования вмешательств на ушке левого предсердия (n=6);

— применение индивидуального 3D-моделирования и печати модели сердца с целью планирования процедуры транскатетерной имплантации аортального клапана (TAVI) (n=6);

— использование индивидуального 3D-моделирования и печати в планировании хирургического лечения тяжелой сердечной недостаточности, в том числе постинфарктной (n=5);

— применение индивидуального 3D-моделирования и печати модели сердца, пораженного опухолью, с целью планирования хирургического вмешательства (n=5);

— использование индивидуальной модели сердца в качестве наглядного пособия в общении с пациентом (n=4);

— применение индивидуального 3D-моделирования и печати модели сердца больного с гипертрофической кардиомиопатией (ГКМП) для определения объема миоэктомии (n=1);

— применение индивидуального 3D-моделирования и печати модели сердца для экспериментального тестирования нового хирургического устройства (n=1).

Исходя из анализа, можно сделать вывод, что индивидуальное 3D-моделирование и печать моделей сердца наиболее востребованы в хирургии ВПС и планировании транскатетерных вмешательств, когда врач не может непосредственно взглянуть на орган.

В рассмотренных работах обсуждались сферы применения индивидуального 3D-моделирования и печати, насколько точно модель воспроизводит сердце пациента, влияние использования упомянутых технологий на хирургическую стратегию, технику, время операции. Отдельное применение 3D-печать нашла в обучении практикующих сердечно-сосудистых хирургов и ординаторов, а также в наглядном представлении патологии пациентам.

I. Lau и соавт. [4] провели метаанализ исследований, посвященных трехмерному моделированию сердца пациентов с ВПС. По результатам работы точность размеров моделей была оценена как высокая, среднее отклонение составляло 0,04 мм, доверительный интервал — 0,16—0,23 мм. Ряд авторов отмечают, что динамичные тонкие структуры (клапаны, овальная ямка, хорды) плохо подходят для 3D-моделирования, так как исходные наборы данных не отображают их должным образом [5, 6].

Остро обсуждается вопрос с определением дизайна исследования, которое могло бы однозначно продемонстрировать эффективность технологии индивидуального 3D-моделирования и печати. Разнородность исследований и широкий спектр патологий снижают возможности по обобщению результатов.

C. Batteux и соавт. [7] предложили модель ретроспективного исследования, в котором эффективность индивидуального 3D-моделирования и печати оценивается с помощью анализа суждений групп специалистов (кардиохирурги, эндоваскулярные хирурги, кардиологи) по вопросам анатомии сердца и магистральных сосудов пациентов с мальпозицией магистральных артерий, хирургической стратегии и техники. Полученные ответы предлагается сравнивать с фактически выполненным хирургическим вмешательством. Такой дизайн исследования может выявить преимущества 3D-моделирования для специалистов, но не вносит ясности, какую конкретно пользу получает пациент. Также важно учитывать этический компонент: в ходе такого исследования часть детей должны получить, как считается, менее эффективный способ диагностики и планирования (без трехмерного моделирования). Имеются исследования, которые в качестве конечной точки предлагают брать, например, время операции и время пережатия аорты [6, 7]. Эти данные тяжело сопоставимы из-за отличий в хирургической технике в разных учреждениях и опыте хирургов, что снижает их клиническую значимость.

Использование метода индивидуального 3D-моделирования и печати сопряжено с большими временным (среднее время печати одной модели составляет 35±26 ч) и финансовыми (стоимость изготовления одной модели колеблется от 300 до 1000 долл.) затратами [5], что в совокупности с отсутствием значимой доказательной базы затрудняет широкое распространение данной технологии.

Несмотря на трудности, индивидуальное 3D-моделирование и печать постепенно входят в практику врача-кардиохирурга. Этому благоприятствуют положительные отзывы специалистов об улучшении понимания измененной анатомии пациента [5], что помогает в процессе предоперационной подготовки и планирования.

Спектр операций, в подготовке к которым использовали индивидуальные 3D-модели, очень широк: от закрытия дефекта межжелудочковой перегородки до коррекции транспозиции магистральных артерий и синдрома гипоплазии левых отделов сердца. Наиболее актуально применение данной технологии при сочетанных пороках [10].

I. Valverde и соавт. [5] одними из первых провели многоцентровое исследование по использованию индивидуального 3D-моделирования в лечении ВПС. В 19 (47,5%) случаях после знакомства с 3D-моделью специалисты меняли хирургический подход. В 1 случае было принято решение отказаться от операции; 96% хирургов согласились или полностью согласились с тем, что 3D-модели помогают снизить вероятность хирургических осложнений. Такие результаты позволяют сказать, что определенно есть клинический эффект от применения индивидуального 3D-моделирования и печати, но, принимая во внимание отсутствие рандомизированных исследований на больших группах с однородной выборкой по типу патологии, нельзя сделать окончательные выводы.

Существуют работы, сравнивающие стандартное ведение пациентов с ВПС без индивидуального 3D-моделирования и с применением данной технологии. Так, выбор хирургической тактики с учетом данных 3D-моделирования может уменьшить продолжительность операции [9—11], время пережатия аорты, время искусственной вентиляции легких и длительность пребывания в отделении интенсивной терапии [8, 12]. Но отличия в продолжительности операции и пережатия аорты не были статистически значимыми. В исследовании, показавшем уменьшение длительности пребывания в отделении интенсивной терапии [12], нет описания методики отбора пациентов и разделения их на группы.

Множество работ посвящено использованию индивидуального 3D-моделирования и печати в контексте подготовки к выполнению малоинвазивных вмешательств. Модель сердца или целевого сосуда позволяет заранее с большой точностью подобрать необходимый размер имплантируемого изделия, отработать методику его установки, что влияет на продолжительность операции, получаемую дозу рентгеновского излучения, эффективность вмешательства [13].

Использование индивидуального 3D-моделирования и печати с точки зрения влияния на результаты лечения обсуждалось в ретроспективном анализе группы из 30 пациентов, которым была выполнена транскатетерная установка окклюдера с целью закрытия множественных дефектов межпредсердной перегородки. В группе пациентов, которым вмешательство проводили после предварительной тренировки врача на 3D-модели сердца больного, реже требовалась интраоперационная замена окклюдера, реже встречалось остаточное шунтирование, что также привело к уменьшению затрат на лечение по сравнению с контрольной группой [14].

Существует несколько ретроспективных исследований по применению индивидуального 3D-моделирования при TAVI. Использование напечатанной модели помогало подобрать клапан нужного размера и предупредить парапротезную регургитацию, разрыв фиброзного кольца, обструкцию коронарных артерий [15—18].

Множество работ посвящено вопросам индивидуального 3D-моделирования и печати в предоперационном планировании окклюзии ушка левого предсердия. Это связано со значительной вариативностью его размеров, формы и положения. P. Liu и соавт. [19] в серии из 8 пациентов сообщили, что размер устройства, предсказанный с использованием 3D-модели, полностью соответствует размеру устройства, выбранному во время вмешательства. Благодаря использованию модели специалисты смогли предвидеть технические проблемы во время вмешательства, а также предупредить несостоятельность окклюдера после установки. В сравнительных исследованиях наблюдалось сокращение времени вмешательства и рентгеноскопии, а также снижение вероятности просачивания крови в полость ушка левого предсердия после имплантации устройства при периоперационном использовании 3D-моделирования [20—22]. Эти данные также были подтверждены в опубликованном в 2022 г. метаанализе [23].

H. Li и соавт. [24] провели первое проспективное рандомизированное клиническое исследование, в котором изучали использование индивидуального 3D-моделирования и печати при сердечно-сосудистых вмешательствах. В группе с использованием трехмерного моделирования не наблюдалось остаточного шунтирования, а лучевое воздействие было значительно ниже по сравнению с контрольной группой со стандартным ведением, в которой наблюдались 3 случая легкого остаточного шунтирования.

Таким образом, применение индивидуального 3D-моделирования и печати в контексте транскатетерных вмешательств показало весьма хорошие результаты и, несмотря на высокую стоимость создания 3D-моделей, может быть экономически выгодным. В настоящее время требуется разработка конкретных показаний для применения данной технологии.

Применение 3D-печати при заболеваниях сердца у взрослых можно свести к трем основным направлениям: предоперационное планирование или моделирование, обучение ординаторов и врачей и клинические консультации. Эта технология может помочь лучше оценить размер необходимого для имплантации искусственного клапана, понять необходимый объем миоэктомии при ГКМП, а также объем резекции при лечении опухолей сердца, дает возможность хирургу провести тренировочную операцию при выполнении сложной пластики митрального клапана [25].

Не найдено работ с описанием конкретных клинических эффектов, обусловленных применением индивидуального 3D-моделирования в сравнении с контрольной группой. Однако проводя параллель с использованием этой технологии в области лечения ВПС, можно сказать, что благодаря повышению точности предоперационного планирования может потенциально снизиться частота осложнений и/или смертность и улучшатся результаты хирургического лечения.

Активно рассматривается вопрос применения индивидуальных трехмерных моделей с целью теоретического и практического обучения студентов, ординаторов и хирургов. Применение таких моделей позволяет улучшить понимание анатомии сердца, а выполнение тренировочных операций на них повышает качество хирургических навыков [26]. В одном из крупнейших на сегодняшний день исследований хирурги (n=50) оценивали качество моделей как приемлемое (88%) и согласились с тем, что модель предоставила необходимую информацию о патологии (85%). Однако консистенция и эластичность материалов, особенно клапанов, в основном оценивались как отличные от тканей человека [27]. Систематические тренировки на трехмерных моделях сердца привели к сокращению времени операции при моделировании закрытия дефекта межжелудочковой перегородки [26], операции артериального переключения [28] и коррекции других ВПС.

Индивидуальные трехмерные модели сердца показывают эффективность при планировании хирургического вмешательства и обучении новым техникам. Особенно актуально применение технологий трехмерной визуализации у пациентов со сложной анатомией сердечно-сосудистой системы ввиду ВПС и при выполнении транскатетерных вмешательств. Преимущества для пациентов включают: сокращение времени вмешательства, снижение радиационного воздействия, уменьшение сроков пребывания в отделении реанимации и респираторной поддержки с помощью ИВЛ, а также улучшение результатов операции. Недостатки данной технологии: высокая стоимость изготовления моделей, отсутствие в большинстве центров оборудования для 3D-печати, отсутствие квалифицированных специалистов в области моделирования сердца, отличие механических свойств материала модели от ткани настоящего сердца. Необходимо больше фактических данных, чтобы разработать конкретные рекомендации по применению и гарантировать внедрение индивидуального 3D-моделирования и печати в рутинную клиническую практику. Для оптимизации временных и финансовых затрат стоит налаживать взаимодействие с центрами, где практикуется 3D-моделирование, а также есть необходимое оборудование.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.