Цель исследования — систематический обзор литературы по теме «Предоперационное планирование резекций печени при ее очаговых заболеваниях» и анализ клинический данных, полученных в ходе исследований.

Материал и методы

Поиск источников литературы выполнен по базам данных PubMed и РИНЦ среди статей, выпущенных за предыдущие 10 лет до февраля 2020 г., по ключевым словам «печень», «хирургия», «модель», «трехмерный», «дополненная реальность», «3D-печать», «liver», «surgery», «model», «three-dimensional», «3D», «augmented reality», «3D-printing», «additive technology». Использовали комплексную стратегию поиска без ограничений в отношении типа участников (возрастные или половые характеристики), дизайна исследования, типа результатов оценки. Отбор статей производили для 3 рубрик: трехмерное моделирование, технологии дополненной реальности, трехмерная печать. Схемы отбора для каждой из исследуемых категорий представлены в соответствующих разделах статьи. Дублирующиеся публикации удаляли. На первом этапе каждый заголовок и аннотацию проверяли на потенциальную релевантность для темы обзора. На следующем этапе анализировали полный текст потенциально соответствующих статей, после чего составили итоговый перечень статей, включенных в исследование.

Критериями включения являлись пациенты с очаговыми образованиями печени, которым выполнено хирургическое лечение в объеме резекции печени. Отбор пациентов по характеру образования и по типу резекционных пособий не проводился.

Критерии исключения: описания методик, систематические обзоры, использование моделей для обучения, статьи, в которых прямо не указаны оперативные вмешательства, а также статьи с тематикой «трансплантология».

Все исследования, отвечающие критериям включения, проанализированы следующим образом: число, возраст пациентов, клинические данные (время операции, кровопотеря, края резекции, осложнения). Коротко описаны суть и результаты исследований.

Результаты

По критериям включения отобрано 10 статей по рубрике «трехмерное моделирование», 8 статей по рубрике «технологии дополненной реальности» и 10 статей по рубрике «трехмерная печать». Большинство статей представляют собой описание единичного клинического случая или пилотные исследования без четкого и структурного показа клинических результатов применения методик с малым числом участников. В связи с этим метаанализ не проводили. Выполнен общий анализ клинических данных, результаты которого отражены в табл. 1—3.

Таблица 1. Обзор статей по трехмерному моделированию

Таблица 2. Обзор статей по теме «Дополненная реальность»

Таблица 3. Обзор статей по теме «Трехмерная печать»

Трехмерное моделирование

3D-моделирование начинается с обработки данных предоперационной визуализации в специальных программах путем сегментации печени, сосудов, очаговых образований печени и оценки их взаимного расположения. Эти данные обычно сохраняют в файлах в формате Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM).

В прошлом процесс обработки был возможен только вручную и занимал много времени, однако специально разработанные алгоритмы (например, метод нейросетевого обучения [1] или технология региональной аппроксимации [2]) позволяют производить сегментацию в автоматическом и полуавтоматическом режимах [3]. Существует разновидность трехмерного моделирования — виртуальная резекция — моделирование оперативного пособия при помощи компьютера.

Одной из вариаций виртуальной резекции является концепция переноса трехмерного моделирования печени в условия операционной с формированием карты резекции (The Resection Map). Pablo Lamata и соавт. в 2010 г. провели исследование, в которое вошли 10 пациентов из 3 разных клиник. Из объективных результатов: вены, отображаемые на карте резекции, идентифицированы во время хирургического вмешательства в 70,1% случаев. На основе этого принципа создано множество программ, которые активно используются в хирургической практике: Synapse VINCENT (Fujifilm, Япония), Image Processing System (Hitachi, Япония), HepaVision (MeVis, Германия), IQSP 3D (EDDA Technology, США), Автоплан (Россия).

Одной из методик применения трехмерного моделирования в хирургии печени является методика Image-Guided Liver (IGL) хирургия, основоположником которой является T. Peter Kingham. В статье Image-guided liver surgery: intraoperative projection of computed tomography images utilizing tracked ultrasound он и соавт. описали первый опыт клинического использования системы IGL в США. В исследовании приняли участие 50 пациентов, и в 21 (42%) случае система помогла завершить операцию, а в 6 (12%) случаях предоставила необходимую навигационную информацию для интраоперационного УЗИ.

В статье T. Peter Kingham и соавт. [6] описывают методику применения IGL в лапароскопической хирургии. В эксперименте статистически значимой разницы между лапароскопическим и лапаротомным методом регистрации не выявлено. И в том и в другом случае система успешно функционировала.

Существуют работы по влиянию 3D-планирования на результаты резекций. Julie Hallet и соавт. изучали использование и влияние предоперационного моделирования и интраоперационной навигации на результаты резекций печени. В 8 из 11 исследований, которые включали в себя результаты хирургического лечения 497 пациентов, прогнозируемые объемы удаления печени и плоскость резекции коррелировали с фактическими. В 2 исследованиях у трети пациентов интраоперационно на основании моделирования была изменена тактика операции. В одном исследовании с использованием портальной инъекции индигокармина в 26 (31%) наблюдениях для уточнения линии резекции использовали комбинацию 3D-моделирования и интраоперационного УЗИ. В другой работе использование 3D-модели привело к предоперационным изменениям в плане операции в 6 из 7 случаев (в 3 наблюдениях потребовалось расширение границ резекции, в 3 — сосудистая реконструкция), где дооперационные 2D- и 3D-оценки различались более, чем на 20%[8].

Обзор публикаций за 10 лет

После применения критериев отбора (рис. 1) для обзора отобрано 10 статей, данные их представлены в табл. 1. Всего 631 пациент принял участие в этих исследованиях, из них 141 пациент включен в контрольную группу [10, 11] (им 3D-моделирование не проводили). Прооперированы 599 больных (включая 141 больного контрольной группы). У 37 (7%) наблюдаемых изменена тактика лечения на основании данных 3D-моделирования [9, 12, 13]. В статье Колсанова и соавт. в 7 (14%) наблюдениях применение 3D-моделирования позволило отказаться от манипуляции вследствие особенностей кровоснабжения. В статье Такамото и соавт. описано, что у 26 (31%) наблюдаемых область окрашивания оказалась светлой или еле заметной, поэтому линию резекции дополнили на основании сочетания интраоперационного УЗИ и 3D-моделирования. В своем исследовании G. Chen и соавт. изменили тактику лечения 4 исследуемых на основании 3D-моделирования (им было отказано в оперативном лечении ввиду недостаточного объема остаточной печени). Число больных с очаговыми образованиями печени составило 563 (89%). Самыми частыми причинами оперативного лечения были гепатоцеллюлярная карцинома — 341 (54%) случай и метастатическое поражение печени — 146 (23%) случаев, из них 81 (13%) случай метастазирования колоректального рака. Только в 8 из 10 статей [4, 6, 9—11, 13—15] представлены клинические данные по результатам оперативных вмешательств, из которых время операции не указано в 4 статьях [4, 11, 13, 14], кровопотеря — в 4 статьях [6, 11, 13, 14], края резекции — в 4 статьях [9—11, 13], осложнения — в 3 статьях [6, 14, 15]. На основании приведенных данных средняя продолжительность операции для больных с 3D-моделированием составила 275,3 мин (92—1550 мин), средняя кровопотеря — 485,5 мл (18—16 060 мл). В статье Hirooka и соавт. представлено исследование влияние трехмерного моделирование на послеоперационное течение, отдаленные результаты радиочастотной абляции (РЧА) гепатоцеллюлярной карциномы печени — существенных различий в клиническом течении послеоперационного периода между пациентами с 3D-симуляцией и без нее не выявлено. Но безрецидивная выживаемость через 1 и 1,5 года в 1-й группе составила соответственно 94,1 и 82,4%, а во 2-й — 83,2 и 55,5%. При использовании 3D-навигации при РЧА локальное прогрессирование было статистически значимо меньше (p=0,035). Осложнения во всех исследуемых группах отсутствовали. В статье Nakayama и соавт. указано, что среднее время операции было на 36 мин короче для 3D-группы, чем для группы без 3D-моделирования (p=0,048). Существенных различий в интраоперационной кровопотере, длительности послеоперационного пребывания, послеоперационных осложнениях или послеоперационной смертности между двумя группами не наблюдали. Во всех указанных случаях получен отрицательный край резекции, отмечено 44 (9,6%) послеоперационных осложнения (группы сравнения не учитываются). Достоверно представлено 14 (3%) наблюдений печеночной недостаточности, 15 (3,2%) случаев желчеистечения.

Рис. 1. Схема систематического поиска по теме 3D-моделирования.

Следует отметить, что только в 2 исследованиях [10, 11] проводили сравнение с контрольной группой, при котором четкой корреляции применения 3D-моделирования в предоперационном планировании и улучшения клинических данных не получено.

Помимо очевидных преимуществ 3D-планирование в открытой хирургии несет в себе потенциал развития лапароскопической и роботической хирургии. При всех очевидных плюсах миниинвазивной хирургии (уменьшение интенсивности болевого синдрома, величины кровопотери, продолжительности госпитального периода) такие вмешательства лишают оперирующего хирурга «трехмерного» восприятия, делают зависимым от ассистента в плане ориентации и масштабирования, лишают тактильных ощущений и ограничивают диапазон движения. Эти проблемы затрудняют внедрение миниинвазивных технологий в хирургию печени. Трехмерные технологии могут помочь в решении поставленных проблем.

Технологии дополненной реальности

Поиск методов переноса данных предоперационного планирования в операционную привел к внедрению в гепатобилиарную хирургию технологий дополненной реальности (augmented reality — AR). Дополненная реальность основана на комбинации данных предоперационной визуализации и видеоэндоскопической стойки, которая объединяет реконструкцию трехмерного изображения и пространственное положение органа, позволяет генерировать наглядные пособия, которые повышают точность резекции печени [17, 18]. При использовании AR-технологий в хирургии печени изображения накладываются либо непосредственно на операционное поле, либо на поле зрения оперирующего хирурга и помогают ему визуализировать внутренние структуры печени [7, 19].

Методы отображения дополненной реальности, используемые для интраоперационной навигации, обычно включают в себя отображение с использованием видеомониторов (видео AR), отображение с использованием полупрозрачных дисплеев, отображение с использованием проекторов.

Полупрозрачные и проекционные дисплеи с функцией дополненной реальности находятся или в стадии проектов, или уже не применяются в клинической практике ввиду доказанной малой эффективности, поэтому в нашем исследовании эти методики не освещены. Основная методика AR, активно используемая в клинической практике, это видео AR.

Видеодисплеи и AR-технологии обычно используют в лапароскопических, роботизированных и эндоскопических процедурах. Однако существуют клинические исследования с применением данной методики и в открытой хирургии: с использованием камеры [21, 22] или планшетов. Преимущество этого метода в том, что у хирурга и его ассистентов одно изображение, что способствует большему контролю за ходом операции для оперирующего хирурга и пониманию интраоперационной тактики для ассистентов. Недостатки метода связаны прежде всего с относительно низким разрешением видеокамеры.

В дополнение к виртуальной резекции разработаны программы контекстно-зависимой хирургической навигации с помощью AR-технологий, которые могут указывать «пораженные» и «целевые» структуры во время навигации. Они также могут классифицировать действия хирургов как «рискованные».

Обзор публикаций за 10 лет

Для обзора отобрано (рис. 2) 8 статей, данные которых представлены в табл. 2. Во всех исследованиях применяли видеотехнологии с функцией дополненной реальности. В 3 исследованиях оперативные вмешательства проводили с использованием эндоскопических и роботических технологий, в остальных для регистрации использовали либо камеры, либо специализированные планшеты. Большинство статей представляют описания клинических случаев с малой выборкой — наибольшее число участников 8. Всего 30 пациентов приняли участие в данных исследованиях. Все больные прооперированы. Основными заболеваниями являлись метастатическое поражение печени — 9 случаев и гепатоцеллюлярная карцинома — 7 случаев. В 7 статьях представлены клинические данные по результатам оперативных вмешательств, из которых время операции не указано в 3 статьях [21, 22, 25], кровопотеря — в 2, края резекции — в 2, осложнения — в 1. На основании приведенных данных средняя продолжительность операции с использованием технологий дополненной реальности составила 268,8 мин (205—330 мин), средняя кровопотеря — 272 мл (0—708 мл).

Рис. 2. Схема систематического поиска по теме «Технологии дополненной реальности».

Визуализация сосудов и границ опухоли помогла хирургам добиться отрицательных краев резекции, при этом ни в одном исследовании не отмечено развития послеоперационных осложнений. Однако малый размер выборок не позволяет сделать однозначный вывод о пользе технологий дополненной реальности.

Несмотря на постоянное прогрессирование компьютерных технологий, для оптимального функционирования и применения AR-методики в повседневной практике необходимо довольно мощное и дорогостоящее оборудование. Проблема регистрации органа активно исследуется, но пока нет удобной и рабочей концепции сочетания процесса регистрации и оперативного пособия без увеличения времени операции. Существенным минусом является отсутствие портативности и ограниченное использование технологии непосредственно в процессе операции. Способом решения этих проблем можно считать аддитивные технологии.

3D-печать моделей печени

Трехмерная печать заключается в поэтапном формировании 3D-модели путем добавления материала на основу (платформу или заготовку). Развитию аддитивных технологий способствовало внедрения в процесс производства такой методики, как быстрое прототипирование — быстрая «черновая» реализация спроектированной системы или модели.

Существует множество методик 3D-печати, однако сейчас в медицине применяют несколько технологий: метод экструзии (FDM), метод фотополимеризации (SLA, PolyJet), формирование слоя на выровненном слое порошка (SLS, DMLS), струйная печать (MJM, DLP).

Общая последовательность действий при трехмерной печати: сбор первичных данных (чаще всего используют данные КТ или МРТ в формате DICOM), 3D-моделирование (модель экспортируется в формат STL или SLA, поддерживаемый всеми доступными 3D-принтерами), печать.

Одной из основных проблем 3D-печати является ее стоимость. Ранее стоимость печати одной модели доходила до нескольких тысяч долларов. В настоящее время платные услуги 3D-печати предоставляют множество фирм, что может стать экономичным решением для изготовления единичных изделий. Так, Д.С. Белков и соавт. [27] описали опыт создания и использования 3D-моделей легких и печени, пораженных опухолью. Внутренняя структура была выполнена из пластика, паренхима — из силикона. Детализация достигала 1 мм. Себестоимость каждой модели составила примерно 30 тыс. российских рублей. M. Madurska и соавт. описали разработку моделей печеночных структур. Были выполнены печатные модели воротной вены, печеночных вен с опухолью, билиарного дерева и печеночных артерий. Стоимость моделей составила около 500—600 долл. США.

Обзор публикаций за 10 лет

Для обзора отобрано 10 статей (рис. 3), данные которых представлены в табл. 3. Во всех исследованиях при предоперационном планировании и для интраоперацонной навигации использовали 3D-печатные модели. В большинстве исследований описан 1 клинический случай — 8 статей. Всего в 9 исследованиях проанализированы данные 38 пациентов, из которых 21 пациент включен в контрольные группы. В одном исследовании нет точного указания на число участников. Оперативное вмешательство выполняли всем больным. Самым частым заболеванием в представленных статьях были гепатоцеллюлярная карцинома (n=9) и метастатическое поражение печени (n=4). В одной статье описана резекция печени по поводу гепатобластомы у ребенка в возрасте 3 лет. В 7 статьях представлены клинические данные по результатам оперативных вмешательств, из них время операции не указано в 2 статьях [30, 31], кровопотеря — в 2 статьях [30, 31], осложнения — в 2 статьях [32, 33].

Средняя продолжительность операций с использованием трехмерной печатной модели составила 414,54 мин (270—663 мин), средняя кровопотеря — 685,7 мл (150—1456 мл), во всех указанных случаях получен отрицательный край резекции. Послеоперационные осложнения отмечены только в 1 исследовании (14 случаев в основной группе: пневмония — 2, экссудативный плеврит — 6, свободная жидкость в брюшной полости — 6), однако случаев кровотечения, печеночной недостаточности и желчеистечения в группе с применением 3D-печати не отмечено.

Рис. 3. Схема систематического поиска по теме «3D-печать».

Проводен также анализ технологических данных — методики печати, используемого материала и стоимости модели. Данные параметры указаны в 9 из 10 статей. Наиболее часто использовали методику печати PolyJet — 3 исследования [28, 30, 34], реже — SLA — 2 исследования [32, 33] и FDM — 1 исследование. В 3 исследованиях [29, 36, 37] способ печати не указан. Используемые материалы были очень разнородны, но, учитывая методики печати, в основном использовали фотополимеры. Примерная средняя стоимость модели составила 520 долл. США (из расчета курса на 2017 г.). Минимальная стоимость изготовления модели указана в исследовании J. Witowski и соавт. — 150 долл. США.

С учетом значительной вариантной вариабельности анатомического строения печени изготовление модели существенно облегчает навигацию. Так, в статье R. Souzaki и соавт. продемонстрировано, что использование трехмерной печатной модели позволяет отходить от крупных сосудистых структур без их повреждения. Но нет работ как с трехмерным моделированием, так и с методами дополненной реальности, научно доказывающих данный тезис при довольно очевидной пользе от данных методик.

Обсуждение

2D-визуализация широко распространена в гепатобилиарной хирургии. Однако двухмерных изображений может быть недостаточно для полного понимания отношений очаговых образований и паренхимы печени и определения точного объема оперативного пособия. Трехмерные модели все чаще используют хирурги многих специальностей как эффективное пособие для планирования в предоперационном периоде, а также для интраоперационной навигации.

Программные платформы для «виртуальной хирургии» обладают широкими функциональными возможностями и позволяют имитировать резекцию, рассчитывать остаточный объем печени. Модель полезна в обсуждении объема и характера операции, выбора оптимального доступа, распределении ролей и репетиции пособия. Об этом говорит и проведенный обзор публикаций. У 7% исследуемых изменена тактика лечения на основании трехмерного моделирования [9, 12, 13]. Трехмерная навигация при радиочастотной абляции способствует более высокой безрецидивной выживаемости, достоверно улучшает локальное прогрессирование опухоли. Предоперационное планирование с использованием трехмерного моделирования точно показывает взаимоотношение опухолей и сосудов, что способствует полной резекции образований в месте наибольшего риска травмирования сосудов. Удобство и наглядность моделей отмечены во всех исследованиях.

Следует продолжать исследовательскую работу в данной области. Поэтому крайне необходимо проведение дополнительных исследований с контрольными группами (например, с 3D-моделированием и без него), с большим числом включенных в исследование пациентов, с их мультицентричностью и рандомизацией.

Трехмерные изображения, полученные во время моделирования, могут быть перенесены в операционную с помощью технологий дополненной реальности, что помогает в формировании достаточного функционального объема резекции. Несмотря на малочисленную выборку, можно сказать о положительном влиянии использования таких технологий в хирургии печени. У всех пациентов, вошедших в исследование, отмечено отсутствие послеоперационных осложнений. Это показывает, что технологии дополненной реальности могут помочь улучшить результаты лечения пациентов. Несомненно, для этого требуется улучшение существующих технологий регистрации, моделирования, отображения.

3D-печатные модели обеспечивают прямую визуализацию анатомических структур органа по сравнению с виртуальными. При этом получаемые при трехмерной печати модели наглядно показывают взаимоотношение структур печени, ее паренхимы и очаговых поражений, что позволяет хирургам эффективнее планировать хирургические вмешательства.

Печатные модели представляют большую ценность для предоперационного планирования, однако стоимость их производства может снижать целесообразность печати.

Стоимость высококачественной полноразмерной модели печени может достигать 2 тыс. долл. США. Даже при уменьшении моделей стоимость составляет около 500—600 долл. Однако существуют исследования, в которых цена за модель составляет около 150 долл. Это оправдывает отсутствие необходимости печати полноразмерной модели для эффективного планирования и навигации, поскольку зачастую достаточно комплекса опухоль + сосудисто-секреторная система, а в некоторых случаях достаточно венозной системы печени и опухоли.

Заключение

За счет поиска соответствующих работ через различные базы данных было продемонстрировано, что большинство исследований основано на описании одного клинического случая. Это в основном связано с тем фактом, что применение технологий дополненной реальности и трехмерной печати при заболеваниях печени является относительно новой темой и все еще находится на стадии пилотных исследований по сравнению с другими областями медицины (челюстно-лицевая хирургия, травматология). Необходимы дальнейшие исследования в области оценки значимости клинического использования 3D-моделирования в лечении очаговых образований печени с оценкой возможных перспектив улучшения ближайших и отдаленных результатов лечения представленного контингента пациентов.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

The authors declare no conflicts of interest.