Опыт применения трехмерных моделей аллогенных трансплантатов в риносинусохирургии

Регенеративная медицина является одним из приоритетных направлений российской науки. Нередко в результате операций на лицевом черепе создаются обширные дефекты, требующие пластического закрытия [1, 2]. Развитие современных технологий трехмерного (3D) моделирования позволяет на основе компьютерной томограммы создавать виртуальные 3D-модели, а затем с помощью 3D-принтера — реплики из пластика в масштабе 1:1, точно отображающие особенности конкретной анатомической области пациента [3—5]. Данный подход открывает широкие возможности для персонификации аллогенных трансплантатов: виртуальная 3D-модель используется для лазерного моделирования, а напечатанная из пластика реплика — для «примерки» и дообработки полученного материала. Идеальное соответствие аллогенного трансплантата анатомии конкретного пациента исключает необходимость интраоперационного моделирования пластического материала, что сокращает время реконструктивной операции, а также улучшает функциональные и эстетические результаты.

Цель исследования — разработать персонифицированные аллогенные трансплантаты для восстановления структур лицевого черепа с использованием технологий 3D-моделирования и 3D-печати.

В качестве контрольной группы выполнено ретроспективное исследование пациентов, прооперированных в 2014—2015 гг. по поводу хронических верхнечелюстных и фронтальных синуситов наружным доступом без реконструкции передних стенок околоносовых пазух (n=132). Исследование проведено на базе ЛОР-отделения стационара и поликлиники ГБУЗ ГКБ № 13 Уфы (главный врач Р.М. Сабиров). Собраны данные физикального обследования пациентов контрольной группы через полгода на контрольном приеме в поликлинике, а также запрошены выписки и протоколы операций, проведенных у данных пациентов.

В основную группу исследования были включены 108 пациентов, прооперированных в период с 2009 по 2016 г.

Виртуальные 3D-модели костей черепа пациентов изготавливали с помощью программного обеспечения Osirix MD в виде серии DICOM-файлов компьютерной томограммы. Для рендеринга 3D-модели использовали программное обеспечение Blender, а для устранения критичных для печати ошибок — программу Autodesk Meshmixer. Печать виртуальной 3D-модели осуществляли на 3D-принтере Createbot mini послойно PLA-пластиком.

Для объективной оценки состояния пациентов до и через 6 мес после оперативного вмешательства в двух клинических группах использовали опросник SNOT-22 (Sinonasal outcome test), включающий в себя 22 наиболее частые жалобы пациентов с хроническим риносинуситом, ранжированные по пятибалльной шкале (от 0 до 5). 0 — нет такой проблемы, 5 — проблема серьезная, насколько возможно. Для сравнения выраженности отдельных жалоб по SNOT-22 мы использовали критерий Манна-Уитни.

Среди 108 пациентов с посттравматическими дефектами переднелатеральной стенки верхнечелюстной пазухи были прооперированы 43 человека; нижней стенки глазницы — 15; передней стенки лобной пазухи — 22, в том числе 18 больных после удаления остеом лобных пазух; с седловидной деформацией спинки носа — 28.

Для пластики костных дефектов использовали аллогенные трансплантаты «Аллоплант» (ТУ 9398−001−04537642−2011) из хряща и/или кости, изготовленные в тканевом банке «Аллоплант» (заместитель генерального директора по производству биоматериалов — д.б.н., проф. О.Р. Шангина) ФГБУ «Всероссийский центр глазной и пластической хирургии» Минздрава России (Уфа). Для максимальной персонификации аллогенных трансплантатов применяли разработанную нами методику 3D-моделирования с использованием полуавтоматической сегментации.

Сначала изготавливали виртуальную 3D-модель костей черепа пациента с запланированной формой дефекта той или иной стенки околоносовых пазух. Для этого с помощью программного обеспечения Osirix MD (в виде серии DICOM-файлов компьютерной томограммы пациента) методом построения гистограммы для расчета нижнего и верхнего порогов наращивания областей выделяли так называемую зону интереса (Region of Interest — ROI) (рис. 1).

Затем на основе ROI по серии DICOM-файлов производился рендеринг виртуальной 3D-модели (рис. 2). С помощью программного обеспечения Blender 3D-объект обрезался, исправлялись основные ошибки: удалялись артефакты, закрывались побочные отверстия и щели, происходило сглаживание поверхности модели.

Подготовленную таким образом 3D-модель в формате STL передавали в тканевый банк «Аллоплант» (Уфа), где с использованием лазера (Trotek) проводили моделирование аллогенного трансплантата. Для проверки адекватности формы и размеров полученного биоматериала осуществляли «примерку» на пластиковой 3D-модели, созданной с помощью технологии 3D-печати. Этот этап создания данной реплики соответствовал описанному выше методу получения виртуальной 3D-модели. Далее с помощью программного обеспечения Autodesk Meshmixer в автоматическом режиме исправлялись оставшиеся ошибки 3D-модели, критичные для печати. Полностью отредактированный, исправленный и готовый к печати файл в формате STL экспортировали в программу Cura, где задавали параметры печати: толщину и высоту слоя (0,2 и 0,1 мм соответственно), скорость и качество печати. Полученная виртуальная 3D-модель послойно печаталась на 3D-принтере Createbot mini (рис. 3).

Таким образом, на основе компьютерной томограммы конкретного пациента мы получали 3D-реплику из пластика в масштабе 1:1, точность соответствия которой достигала 97,70—99,12% [5]. Одним из лимитирующих факторов широкого использования 3D-печати считается высокая стоимость, которая начинается от 400 долл. за 1 модель, напечатанную методом стереолитографии, а время ее изготовления составляет 2—3 нед [6]. Распространение 3D-печати значительно увеличило количество технологий аддитивного производства. На сегодняшний день наиболее популярной является технология послойного наплавления (Fuseddepositionmodeling —FDM), это связано в первую очередь с низкой стоимостью 3D-принтеров и расходного материала (PLA- и ABS-пластика), а также с высокой скоростью печати. В связи с этим использование в нашем исследовании настольного 3D-принтера, использующего FDM, позволило снизить стоимость производства 1 модели с 400 до 25 долл. и сократить время ее изготовления с 2—3 нед до 14 ч при сохранении высокой точности, что совпадает с опытом других авторов [7]. Данный факт объясняет наш выбор 3D-печати на основе FDM в реконструктивной риносинусохирургии.

Пластиковая модель, созданная с помощью FDM, позволяет провести дообработку аллогенных трансплантатов непосредственно до операции и максимально персонифицировать их, это исключает необходимость интраоперационного моделирования. Полученные таким способом реплики использовались в нашей работе в диагностических целях и для предоперационного планирования.

Шестилетний опыт применения персонифицированных аллогенных трансплантатов позволяет рекомендовать их для широкого применения в реконструктивной риносинусохирургии. За весь период наблюдения за послеоперационными пациентами нами отмечено лишь два случая нагноения аллогенного трансплантата при пластике переднелатеральной стенки верхнечелюстной пазухи. В одном случае нагноение возникло в результате нарушения технологии хирургического вмешательства, во втором — из-за несоблюдения пациентом послеоперационного режима. В обоих случаях возникла необходимость ревизионной операции с удалением биоматериала. Всем пациентам через полгода и 1 год после операции выполнялась контрольная компьютерная томография, которая показала, что полное замещение дефекта персонифицированным хрящевым аллогенным трансплантатом происходит в течение 1 года, а процессы заместительной регенерации в области его подсадки протекают быстрее — в течение 6—8 мес. При этом костный аллогенный трансплантат в процессе замещения уменьшается в объеме на 67%, тогда как хрящевой аллогенный трансплантат теряет лишь 17% исходного объема.

Предложенные нами методы хирургического закрытия дефекта переднелатеральной стенки верхнечелюстной пазухи персонифицированным аллогенным трансплантатом являются эффективными по результатам опросника SNOT-22. При этом установлено статически значимое уменьшение (p=0,047) таких жалоб, как боль, ощущение тяжести/распирания в области лица после операций с одномоментной пластикой переднелатеральной стенки в отличие от пациентов контрольной группы, среди которых больше чем в половине случаев наблюдалось сохранение указанных жалоб или даже их усиление. Подобные результаты были достигнуты благодаря точности лазерного моделирования, позволяющего использовать напечатанную на 3D-принтере пластиковую модель для «примерки» и дообработки аллогенных трансплантатов.

Предоперационное планирование с использованием компьютерного 3D-моделирования и 3D-печати позволяет наиболее оптимальным образом адаптировать аллогенный трансплантат к конкретной анатомической зоне, чтобы лучше подготовиться к предстоящему хирургическому вмешательству и определить возможные риски. Технология получения стерильного персонифицированного аллогенного трансплантата, идеально подходящего под размеры и форму дефекта, исключает необходимость интраоперационного моделирования пластического материала.

Конфликт интересов отсутствует.

Участие авторов:

Концепция и дизайн исследования: А.К., В.К.

Сбор и обработка материала: В.К., Д.Щ., Л.М.

Статистическая обработка данных: В.К., Д.Щ., Л.М.

Написание текста: В.К., Д.Щ., Л.М.

Редактирование: А.К.