Имплантация и планирование операций: роль 3D‑моделирования в повышении качества лечения

Индивидуальный черепной имплантат: проектирование и реализация | Оптимизация предоперационного планирования для транскатетерной замены аортального клапана | Современные 3D-решения для медицины

Когда речь заходит о новых технологиях в анатомическом проектировании, многие медицинские специалисты ссылаются на Mimics – программное решение, признанное стандартом в этой сфере. Mimics Innovation Suite (MIS) от компании Materialise – универсальный модульный программный комплекс для преобразования графических 3D-данных в высококачественные цифровые модели.

Предлагаем вашему вниманию рассказ о двух проектах, выполненных в Нидерландах и Бельгии и связанных с имплантацией и предоперационным планированием. Их успех во многом основан на передовых возможностях Mimics.

Индивидуальный черепной имплантат: проектирование и реализация

После серьезной аварии в больницу была доставлена женщина с тяжелой травмой головы. На протяжении нескольких дней она была в критическом состоянии, и ее хирург решил произвести краниотомию для снижения давления на головной мозг. Это привело к дефекту черепа, с которым женщина прожила три года. Когда было принято решение выполнить восстановление, скальп поверх дефекта уже стянулся. Из-за этого стало невозможным использовать обычный имплантат-копию здоровой части черепа.

Рассмотрев несколько вариантов, специалисты решили использовать Mimics Innovation Suite для проектирования индивидуального имплантата, который можно было бы скрыть имеющимся участком кожи. Эта технология позволила восстановить симметрию лба и скрыть дефект, защитить мозг и устранить неудобства для пациента.

Рис. 1. Часть мозговых оболочек (серый цвет) и частички кости (зеленый цвет), используемые в качестве ориентира для проектирования имплантата. Направляющие кривые (бирюзовый цвет) указывают на изгибы имплантата
Рис. 2. После проработки нескольких вариантов в 3-matic этот был выбран в качестве окончательного

Преобразование данных КТ в индивидуальный имплантат с помощью Mimics

Программное обеспечение MIS дало возможность преобразовать данные КТ-сканирования головы пациента в точную 3D-модель, которая затем была использована для проектирования индивидуального имплантата. При проектировании приспособления, скрывающего крупный дефект, важны надежные ориентиры, которые бы обеспечили правильную установку имплантата. Хирург, д-р Поукенс, решил использовать незакрепленные части костей на мозговых оболочках и сами оболочки в качестве ориентира при проектировании имплантата.

Специалисты сегментировали изображения черепа и незакрепленных участков кости за счет изменения пороговых значений, а затем так же обработали данные мозговых оболочек, чтобы убедиться, что они не будут соприкасаться с внутренней поверхностью спроектированного имплантата.

Применив программный продукт Materialise 3-matic, клинический инженер кафедры НИР Маастрихтского университета Майкл Бейренс опробовал несколько конструктивных решений и обсудил их с д-ром Поукенсом. Таким образом стало возможным быстро обнаружить любые потенциальные проблемы проекта и подобрать оптимальный вариант. И действительно, окончательный вариант решил все поставленные задачи: скрыл дефект, защитил мозговые оболочки без создания излишнего давления, а также воссоздал косметический контур лба без растяжения кожи пациента.

При использовании программ Materialise на проектирование индивидуального имплантата ушло на 68% меньше времени по сравнению с другими САПР. Возможность создания такого приспособления упрощает работу хирурга и сокращает время операции на 50%. ПО Materialise – это наш выбор при проектировании индивидуальных имплантатов

 

М. Бейренс, специалист по проектированию имплантатов кафедры НИР Маастрихтского университета

Благодаря 3-matic появилась возможность добавить следующие элементы напрямую в конструкцию имплантата:

• пять фиксирующих кромок для упрощения закрепления имплантата;

• шесть пар отверстий для направления мозговых оболочек к внутренней поверхности устройства. Так удалось снизить вероятность инфекции и обеспечить возможность врастания мозговых оболочек в поверхность имплантата;

• система отверстий для подсоединения жевательного мускула, поскольку ячеистая структура может повысить риск инфекции;

• номер изделия для соответствия директиве ЕС 93/42/ EEC по регистрации медицинских устройств, выполненных по индивидуальным требованиям.

Имплантат был произведен из титана методом электронно-лучевой плавки (EBM). Эта технология позволила изготовить плотное изделие, что обеспечило остеоинтеграцию как кости, так и мягких тканей.

Рис. 3. Операция по установке имплантата
Рис. 4. Пациентка до операции с вмятиной на лбу
Рис. 5. Пациентка после операции с косметическим восстановлением лба

Успешное, эффективное и эстетичное устранение дефекта

В процессе операции имплантат был закреплен в черепе с помощью титановых медицинских болтов и фиксирующих кромок. «Индивидуальное приспособление подошло идеально и позволило восстановить форму лба, при этом обеспечив надежную защиту мозговых тканей пациентки, – добавляет Майкл Бейренс. – Как уже говорилось, примененные технологии в своей совокупности значительно сократили время операции». И самое главное, после этой процедуры пациентка поправилась без каких-либо осложнений.

Оптимизация предоперационного планирования для транскатетерной замены аортального клапана

Транскатетерные операции кардинально меняют процесс лечения пороков клапанов сердца, особенно стеноза аортального клапана. Поскольку ТЗАК (TAVR) все еще является достаточно новой технологией, в некоторых случаях тщательное предоперационное планирование может сыграть решающую роль. FEops – компания, работающая над проблемами моделирования для оптимизации транскатетерных сердечно-сосудистых медицинских изделий и хирургических вмешательств по индивидуальным параметрам. Для разработки таких моделей специалисты FEops используют ПО Mimics Innovation Suite.

Повышение эффективности медицинских услуг за счет моделирования

FEops занимается разработкой новейших технологий реалистичного моделирования для создания медицинских изделий, использующихся в процедуре ТЗАК. Компания постоянно совершенствует собственные инструменты моделирования с целью помочь врачам и производителям улучшить новые биопротезы аортального клапана, системы доставки и процедуры. Кроме того, специалисты FEops используют накопленный опыт моделирования для осуществления и поддержки фундаментальных исследований в области минимально инвазивной хирургии, стремясь повысить качество лечения пациентов.

Компьютерные модели позволяют прогнозировать риск возникновения клапанной регургитации

При выборе биопротеза аортального клапана учитываются измерения кольца снования клапана, как правило, полученные в процессе мультиспиральной компьютерной томографии (МСКТ), проведенной до операции. Однако выбор оптимального размера клапана на основе этих измерений осложняется тем, что кольцо имеет не идеально круглую форму и может деформироваться при развертывании биопротеза аортального клапана. Более того, отложения солей кальция (кальцификация) могут деформировать стент клапана, что приводит к неоптимальному прилеганию и, потенциально, к клапанной регургитации.

Рис. 6. Измерения кольца основания клапана, выполненные на обработанных изображениях
Рис. 7. 3D-модель корня аорты до операции, включающая створки клапана и области кальцификации
Рис. 8. Визуализация системы CoreValve на примере индивидуальной модели корня аорты

Сотрудники FEops применили свой опыт индивидуального моделирования при разработке технологии TAVIguide^TM. Это веб-услуга предоперационного планирования для ТЗАК. Начиная с предоперационных МСКТ-изображений и используя решение Mimics Innovation Suite, специалист FEops выполняет несколько измерений на обработанных изображениях, включая диаметр, эллиптичность, периметр и площадь кольца основания клапана. Затем корень аорты, включая области кальцификации, разделяют на сегменты и воссоздают, используя технологии 3D-моделирования.

Наконец, модель преобразуют в сетку конечных элементов и комбинируют с моделью биопротеза аортального клапана. Используя расширенное нелинейное конечно-элементное моделирование, можно сделать несколько прогнозов относительно деформации каркаса стента, неполного наложения каркаса, смещения кальциевых отложений и других аспектов. Это позволяет оценить риск возникновения осложнений, таких как клапанная регургитация, до хирургического вмешательства.

Проверочное исследование

Для подтверждения результатов, полученных с помощью компьютерного моделирования, инженеры FEops провели совместное исследование с Медицинским центром университета имени Эразма Роттердамского. В первом ретроспективном пилотном исследовании приняли участие 18 пациентов, получившие посредством замены аортального клапана 26- и 29-миллиметровые биопротезы от компании Medtronic. Данные МСКТ каждого пациента были получены вскоре после операции. Изображение коронарного стента было обработано с помощью Mimics Innovation Suite.

Затем трехмерная реконструкция клапана после операции была совмещена и сравнена с расчетными данными, полученными с помощью компьютерного моделирования.

Рис. 9. Визуализация наслоения каркаса стента и юбки биопротеза (красные области — неудачное наслоение)
Рис. 10. Сравнение прогнозируемого (слева) и наблюдаемого (по снимку компьютерной томографии справа) смещения кальциевых отложений

Количественный анализ деформации стента был выполнен путем измерения минимального и максимального диаметра, площади и периметра поперечных сечений кольца основания клапана на нескольких уровнях системы CoreValve. В целом имеет место существенная и значимая корреляция между наблюдаемыми и прогнозируемыми значениями для всех измерений (радиус > 0,80; периметр < 0,001).

Точность прогнозируемой деформации стента была подтверждена анализом Бланда-Альтмана, однако требуется дальнейшая проверка с участием более крупной группы пациентов. Если проверка подтвердит полученные результаты, этот процесс может стать отраслевым стандартом для выбора изделий, использующихся в процедурах транскатетерной замены аортального клапана.

Современные 3D-решения для медицины

iQB Technologies предлагает комплексные решения для медицинских задач, в том числе для создания 3D‑моделей органов и костей, анатомического проектирования, печати протезов и имплантатов. Мы – официальный дистрибутор программных продуктов Materialise в России, включая Mimics Base Mimics Innovation Suite.

Также наша компания является членом Ассоциации развития медицинских информационных технологий (АРМИТ), объединяющей более 90 ведущих разработчиков медицинских информационных систем, крупных научных центров и медицинских организаций. Ключевое направление деятельности Ассоциации – помощь медицинским учреждениям в вопросах выбора наиболее эффективных способов внедрения IT‑решений.

Благодаря вступлению в АРМИТ мы можем оперативно узнавать обо всех изменениях в отрасли и учитывать их при разработке комплексных 3D‑решений для медицины, а также продемонстрировать свои технологические навыки и опыт медицинским организациям и научным центрам.

Материалы предоставлены компанией Materialise

Статья опубликована 14.10.2021 , обновлена 08.02.2022