ЗАСТОСУВАННЯ 3D-МОДЕЛЮВАННЯ ПРИ ПЛАНУВАННІ ІНДИВІДУАЛЬНОГО ТОТАЛЬНОГО ЕНДОПРОТЕЗУВАННЯ У ПАЦІЄНТІВ З ПУХЛИНАМИ КІСТОК (КЛІНІЧНІ ПРИКЛАДИ )

Органозберігаюча резекція кістки та ендопротезування суглобів при новоутвореннях кісток є найбільш ефективним способом відновлення порушеної функції кінцівки та лікування пухлини. Первинне індивідуальне тотальне ендопротезування суглоба показано при значному ураженні доброякісними або злоякісними пухлинами епіметафізів великих кісток в схемі лікування. Органозберігаючу широку резекцію кістки проводять в одному блоці з пухлиною, на рівні здорових тканин. Відступають від рентгенологічного краю новоутворення в боки здорової кістки на 5 см, таким чином дефект після резекції сягає розміру 15-25 см. При такому значному дефекті, для стабільної фіксації ніжка ендопротеза має мати достатню довжину і фіксуватись на кістковому цементі. Складна конфігурація дефекту зумовлює пошук оптимальної

Мета роботи: показати можливості використання 3D моделювання індивідуальних прототипів ураженої кістки та індивідуального ендопротеза в передопераційному плануванні у пацієнтів з новоутвореннями кісток.

Матеріали та методи

В статті представлено клінічні випадки передопераційного планування за допомогою надрукованих 3D макетів кістки, індивідуального ендопротеза та успішного проведення операції резекції кістки з новоутворенням, тотального ендопротезування суглоба у 2 пацієнтів з злоякісними пухлинами кісток. Операції проводилися на базі ДУ «Інститут травматології та ортопедії НАМНУ» та за участі лабораторії медичного 3D моделювання. При побудові тривимірної моделі (3D модель) пошарово та в різних площинах аналізують та обробляють у спеціалізованій програмі двовимірні зображення (у форматі DICOM, або іншому), комп'ютерної томографії (КТ) та магнітно-резонансної томографії (МРТ) (9). На рис. 1 показано етап виділення зображення новоутворення плечової кістки з даних магнітно-резонансної томографії.
Рис. 1. Етап виділення зображення з даних магнітнорезонансної томографії пацієнтки Н. з новоутворенням плечової кістки.
Оброблене зображення зберігається в форматі STL в якому проводиться автоматичне і ручне виправлення та редагування 3D моделі, прогнозують спотворення, що можуть виникати у виробі в ході 3D-друку до запуску у виробництво. На підставі цього інженер може скорегувати вихідний дизайн таким чином, щоб уникнути помилок під час 3D-друку. Далі переводять готову 3D модель в програму, 3D принтеру (Flash Pint), задають положення деталі під час друку, тип та кількість підтримок, оптимальну швидкість та температуру для друку. Друк прототипу виконувався на 3D-принтері Flash Forge Guider II з ABS – пластику., який легко обробляється (4,2). Робота відповідає положенням Гельсінкської декларації, прийнятої в червні 1964 р. (Гельсінкі, Фінляндія) і переглянутої в жовтні 2000 р . (Единбург, Шотландія). Від кожного пацієнта отримано інформовану згоду.
Результати та їх обговорення

Визначено, що використання сучасних адитивних технологій дозволило в 100% (10 випадків) Виготовлення 3D макету-прототипу та проектування індивідуального ендопротезу дало змогу точного підбору розмірів імплантату та його примірювання до операції. Маючи тривимірну модель кістки пацієнтів, було точно спроектовано розміри майбутніх імплантатів, враховуючи всі анатомічні особливості (товщина кортикального шару кістки, форма кісткового каналу та ін..). Виготовлені макети-прототипи мали високу точність, що забезпечило можливість вимірювання розміщення певних точок або поверхонь за допомогою фізичних методів до та під час хірургічного втручання, дозволило успішно провести складне хірургічне вручання, зменшивши крововтрату та тривалість операції, отримати добрий функціональний результат.
Рис. 2. Рентгенограма (а); МРТ (б); побудова комп`ютерної 3D моделі плечової кістки з новоутворенням (в); надрукована в натуральну величину 3D модель плечової кістки пацієнтки з новоутворенням та магістральним судинним пучком(г); модель індивідуального ендопротезу плечової кістки та ліктьового суглоба.
Наводимо клінічні спостереження.
1. Пацієнтка Н., 65 р. В анамнезі нефректомія з приводу раку нирки (2004р.). У травні 2017 р. виник патологічний перелом лівої плечової кістки. Діагноз: Метастаз у праву плечову кістку, патологічний перелом. Накладена на 2 міс. гіпсова лонгета. За цей час деструкція наросла. Виконано рентгенографія, консультована ортопедом, направлена до онкоортопеда. В 7 клініці ДУ«ІТОНАМНУ» у серпні 2017р. виконана операція – трепанобіопсія пухлини правої плечової кістки та накладення апарата зовнішньої фіксації Костюка на праву плечову кістку. Отримувала курси хіміотерапії кселодою, променевої терапії на метастаз до 56 Грей. На фоні цього відбулась стабілізація процесу та консолідація з вкороченням і варусною деформацією. У травні 2018 р. виконано демонтаж апарата зовнішньої фіксації з правого плеча. На етапі передопераційного планування з КТ та МРТ сканів плечової кістки пацієнтки, комп`ютерна 3D модель була побудована і надрукована в натуральну величину з новоутворенням та магістральним судинним пучком та спроектовано макет майбутнього індивідуального ендопротезу (рис.2).
Рис. 3. Етап хірургічного втручання : резекція нижньої половини плечової кістки, індивідуальне тотальне цементне етендопротезування правого ліктьового суглоба (а). Видалений препарат: дистальний кінець плечової кістки з пухлиною (метастаз раку нирки) (б). Ретгенограми після операції тотального етендопротезування правого ліктьового суглоба (в, г).
У серпні 2018р. органозберігаюча операція: резекція дистальної половини правої плечової кістки, видалення пухлини та заміщення дефекту тотальним цементним ендопротезом правого ліктьового суглоба (Beznoska), крововтрата становила 600 мл, тривалість – 2год. 40хв. (рис. 3). Через 8 міс. після операції пацієнтка почувається задовільно, Функція прооперованої кінцівки за шкалою MSTS – добра, складає 74 %, даних за прогресування захворювання – немає.
2. Пацієнт Б., 37р., хворіє з 2007р. коли було виконано видалення остеохондроми верхньої третини великогомілкової кістки в ортопедотравматологічному відділенні за місцем проживання. В 2017 р. помітив ріст рецидива новоутворення в ділянці післяопераційного рубця у верхній третині гомілки. У липні 2018 при КТ виявлено значний рецидив. При пункції цитологічно виявлено рецидив хондроми. Пацієнт звернувся до онкоортопеда в ДУ«ІТОНАМНУ», де у серпні 2018 була виконана операція: ревізія, відкрита біопсія, з частковим висіченням передньо-латеральної частини рецидиву хрящової пухлини проксимального відділу правої великогомілкової кістки. Гістологічно підтверджено в матеріалі рецидив пухлини елементи хондросаркми G1.
Рис. 4. Рентгенограма (а), КТ (б) та макет-прототип великогомілкової кістки пацієнта з рецидивом хондросаркоми (в), змодельований індивідуальний ендопротез (г).
Проведено передопераційне планування з використанням індивідуального 3D моделювання і друку макету-прототипу великогомілкової кістки з судинами та змодельовано індивідуальний імплантат. З використанням розмірів спроектованого за даними КТ та МРТ знімків пацієнта макету-прототипу імплантату виготовлений індивідуальний ендопротез (рис. 4).
У жовтні 2018 року виконано операція: резекція проксимального відділу правої великогомілкової, малогомілкової кісток з пухлиною, тотальне цементне ендопротезування колінного суглоба (Beznoska), крововтрата становила 800 мл, тривалість – 3год.10хв. Етапи операції, вигляд макропрепарату, та рентгенограми пацієнта після видалення рецидиву з проксимальним відділом великогомілкової кістки та тотального цементного ендопротезування колінного суглоба (Beznoska) показано на рис. 5.
Рис. 5. Етапи операції (а,б), вигляд мікропрепарату (в), та рентгенограми (г) пацієнта після видалення рецидиву з проксимальним відділом великогомілкової кістки та тотального цементного ендопротезування колінного суглоба (Beznoska).
Шви зняті на 14-й день п/о. В післяопераційному періоді отримував ксарелто, цефтріаксон, німесулід. Гістологічне дослідження після операції підтвердило вторинну хондросаркому 1-2 ступеня злоякісності.
Через 6 міс. після операції пацієнт почувається задовільно, ходить користуючись тростю, кут згинання в колінному суглобі – 1100 , розгинання повне. Функція прооперованої кінцівки за шкалою MSTS – добра, складає 78 %, даних про рецидив немає.
Таким чином використання макетів-прототипів кісток, створених на основі томографії, є сучасною ефективною методикою для планування резекції трубчастих кісток, проектування індивідуальних ендопротезів у пацієнтів на пухлини кісток, що з успіхом може бути впроваджено у спеціалізованих онкологічних та ортопедичних відділеннях для заміщення кісткових дефектів.
Висновки
Цифрові та пластикові 3D прототипи кісток створені на основі даних томографії мали відповідність з індивідуальними розмірами анатомічної структури пацієнта, що дало змогу планування хірургічного доступу та моделювання імплантату.
Застосування 3D моделювання у пацієнтів на пухлини кісток дозволяє зменшити ускладнення і покращити якість хірургічного втручання.
Посилання на публікацію
Бур'янов, О.А. Застосування 3D-моделювання при плануванні індивідуального тотального ендопротезування у пацієнтів з пухлинами кісток (клінічні приклади) / О.А. Бур'янов, В.С. Чорний, В.В. Проценко , О.А. Галузинський, С.В. Барбурська // Літопис травматології та ортопедії. – 2018. –№ 3-4. – С.91 – 96.
http://www.kaftravm.com.ua/images/pdf/litopys_2018_3_4.pdf
Література

1. Wang CJ, Hazlehurst KB. Orthopedic Implant Design and Analysis: Potential of 3D/4D Bioprinting. 3D and 4D Printing in Biomedical Applications. 2018: p. 423– 442. doi:10.1002/9783527813704.ch16.

2. Гайко ГВ, Галузинський ОА, Козак РА. Використання адитивних технологій при лікуванні хворих із дефектами кульшової западини. Вісник ортопедії, травматології та протезування. 2018: p. 4-10. 3. Терновой НК, Колотилов НН, Вовк ВВ. 3-D моделирование и 3-D печать модели костей в клинической ортопедии: первый опыт и прагматика. 2017;(4): p. 26-35.

4. Гайко ГВ, Галузинський ОА, Бурбурська СВ. Використання 3D-моделювання з виготовленням пластикового прототипу у передопераційній підготовці хворих із переломами таза (клінічні приклади). Вісник ортопедії, травматології та протезування. 2018: p. 4-11.

5. Tovar N, Witek L, Atria P, Sobieraj, M. Form and Functional Repair of Long Bone Using 3D Printed Bioactive Scaffolds. 2018: p. DOI: 10.1002/term.2733.

6. Дубок ВА, Шинкарук АВ, Кищук ВВ, Проценко ВВ. Новые наноструктурированные биоактивные керамики, композиты и имплантаты из них. Наноразмерные системы и наноматериалы: исследования в Украине. 2014: p. 558-568.

7. Н. Н. Карякин, Р. О. Горбатов, А. Е. Новиков. Хирургическое лечение пациентов с опухолями длинных трубчатых костей верхних конечностей с использованием индивидуальных имплантатов из костнозамещающего материала, созданных по технологиям 3D-печати. Гений ортопедии. 2017: p. 323-330.

8. Chen X, Xu L, Wang Y. Image-guided installation of 3D-printed patient-specific implant and its application in pelvic tumor resection and reconstruction surgery. Computer Methods and Programs in Biomedicine. 2016: p. 66–78.

9. Martelli N. Advantages and disadvantages of 3-dimensional printing in surgery: A systematic review. 2016; 159(6): p. 1485-1500.

10. Pankaj P. Patient-specific modelling of bone and boneimplant systems: the challenges. International Journal for Numerical Methods in Biomedical Engineering. 2012: p. 233–249. doi:10.1002/cnm.2536 .