Моќта на 3Д-печатењето во персонализираната медицина

Тридимензионалното  печатење (3Д) во изминатите години прерасна од технолошка иновација во еден од најмоќните сојузници на современата медицина. Во глобални рамки, неговата примена го трансформира начинот на кој хирурзите пристапуваат кон сложените анатомски реконструкции. И нашата земја бележи своја траекторија на развој во однос на овие светски трендови. Благодарение на синергијата помеѓу технологијата и медицинските стручњаци, се поставуваат нови стандарди во персонализираната медицина преку изработка на медицински инструменти и импланти. На оваа тема разговараме со спец. д-р Стефан Арсенков, дигестивен хирург и пионер во примената на оваа 3Д-технологија во нашата земја, спец. д-р Миќун Миќуновиќ, неврохирург, асс. д-р Валон Салиу, дигестивен хирург и доц. д-р Горан Спиров, радиолог. Нашите соговорници го споделуваат своето искуство и одблиску ја објаснуваат примената и можностите на тридимензионалното  принтирање. 

Направена е комплетна реконструкција на носна школка

Оваа година на Универзитетската клиника за пластична хирургија се направи реконструкција на нос со 3Д-имплант кај пациент со целосно ампутирана носна школка поради малигна болест, под водство на проф. д-р Софија Пејкова и спец. д-р Стефан Арсенков. Иако се познати опциите за реконструкција на носот со протези или со користење на постоечки ткива кај пациентот, како ’рскавица од уво или ребро, докторите сметале дека резултатите од овие процедури често се незадоволителни и од естетски и од функционален аспект. Со помош на 3Д-технологијата се пристапило кон креирање решение што би било што е можно поблиску до природната функција и изглед на носот кај пациентот. Процесот започнал со анализа и споредба на снимките направени пред и по операцијата, врз основа на што започнало креирањето на дизајнот на имплантот, што е голем предизвик бидејќи треба да се создаде форма и големина на нос што ќе одговара на претходниот изглед на пациентот, имајќи предвид дека секој нос е уникатен и дека постојат огромни разлики во формата и пропорциите кај различни луѓе. 

Откако почетниот дизајн бил готов, следел предизвик како тој да се претвори во реален имплант кој може безбедно да се вгради. Бил избран безбеден и медицински докажан полиметилметакрилат, односно таканаречен коскен цемент, кој со децении се користи поради својата биокомпатибилност и механичките својства. Сепак, значаен технички предизвик било тоа што материјалот првично е во течна состојба пред да се стврдне, па затоа не може директно да се користи во 3Д-принтер. Врз основа на претходното искуство, тимот одлучил да креира калапи во кои се истура материјалот за да се добие посакуваната форма. Но, геометријата на носот, а особено формирањето на септумот, е исклучително комплексна и бара многу креативен и иновативен пристап. Биле изработени повеќе различни варијанти на калапи кои не биле соодветни, но откако тимот пристапи кон проблемот од друг агол и ги модифицирал пристапите, материјалите, формите и геометријата, по бројни мали корекции и подесувања, постепено се дошло до конечното решение. 

„Во февруари годинава, проф. д-р Софија Пејкова успешно ја изведе комплексната реконструкција, користејќи го 3Д-имплантот како подлога врз која се формираше новата кожна обвивка. Имплантот беше внатрешно обложен со автотрансплантат, а однадвор покриен со т.н. forehead flap (кожен резен од челото на пациентот). Формата на носот беше воочлива веднаш по фиксацијата, со одлични рани резултати. По четири недели, откако резенот разви сопствена васкуларизација, со секундарна интервенција беше отсечена кожната петелка што го поврзуваше со челото. Најголемата потврда за овој успех е задоволството на самиот пациент, кој изјави дека новиот нос го чувствува целосно како свој, а не како туѓо тело“, објаснува спец. д-р Арсенков.

Сигнификантна разлика меѓу 2Д-снимка и 3Д-модел  

Најголеми придобивки од употреба на 3Д-печатени модели на анатомијата се гледа кога се користат во комплексни и ретки случаи. Тоа се случаи кога пациентот има абнормална анатомија, кога има лезии од претходни операции или при мултидисциплинарни зафати. 

„Но вредно е да се спомне дека не само абнормалната, туку и таканаречената нормална анатомија има огромен број варијации. Секако, должност на секој хирург е да биде максимално подготвен за секоја операција којашто ја изведува. Па така, употребата на 3Д-печатени модели е корисно и во случаи што би можеле да се сметаат за рутински, но се изведуваат во регионот на телото каде има доста варијабилна анатомија, како што е на пример целијачното стебло во горниот абдомен. Поради тоа, овие модели сè почесто се користат во светот, како дел од рутинската подготовка за операција“, вели спец. д-р Арсенков. 

Меѓу покомплексни и поретки модели на кои работел д-р Арсенков, се моделот на срце на двомесечно бебе со исклучително тешка срцева аномалија, како и модел на црн дроб што се искористил при резекција на тумор. Во случајот со црниот дроб освен од патолошка гледна точка, тој бел комплексен и од техничка гледна точка затоа што се обидувале да направат модел низ кој ќе се гледаат интрапаренхимните структури во црниот дроб. 

Д-р Арсенков објаснува дека разликата помеѓу 2Д-снимка и 3Д-модел е сигнификантна, бидејќи моделот нуди поинаква перцепцијата и многу појасен приказ. Сите конвенционални испитувања кои нудат некаков приказ на тродимензионални структури (како КТ и МР) се само повеќе 2Д-слики наредени во серија. Дури и кога се гледа некој вид на тродимензионален приказ на екран, повторно се работи за дводимензионална репрезентација на некаква структура во три димензии. 

„За разлика од тоа, вистинскиот тродимензионален модел освен што нуди просторна перцепција којашто е многу блиску до реалната, надоместува уште еден голем недостаток на конвенционалните технологии, а тоа е реалната димензија. Додека гледаме каква било снимка од компјутерска томографија или магнетна резонанца, ние немаме јасна претстава за димензијата сè додека не искористиме дополнителни алатки за да ги измериме бараните величини. Постојат студии што кажуваат дека во голем број од случаите анатомските карактеристики се многу појасно видливи на модел, а во одреден број случаи набљудувачите можеле да ги забележат единствено на моделот, а не и на 2Д-снимката“, истакнува спец. д-р Арсенков.

Најголемите предизвици во создавањето на моделот е одржувањето на анатомската верност (high-fidelity) при сегментацијата на ткивата. Откако се добиваат снимките, потребно е да се означат ткивата и органите што се предмет на интерес. Тука се користат и повеќе алгоритми и модели на вештачка интелигенција, но сепак ништо не поминува без „рачна работа“, односно без човечка контрола. Квалитетот на моделот во најголем дел зависи од квалитетот на направената снимка. Во принцип се избегнува да се прави модел од снимки со подебели пресеци или недоволно технички квалитетни, затоа што би се компромитирал квалитетот на крајниот производ, односно моделот. 

Искуство во хепатобилијарната и панкреасната хирургија

Во однос на тоа каде најчесто го применува 3Д-моделирањето во својата работа, спец. д-р Арсенков вели дека најголем број случаи има во хепатобилијарната и панкреасната хирургија. 

„Јас би одел до таму да кажам дека нема случај во кој сме направиле модел, а тој да не влијаел на првичната хируршка стратегија. Има случаи во кои се менувал оперативниот протокол откако сме го виделе моделот. Исто така, при хепатална резекција, одлуката за типот на ресенција беше променета во моментот кога беше погледнат моделот, иако компјутерската томографија претходно беше разгледана повеќе пати. Поради изразената анатомска варијабилност во пределот на горниот абдомен, како и комплексната архитектоника на црниот дроб како паренхиматозен орган, импликацијата на 3Д-печатените модели во овие случаи е од круцијално значење. Апелирам до сите колеги кои се соочуваат со оваа патологија, како и со комплексни хируршки интервенции воопшто, да ја интегрираат оваа методологија во својата пракса за непосредно да ја согледаат компаративната предност. Не постои вербален начин со кој може да се евалуира бенефитот од прецизната преоперативна визуелизација на специфичната анатомија кај конкретниот пациент, со оглед на тоа што таа фундаментално го модифицира и оптимизира самиот оперативен пристап“, објаснува спец. д-р Арсенков.

Изборот на материјал што се користи е диктиран од намената на моделот, но и од перформансите на самиот материјал. Кога се изработуваат модели за хируршко планирање, генерално се користи ФДМ-технологија (со термопластика). Употребата на SLA - технологијата, со фотополимерни смоли, обично нуди голема прецизност, но има некои други ограничувања. Крајната цел е да се најде баланс помеѓу можностите и ограничувањето на секој вид печатење и секој вид материјал. На пример, со оглед на тоа што термопластиката е со релативно ниска точка на топење, водичите или персонализираните хируршки инструменти се изработуваат од фотополимерна смола, која може да издржи стерилизација.

Реконструкција на череп со 3Д-модел

Минатата година во Специјалната болница за ортопедија и трауматологија „Св. Еразмо“ во Охрид, со примена на 3Д-модел беше направена реконструкција на череп на пациент со дефект на коската. Пациентот, 26-годишен маж, со краниоцеребрална повреда во сообраќајна несреќа, страдал од естетскиот недостиг на коска или „дупка“ на челото што ја покривал со растење коса и редовно користење капа, но сепак поради овој проблем бил изложен на социјална изолација. Првичниот третман вклучувал краниотомија и евакуација на епидурален хематом, но постоперативниот тек бил комплициран со рана инфекција стекната од првичната установа, предизвикана од klebsiella pneumonia. Третманот на постоперативната инфекција покрај антибиотска терапија, вклучил и отстранување на коскениот оперкулум. По тригодишен период без инфекција, пациентот побарал лекарска помош за решавање на фронтотемпоралниот дефект на левата страна од черепот. Во рамките на биомедицинскиот инженеринг и 3Д-печатењето, вообичаено постојат два пристапа за реконструкција на коскени дефекти: изработка на директен „позитив“, односно персонализиран имплант кој веднаш се аплицира на дефектот, или изработка на „негатив“ калап, со чија помош, преку употреба на коскен цемент, се моделира дефинитивниот имплант. Во Специјалната болница за ортопедија и трауматологија „Св. Еразмо“ во Охрид, се одлучиле за економски поефикасната, а сепак подеднакво супериорна алтернатива - користење на пасивен „негатив“ калап изработен од термостабилна медицинска смола која поддржува стандардна стерилизација. Интраоперативно, со помош на полиметилметакрилат (PMMA) коскен цемент и соодветниот калап, се оформил „позитивот“ кој по минимални дополнителни корекции комплетно ја заменил економски поскапата варијанта на директно 3D-печатење, обезбедувајќи еднаков анатомски ефект. 

„Од хируршки аспект, опцијата за слободно „рачно вајање“ на цементот беше веднаш отфрлена, со оглед на тоа што со емпириско моделирање е невозможно да се постигне прецизна геометриска реконструкција на комплексен кранијален дефект.

Предоперативниот протокол опфати прецизно планирање на кожниот инцизионен рез во поглавината, со цел да се зачува васкуларизацијата на кранијалниот флеп и да се обезбеди оптимална хируршка експозиција. Кај пациентот беше евидентиран изразен анатомски куриозитет: рабовите на коскениот дефект беа исклучително ирегуларни, особено во базата на темпоралната коска. Имено, надворешниот слој на тврдата мозочна обвивка (dura mater) покажа зачуван остеогенетски потенцијал - феномен кој е карактеристичен за педијатриската популација, со незавршен кранијален раст, но ретко се среќава кај возрасни. Како резултат на оваа неоостеогенеза, се формираа коскени островца инкорпорирани во самата дура, како и новоформирано коскено ткиво директно поврзано со долниот раб на дефектот. Главниот хируршки предизвик при дисекцијата на меките ткива, особено во пределот на темпоралниот мускул, се состоеше во комплетно експонирање на слободните коскени рабови и остеогените островца, со истовремена строга презервација на мозочната обвивка. Примарна цел беше да се избегнат јатрогени компликации, како лезија на дурата со последователна ликвореја, крвавење или паренхимна траума на мозокот. При дисекцијата на долниот раб на дефектот на темпоралната коска, каде што просторната ориентација беше компромитирана, како визуелна и тактилна навигација in vivo го искористивме претходно испринтаниот 3Д-модел на коскениот дефект, кој послужи како одлична референтна точка за прецизно водење на самата дисекција. По комплетното експонирање, со помош на електрична фреза се извршија микрокорекции на рабовите на новиот имплант, со што се постигна совршена конгруентност со околните коскени структури. По завршувањето на фиксацијата и евалуација на оперативното поле, беше забележана целосна, огледална симетрија помеѓу реконструираната и здравата фронтотемпорална регија“, појасни спец. д-р Миќуновиќ.

Пациентот целосно бил информиран за текот и видот на постапката и комплетно му била објаснета процедурата за изработка на челниот коскен капак, за што дал согласност. Хируршката интервенција поминала без компликации, а имплантот совршено се вклопил со претходни минимални корекции. Постоперативните снимки потврдиле оптимално порамнување, а пациентот закрепнал добро, без невролошки дефицити и со одличен естетски резултат.

„Сакам да истакнам и дека 3Д-печатењето може да помогне во планирање на третман на васкуларни малформации (аневризми, ав-малфорамации, ав-фистули). Затоа, истата може да помогне во предоперативна изработка на крвните садови на мозокот (церебрална аневризма – релации со околните крвни садови, ориентација, планирање на отворањето на главата, дисецирање на пајажинестата обвивка и трабекули, положба на приливни и одливни крвни садови во однос на аневризмата и слично). Друга употреба, „печатење“ на тумори, особено оние поврзани со тврдата мозочна обвивка и релација со крвни садови околу туморот што мора да бидат заштитени, би го воделе хирургот за полесна ориентација и презервација на истите. Во поглед на спиналната хирургија што е гранична специјалност на неврохирурзи, трауматолози, ортопеди, може да помогне во планирање корекција на коскени деформитети, решавање скршеници, ориентација на транспедикуларни шрафови, ориентација на деротирани пршлени, планирање остеотомии на пршлени и слично“, појаснува спец. д-р Миќуновиќ. 

Тој истакнува и дека иако 3Д-печатењето веќе две децении е стандард во развиените земји, кај нас оваа соработка со д-р Стефан Арсенков покажа исклучителен ефект во третманот. 

„Со задоволство би ја повториле оваа практика при идни комплексни коскени дефекти, тумори на калваријата и черепната база, или при специфични соодноси со витални крвни садови. Токму затоа, силно им препорачувам на колегите неврохирурзи да ја интегрираат оваа технологија во својата пракса - таа значајно ја зголемува оперативната прецизност, ја подигнува самодовербата и ги сведува на минимум непредвидливите интраоперативни изненадувања“, истакнува спец. д-р Миќуновиќ.

3Д-печатењето - важна и неопходна алатка за секој хирург

Во текот на изведбата на една оперативна интервенција, од наједноставната до најкомплексната, за да се постигне посакуваниот позитивен исход кај пациентите, важно е да се совпаднат неколку фактори, кои секој по себе има своја тежина, вели асс. д-р Валон Салиу. Иницијално еден пациент се анализира индивидуално во однос на неговата анатомија, патолошките промени од заболувањата и целта којашто треба да ја постигне хирургот со оперативното лекување, а потоа и условите и алатките со кои треба да се достигне оптимумот на хируршкиот зафат, во совпаѓање со знаењето и вештините на хирургот. Центарот на сето наведено е пациентот, неговото заболување и придобивката од оперативното лекување. 

„3Д-печатењето, и покрај мојата иницијална скептичност, го најде местото во моето делување во сите неопходни елементи за изведба на соодветна интервенција. Се покажа како многу важна и неопходна алатка во подготовките на оперативните третмани, коишто се од круцијално значење за исходот на една интервенција, со тоа што секој модел всушност е оригинален на конкретниот пациент кој ќе се оперира, поточно на неговата анатомија и патолошка промена. Со креирањето на 3Д-модели, ни се овозможува соодветно планирање на оперативните интервенции, изборот на алатките или инструментите за изведба на истите и најважниот момент е можноста да се планираат пристапите на конкретните промени во телото, предоперативно запознавање во реална димензија и антиципираат евентуалните предизвици во текот на интервенцијата, со што се намалуваат ризиците од хируршки грешки, а воедно се зголемува ефективноста на хируршката работа и вештина“, вели асс. д-р Салиу, дигестивен хирург. 

Во текот на овие години, тој го користел 3Д-моделирањето и печатењето за секоја покомплексна оперативна интервенција, вклучувајќи ја работата во хепатобилијарната хирургија, поголеми и покомплексни туморски формации со зафаќање на важни структури во околината. 

„Без отстапка, во секој од тие случаи се покажа предноста и позитивниот исход на искористеноста на оваа алатка. Во иднина, со надеж да се зголеми опфатот на моделирањето, истата би била од голема корист во тренингот на младите генерации на хирурзи, кои налик на пилотите во обука во симулациони центри, би ги стекнале вештините, а со тоа и сигурноста во изведбата на оперативните интервенции, со крајна цел сè повеќе позитивни и успешни приказни во хируршкото лекување“, истакнува асс.д-р Салиу.

Улогата на радиологот - оптимизирање на протоколите на скенирање 

Улогата на радиологот во подготовка на 3Д-моделите е да ги анализира сите претходно направени дигитални записи и да одлучи кој од нив може да послужи за создавање на дигиталниот нацрт. Доколку прегледите не овозможуваат создавање на задоволителен нацрт,  тој дава препорака кој преглед би бил најсоодветен за потребата и со кои параметри, земајќи ги предвид можните несакани ефекти врз здравјето на пациентот во поширока смисла. Дополнително радиологот е одговорен за сегментација на анатомските и патолошките структури, односно за процес на маркирање/ исцртување. 

„Во минатото целиот процес се одвивал исклучиво рачно и биле потребни многу работни часови. Со развојот на информатичката технологија, во овој процес се вклучени програми кои се обидуваат самостојно да сегментираат, што е од голема полза за популаризирање и можност за поголема достапност, но сепак сè уште е неопходна контрола на процесот од страна на радиолог“, појаснува спец. д-р Горан Спиров, радиолог.

Најголем предизвик во неговата работа претставува оптимизирање на протоколите на скенирање (подобар квалитет на тенки пресеци без дополнително зрачење) и избор на 3Д-секвенци (создавање на тенки пресеци) кај магнетна резонанца, кои овозможуваат задоволително диференцирање на ткивата/органите. 

„Сегментацијата за жал сè уште одзема значително време во целиот процес, но резултатите кои се постигнати последните неколку години со помош на  напредните софтверски решенија, ни даваат за право да веруваме дека ефикасноста значително ќе се подобри“, истакнува д-р Спиров.

Во пракса финалната верификација на дигиталниот модел ја прават сите учесници заедно, секој придонесува во процесот на верификација, бидејќи крајната цел е да се добие модел кој ќе биде од корист за операторот за планирање на постапката.

Можноста за „биопринтинг“ не е предалечна

„Секој модел и секоја интервенција си е предизвик сам за себе. 3Д- печатењето како технологија во последниве десетина години има вртоглав раст и во овој момент граница е само фантазијата. Она што пред неколку месеци била техничка пречка, веќе денес е надминато. Постојано се откриваат и се создаваат нови печатачи и начини на печатење. Веќе е познато печатење на персонализирани импланти, протези, а ние имаме направено и персонализирани инструменти (како водичи за остеотомии) и слично. Сигурен сум дека крајната цел за секој што почнал барем малку да се занимава со 3Д-печатење во медицината и хирургијата е да се стигне до можноста да се печатат органи за трансплантација, и тука навлегуваме во темата на „биопринтинг“, а тоа е тема на којашто работат многу истражувачи, па верувам дека во поблиска или подалечна иднина и тој проблем ќе биде решен. Во однос на „биопринтингот“, тука има некои физиолошки и физички ограничувања кои сè уште се пречка, но верувам дека и тие ќе бидат надминати и дека можноста да се печатат функционални органи, по потреба, не е предалечна“, појаснува д-р Арсенков.

Вештачката интелигенција како алатка веќе носи огромен напредок како во медицината, така и надвор од неа. Со оглед на тоа што веќе се користи за целите на автоматска сегментација и генерирање на модели, верувам дека таа ќе станува сè попрефинета и попрецизна, па ќе го направи целиот процес на 3Д-печатење уште подостапен.

Потреба од лабораторија за 3Д-печатење

Во светот, сите поголеми и водечки болници веќе имаат своја лабораторија за 3Д-печатење. 

„Кај нас, за жал, сè уште употребата на 3Д-печатењето е во својот зачеток. Потенцијал постои, затоа што технологијата наоѓа широка примена, а со оглед на физичката близина, мислам дека и една таква лабораторија би можела да ги опслужува хируршките центри во Скопје, па и во целата

 држава. Мислам дека со досегашниот труд покажуваме дека тоа е не само изводливо, туку и корисно. Од економски аспект секако е исплатливо, со оглед на големиот број бенефити (скратено оперативно време, намален број на постоперативни инфекции, итн.). Она што останува како фактор кој треба да се исполни е волја и иницијатива од раководните структури такво нешто да се случи. Сигурен сум дека унапредувањето на здравствениот систем како цел кон која континуирано се стремиме, ќе доведе до неминовната апликација на оваа технологија во рутински цели“, порачува спец. д-р Арсенков.