3D принтиране в медицината. Приложение в детската кардиология

Д. Добрев, Л. Симеонов, А. Кънева, Г. Константинов, П. Митев, К. Генова, М. Денев

Клиника по детска кардиология,

МБАЛ Национална кардиологична болница

 

Диагностицирането на редки и/или комплексни вродени сърдечни малформации (ВСМ) нерядко налага използването на допълнителни образни изследвания. В подобни случаи чрез ехографското изследване невинаги е възможно да се уточнят сложни пространствени съотношения. Сърдечната катетеризация, компютърната томография (КТ) и магнитнорезонансното изследване (МР) предоставят значителна информация, която подпомага детския кардиолог в диагностичния процес, а кардиохирурга – в предоперативната подготовка и планирането на оперативна интервенция. Компютърната томография и МР предоставят възможност за триизмерна (3D) реконструкция на изображението, чрез което може да се представи макроскопската сърдечна и съдова анатомия. Поради наслагването на образи при директната 3D реконструкция е невъзможно да се изобрази в подробности интракардиалната анатомия или вътрелуменните особености. Това е причината днес се търсят методи за допълнително детайлно изобразяване с получаване на модел, доближаващ се максимално до нативната анатомия. Съчетаването на образните изследвания с напредващите компютърни технологии позволява генерирането на 3D модел с последващо 3D принтиране на макет. За първи път методът е предложен към 1980 г. [1]. По това време технологията е относително скъпа, не е адаптирана към актуалните образни изследвания и намира приложение единствено в денталната медицина. С развитието на компютърните технологии методът се усъвършенства значително и в периода 2008-2012 г. започва да се прилага успешно не само в денталната медицина, но и в ортопедията, кардиологията, неврохирургията и някои други хирургични специалности.

3D моделирането и последващото 3D принтиране представляват нов образен метод в медицината. Той позволява с висока степен на точност да се предостави пациент-специфичен модел/макет, фиг. 1  [2]. Намира приложение в предоперативната подготовка – планиране и определяне на оперативната стратегия. Може да се използва и при комуникацията с пациента (и родителите му), както и за обучение на медицинския персонал.

 

Фиг. 1. 3D модел на сърце с междукамерен дефект; макет от гъвкав материал, подходящ за обучение.

 

В детската кардиология 3D принтирането намира приложение при диагностиката на нативни лезии и при проблеми в рамките на следоперативната еволюция. Има особено значение при диагнози като дясна камера с двоен изход, транспозиция на големите артерии с междукамерен дефект (МКД) и пулмонална стеноза, коригирана транспозиция на големите артерии, ВСМ с еднокамерен тип хемодинамика и редки съдови аномалии [7]. Спомага за прецизиране на съотношението между големите съдове и междукамерния дефект, дава допълнителна пространствена информация както за интракардиалната анатомия, така и за труднодостъпните и фини съдови структури. Това има пряко отношение към подготовката на хирургичния екип за операция. 3D моделирането намира приложение при оценката, подготовката и планирането на медицинските изделия, необходими при транскатетърното имплантиране на клапни протези. Ползата от метода е свързана с по-детайлното планиране и оптимизиране на операциите. В резултат се постига по-кратка и насочена интервенция. Потенциално се редуцира тежестта на оперативното лечение.

Процесът на 3D моделиране преминава през три етапа. Първият е добиване на качествено образно изследване, което позволява реконструиране на изображенията в множество равнини. Най-подходящи са КТ и МР, усилени с контрастна материя. Подходящи са и изображения от 3D ехография и ротационна ангиография – в зависимост от резолюцията.

На втория етап образното изследване се сегментира. За сегментиране са подходящи всички анатомични обекти/зони на интерес, които са достатъчно добре контрастирани и могат да се отграничат от околните тъкани и структури, фиг. 2.

 

Фиг. 2. Пример за сегментиране на сърдечносъдова система от КТ с контраст, клиничен случай 3. А. Стандартното изображение от КТ с контраст. B. Сегментиране на изображението – селектиране единствено на участъците със съответна пплътност (червено) – по този начин се извлича само тази част от изображението, която е с висока относителна плътност (включително някои зони с кост – артефакти). Полученото изображение представлява „отливка“ от съдовата програма – контрастът при КТ – и е пряко копие на сърдечносъдовата система.

 

При третия етап вече сегментираната зона на интерес се извлича като отделен файл – 3D модел. Софтуерната обработка позволява едновременно наслагване или изключване на образи с разнородна относителна плътност/ниво на интензитет. В кардиологичната практика това означава възможност за изобразяване на кухинен модел със сложни пространствени взаимоотношения на търсените структури.

Полученият при сегментирането 3D модел е във формат, който може да се разглежда свободно на електронен дисплей и също така да бъде подаден към 3D принтер за изработка от полимер. Принтирането на такъв модел е свързано с разнообразни технологии и полимерни материали. Възможни са флексибилни макети с плътност и модул на еластичност, близки до нативните тъкани.

Основен недостатък на метода е изключително трудното моделиране и изобразяване на фините и подвижните структури, какъвто е сърдечният клапен апарат. Именно затова в момента усъвършенстването на технологията е насочено към разрешаване на този недостатък и към създаването на възможност за едновременно наслагване и синхронизиране на няколко образни модалности – например КТ и 3D ехография, т. нар. „фюжън“ образна диагностика [9].

 

Клиничен опит

През 2018 г. в Клиниката по детска кардиология и отделение по хирургия на вродените сърдечни малформации за първи път се извърши 3D моделиране, сегментиране и принтиране на 3 модела при пациенти с редки ВСМ.

Моделите послужиха при предоперативната подготовка на двама пациенти със съдов пръстен – двойна аортна дъга, и на един пациент с комплексна цианотична ВСМ – пулмонална атрезия, междукамерен дефект, мултиколатерално белодробно кръвообращение. 3D моделирането и сегментирането се осъществиха въз основа на проведената при пациентите КТ с контраст. 3D принтирането се направи на принтер от любителски клас. При единия от случаите на двойна аортна дъга се изработи за референция и модел на 3D принтер от професионален клас.

Получените модели се сравниха с интраоперативната находка – директни измервания, пространствени съотношения и коментара на хирургичния екип. В случая с комплексната кардиопатия (пулмонална атрезия, МКД, мултиколатерално белодробно кръвообращение) моделът се сравни и с аутопсионната находка поради неблагополучния изход от оперативната интервенция.

 

Клиничен случай 1

Момче на 1-годишна възраст с пренатална диагноза на двойна аортна дъга. От раждането е с клинична картина на вроден стридор и смесена диспнея, придружени от рецидивиращи респираторни инфекции. Към 4-6-месечна възраст се появява и дисфагия. От ехографското изследване възниква съмнение за аномалия на аортната дъга, без обаче да може да се изобрази съдов пръстен. На 11-месечна възраст диагнозата се потвърди чрез КТ с контраст – двойна аортна дъга с водеща дясна дъга и атретична лява, както и малък артериален канал от лявата аортна дъга към лявата белодробна артерия. Двойната аортна дъга обхваща трахеята и хранопровода и ги притиска. Посредством получените от КТ изображения се изработи 3D модел, който отговаря по размери на образното изследване и на интраоперативната находка, фиг. 3.

 

Фиг. 3. 3D модел, клиничен случай 1.

 

Детето бе оперирано успешно на 1-годишна възраст. При контролния преглед 4 месеца след операцията бе установено напълно преодоляване на симптоматиката.

 

Клиничен случай 2

Аналогичен случай при момче на 7-месечна възраст, отново с пренатална диагноза на двойна аортна дъга. От раждането е с вроден стридор и смесена диспнея, а на 3-4-месечна възраст детето е с дисфагия. Диагнозата се потвърди с контрастна КТ – двойна аортна дъга, водеща дясна дъга, лявата е хипопластична, но проходима. Двойната дъга образува съдов пръстен, който обхваща трахеята и хранопровода и ги притиска. Изработеният модел отговаря на образното изследване и интраоперативната находка, фиг. 4.

 

Фиг. 4. 3D модел, клиничен случай 2.

 

Детето бе оперирано успешно на 7-месечна възраст, като симптоматиката се преодоля напълно до контролния преглед на 6-тия месец от интервенцията.

 

Клиничен случай 3

Кърмаче на 2 месеца с комплексна цианотична вродена кардиопатия – пулмонална атрезия, междукамерен дефект, мултиколатерално белодробно кръвообращение. Като новородено детето е с прояви на умерена хипоксемия и изразена сърдечна недостатъчност. Поради множеството аорто-пулмонални колатерални съдове и незадоволителното ехографско изобразяване на първичните белодробни артерии, на 7-дневна възраст се проведе КТ с контраст. Първоначалното реконструиране и принтираният 3D модел изобразиха в голяма степен основните колатерали и по-мащабната екстракардиална анатомия, фиг. 5.

На 2-месечна възраст в условията на задълбочена сърдечна недостатъчност и белодробен едем се извърши операция – опит за унифокализиране на колатералното кръвообращение (събиране на колатералните съдове и обединяването им в белодробна артерия). Поради тежко влошеното състояние с белодробен едем, ниското телесно тегло и технически затруднения хирургичен достъп (повечето колатерални съдове изхождат от низходящата аорта и се намират зад основната камерна маса), операцията премина неблагополучно с екзитус леталис на пациента в операционната.

Първоначалният модел се сравни с аутопсичния материал, като се установи припокриване по отношение на повечето колатерални съдове, съотношението на големите артерии, конфлуенса на атретичната белодробна артерия. Достъпът до аутопсичния материал позволи по-задълбочено анализиране на образните изследвания. В ретроспективно отношение се изработи нова виртуална 3D реконструкция – „кух“ модел, който с много голяма точност отговаря на интракардиалната находка и в пълнота отразява колатералното кръвообращение. Не се извърши принтиране на новия 3D модел поради приключване на клиничния случай.

 

Фиг. 5. 3D модел, клиничен случай 3.

Обсъждане

Първоначалните резултати от 3D моделиране и принтиране, извършени при 3 деца в НКБ, показаха, че има категорично съответствие между находката инвиво/пост мортем и принтирания 3D модел. Методът предоставя нагледен пространствен образ, който е възможно най-близко до конкретната нативна анатомия. Това дава основание моделите да се използват успешно в предоперативната подготовка на пациентите. За хирурга е улеснение да разгледа на ръка и дори да внесе в операционната макет, изобразяващ конкретното заболяване. Като допълнение, материалите помагат на родителите и пациента при комуникацията и разясняването на проблема и планираното лечение.

Най-подходящи случаи за 3D принтиране са редките и комплексни вродени кардиопатии, при които се наблюдават сложни пространствени съотношения и са трудни за изобразяване с конвенционална ехокардиография [5].

Бъдещето? Технологията на 3D принтирането да се внедри в практиката на Клиниката по детска кардиология на НКБ при селектирани пациенти. Развитие на метода в посока на преодоляване на основните недостатъци – трудно изобразяване на фини и подвижни структури (клапен апарат). Възможност за „фюжън“ сегментиране – наслагване на данните от няколко образни изследвания едновременно – КТ + 3D ехография и пр. 3D принтиране в сферата на репаративната/регенераторната медицина – нови възможности и проучвания по отношение на принтиране на клетъчни и тъканни култури върху матрица и изработване на живи импланти и трансплантати.

 

Библиография

1. Medical Applications for 3D Printing: Current and Projected Uses. PT. 2014. 39(10):704-11.
2. Kang, S.L., Benson, L. Recent advances in cardiac catheterization for congenital heart disease [version 1; referees: 2 approved]. F1000Research,2018. 7(F1000 FacultyRev):370 (doi: 10.12688/f1000research.13021.1).
3. Yoo, S.J., Thabit, O., Kim, E.K., Ide, H., Yim, D., Dragulescu, A., Van Arsdell, G. 3D printing in medicine of congenital heart diseases. 3D Printing in Medicine. 2016. 2(1). https://doi.org/10.1186/s41205-016-0004-x
4. 4. Matsumoto, J.S., Morris, J.M., Foley, T.A., Williamson, E.E., Leng, S., McGee, K.P., Vrtiska, T.J. Three-dimensional Physical Modeling: Applications and Experience at Mayo Clinic. RadioGraphics. 2015. 35(7). https://doi.org/10.1148/rg.2015140260
5. 5. Hadeed, K., Dulac, Y., & Acar, P. Three-dimensional printing of a complex CHD to plan surgical repair. Cardiology in the Young. 2016. 26(7):1432-1434. https://doi.org/10.1017/s1047951116000755
6. 6. Bhatla, P., Mosca, R.S., & Tretter, J.T. Altering management decisions with gained anatomical insight from a 3D printed model of a complex ventricular septal defect. Cardiology in the Young. 2016. 27(2):377–380. https://doi.org/10.1017/s104795111600202x
7. 7. McGovern, E., Kelleher, E., Snow, A., Walsh, K., Gadallah, B., Kutty, S., McMahon, C.J. Clinical application of three-dimensional printing to the management of complex univentricular hearts with abnormal systemic or pulmonary venous drainage. Cardiology in the Young. 2017. 27(7):1248-1256. https://doi.org/10.1017/s104795111600281x
8. 8. Michalski, M.H., Ross, J.S. The Shape of Things to Come. JAMA. 2014. 312(21):2213. https://doi.org/10.1001/jama.2014.9542
9. James, A.P., Dasarathy, B.V. Medical image fusion: A survey of the state of the art. Information Fusion. 2014. 19, 4-19. https://doi. org/10.1016/j.inffus.2013.12.002