Additive technologies in surgical treatment of spinal deformities

Full Text

Аддитивные технологии (additive manufacturing) относятся к одному из быстрорастущих сегментов современной промышленности, который все чаще находит применение в медицине. К аддитивным технологиям относится биомоделирование - создание высокоточной виртуальной или реальной модели интересующей области человеческого организма на основе данных лучевой диагностики, как правило, компьютерной томографии (КТ). Применение трехмерных моделей показало высокую эффективность в различных областях медицины - в челюстно-лицевой хирургии, нейрохирургии, ортопедии [1-4]. Применение биомоделирования в травматологии и ортопедии, и в частности в вертебрологии, позволяет более четко визуализировать характер деформаций скелета, осуществлять предоперационное планирование, подбор имплантатов [4-7]. В зарубежной литературе имеются сообщения о трехмерной печати как индивидуальных анатомических моделей, так и индивидуальных имплантатов, протезов и др. В отечественной литературе есть лишь единичные сообщения о применении аддитивных технологий в изготовлении индивидуальных имплантатов в хирургии позвоночника [8-11]. Цель исследования: обобщение собственного опыта применения метода трехмерного биомоделирования и изготовления индивидуальных металлоконструкций при оперативном лечении деформаций позвоночника различной локализации и этиологии, оценка его преимуществ, возможностей и эффективности. Пациенты и методы Компьютерное моделирование и лазерная стереолитография у пациентов, нуждающихся в операциях на позвоночнике, применяются нами с 2011 г. С 2011 по 2018 г. выполнено 52 модели позвоночника для пациентов с различной патологией: с врожденной многоплоскостной деформацией позвоночника (n=20), деформацией верхнешейного отдела позвоночника (n=12), спондилолистезом III-IV степени (n=10), нейрогенным сколиозом (n=8); для 2 пациентов с нейрофиброматозом и вторичной деформацией пояснично-крестцового отдела позвоночника изготовлены модели пояснично-крестцового отдела и части подвздошных костей. Трехмерные модели изготавливали в масштабе 1:1 методом стереолитографии на основании выполненной по данным спиральной КТ компьютерной модели. КТ-сканирование проводили с толщиной среза не более 1 мм. Результаты К.Т., сохраненные в файлах медицинского изображения DICOM, пересылали на предприятие ООО «Конмет» (Россия), где осуществлялись подготовка компьютерной трехмерной модели и техническое изготовление непосредственно самих объемных моделей. Во всех случаях трехмерные модели использовали для предоперационного планирования, включая предполагаемую коррекцию деформации, декомпрессию невральных структур и фиксацию позвоночника. В ряде случаев при тяжелых врожденных деформациях позвоночника трехмерные модели стерилизовали и применяли непосредственно во время операции, чтобы лучше ориентироваться в аномальной анатомии позвоночника. В 1 случае у пациента с краниовертебральной дисплазией и ротационным подвывихом позвонка СI на основании трехмерной модели были выполнены направляющие для проведения винтов в позвонки СI и СII (рис. 1). Рис. 1. Дисплазия шейного отдела позвоночника, ротационный подвывих позвонка СI у пациента Г., 8 лет. а - данные КТ до операции, дислокация позвонка СI; б - компьютерное моделирование положения винтов; в - компьютерное моделирование шаблонов для введения винтов; г - стереолитографическая модель с шаблонами; д - данные КТ после операции, правильное положение винтов в позвонках СI и СII, устранение смещения позвонка СI. Индивидуальные металлоконструкции на основании данных трехмерного моделирования. На основании полученных трехмерных моделей позвоночника в 26 случаях были выполнены индивидуальные металлоконструкции для коррекции деформации и фиксации соответствующего отдела позвоночника. Все имплантаты были изготовлены на предприятии «Конмет», материалом во всех случаях служил титан Ti-6Al-4V ELI. Для 7 пациентов с патологией верхнешейного отдела позвоночника различной этиологии были изготовлены индивидуальные пластины для передней фиксации позвонков: СI-СII (n=4, рис. 2, а, Рис. 2. Различные виды пластин для передней ат- лантоаксиальной и ат- лантосубаксиальной фик- сации позвоночника. Объяснения в тексте. б), СI-СIII (n=2, рис. 2, в-д) и СI-СIII (n=1; рис. 2, е). На все изготовленные пластины получены патенты Российской Федерации на изобретение [12-15]. Для 4 пациентов изготовлены индивидуальные имплантаты для передней фиксации области шейно-грудного перехода. Во всех случаях имелась грубая кифотическая деформация шейно-грудного перехода, в 2 случаях - в сочетании со стенозом позвоночного канала и неврологической симптоматикой (рис. 3). Рис. 3. Аномалия развития шейного и грудного отделов позвоночника, синдром Клиппель-Фейля, врожденный вывих позвонка ТhI, шейно-грудная инклинация со стенозом позвоночного канала, миелопатия у пациентки Л., 3 лет. а - данные КТ до операции; б - компьютерное моделирование пластины с телозамещающим имплантатом; в - стереолитографическая модель и пластина с телозамещающим имплантатом; г-е - рентгенограмма и данные КТ после хирургического лечения. Нозология у данных пациентов была различной: врожденная аномалия развития позвоночника, спондилоэпифизарная дисплазия и постламинэктомическая деформация. У 1 пациента с нейрофиброматозом имелись нейрофибромы в области крестца, обусловившие истончение костной ткани крестца и тазовых костей, что привело к нарушению опорной функции крестца. По стереолитографическим моделям были спроектированы и изготовлены индивидуальные имплантаты для позвоночно-тазовой фиксации. Данные имплантаты имеют форму протяженных пластин, изготовленных таким образом, что внутренние контактные поверхности плотно прилегают к гребню подвздошной кости и части наружной и внутренней поверхности подвздошной кости. Точное анатомическое соответствие имплантатов и подвздошной кости позволяет осуществить стабильную опорную фиксацию позвоночника посредством соединения стандартно установленной на нем металлоконструкции с опорными тазовыми пластинами (рис. 4) Рис. 4. Нейрофиброматоз, деформация пояснично-крестцового отдела позвоночника, атрофия от давления позвонка LV, крестца и костей таза у пациента О., 9 лет. а - КТ-реконструкция пояснично-крестцового отдела позвоночника и таза; б - компьютерная модель; в - стереолитографическая модель; г - компьютерное моделирование индивидуального имплантата для выполнения позвоночно-тазовой фиксации; д - симуляционная операция: установка индивидуального имплантата на объемную модель; е - установка имплантата во время операции; рентгенограмма (ж) и данные КТ (з) после выполнения позвоночно-тазовой фиксации индивидуальным имплантатом. [16, 17]. Аналогичные металлоконструкции были изготовлены на основании трехмерных моделей у 4 пациентов с нейромышечным сколиозом, сопровождающимся декомпенсацией баланса туловища и перекосом таза. В 10 случаях у пациентов со спондилолистезом III-IV степени, которым первым этапом выполнялась дорсальная декомпрессия невральных структур с частичным вправлением смещенного позвонка, были спроектированы и выполнены на основании трехмерных моделей индивидуальные пластины (n=2) и цилиндрические кейджи (n=8), при помощи которых вторым этапом выполнена передняя фиксация позвонков LV-SI (рис. 5). Рис. 5. Индивидуальные имплантаты, применяемые при лечении спондилолистеза. а - компьютерное моделирование индивидуальной передней пластины LV-SI; б - стереолитографическая модель с установленной пластиной; в - интраоперационный вид после установки пластины; г, з - данные КТ после установки пластины LV-SI; д - компьютерное моделирование индивидуального кейджа LV-SI; внешний вид кейджа (е, и) и данные КТ после его установки (ж). Кроме перечисленных, все изготовленные объемные биомодели позвоночника использовались в качестве обучающего материала для ординаторов и аспирантов. Биомодели шейного отдела позвоночника служили также материалом для экспериментальной работы по изучению различных методов инструментальной фиксации позвонков СI-СII [18]. Результаты Во всех случаях применение биомоделей позвоночника позволило получить существенную дополнительную информацию как при предоперационном планировании, так и во время операции. Планирование объема декомпрессии и остеотомии на трехмерных моделях было, на наш взгляд, полезным при выполнении операций, особенно в случае тяжелых деформаций позвоночника и сложных анатомических взаимоотношений. Изготовленные для пациента с дисплазией краниовертебральной области и ротационным подвывихом специальные направляющие для установки винтов позволили выполнить успешную фиксацию позвонков СI-СII и устранить вывих (см. рис. 1). Ввиду разнородности клинического материала и используемых технологий, а также выраженных индивидуальных особенностей в каждом клиническом случае анализ результатов не носит обобщающий характер. Применение индивидуально изготовленных имплантатов. На основании моделей позвоночника для 26 пациентов изготовлены индивидуальные металлоконструкции и проведена симуляция операции и установки металлоконструкции in vitro. Это позволило оптимизировать ход операции и установку фиксирующих имплантатов. Отдаленный период наблюдения за пациентами составил 3 года (от 3 мес до 5 лет). У 7 пациентов с патологией верхнешейного отдела позвоночника, которым после проведения декомпрессии осуществлялась передняя фиксация индивидуально изготовленными пластинами, достигнута полная декомпрессия спинного мозга со стабильной фиксацией краниовертебрального отдела позвоночника. В 2 случаях передние пластины пришлось удалить: в одном случае в ближайшем послеоперационном периоде из-за проблем с заживлением задней стенки глотки; во втором случае через 7 лет после операции в связи с развитием нестабильности фиксации и воспалительным процессом. В остальных случаях наблюдается стабильная фиксация верхнешейного отдела позвоночника (рис. 6). Рис. 6. Аневризматическая костная киста позвонка СII у пациента М., 31 года. а - компьютерное моделирование пластины для фиксации СI-СIII; б - стереолитографическая модель с установленной пластиной, внешний вид пластины; в - рентгенограмма после операции; г - данные КТ через 2 года после операции, стабильная фиксация. У пациентов с кифотической деформацией шейно-грудного перехода достигнута стабильная передняя фиксация позвоночника, которая наряду с полноценной декомпрессией и задней фиксацией позволила получить хороший клинический результат на сроке наблюдения 2 года (см. рис. 3). У всех прооперированных пациентов со спондилолистезом позвонка LV с применением передних индивидуальных пластин и кейджей достигнута стабильная фиксация пояснично-крестцового отдела позвоночника с отличным клиническим и функциональным результатом (см. рис. 5). Во всех случаях, за исключением одного, применение индивидуальных опорных пластин позволило получить стабильную позвоночно-тазовую фиксацию, срок наблюдения за пациентами составил 4 года (см. рис. 4). В 1 случае у пациентки с нейромышечным сколиозом после неоднократных операций по поводу менингомиелоцеле пояснично-крестцовой области имплантаты пришлось удалить из-за проблем с заживлением послеоперационной области в ближайшем послеоперационном периоде и присоединением воспалительного процесса. Обсуждение Технология «трехмерной печати» появилась в конце 80-х годов прошлого века. Первые лазерные машины - сначала стереолитографические, затем порошковые, были дорогими, а выбор модельных материалов весьма ограничен. В связи с этим до середины 90-х годов технология применялась главным образом в научно-исследовательской и опытно-конструкторской деятельности. Однако широкое распространение цифровых технологий в области проектирования (CAD - Сomputer Аided Design) стимулировало взрывной характер развития технологий 3D-печати. Это способствовало внедрению технологии трехмерной печати во многие области производства, в том числе в медицину. Первой публикацией, посвященной применению трехмерной модели в медицинской практике, считается работа Н. Tonner в 1979 г. [19]. Автор, используя срезы КТ, изготовил модель таза у пациента с фибросаркомой. Так как метод трехмерной печати в то время еще не был разработан, модель была изготовлена путем послойной склейки вырезанных из полиэстеровой пены частей на основании КТ-срезов. Выполненную таким образом модель таза в масштабе 1:1 автор успешно использовал для создания индивидуального замещающего имплантата. Первым аддитивным методом изготовления трехмерных моделей стала стереолитография. Это технология, при которой происходит послойное затвердевание жидкой фотополимерной смолы под воздействием луча лазера. Первое сообщение о применении данного метода для создания биомодели анатомических структур человека принадлежит N. Mankovich и соавт. [20]. Челюстно-лицевая хирургия стала первой областью медицины, в которой начали использовать аддитивные технологии [21, 22]. В России метод прототипирования трехмерных объектов на основе CAD-технологий был разработан в Институте проблем лазерных и информационных технологий РАН (Шатура, Московская обл.) под руководством академика РАН В.Я. Панченко [23]. Как и у зарубежных коллег, первые публикации в России о практическом использовании стереолитографического биомоделирования связаны с пластикой посттравматических дефектов костей черепа [1, 2]. Уже опубликовано большое количество статей отечественных авторов, посвященных применению метода биомоделирования и изготовлению индивидуальных имплантатов в нейрохирургии и челюстно-лицевой хирургии [2, 24]. Однако работы по использованию аддитивных технологий в хирургии позвоночника в отечественной литературе носят единичный характер [8-11]. Впервые опыт применения 3D-моделей в хирургии позвоночника представила группа авторов из Австралии [25]. Своим опытом биомоделирования позвоночника поделились и исследователи из Голландии [26]. Модели изготавливали на основании данных КТ из блоков полиуретановой пены на фрезерных станках с числовым программным управлением. Основываясь на 6 клинических наблюдениях, авторы вывели ряд основных требований к биомоделям, среди которых следующие: 3D-модели должны выполняться только в сложных клинических ситуациях, когда такие методы, как КТ и магнитно-резонансная томография, не дают достаточно информации для принятия решения; изготовление моделей не должно затягивать предоперационный период и тем самым увеличивать риск ухудшения состояния пациента; трехмерные модели должны позволять точное предоперационное планирование и изготовление индивидуальных имплантатов. Акцентирование последнего пункта связано с особенностью применяемых ими биомоделей из полиуретановой пены - данный материал, безусловно, более мягкий, что позволяет проще выполнять симуляционную остеотомию и установку имплантатов, особенно по сравнению со стереолитографическими моделями. Можно согласиться в этом с авторами, так как, действительно, модели, выполненные методом стереолитографии, намного тверже и гораздо менее эластичны. Однако метод фрезеровки, или еще так называемый субтрактивный метод изготовления трехмерных моделей, обладает и недостатками по сравнению с аддитивными методами, прежде всего это невозможность изготовления целиком сложных моделей позвоночника с воспроизведением внутренней структуры позвоночного канала. Кроме того, использование высокоскоростной дрели делает возможным выполнение симуляционных остеотомий и формирование каналов для установки винтов и на стереолитографических моделях. Это подтверждают и наш опыт, и данные литературы. Так, P. D’Urso и соавт. [27] впервые опубликовали данные об изготовлении стереолитографических моделей у 20 пациентов с различной патологией позвоночника с последующим просверливанием каналов для винтов [27]. Прозрачность стереолитографических моделей позволяла точно проследить траекторию винта. С развитием технологии 3D-печати стало возможным применять и другие виды пластиковых материалов с более подходящими свойствами. Авторы отметили, что в 2 случаях было невозможно безопасно установить винт на модели, в связи с чем план оперативного лечения и установки металлоконструкции был изменен. Аналогичные случаи мы наблюдали в нашей практике, когда по данным биомоделирования становилось очевидно, что установка фиксирующих имплантатов с выполнением коррекции деформации из запланированного доступа невозможна, что соответственно вносило коррективы в план операции [9]. Одной из крайне интересных возможностей использования аддитивных технологий видится возможность изготовления шаблонов-направителей для последующей установки винтов в позвонки. P. D’Urso и соавт. [27] одними из первых описали вариант изготовления таких шаблонов. Авторы на первом этапе формировали сверлом канал в позвонке в месте предполагаемого винта, затем устанавливали в сформированный канал спицу-пин и делали шаблон из метакрилата, после соответственно удаления пина можно было использовать шаблон в качестве направляющей для формирования каналов для винтов в позвонках пациента. Авторы, в частности, описывают опыт трансартикулярной установки винтов СI-СII с использованием направителей. Развитие технологий компьютерного 3D-моделирования позволяет определять и симулировать оптимальную траекторию винта на виртуальной модели, с последующим изготовлением физической биомодели и направляющих шаблонов. Мы также использовали эти возможности при операциях на шейном отделе позвоночника и находим их удобными и полезными. J. Yang и соавт. [28] сообщают об успешном применении трехмерных моделей и направителей для установки винтов и проведения корригирующих операций у 20 пациентов с тяжелыми деформациями грудного отдела позвоночника. Авторы отмечают, что высокая точность биомоделей позволила добиться оптимальных результатов при выполнении операций, точность проведения винтов подтвердилась данными послеоперационных КТ-исследований, продолжительность операций существенно сократилась. Выполнение симуляционной операции на трехмерной модели дает возможность заранее подготовить имплантаты необходимого размера, а также придать стержням необходимую длину и форму как для улучшения степени коррекции деформаций, так и для уменьшения продолжительности операции. K. Toyoda и соавт. [29] описали результат лечения пациента с атлантоаксиальной нестабильностью, для которого предварительно на модели были определены направление винтов и отмоделированы стержни, которые и использовались во время операции. Одним из самых интересных и перспективных направлений развития аддитивных технологий в вертебрологии нам видится возможность изготовления индивидуальных имплантатов, позволяющих разрешить крайне тяжелые ситуации у пациентов с деформациями позвоночника, прежде всего на фоне врожденных аномалий, опухолей позвоночника и посттравматических дефектов. В опубликованном в 2017 г. систематическом обзоре литературы, посвященном методам 3D-печати в вертебрологии [30], выявлено 6 работ, посвященных изготовлению индивидуальных имплантатов методом 3D-печати, причем все статьи были опубликованы в 2016-2017 гг. Все имплантаты были изготовлены из титана. В трех работах индивидуальные имплантаты изготовляли для пациентов с краниовертебральной патологией. K. Phan и соавт. [31] индивидуально изготовленный фиксирующий имплантат устанавливали из заднего доступа пациенту с артропатией СI-СII [31]. Две другие работы посвящены изготовлению передних стабилизирующих имплантатов методом 3D-печати: в одном случае у пациента с саркомой Юинга позвонка СII имплантат был установлен из переднего ретрофарингеального доступа [32], в другом случае у пациента с хордомой позвонка СII - из трансорального доступа [33]. Во всех случаях получены хорошие отдаленные результаты со стабильной фиксацией. Мы в своей работе применяли для передней трансоральной стабилизации краниовертебральной зоны индивидуально изготовленные имплантаты на основании компьютерных и объемных моделей у 7 пациентов [34-37]. Наш опыт и данные зарубежных коллег подтверждают, что выполнение реконструктивных операций на краниовертебральном сегменте при грубых нарушениях анатомии вряд ли возможно без применения индивидуальных имплантатов. Опубликованы данные об изготовлении и успешном применении телозамещающего имплантата у подростка с опухолью позвонка ThIX [38] и индивидуального кейджа при врожденной аномалии поясничного отдела позвоночника [33] с хорошими отдаленными результатами лечения. Наш опыт изготовления и применения индивидуальных кейджей и пластин при патологии пояснично-крестцового отдела также показал высокую эффективность аддитивных технологий. Резекция части или целого крестца при опухолевых процессах является серьезным вызовом для хирургов - высокие нагрузки в данной анатомической области требуют проведения максимально стабильной реконструкции. Предлагались различные методы реконструктивных операций с применением большого количества фиксирующих элементов - винтов, стержней и т. п. и проведением костной пластики. Современные возможности аддитивных технологий открывают новые возможности в решении этой проблемы. В частности, описано применение изготовленных методом 3D-печати протезов части крестца, с помощью которых удалось полностью заместить образовавшиеся после удаления опухолей дефекты [39, 40]. Наш опыт применения разработанных и изготовленных собственных индивидуальных имплантатов для выполнения позвоночно-тазовой фиксации в целом положителен и позволяет предположить потенциальную возможность использования данной технологии при реконструктивных операциях после удаления опухолей крестца. Кроме того, в литературе отмечается уникальная возможность с помощью 3D-печати воспроизводить внутренние структуры объектов, т. е. создавать имплантаты с заданной пористой структурой, сопоставимой с губчатой костной тканью, и, таким образом, улучшать фиксацию на уровне кость-имплантат [41]. Необходимо отметить, что выполненные таким образом имплантаты при необходимости могут носить как индивидуальных характер, так и серийный, что расширит их применение. Изготовленный нами первоначально как индивидуальный кейдж для выполнения передней стабилизации при спондилолистезе в настоящее время выпускается уже небольшими партиями. Целый ряд фирм-изготовителей производит кейджи по методу трехмерной печати. В перспективе представляется возможным изготовление имплантатов не только из титана, но и из других материалов с целью достижения лучшей биосовместимости, лучшей остеоинтеграции, возможности биорезорбции и др. Заключение. Полноразмерные объемные модели позвоночника позволяют более полно оценить характер деформации, получить дополнительную пространственную информацию. С помощью трехмерных моделей появляется возможность проводить предоперационное планирование, симуляцию этапов операции, подбор и подготовку имплантатов; выполнять приспособления для установки в позвонки винтов для минимизации риска развития осложнений при грубых анатомических изменениях позвоночника и в его шейном отделе. Трехмерные модели можно применять в качестве обучающего материала и для проведения экспериментальных работ. Трехмерные объемные модели и компьютерное моделирование делают возможным выполнение индивидуальных металлоконструкций для фиксации позвоночника, что особенно актуально при тяжелых деформациях позвоночника, когда применение стандартных имплантатов для спондилосинтеза не представляется возможным. Необходимы дальнейшая работа по изучению отечественного и зарубежного опыта применения аддитивных технологий, анализ отдаленных результатов и повышение доступности данных технологий.

About the authors

A. A Kuleshov

N.N. Priorov National Medical Research Center of Traumatology and Orthopaedics

Moscow, Russia

M. S Vetrile

N.N. Priorov National Medical Research Center of Traumatology and Orthopaedics

Email: cito-spine@mail.ru
Moscow, Russia

A. N Shkarubo

N.N. Burdenko National Scientific and Practical Center for Neurosurgery

Moscow, Russia

V. V Docenko

N.N. Priorov National Medical Research Center of Traumatology and Orthopaedics

Moscow, Russia

N. A Es’kin

N.N. Priorov National Medical Research Center of Traumatology and Orthopaedics

Moscow, Russia

I. N Lisyanskiy

N.N. Priorov National Medical Research Center of Traumatology and Orthopaedics

Moscow, Russia

S. N Makarov

N.N. Priorov National Medical Research Center of Traumatology and Orthopaedics

Moscow, Russia

References

Supplementary files