Обычно в таких случаях ставится имплантат из титана (что в нашем случае было дорого), либо пластина из титановой сетки, либо создается имплантат из биосовместимого материала. В данном случае поверхность дефекта была достаточно большой, что ограничивало применение титановой сетки (в распоряжении врачей имелись только сетки стандартного размера и кривизны, а трепанационный дефект значительно превосходил размеры стандартной сетки и имел сложную кривизну с переходом на основание черепа, поэтому его было не закрыть даже двумя сетками).
Штатного скульптора в штате больницы тоже не нашлось, поэтому вылепить анатомически точную модель недостающей кости черепа в ходе операции (как это обычно делается) не представлялось возможным. Поэтому было принято решение изготовить изготовить имплантат из протакрила с использованием пресс-формы. Задача свелась к изготовлению этой самой формы.
Общий порядок работы выглядит следующим образом:
- Получение данных компьютерной томографии (КТ)
- Преобразование данных КТ в 3d- модель
- Доработка и оптимизация модели
- Построение модели имплантата
- Проектирование пресс-формы
- Изготовление пресс-формы
- Изготовление имплантата из биосовместимого материала
- Стерилизация имплантата
- Проведение операции
Пациенту была сделана компьютерная томография головы, в результате которой получен набор изображений (срезов) головы через определенное расстояние (в нашем случае 1,25 мм).
На основе этой информации была создана трехмерная модель костей черепа. Для этого необходимо указать программе участки, какой плотности на изображении будут использованы для построения модели. Выбирая разные по яркости участи можно создавать изображения разных видов тканей ( кости, мягкие ткани, сосуды и пр.) Программно преобразование набора изображений в 3d- модель реализуется обычно применением алгоритма марширующих кубов.
Исходная модель была достаточной тяжелой и содержала ряд дефектов, поэтому потребовалась ее доработка и оптимизация. В результате были удалены не существенные детали, а модель стала значительно легче.
Основная работа состояла в создании модели недостающей кости черепа. Тут на помощь пришли CAD системы. При ее построении использовалось свойство симметрии человеческого черепа, а так же указание границы дефекта по линии минимальной кривизны поверхности с целью плавного сопряжения проектируемой части с остальным черепом.
После того как деталь была смоделирована изготовление пресс-форма для имплантата не представляло особой трудности.
Половины пресс-формы и сама модель кости (на всякий случай) были распечатаны на 3d – принтере.
Опытные руки нейрохирурга изготавливают имплантат с использованием пресс-формы.
Напоследок кадр с операции. Все прошло успешно.
Основные выводы:
- Спроектированная форма имплантата учитывает анатомические особенности черепа пациента, что в данном случае имеет определяющее значение для восстановления пациента после тяжёлой травмы головного мозга, и определяет дальнейшее качество его жизни.
- Значительно сократились время нахождения пациента под наркозом, время подготовки и проведения операции (до 1 часа вместо 2-3 часов), что имеет существенный экономический эффект.
Комментарии (38)
g0dlike
27.04.2015 16:06Хм, а как такая площадь потом кожей/волосами затягивается?
unwrecker
27.04.2015 16:09Подозреваю, что кожа там уже была, но но время операции её сдвинули. Иначе б открытый мозг наружу торчал?
Интересно как вообще человек с такой травмой выжил…
vizart3d Автор
27.04.2015 16:40да, все верно, кожа там была. Изначально травма была трещина кости, а то что видим на картинке это уже результаты стараний врачей
Loki3000
27.04.2015 16:36А сколько времени ушло на всю подготовку? Как я понимаю, говоря о часе, имеется ввиду уже непосредственно лепка протеза?
vizart3d Автор
27.04.2015 16:42Всего ушла неделя. Учитывая что до этого случая с медицинским софтом не приходилось сталкиваться. Начиная от поиска софта, экспериментов, печати и до операции. Но сейчас конечно ушло бы гораздо меньше. Можно сделать модель в течение 3-4 часов, максимум дня + печать.
Pinsky
27.04.2015 18:11+1Тот редкий случай, когда я полностью согласен, что Вам нужен 3D принтер.
Мое глубочайшее почтение Вам.
P.S. Страшно подумать, что пережил человек, что потерял такой кусок черепа.
Meklon
27.04.2015 21:09Очень круто. А как сертифицируется метод? Я не помню применения протакрила, кроме как для съемных зубных протезов. Он биодеградирует? Какие отдаленные процессы ожидаются в месте пересадки? Остеоинтеграция будет?
vizart3d Автор
27.04.2015 22:08+1Я не врач к сожалению, по поводу сертификации ни чего сказать не могу. Протакрил, как мне специалисты проводившие операцию объяснили, биологически нейтрален и протез, сделанный из него может находиться в теле человека многие годы без разрушения.
Simmetry
27.04.2015 22:42+1Протакрил используют для целей краниопластики уже лет сорок. Обычно готовят материал путем размешивания порошка с отверждающим раствором прямо на операции и вылепляют участок, близкий по форме к дефекту, это достаточно просто, если дефект округлый и небольших размеров. Если дефект велик, имеет сложную форму, то маневр лепки in situ может не дать результата, поскольку масса твердеет в течение 6-8 минут. Как вы понимаете, порошок и отвердитель упакованы и стерилизованы официнально и стоит этот набор «хирурга-скульптора» тоже не дешево, то есть права на ошибку нет.
Другим значимым недостатком пластики протакрилом in situ является токсичность мелкодисперсного порошка и отвердителя, кроме того, процесс полимеризации протекает с нагревом заготовки градусов до 80 — даже в руках не удержать, то есть ткань мозга может здорово пострадать.
Материал лицензирован в медицине, застывший полимер инертен, не резорбируется. Его волокнистая микроструктура близка к структуре костных трабекул и на границе раздела возникает подобие остеоинтеграции — достаточно плотное сращение.
Решение сделать заранее позволило спланировать форму имплантата и избавить пациента от нагрева тканей в зоне дефекта, уменьшило время наркоза, что является приоритетным стремлением в хирургии.
«In situ» значит «на месте», «сразу»; термин пользуют врачи, чтоб не расписывать много кривыми буквами.
«Официнально» значит «сделано сразу на заводе и фабрично упаковано». То есть не нужно готовить и стерилизовать самостоятельно.Meklon
28.04.2015 01:08Спасибо. Мне как врачу интересно. У подобных полимеров традиционная беда — токсичность остаточного мономера. Он диффундировать будет же. Субъективно, я бы предпочел сетчатый титан плюс остеопластический материал типа Bio-Oss плюс стволовые клетки для быстрого наращивания популяции остеобластов. Хотя это явно дороже.
Simmetry
28.04.2015 08:40Вы правы, сетчатая заготовка из металлического композита Ti4Al6V, выполненная методом electron beam melting по тем же пространственным характеристикам была бы надежнее и безопаснее. Только аппаратов печати ЕВМ в нашей стране по пальцам одной руки и с размерностью секти есть вопросы — так что это пока будущее. Что касается остеокондукторов — там не все так сладко, как написано в проспектах: культивация фибробластов даёт лишь признаки дифференцировки, большей частью погибая даже в условиях модуляции и, в конечном итоге, выигрыша в качестве имплантата и времени по отношению только к сетке. Но есть порывы и в этом направлении.
Таким образом, учитывая тактическую обстановку, бригада поступила единственно верно.Meklon
28.04.2015 08:46Я ни в коем случае не критикую) прекрасная работа.
Simmetry
28.04.2015 08:50Вот он, рубленый слог)) В этой теме такой уже задел сформировался, что есть чем поделиться.
Meklon
28.04.2015 09:06Я просто по работе со стволовыми клетками работаю. Поэтому близко. Для пластики черепа тоже очень успешно применяются.
Simmetry
28.04.2015 09:29Культивация стволовых клеток на статических каркасах высокихх степеней дифференцировки, все же, достичь не позволяет. Кости черепа не испытывают значительных нагрузок, низко дифференцированная соединительная ткань, включая неокость, свою функцию выполняют. В опорных сегментах конечностей этот номер не проходит: прочность остеоинтеграции в области замещенных дефектов все ещё требует дополнительной фиксации винтами или специальными узлами. Тут есть ряд решений, требующих матмоделирования морфогенеза — ужасно интересная тема.
Psychopompe
28.04.2015 10:14Расскажите про матмоделирование, жуть как интересно, что в медицине есть!
Simmetry
28.04.2015 11:02В качестве конкретного примера в комментариях приведена методология определения исходной формы участка крыши черепа. Такой способ предсказания формы дефекта является эмпирическим, поскольку высокая точность в данной ситуации не нужна. Другое дело, когда проектируется сложный сегмент, сустав или позвоночные сегменты — нелинейность функции движения и математика индивидуальных отличий требуют персонифицированной модели. Дело в том, что количество состояний живой системы, равно, как и её сегмента, бесконечно, физика такая, поэтому необходим алгоритм предсказания и определения свойств проектируемого сегмента в заданных условиях. В моделировании используется информация о структуре генома, показателях кинетики живых систем и пространственной организации тканей, органов и систем.
В трёх словах тут не особо и расскажешь))Psychopompe
28.04.2015 12:13Меня суставы и интересовали, где можно почитать?
Simmetry
28.04.2015 13:24Литературы по рисованию в CAD полно, тут, например, найдёте. Проблема состоит в том, что в настоящее время систематический алгоритм проектирования подвижных сегментов тела не представлен. Вот мы и разрабатываемый его. Мат. модели частных механизмов добываем «вручную». Вот пример работы Эвернот
Psychopompe
28.04.2015 19:42А структура костной ткани уже имеет модель?
Simmetry
28.04.2015 20:03О да! С нецелочисленной пространственной размерностью более пяти. Со структурными паттернами псевдоикосаэдральной формы с самоподобной организацией. С тензорным описанием. Щастье))
Psychopompe
28.04.2015 23:44Это не самое страшное, что есть в физике.
Ссылку?Simmetry
28.04.2015 23:47
vizart3d Автор
28.04.2015 10:56Поддерживаю, очень интересно было бы почитать про моделирование морфогенеза! Пока только про модель Грея-Скотта слышал.
Simmetry
28.04.2015 11:17Модель Грея -Скотта описывает динамику живых систем в целостностном понимании — от молекул до биотопов, является основным инструментом анализа нелинейной функции живых систем. Для задач проектирования локальных звеньев требуются частные модели: модель Био, например, определение вида и свойств аттракторов, семейства матриц, описывающих структуру генов и прочие. Существует алгоритм развертывания этих данных, позволяющих создавать модель онтогенеза индивидуума, что и является формальным отражением «проектной документации» в природе.
buratino
28.04.2015 04:231.
Исходная модель была достаточной тяжелой и содержала ряд дефектов, поэтому потребовалась ее доработка и оптимизация. В результате были удалены не существенные детали, а модель стала значительно легче.
начальное сглаживание и удаление артефактов и ненужных частей можно делать до получения STL, еще в мимиксе
2.
Основная работа состояла в создании модели недостающей кости черепа. Тут на помощь пришли CAD системы. При ее построении использовалось свойство симметрии человеческого черепа,
Это не всегда бывает возможно.
В таких случаях используют метод «виртуального донора», т.е. берут модель другого пациента, подгоняют масштабированием ее под данную модель, а далее булевыми операциями получают имплант.
3. Насколько можно понять из фото — пресс-форма не проходила стерилизацию?
4. обычно для подготовки операции используют полный комплект — череп, имплант и пресс-формы
vizart3d Автор
28.04.2015 08:461. Согласен. что сглаживание и частичное удаление дефектов можно сделать в мимикс. Но на тот момент я в нем не работал. Кроме того в 3-matic использовался инструмент Push & pull — что-то типа цифрового скульптинга, который позволил доработать границу дефекта, устранив например, следы сверления.
2. Как вариант. Но в нашем случае удалось обойтись штатным инструментом.
3. Пресс-форма — нет. Не знаю на сколько это существенно. Но сам имплантат естественно стерилизовали.
4. Так наверное правильнее.
Simmetry
Браво! Вы молодцы, отличное взвешенное технологическое решение. Укоротить краниопластику до 1 часа — это, скажем прямо, прорыв. К тому же таким путём удалось избежать этапа контакта разогретой конструкции с тканями. Обязательно пишите в журналы! Молодцы!