Současné klinické aplikace 3D tisku v managementu komplexních zlomenin

I přes velký potenciál 3D technologie přetrvávají výzvy v podobě zajištění dlouhodobé biokompatibility, strukturální integrity 3D tištěných materiálů, stejně jako vyřešení legislativních otázek ve striktně nastaveném zdravotnickém prostředí. Probíhající výzkum a technologický pokrok však slibují překonání těchto překážek a rozšíření možností 3D tisku v medicíně.

Předoperační plánování ve skeletální chirurgii

Hlavní výhoda 3D tisku v předoperačním plánování spočívá v jeho schopnosti poskytnout chirurgovi hmatatelné zobrazení anatomie konkrétního pacienta. Integrace technologie 3D tisku do rutinní chirurgické praxe umožňuje vytvářet pacient specifické anatomické modely a nabízí chirurgům novou úroveň pochopení vzájemných prostorových vztahů komplexních zlomenin a anatomických poměrů.

Tradiční zobrazovací techniky jsou sice informativní, ale často nesou omezení při zprostředkování komplexních prostorových vztahů anatomických struktur. 3D modely tuto mezeru překlenují tím, že chirurgům umožňují fyzickou interakci s modelem a jeho zkoumání, čímž zlepšují chirurgovo porozumění a prostorové povědomí, toto umožňuje přizpůsobit chirurgické strategie a implantáty, v konečném důsledku tak zvyšují přesnost a efektivitu chirurgických zákroků.

Lee, et al. (2022) poukazují ve své studii na významné výhody použití technologie trojrozměrného tisku a mapování zlomenin při léčbě zlomenin pánve a acetabula. Zdůrazňují zkrácení peroperačního času, expozice intraoperačnímu zobrazování, menších pooperačních komplikací, snížení krevních ztrát a zlepšení výsledků repozice ve srovnání s tradičními operačními metodami [16]. Hu, et al. (2024) prokázali účinnost metody miniinvazivní osteosyntézy (MIPO) v kombinaci s 3D tiskem u řešení komplexních zlomenin proximálního humeru. Tato studie zdůrazňuje výhody oproti tradičním metodám otevřené repozice včetně vyšší efektivity operace v podobě nižšího výskytu komplikací spolu s kratším operačním časem, menší intraoperační ztrátou krve a rychlejším hojením zlomeniny [17].

Ukázalo se, že realizace chirurgických simulací s využitím 3D tištěných modelů zvyšuje bezpečnost a účinnost zákroků, zejména u složitých případů. Sufianov, et al. (2023) upozornili na využití 3D modelování a tisku při předoperačním plánování kranioplastiky a personalizovaném nácviku léčby kraniosynostóz. Tato metoda založená na důsledné individualizaci umožnila přesné chirurgické plánování a také provádění simulací, což významně snížilo intraoperační rizika a zlepšilo výsledky operačních zákroků [18].

Klasický algoritmus vytvoření 3D modelu komplexní zlomeniny zahrnuje získání obrazových dat pacienta z různých zobrazovacích modalit pracujících v 3D prostoru, typicky CT, low dose CT, případně magnetické rezonance. Dalším krokem je segmentace obrazových dat do podoby definitivního 3D modelu. Předpokladem pro rychlou a jednoduchou segmentaci 3D modelu z CT je kvalitní kontrastní CT, submilimetrové CT řezy a ideálně absence kovových předmětů (implantátu, zevního fixátoru atp.), které způsobují výrazné zhoršení obrazu a významně prodlužují segmentaci, která se pak stává časově nejnáročnějším krokem v celém procesu. Výsledkem jsou virtuální modely, které je možné přímo využít během předoperační přípravy nebo se s nimi dá dále pracovat, viz (Obr. 1). Hotový model je třeba následně připravit v tzv. Sliceru, což je specializovaný software, který virtuální model připraví pro tisk, a jeho výstupem je tzv. G-code, tedy soubor informací definující již konkrétní pohyby tiskové hlavy nebo podložky tiskárny v případě FDM tisku, případně osvitové schéma při použití SLA tisku jako výstupní technologie. V této fázi je také možné definovat rozlišení, materiál a celkovou podobu modelu, jak je zobrazeno na (Obr. 2). Takto vytvořený model (Obr. 3) je dále možné použít ať už v předoperačním období v rámci plánování, nebo v případě tisku z biokompatibilního materiálu (Obr. 4) také na operačním sále ve sterilním prostředí [19].

Dalším logickým krokem je přechod na integrační přístup digitálního plánování zahrnující simulace ve virtuální realitě, kdy je možné předvídat a strategicky plánovat složité operační postupy s větší přesností, což vede ke zkrácení operačního času a menšímu výskytu komplikací. Případná kombinace těchto technologií (3D tisk, plánování v CAD a simulace operačních postupů v augmentované realitě) ještě dále prohlubuje množství informací získaných z 3D rekonstrukcí a ve finále zlepšuje výsledky operací, například u komplikovaných poranění pánve či páteře [20].

Bylo prokázáno, že 3D tisk má díky možnosti přesného předoperačního plánování významný dopad na zkrácení doby trvání operací a pooperačních hospitalizací, minimalizaci rizika peroperačních komplikací a zkrácení doby rekonvalescence. Green (2017) ve své disertační práci zkoumal vliv použití vlastních 3D tištěných modelů jako nástroje pro předoperační plánování komplexních zlomenin. Jeho práce jasně potvrdila, že 3D tisk výrazně redukuje operační čas nutný k ošetření komplexních zlomenin patní kosti [21].

Nezastupitelnou roli tato technologie hraje v případě řešení komplikovaných zlomenin a následných komplikací primární nebo revizní endoprotetikou, kdy její využití zlepšuje přesnost umístění a velikosti implantátu a vede ke zkrácení operačního času a k nižší incidenci pooperačních komplikací [22].

3D tištěné modely slouží také jako účinný komunikační nástroj, který zlepšuje spolupráci mezi členy multidisciplinárního týmu, podílejícími se na péči o pacienta.

Obr. 1: Segmentace dat z CT rekonstrukcí v programu 3D Slicer
Fig. 1: Segmentation of CT reconstruction data in 3D Slicer

Obr. 2: Model zlomeniny distálního bérce připravený ve sliceru pro SLA tisk
Fig. 2: Distal tibia fracture model prepared in slicer for SLA printing

Obr. 3: Vytištěný model zlomeniny páteře
Fig. 3: Printed model of spinal fracture

Obr. 4: Vytištěný model zlomeniny lopatky s LCP dlahou natvarovanou podle modelu
Fig. 4: Printed model of scapulla with the locking compresion plate shaped according to the model

Thorn, et al. poskytli pohled na perioperační užitečnost 3D tištěných modelů ve 106 složitých chirurgických případech. Studie zdůraznila, jak tyto modely usnadňují diskuze a rozhodovací procesy mezi chirurgy, radiology a dalšími zdravotnickými pracovníky [23]. Práce Samaila, et al. (2023) zdůrazňuje přidanou hodnotu 3D tištěných modelů komplexních zlomenin během předoperačního plánování a také vyšší compliance pacienta, pokud je informovaný souhlas a edukace pacienta prováděna na základně práce s 3D modelem, kdy pacienti získají jasnější představu o svém poranění, možnostech léčby a postupu následné rekonvalescence [1].

Užití 3D tisku u komplikovaných zlomenin skeletu v úrazové chirurgii a ortopedii představuje významný pokrok v předoperačním plánování, v přesnosti repozice zlomenin a v umístění implantátů.

Tisk chirurgických cíličů

Současná technologie 3D tisku a softwarového modelování umožňuje vytvářet chirurgické cíliče specificky přizpůsobené potřebám pacienta. Tato anatomická vodítka lze využít například při korekčních osteotomiích, resekcích tumorů nebo při umisťování šroubů v anatomicky komplexních oblastech, jako jsou pánev nebo krční páteř. Řešení komplexních poúrazových deformit předloktí pomocí vícerovinné osteotomie, případně rozsáhlé rekonstrukční výkony v oblasti dolní čelisti pomocí štěpu z fibuly by bez precizní předoperační přípravy a přesně vedené osteotomie za pomoci anatomického cíliče nebylo v praxi možné provést. Z historického hlediska plyne dominantní využití této technologie hlavně ve zmíněné maxilofaciální chirurgii, avšak postupně se rozšiřuje i do oblasti skeletální traumatologie, spondylochirurgie a oblasti rekonstrukčních či korekčních plastických zákroků. Cíliče zhotovené na míru pacientovi přinášejí zvýšenou přesnost v umístění implantátů, umožňují přesně určit roviny osteotomie, objektivně vedou ke snížení invazivity zákroku a zvyšují jistotu chirurga během operace. Jedním z příkladů využití tohoto přístupu je léčba komplexní zlomeniny acetabula. Merema, et al. (2017) prezentovali proces vývoje 3D implantátů a vrtacích šablon na míru, využívajících data získaná z CT vyšetření, která jsou následně zpracována v plánovacím softwaru specializovaném na medicínská obrazová data. Byl vytvořen 3D model jak poškozené, tak zdravé strany a s využitím porovnání obou byl také vytvořen virtuální model zlomeniny po repozici. Na základě tohoto modelu byla simulována přesná trajektorie všech šroubů, což umožnilo zakázkovou výrobu titanových dlah a polyamidových vrtacích šablon, jež během operace umožnily přesnou repozici zlomeniny a použití ideálně padnoucího implantátu. Výsledkem studie bylo dosažení lepší repozice zlomeniny a snížení rizika komplikací oproti tradičním metodám léčby zlomenin acetabula [2]. Hoekstra, et al. (2016) popsali postup korekční osteotomie dlouhých kostí s využitím 3D tištěných custom made cíličů. Studie kladla důraz na fázi předoperačního plánování, kdy byly odchylky korigovány virtuálně po zrcadlení zdravé strany pro určení přesné roviny osteotomie. Proces určil přesnou polohu K-drátů, otvorů pro vrtání a místa osteotomie [24]. Studie Schweizera, et al. (2013) se zabývá trojrozměrnou korekcí intraartikulárních deformit a pakloubů distálního radia po primárním ošetření zlomeniny osteosyntézou s využitím 3D tištěných cíličů. Metodika umožnila vícerovinnou korekci v jedné době a dosažení nejlepší možné korekce dle zrcadleného modelu zdravé strany [25].

Výroba anatomických spacerů

Historický význam používání cementových spacerů v léčbě traumatických a postinfekčních kostních defektů je nezpochybnitelný z několika důvodů. Anatomické spacery vyplňují defekty způsobené ztrátou kostní tkáně, čímž předcházejí kolapsu sousedních tkání a brání další resorpci kosti. Tato prevence je zásadní pro zachování správných anatomických proporcí, což je klíčové pro budoucí rekonstrukci kostní tkáně. Spacery poskytují dočasnou podporu oblasti s kostním defektem a pomáhají udržet strukturální integritu postižené kosti, čímž snižují riziko dalších zranění a podporují léčebný proces. V případě, že kostní defekt je důsledkem infekce, nebo pokud toto riziko hrozí v budoucnu, je možné využít spacerů nasycených antibiotiky pro sanaci infekčního ložiska nebo jako preventivní opatření. Začlenění 3D tisku do výroby spacerů umožnilo vytváření na míru vyrobených, anatomických spacerů, což přineslo značnou anatomickou přesnost a umožnilo léčbu dříve komplikovaných případů, jako jsou intraartikulární zlomeniny, nebo parciální kostní defekty, kde je jakákoli anatomická nepřesnost neakceptovatelná (Obr. 5). Anatomicky přesné spacery usnadňují plánování definitivního rekonstrukčního výkonu tím, že pomáhají vizualizovat rozsah defektu, plánovat velikost, objem a tvar štěpu nebo implantátu potřebného k rekonstrukci (Obr. 6). To je obzvláště důležité v komplexních případech s výrazně změněnou anatomií. Udržení správných anatomických proporcí hraje klíčovou roli v šanci na úspěšnou obnovu funkce postižené oblasti nebo končetiny. Keramické spacery obohacené o osteokonduktivní materiály mohou být navrženy tak, aby podporovaly vaskularizaci a osteointegraci, což je další krok k optimalizaci výsledků léčby. Takto vyrobené dočasné spacery nebo definitivní kostní výplně jsou předmětem zájmu inženýrství kostní tkáně (BTE – bone tissue engeneering) a oborů regenerativní medicíny (RM). Významným aspektem je i psychologický komfort pacientů, kteří vědí, že defekt je vyřešen způsobem, který zachovává přirozenou anatomii a usnadňuje tak budoucí rekonstrukční výkon. Toto povědomí může být zásadní pro celkové zotavení a compliance pacienta.

Jariwala, et al. (2016) se zabývali potenciálem aditivní výroby včetně 3D tisku v oblasti výroby personalizovaných kostních nosičů (scaffoldů). Možnost přizpůsobit scaffoldy z hlediska chemického složení, tvaru, pórovitosti a anatomického tvaru má potenciál výrazně zlepšit výsledky u pacientů s kostním traumatem, nádorem, infekcí nebo vrozenými abnormalitami. Tento pokrok nabízí slibnou alternativu k tradičním léčebným postupům, které nedokážou kopírovat anatomický tvar ani strukturu defektní kostní tkáně [26].

Obr. 5: Tištěná polyuretanová forma a v ní vytvořený anatomický spacer z cementu
Fig. 5: Printed polyurethane mould and moulded anatomical spacer

Obr. 6: Návrh artikulace a trajektorie fixačních prvků custom-made implantátu v plánovacím software
Fig. 6: Design of articulation and trajectory of fixation points of the custom-made implant in the planning software

Vývoj a výroba pacient specifických implantátů

Nástup technologie 3D tisku v managementu péče o komplexní zlomeniny umožňuje výrobu chirurgických implantátů na míru konkrétnímu pacientovi, které důsledně respektují jeho anatomické poměry, stejně jako umožňuje vyrobit implantát například jen parciálního kloubního povrchu na míru pacientovi s částečně artikulárním kostním defektem. Použití komerčně dostupných, ve velké míře standardizovaných implantátů by nedokázalo dosáhnout podobného výsledku. Pacient specifické implantáty zlepšily výsledky chirurgických zákroků díky větší přesnosti, zkrácení peroperačního času a dokonalejší repozici díky lepšímu uložení a funkčnosti implantátů.

Na našem pracovišti jsme již ve 2 případech úspěšně využili implantaci pacient specifických 3D tištěných titanových implantátů v kombinaci s pacient specifickým cementovým antibiotickým spacerem v rámci etapového ošetření otevřené ztrátové zlomeniny distálního bérce a nohy (Obr. 7).

Obr. 7: Anatomický custom made implantát z titanu pro pacienta se ztrátovým poraněním talu
Fig. 7: Anatomical custom-made titanium implant for a patient after talar extrusion

Rozšíření technologií 3D tisku, jako je laserová a elektronová prášková fúze, umožnilo zakázkovou výrobu personalizovaných implantátů, zejména implantátů ze slitin titanu. Díky těmto technologiím vznikla po celém světě in-house 3D tisková centra v nemocnicích a v místech poskytování zdravotné péče, která se zaměřují na komplexní, na míru navržený přístup při řešení komplexních zlomenin, ale uplatňují se také v oblasti kardiologie, transplantologie nebo rekonstrukční chirurgie [31].

Využitelnost 3D tisku pro chirurgické plánování a výrobu pacient specifických implantátů v maxilofaciální chirurgii se prokázala ve významném zlepšení a přesné obnově čelistních poúrazových deformit. Tento přístup umožňuje vyhnout se běžným obtížím spojeným s předem vyrobenými implantáty, které respektují anatomickou variabilitu pouze v omezené míře [32]. Nezastupitelná je i úloha 3D tisku při vývoji implantátů postupně uvolňujících léčiva. Zvláště tam, kde je nutná výroba implantátů s přizpůsobitelnými tvary, specifickými mechanickými vlastnostmi a profily postupného uvolňování léčiva, které řeší individuální potřeby pacientů v různých lékařských oborech [33]. Zavedení 3D tisku v orální a maxilofaciální chirurgii prostřednictvím virtuálního chirurgického plánování a 3D tištěných pacient specifických cíličů a implantátů vedlo ke zvýšení přesnosti repozice, stejně tak i k dosažení lepších pooperačních výsledků [34].

Integrace 3D tisku a augmentované reality ve skeletální chirurgii

Integrace technologií 3D tisku a rozšířené reality (AR) transformovala moderní přístupy ke skeletální chirurgii. Díky těmto inovacím je možné lépe plánovat operace, dosahovat vyšší přesnosti a poskytovat pacientům personalizovanou péči. Integrace těchto dvou technologií přináší komplexní řešení pro náročné požadavky v oblastech ortopedické onkologie, traumatologie a rekonstrukční chirurgie.

Využití 3D tisku pro vytváření pacient specifických modelů přesně napodobujících jednotlivé anatomické struktury, umožňuje chirurgům detailně plánovat a předem si nasimulovat chirurgické zákroky. Rozšířená realita tyto možnosti obohacuje o interaktivní anatomické vizualizace v reálném čase, které jsou mapovány přímo na tělo pacienta během operačního výkonu. Tato synergie nejenže zlepšuje prostorové vnímání chirurga, ale také umožňuje hlubší porozumění komplexním anatomickým vztahům, což přispívá k lepšímu výsledku operace.

Recentní studie potvrzují efektivitu propojení 3D tisku a AR v kostní chirurgii. Moreta-Martinez, et al. (2021) představili inovativní řešení, které kombinuje 3D tisk a rozšířenou realitu v ortopedické onkologické chirurgii, s nadějnými výsledky v oblasti přesnosti vizualizace a potvrzením použitelnosti během chirurgických zákroků. Nejzásadnějším problémem při fúzi virtuálního modelu a skutečného těla pacienta je otázka přesného mapingu a nalezení přesných referenčních bodů, které umožní odpovídající a anatomicky přesný překryv virtuálního modelu [35]. Další studie výzkumné skupiny Morety-Martineze, et al. (2018) ukázala metodu využívající 3D tisk pro vytváření pacient specifických referenčních zařízení, která jsou schopná automaticky nalézt referenční body a spolehlivě zajistit automatický mapping modelu [36].

Kromě zvýšení chirurgické přesnosti se ukázalo, že kombinace 3D tisku a rozšířené reality zlepšuje proces informovaného souhlasu a obecně proces komunikace s pacientem. Ayoub, et al. (2019) upozornili na široké využití těchto technologií v orální a maxilofaciální chirurgii včetně virtuálního plánování a intraoperační navigace, které významně zvyšují přesnost zákroků v zubní implantologii a ortognátní chirurgii [37].

Aplikace AR v roboticky asistované ortopedické chirurgii, jak ve studii popsali Iqbal, et al. (2021), zdůrazňuje synergický potenciál AR a 3D tisku při rozšiřování schopností chirurgických robotů a zlepšování ergonomie při jejich obsluze [38].

Integrace 3D tisku a rozšířené reality ve skeletální chirurgii představuje významný pokrok v chirurgické praxi. Kombinací personalizovaných, fyzických modelů, které poskytuje 3D tisk, s dynamickými, interaktivními vizualizacemi, které nabízí rozšířená realita, mohou chirurgové dosáhnout nebývalé úrovně přesnosti a efektivity při plánování a provádění operací. S dalším vývojem těchto technologií se očekává, že jejich kombinované využití v klinické praxi bude stále rozšířenější.

Technické, logistické a etické výzvy při implementaci 3D tisku do chirurgické skeletální praxe

Implementace 3D tisku do chirurgické praxe přináší řadu technických a logistických výzev. Na prvních místech stojí zajištění kvality, kalibrace softwaru i hardwaru a s tím související přesnosti tisku. To vyžaduje pokročilé a licencované 3D tiskárny, ale také biokompatibilní materiály a sofistikovaný software pro segmentaci a práci s modelem. Dalším významným aspektem je integrace 3D tisku do stávajících chirurgických workflow. Každý krok musí být pečlivě koordinován a každý proces musí splňovat všechny regulační požadavky řízení kvality a standardy pro medicínské zařízení. Sterilizace musí proběhnout bez poškození jejich struktury, změny velikosti nebo funkčnosti. Etické aspekty při implementaci 3D tisku do medicíny se týkají především personalizované péče, soukromí a rovnosti přístupu. Ochrana osobních údajů a soukromí pacientů je další klíčovou otázkou. Při návrhu a vytváření medicínských zařízení obecně je třeba mít na zřeteli důsledné zabezpečení dat, zdravotnické instituce a výzkumné týmy musejí zajistit, že všechna data používaná pro 3D tisk jsou zpracovávána v souladu s GDPR směrnicí EU. Všichni pacienti musejí být plně informováni o všech aspektech léčby využívající 3D tisk, to zahrnuje zajištění informovaného souhlasu, aby mohli učinit poučené rozhodnutí o své léčbě. Implementace 3D tisku do chirurgické praxe nabízí evidentní zlepšení péče o pacienty, je však doprovázena řadou technických, logistických a etických výzev. Překonání těchto překážek vyžaduje multidisciplinární přístup, inovativní řešení a pevné etické zásady, které zajistí, že výhody této revoluční technologie budou maximálně využity pro dobro pacientů.

ZÁVĚR

3D tisk představuje revoluční technologii, která postupně začíná pronikat do běžné denní praxe v kostní chirurgii. V současné době je této metody užíváno zvláště v předoperačním plánování. Studiem patologicko-anatomického modelu zlomeniny v reálné velikosti dochází ke zlepšení prostorové představivosti chirurga, ten je obohacen o tzv. hmatový vjem, který zvyšuje schopnost repozice a následné fixace zlomeniny. Současně také v rámci předoperační přípravy na modelu lze dopředu natvarovat osteosyntetický materiál, změřit délku fixačních šroubů a tím vytvořit předpoklad pro dokonalé kostní hojení a zároveň i zkrátit operační čas a snížit peroperační krevní ztrátu.

Další samostatnou kategorii představují 3D tištěné pacient specifické implantáty, které lze využít například u ztrátových zlomenin, resekčních výkonů u nádorových onemocnění kostí nebo jako dočasné či trvalé kostní náhrady např. v neurochirurgii.

Kombinace 3D tisku s rozšířenou realitou a virtuálním plánováním je logickým spojením otevírajícím nové možnosti zefektivnění chirurgické léčby.

Konflikt zájmů

Autoři článku prohlašují, že nejsou v souvislosti se vznikem tohoto článku ve střetu zájmů a že tento článek nebyl publikován v žádném jiném časopise, s výjimkou kongresových abstrakt a doporučených postupů.