Využití 3D tisku v chirurgii hlavy a krku

Overview

Moderní technologie nacházejí stále větší využití i v medicíně a zkracuje se čas, za který se etablují jako její plnohodnotné součásti. Je to vidět právě na 3D tisku, kdy za poměrně krátkou dobu od přihlášení patentu je již nedílnou komponentou celé řady lékařských oborů, včetně ORL, maxilofaciální a plastické chirurgie. Jejímu rozšíření výrazně napomáhá pokles pořizovacích nákladů tiskáren a používaných materiálů, včetně dostupnosti software. Další výhodou je zvyšující se počet absolventů oboru biomedicínský inženýr, kteří pomáhají lékařům s vlastní přípravou modelů a následně s jejich tiskem. Dne 17. 6. 2023 přijala Česká lékařská společnost J. E. Purkyně nově vzniklou „Českou společnost pro 3D tisk v medicíně“ jako svou organizační složku. Jejím cílem je napomáhat rozvoji 3D tisku v medicíně, nastavit standardy využití a garantovat jejich dodržování. Přehledový článek uvádí praktické příklady využití 3D tisku v otorinolaryngologii, maxilofaciální a plastické chirurgii.

Klíčová slova:

model – 3D tisk – chirurgie hlavy a krku

Úvod

Postupně se 3D tisk stává nedílnou součástí prakticky všech oborů medicíny nejen v zahraničí, ale i v České republice. V roce 2023 Česká lékařská společnost J. E. Purkyně přijala nově vzniklou „Českou společnost pro 3D tisk v medicíně“ jako svou organizační složku. Jejím hlavním cílem je napomáhat rozvoji 3D tisku ve zdravotnictví, nastavit standardy využití a garantovat jejich dodržování.

V chirurgii hlavy a krku se 3D tisk dosud spojuje zejména s řešením zlomenin, defektů a deformací v obličejové kostře nebo na bazi lební pomocí osteosyntetických materiálů [1, 2]. Současné klinické využití 3D tisku ale mnohem více řeší plánování výkonu a případné kompenzace defektu v kostech na 3D modelu ještě před vlastním zákrokem. Jde o začlenění této chirurgie do skupiny personal tailored surgery (PTS), která se stává trendem i v chirurgii hlavy a krku. Aplikace 3D tisku je spojována s vyšší přesností a individualizací zákroků, minimalizací rizik nesprávného postavení kostí (fragmentů), minimalizací poškození okolních tkání a s kratším operačním časem. S tím souvisí rychlejší pooperační rekonvalescence a rehabilitace [3]. Jsou to pádné argumenty jak pro pacienty, tak i pro zdravotní pojišťovny. Navíc vlivem snižující se ceny 3D tiskáren a s vývojem dalších materiálů, včetně biokompatibilních, se bude rozšiřovat potenciál využití i do oblastí dnes ještě málo představitelných, jako např. středoušní chirurgie [4].

Současná technická úroveň 3D tisku v medicíně

Technologie aditivní výroby (AV), zjednodušeně 3D tisku, umožňuje vyrábět fyzické objekty z trojrozměrných (3D) virtuálních modelů prostřednictvím procesu spojování materiálů v jednotlivých vrstvách. Nanášenými materiály mohou být polymery, keramika, kovy nebo živé buňky, díky čemuž je proces velmi univerzální. Další výhodou je jeho opakovatelnost, přesnost a nákladová efektivita i pro malé výrobní série.

Využití AV v lékařství je jedním z velkých témat posledních let. Virtuální modely se získávají rekonstrukcí z radiologických dat s vysokou přesností. Historicky se AV primárně využívalo pro edukaci studentů medicíny, protože zhotovené plastové modely nahrazovaly nedostatkový kadaverózní materiál [5]. Postupem času, díky skokovému vývoji nových technologií a materiálů, se samotné AV začalo využívat napříč celou medicínou. Obrovským pozitivem je také zvyšující se počet graduovaných biomedicínských inženýrů, kteří pomáhají lékařům se segmentací radiologických dat, s tvorbou virtuálních modelů a po akceptaci výsledného modelu následně s jeho tiskem. U celé řady využití 3D tisku je dokonce spoluúčast lékaře minimální, např. při tisku tracheostomických kanyl z biokompatibilních materiálů pro pacienty po laryngektomiích. Nedílnou součástí jejich využití v praxi je ověření produkce biofilmu na těchto materiálech ve srovnání s konvenčními tracheostomickými kanylami [6]. Budoucnost 3D tisku v medicíně lze tedy vidět na jedné straně v centrálních laboratořích zdravotnických zařízení, která umožní širší využití této technologie, na straně druhé v tkáňovém inženýrství a funkcionalizaci, což je v tuto chvíli ve stadiu výzkumu.

Při využívání 3D tisku v medicíně je nezbytné vědět i o negativech této technologie, mezi něž patří zejména geometrická přesnost a stranová správnost. Je to ovlivněno celou řadou faktorů, např. nastavením radiologického protokolu, samotnou segmentací, pečlivostí personálu a použitou sterilizací modelů. Historicky využívaná sterilizace etylenoxidem je ve zdravotnických zařízeních na ústupu a nahrazuje ji plazmová nebo parní sterilizace. Při vlastním procesu sterilizace je nezbytné zohledňovat technické specifikace daného materiálu, které jsou předepsány výrobcem nebo lékopisem o zkoušce sterility.

Praktická využití

Využití 3D tisku ve vzdělávání studentů lékařských fakult a rezidentů je dnes již běžné. Vzdělávací a školicí 3D modely poskytují příležitost lépe vizualizovat anomálie a procvičovat chirurgickou techniku. Využívají se např. při výuce otoneurologie, kdy standardní i zvětšený 3D model kosti skalní umožňuje lépe pochopit anatomicko-fyziologické konsekvence průběhu nervově cévních struktur touto kostí. Stejně tak je pro výuku názorný např. i 3D model vestibulárního schwannomu. Ve výchově rezidentů při nácviku rinologických operačních postupů je s výhodou používání 3D modelu paranazálních dutin, který umožňuje lépe pochopit anatomické vztahy mezi paranazálními dutinami a bazí lební [4]. Standardem je využití modelů při zápočtech a zkouškách mediků. Novou dimenzi využití ve výuce nabídne v brzké budoucnosti propojení 3D tisku s umělou inteligencí (AI) [7].

V oboru otorinolaryngologie a chirurgie hlavy a krku nachází 3D tisk a modelování své další využití primárně v kofochirurgii, endonazální chirurgii a chirurgii baze lební [8, 9]. 3D modely v reálné velikosti se mohou využívat k trénování chirurgických technik či k plánování individuálního operačního přístupu. Jedná se např. o řešení perforace nosního septa pomocí individuálně vyráběných septálních obturátorů [10]. Dalším praktickým příkladem může být pacient s objemným osteomem levé frontální dutiny. Z CT vyšetření zhotovený 3D model umožní operačnímu týmu prozkoumat anatomické vztahy limitující endoskopický přístup, ověřit si velikost frontálního sinu, vzdálenost baze lební od stropu očnice a rovněž natrénovat odstranění útvaru, což zvyšuje bezpečnost vlastního výkonu (obr. 1–3).

Podobně jako v ORL získává 3D tisk stále větší uplatnění i v oboru orální a maxilofaciální chirurgie. Jednou z prvních a nejrozšířenějších indikací je zhotovování anatomických modelů a tisk chirurgických šablon v dentální implantologii. 3D předoperační plánování a zhotovení těchto šablon usnadňuje orientaci a zvyšuje přesnost zavedení zubních implantátů [11].

Dnes již běžnou součástí ortognátní chirurgie je virtuální předoperační plánování a 3D tisk okluzních splintů, které zajišťují optimální postavení horní a dolní čelisti po osteotomii [12]. Možnost názorně ukázat pacientovi na 3D modelech nejen výchozí situaci, ale i očekávanou pozici čelistí je nespornou výhodou, která zvyšuje důvěru pacienta k operatérovi.

Modely rovněž umožňují chirurgovi naplánovat si operační přístup a rozsah plánovaného zákroku (viz obr. 4 a 5 – raritní osifikující hemangiom v očnici).

V traumatologii orofaciální oblasti se využívá kromě nezbytných 3D zobrazení a rekonstrukcí také elementární úroveň 3D tisku ve formě preoperativního modelu poranění. V případech komplikovaných zlomenin mandibuly slouží nízkonákladový a zcela dostupný skeletální model k upravení osteosyntetických komponent před operací (obr. 6, 7).

Další možností využití 3D modelu je např. řešení ztrátových kostěných poranění vytvořením modelu podle druhé (nezraněné) strany s následnou adaptací osteosyntetického materiálu a jeho aplikací při vlastním operačním zákroku (obr. 8, 9). Vedle zkrácení operačního času pacient profituje z přesnějšího tvaru a optimální velikosti implantované komponenty [13].

U operací, které vyžadují resekci části obličejového skeletu postiženého tumorem nebo nekrózou, se dnes běžně vyžívají 3D tištěné řezné šablony [14]. Virtuální analýza před operací určí rozsah výkonu, během něhož je na postiženou kostní strukturu přiložena šablona z biokompatibilního a sterilizovatelného materiálu (obr. 10, 11). Benefit lineárního řezu kostí spočívá v optimálních podmínkách pro hojení rány, zároveň prediktabilně určuje výchozí situaci pro případné další ošetření, např. individuálním implantátem.

Na pomezí maxilofaciální a plastické chirurgie je řešení pooperačních nebo poúrazových stavů. Jedná se zejména o defekty kalvy po kraniotomiích s využitím individuálně zhotovených implantátů [15] nebo využití 3D modelů k plánování řešení poúrazových změn na skeletu lebky, např. u přední stěny frontálního sinu (obr. 12) [16].

Jednoznačnou doménou plastické chirurgie je využití 3D modelů v rámci feminizačních operací obličeje. Jedná se o soubor zákroků na obličejovém skeletu, který mění mužský obličej na ženský. Tyto operace jsou nedílnou součástí léčby transsexuálů male-to-female. 3D modely usnadňují naplánování a upřesnění postupu konkrétního zákroku. Zároveň zlepšují komunikaci s pacientem při konzultacích v souvislosti s možným rozsahem výkonu a očekávaným výsledkem operace [17, 18]. Na základě modelu lze připravit šablony k plánované osteotomii, které umožňují upřesnit radikalitu zákroku, přispět k jeho symetrii, zvýšit bezpečnost a minimalizovat komplikace [18]. V současné době se plánuje zařazení 3D tisku jako standardu v rámci předoperačního vyšetření v souvislosti s feminizačními operacemi obličeje včetně některých dalších zákroků (obr. 13).

Plastickými chirurgy využívané tkáňové expandéry jsou vhodné v celé řadě postupů zajišťujících laloky pro uzávěry defektů [18, 19]. Např. na kalvě může 3D tisk pomoci operatérovi s plánováním nejvhodnějšího umístění expandéru pro zajištění laloku (obr. 14–17).

Závěr

V současné medicíně má 3D tisk již široké uplatnění. Jeho využití zlepšuje plánování operačních zákroků a slouží jako pomůcka při resekčních a rekonstrukčních výkonech. Nespornou výhodou je možnost názornější komunikace s pacientem, uplatňuje se i při výuce studentů a rezidentů. Budoucnost 3D tisku je v jeho propojení s umělou inteligencí a tkáňovým inženýrstvím.

Grantová podpora

Projekt byl podpořen projektem Ministerstva obrany MO 1012 a Univerzity Karlovy v rámci programu Cooperatio, vědní oblasti SURG.

Prohlášení o střetu zájmu

Autor práce prohlašuje, že v souvislosti s tématem, vznikem a publikací tohoto článku není ve střetu zájmů a vznik ani publikace článku nebyly podpořeny žádnou farmaceutickou firmou. Toto prohlášení se týká i všech spoluautorů.