Список сокращений:

ABS — акрилонитрилбутадиенстирол

DLP (Digital Light Printing) — метод цифровой проекции

EBM (E-Beam Melting) — электронно-лучевое плавление

FDM (Fused Deposition Modeling) — послойное сплавление экструдированной полимерной нити

PEEK — полиэфирэфиркетон

PMMA — полиметилметакрилат

SLA, SL (Laser Stereolythography) — лазерная стереолитография

SLM (Selective Laser Melting) — селективное лазерное плавление

SLS (Selective Laser Sintering) — селективное лазерное спекание

АТ — аддитивные технологии

КТ — компьютерная томография

Нейрохирургия представляет собой одну из наиболее динамично развивающихся отраслей медицины. Существенную помощь нейрохирургу оказывают современные достижения научно-технического прогресса, в том числе аддитивные технологии (АТ), в которых процесс создания изделия из виртуальной трехмерной (3D) модели происходит путем послойного «выращивания» или добавления материала [1], а не удаления лишнего материала, как при классической механической обработке. АТ получили широкое распространение в самых различных сферах деятельности, в частности в медицине [2—6]. Наиболее значителен опыт применения АТ в травматологии и ортопедии, что связано со сложным анатомическим строением повреждаемых костных структур и необходимостью пред- и интраоперационной их визуализации. Также А.Т. активно используются в челюстно-лицевой хирургии и других областях медицины, в том числе нейрохирургии.

В нейрохирургии АТ используются достаточно широко — от симуляционных моделей для обучения хирургов и предоперационного планирования до прямого производства индивидуальных имплантатов [3, 7—9].

Основой для трехмерной печати модели или имплантата является виртуальная модель объекта, создаваемая на основе данных компьютерной томографии (КТ) с высокой степенью детализации или с высоким разрешением (толщина среза не более 1 мм).

В настоящее время в медицине во всем мире для печати трехмерных моделей используются разнообразные АТ, некоторые из которых рассмотрены ниже.

Послойное наплавление полимерной нити, или экструзионная печать (Fused Deposition Modeling, FDM), представляет собой создание трехмерных объектов последовательным, слой за слоем, нанесением полимерной нити из термопластичного полимерного материала, нагретого выше температуры стеклования [10—12]. В качестве материала используются нити из ABS, PC (поликарбонат), PS (полистирол) и др., намотанные на катушки, которые устанавливаются в установках FDM (рис. 1).

Другим широко используемым способом 3D-печати является лазерная стереолитография (SLA, SL) [12, 15]. В ее основе лежит эффект фотополимеризации: воспроизведение объекта осуществляется послойным отверждением жидкого фотомономера с помощью UV-лазера [10, 11, 16] (рис. 2).

Схожим методом трехмерной печати является DLP-печать (Digital Light Printing) — метод цифровой проекции [11]. На жидкий фотополимер с помощью специального проектора подается пучок ультрафиолетового излучения, под действием которого происходит отверждение материала сразу во всем слое.

Технологии SLA и FDM имеют общий недостаток: ввиду использования в процессе изготовления моделей жидких фотополимеров и нагретых экструдируемых полимерных нитей, т. е. материалов, не обладающих жесткостью, при создании наклонных или горизонтальных элементов в моделях необходимо применение искусственных опор (поддержек), которые после окончания печати отделяются от модели вне установки [10].

Метод селективного лазерного спекания (Selective Laser Sintering, SLS): в его основе лежит последовательное спекание слоев порошкового материала под воздействием высокомощных лазеров [12]. В каждом слое порошка происходит «вычерчивание» (спекание) контура виртуальной модели, затем рабочая платформа, на которой «выращивается» модель, опускается и наносится новый слой порошка (рис. 3).

Метод селективного лазерного плавления (Selective Laser Melting, SLM) отличается от SLS более высокой температурой обработки материала: он разогревается до температуры плавления и образования гомогенной массы. Вместо лазеров могут использоваться электронные излучатели — электронно-лучевое плавление (E-Beam Melting, EBM).

Также достаточно широко используется метод струйной печати (Jett-printing), суть которого заключается в том, что связующий материал наносится на тонкий слой порошка, например гипса или пластика.

Для точного воспроизведения анатомических структур обычно используются SLA и SLS ввиду минимальной толщины слоев и широкого спектра используемых материалов (в том числе полупрозрачных). Для создания же крупных по размеру (в том числе полноразмерных) моделей черепа и позвоночника для предоперационного планирования и отработки мануальных навыков целесообразнее использовать менее затратную технологию FDM-печати [10].

В такой сложной области медицины как нейрохирургия особо актуальна проблема практического обучения хирургов [10]. Для отработки и совершенствования мануальных навыков, а также для закрепления знаний нормальной и патологической анатомии используются симуляционные модели и муляжи [7, 10, 20—25]. АТ позволяют изготавливать модели, с высокой точностью воспроизводящие строения необходимой области [9—11, 20, 21, 26—28].

Для теоретических занятий по анатомии часто используются модели черепа с высокой визуализацией строения основания, а также модели мозга, воспроизводящие основные анатомические ориентиры — борозды, извилины, крупные нервы и кровеносные сосуды [22, 28].

Один из первых навыков, осваиваемых начинающим нейрохирургом, — техника краниотомии. Работа с силовым оборудованием (пневмотрепан, краниотом), а также коловоротом и пилой Джильи может моделироваться на полноразмерных моделях черепа. На них можно изучать различные хирургические доступы, особенно проходящие через анатомически сложные костные структуры (например, транспирамидный доступ) [29]. Материал моделей при этом должен максимально соответствовать прочностным характеристикам костной ткани для точного воспроизведения ощущений хирурга при работе с инструментарием. Современные А.Т. дают возможность создавать модели, воспроизводящие послойное строение покровов головы (от кожи до твердой мозговой оболочки) [20, 21, 26, 28, 29], что позволяет осваивать как полноценные нейрохирургические доступы, так и завершающий этап операции — закрытие операционной раны [7].

Симуляционные модели широко используются для отработки доступов в эндоскопической нейрохирургии, в частности при трансназальных транссфеноидальных операциях [7, 30]. Данный вид хирургии требует от хирурга особых навыков осуществления вмешательства при визуализации операционного поля не в ране, а на экране монитора. При отработке техники трансназальной эндоскопической хирургии используются модели, с высокой степенью точности воспроизводящие анатомию полости носа, носовых пазух и структур основания черепа.

Тщательная отработка мануальных навыков крайне необходима и в сосудистой нейрохирургии, как транскраниальной, так и эндоваскулярной [30, 31]. При помощи симуляционных моделей (рис. 4)

Симуляционные макеты также нашли широкое применение в спинальной нейрохирургии [30]. Они используются для отработки различных доступов к спинному мозгу и телам позвонков, служат для отработки техники различных оперативных вмешательств — декомпрессивных операций, стабилизации сегментов позвоночника, вертебропластики, а также эндоскопических операций.

Таким образом, в настоящее время в нейрохирургии — специальности, где отработка мануальных навыков и техник проведения различных оперативных вмешательств в связи с их сложностью крайне важна и требует значительных затрат времени и ресурсов для обучения молодых специалистов, широко используются различные симуляционные модели. Эти модели могут быть изготовлены с высокой точностью воспроизведения анатомических структур и при необходимости тиражированы с помощью АТ [9, 12].

Ни одно нейрохирургическое оперативное вмешательство не может быть проведено без его тщательного предварительного планирования. Зачастую сложность операции такова, что требуется наличие виртуальной, а лучше и реальной 3D-модели для правильной (корректная) ориентации в сложных анатомических структурах [23]. АТ позволяют создавать такие реальные модели и использовать их как предоперационно, так и непосредственно во время оперативного вмешательства [9, 26, 27, 33—36].

Современные 3D-принтеры позволяют создавать модели, визуализирующие взаимоотношение различных важных анатомических образований, из разных по цвету и плотности материалов. Крайне важно определить расположение сосудистых структур, повреждение которых в условиях ограниченного интракраниального пространства грозит фатальными последствиями. Такая практика распространена в нейротравматологии, к примеру при удалении инородных тел из полости черепа [37, 38]. Зачастую без использования трехмерной модели проблематично определить расположение инородного тела относительно кровеносных сосудов и крупных нервных стволов. Использование предварительного компьютерного моделирования и полноразмерной 3D-модели позволяет определить оптимальную тактику удаления данного тела из полости черепа, а также облегчает интраоперационную навигацию в условиях ограниченного обзора операционной раны, что способствует значительному уменьшению риска интраоперационных осложнений (рис. 5).

Технологии трехмерной печати также используются для визуализации индивидуальной сосудистой анатомии как дополнение к ангиографическим методам исследования [39, 40]. 3D-модель позволяет наглядно определить расположение аневризмы или сосудистой мальформации и отработать хирургический доступ к ним как пред-, так и интраоперационно [30, 40].

Как уже указывалось выше, АТ широко используются в спинальной хирургии [41], а также в хирургии краниовертебрального сочленения [30], в первую очередь при стабилизирующих операциях (рис. 6).

Немаловажным моментом взаимодействия врача и пациента является наглядная демонстрация предстоящего оперативного вмешательства, а также сути патологического процесса. Трехмерные модели позволяют визуализировать и доступно донести до пациента необходимость и план предстоящей операции [22, 23, 26, 42].

Реконструкция пострезекционных дефектов черепа является одним из наиболее важных этапов реабилитации пациентов с различной хирургической патологией (черепно-мозговой травмой, опухолями головного мозга и костей черепа, сосудистой патологией и др.), позволяющим улучшить церебральную гемо- и ликвородинамику после восстановления герметичности полости черепа. Целью краниопластики также является и устранение косметической деформации. Для повышения точности создаваемых имплантатов широко используются современные АТ [9, 38, 42—45, 48]. По способу создания имплантата их можно разделить на непрямые (при этом методами 3D-печати создается оснастка, с помощью которой моделируется имплантат) и прямые (непосредственное «выращивание» готового имплантата) [46, 47].

Первым этапом подготовки к печати трехмерного объекта является разработка его виртуальной модели [44, 45]. На основании данных КТ головы создаются модели черепа и имплантата при помощи специального программного обеспечения [38, 43, 45, 48—51]. При латерально расположенных дефектах, не переходящих среднюю линию, используется технология «зеркального отображения», при которой основой для создания модели имплантата является противоположная, интактная сторона черепа [17]. В том случае, если дефект черепа выходит за среднюю линию (beyond-midline defects), а также при билатерально расположенных дефектах применяется метод «виртуального донора», из банка 3D-моделей черепов выбирается модель, наиболее идентичная черепу пациента по анатомическим характеристикам, и на ее основе создается модель имплантата [17]. При необходимости могут быть построены также модели пресс-форм для последующего изготовления имплантатов во время операции из полимерного материала, например PMMA. Относительная доступность данного программного обеспечения («дружественный» интерфейс) позволяет нейрохирургам непосредственно участвовать в создании 3D-моделей черепа и имплантата.

В настоящее время в нейрохирургической практике широко используется вышеописанная технология лазерной стереолитографии (SLA) [34, 38, 51]. С ее помощью из фотополимеризующих материалов на основе виртуальной 3D-модели изготавливаются модели черепа и имплантата, а также пресс-формы для пред- или интраоперационного изготовления имплантата. При реконструкции костных дефектов сложной конфигурации и локализации (в частности, краниофациальных дефектов, а также обширных и гигантских дефектов черепа) роль фотополимерных моделей в предоперационном планировании довольно велика. Их интраоперационное использование способствует лучшей ориентации в операционной ране (определение краев дефекта и соседних важных костных анатомических образований). Полноразмерные макеты черепа также позволяют более точно моделировать имплантаты для пластики костных дефектов: их предоперационное изготовление способствует существенному сокращению времени оперативного вмешательства. Использование фотополимерных 3D-моделей черепа в зоне реконструкции во время операции дает возможность корректировать форму имплантата вне операционной раны.

Практика применения пресс-форм для изготовления имплантатов из двухкомпонентного PMMA показала стабильное повышение качества поверхности и точности геометрии самих имплантатов. При помощи специального программного обеспечения создается виртуальная модель имплантата, на основе которой проектируются и изготавливаются пресс-формы. Формование имплантата возможно как интра-, так и предоперационно, с последующей стерилизацией готового имплантата. Имплантат, изготавливаемый с помощью пресс-форм, идентичен своей виртуальной модели и, следовательно, при адекватном моделировании, учитывает анатомические особенности пациента. Кроме того, экзотермическая реакция, которой сопровождается отверждение материала имплантата, полностью протекает вне операционной раны, что исключает термическое повреждение твердой мозговой оболочки и мозга. В ходе изготовления имплантата может возникнуть необходимость предварительной его доработки, которая также осуществляется с использованием фотополимерной модели черепа. Окончательная обработка имплантата высокоскоростными бор-фрезами проводится непосредственно перед его фиксацией в операционной ране или сразу после нее.

Наш собственный опыт использования фотополимерных моделей черепа, имплантатов и пресс-форм насчитывает более 500 прооперированных пациентов с гигантскими и обширными дефектами черепа. Применение пресс-форм позволяет улучшить функциональные и косметические результаты реконструктивных операций.

В последнее время в практику внедряется создание готовых имплантатов с помощью методов 3D-печати — так называемое прямое производство индивидуальных имплантатов [9]. Материалами для изготовления изделий могут служить титановые сплавы, керамика, полимерные материалы (PEEK) [46, 52]. Как правило, при этом используется технология селективного лазерного спекания (SLS). Преимущество данного метода в том, что имплантат создается непосредственно при помощи 3D-печати без его мануального моделирования или использования пресс-форм, что позволяет сократить трудоемкость их изготовления и освобождает хирурга во время операции от «слесарной» работы. «Выращенный» имплантат после постобработки стерилизуется и используется в ходе операции. При необходимости края изделий из полимерных материалов интраоперационно могут обрабатываться высокоскоростными бор-фрезами для адаптации к ложу и уменьшения выраженности перехода на границе «имплантат—кость».

Все чаще используются пористые и сетчатые титановые имплантаты (рис. 7),

Разрабатывается так называемое «биомиметическое» покрытие для титановых изделий на основе фосфатов кальция [54], которое позволит улучшить взаимную интеграцию имплантата и костей черепа.

Таким образом, динамично развивающиеся современные технологии трехмерной печати все глубже внедряются в нейрохирургию, позволяя осуществлять качественное освоение мануальных навыков и улучшать результаты проводимых хирургических вмешательств. АТ развивают отдельное направление нейровизуализации, и с развитием новых методов воспроизведения трехмерных объектов их использование в медицине, без сомнения, будет лишь расширяться.

Исследование выполнено при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (гранты РФФИ № 15−29−04817 и № 18−29−03238).

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

*e-mail: amaryakhin@nsi.ru

В статье поднимается актуальная и перспективная тема использования технологий трехмерной печати в нейрохирургии. Аддитивные технологии в настоящее время находят широкое применение в различных областях медицины и, в частности, способствуют осуществлению высокоточных нейрохирургических вмешательств. Трехмерная печать используется в сосудистой нейрохирургии, нейротравматологии и особенно широко — в реконструктивной нейрохирургии.

Авторами доступно описаны наиболее применяемые методы трехмерной печати. Аддитивные технологии позволяют с высокой точностью из различных материалов создавать изделия, а также полноразмерные модели для пред- и интраоперационного планирования. Трехмерные модели дают возможность визуализировать взаимное расположение важнейших анатомических структур и осуществлять с высокой точностью и хорошими результатами сложнейшие оперативные вмешательства. Очень важно использование таких моделей в подготовке молодых специалистов и освоении техники сложных хирургических манипуляций.

Изготовление имплантатов и пресс-форм стало важнейшим этапом развития реконструктивной нейрохирургии. Технологии трехмерной печати дают возможность создания высокоточных имплантатов для реконструкции дефектов черепа. Широкий спектр технологий открывает перспективы дальнейшего развития данного направления.

Статья будет интересна как нейрохирургам, так и специалистам по 3D-печати в медицине.

В.А. Лазарев (Москва)