Журнал «Травма» Том 16, №3, 2015

Статья опубликована на с. 71-78

Вступ

Лікування дефектів і деформації кісток лицевого черепа, що виникають внаслідок перенесених травм, тяжких інфекційно–запальних захворювань, хірургічних операцій, генетичних вад та інших причин, є проблематичним і в багатьох випадках недостатньо ефективним. Це пов’язано із складною топографічною анатомією обличчя, що має значні індивідуальні, етнічні та вікові відмінності, різноманіттям існуючих дефектів і деформацій, наявністю системних та локальних морфофункціональних порушень, що діагностують у переважної більшості пацієнтів [5]. Кожний клінічний випадок у зв’язку з цим є унікальним і часто не має прямих аналогів у попередній практиці хірурга та доступній йому літературі. Пластичне заміщення дефектів обличчя та усунення наявних деформацій у зв’язку з цим розглядається низкою авторів як мистецтво, що значною мірою залежить від суб’єктивних чинників (досвід та професійна майстерність лікаря, його естетичне сприйняття, просторова уява, мануальні навички тощо) [3, 4, 6]. У сучасних умовах автори відзначають різке збільшення кількості пацієнтів із посттравматичними дефектами і деформаціями обличчя, пов’язане із наявністю локальних військових конфліктів, техногенних катастроф, зростанням числа дорожньо–транспортних пригод, неадекватною та несвоєчасною медичною допомогою пацієнтам із травмою тощо. Прагнення до підвищення якості життя і вагома роль обличчя в соціалізації людини при цьому зумовлюють потребу в підвищенні ефективності реконструктивно–відновних втручань та прогнозованості їх результатів, зменшенні кількості хірургічних етапів і строків реабілітації за умови раціонального використання наявних фінансових та матеріальних ресурсів [4, 5].

Одним із перспективних напрямків вирішення цієї проблеми, на думку авторів, є застосування методів комп’ютерного моделювання, CAD/CAM технології та комп’ютерної навігації при проведенні реконструктивно–відновних втручань на щелепно–лицевій ділянці [9, 10]. Комп’ютерне моделювання в щелепно–лицевій хірургії базується на дослідженні віртуальних тривимірних моделей кісток та м’яких тканин, побудованих за даними спіральної чи конусної комп’ютерної томографії (КТ) із високою роздільною здатністю. Сучасні програмні комплекси для аналізу томографічних зображень дозволяють візуалізувати внутрішні анатомічні структури, оцінити їх розміри і взаємне розташування, детально вивчити їх морфологічні особливості та навіть деякі фізіологічні характеристики. Важливо відмітити, що отримані зображення (віртуальні моделі) мають дуже високу ступень роздільної здатності і дозволяють диференціювати тканини із мінімальними структурними відмінностями, вивчати як кісткові, так і м’якотканинні структури, а також є основою для впровадження сучасних систем автоматизованого проектування (СAD/CAM технологія) у клінічну практику [1, 4, 13].

Абревіатуру CAD (Computer–Aided Design) використовують для позначення автоматизованих систем проектування з використанням комп’ютерних технологій, зокрема створення тривимірних комп’ютерних моделей біологічних об’єктів, відтворення хірургічних втручань на віртуальній моделі та прогнозування їх анатомічних наслідків, створення моделей імплантатів, фіксаторів, лікувальних пристроїв, визначення їх оптимальної форми і розташування [1, 4].

CAM (Computer–Aided Manufacturing) позначає системи автоматизації виробництва за допомогою комп’ютера. САМ–системи застосовують для виготовлення стереолітографічних моделей анатомічних структур, імплантатів та лікувальних пристроїв із різних матеріалів [1, 4].

У щелепно–лицевій хірургії застосування СAD/CAM технології до останнього часу було пов’язано переважно із створенням стереолітографічних моделей кісток лицевого черепа, що застосовували для кращої візуалізації наявних дефектів, деформацій, патологічних процесів, проведення прямих вимірювань та «холодної хірургії» на моделі при плануванні хірургічних втручань. Методики лазерної стереолітографії в медицині з’явились наприкінці 80–х років ХХ століття. В Україні їх застосували вперше в клінічній практиці на кафедрі хірургічної стоматології та щелепно–лицевої хірургії НМУ імені О.О. Богомольця у 2001 році. У подальшому діагностичне значення стереолітографічних моделей було підтверджено в роботах В.О. Маланчука, О.А. Тимофєєва, Л.А. Дахно та інших [2, 4, 6].

Але на сьогодні можливості застосування СAD/CAM технології не обмежуються виготовленням діагностичних моделей. Їх широко використовують для виготовлення індивідуальних імплантатів, фіксаторів, направляючих хірургічних шаблонів та інших виробів медичного призначення з індивідуалізованими параметрами, що безпосередньо визначають ефективність хірургічних втручань у щелепно–лицевій хірургії, ортопедії, нейрохірургії та дентальній імплантації [7, 8, 15].

Існують численні повідомлення про успішне застосування СAD/CAM технології в щелепно–лицевій хірургії, що свідчать про збільшення точності відновлення анатомічної форми ушкоджених кісток при одночасному зменшенні інтраопераційних ризиків. Водночас оцінка ефективності методу при тяжких формах дефектів і деформацій лицевого черепа, визначення його потенційних недоліків та обмежень, на думку авторів, потребує подальших системних досліджень на основі накопичення і аналізу відповідного клінічного матеріалу [11, 12, 14].

Мета дослідження: вивчити можливості застосування сучасних методів комп’ютерного моделювання та СAD/CAM технології у виготовленні індивідуальних щелепно–лицевих імплантатів, фіксаторів та операційних шаблонів, а також оцінити їх клінічну ефективність у пацієнтів із тяжкими формами дефектів і деформацій обличчя.

Матеріали і методи

Було обстежено 12 пацієнтів (10 чоловіків, 2 жінки) із дефектами і деформаціями кісток лицевого та мозкового черепа, якi перебували на лікуванні в Центрі щелепно–лицевої хірургії та стоматології на базі Київської обласної клінічної лікарні. Середній вік хворих становив 34 ± 7 років. Три пацієнти потребували заміщення наявних дефектів індивідуальними сітчастими імплантатами з титану, в інших випадках дефекти заміщували кістковими автотрансплантатами або ксеногенними кістковозаміщуючими матеріалами.

На етапі діагностики і планування лікувальних заходів всім хворим було проведено комп’ютерну томографію із використанням мультиспірального 16–зрізового томографа Bright Speed Elite. Отримані дані у вигляді серії файлів формату DICOM імпортували в програмне середовище SimPlant 11.0 (Materialize, Бельгiя) для обробки томографічних зображень і створення тривимірних комп’ютерних моделей. Після ретельного аналізу клінічної ситуації в аксіальних, фронтальних та сагітальних зрізах КТ проводили сегментацію зображень зі створенням масок у діапазонах, що відповідали тканинам із різною рентгенологічною щільністю (кістка, тверді тканини зубів, м’які тканини тощо). Після редагування маски й усунення артефактів здійснювали побудову 3D моделі. У подальшому, застосовуючи інструменти редагування маски сегментації, змінюючи порогові значення рентгенологічної щільності, використовуючи методи графічної обробки зображення та булеві операції, створювали складні, багатокомпонентні моделі, що складалися з окремих елементів, які відповідали кісткам, м’язам, дихальним шляхам, зубам, нижньощелепним та підочним каналам, очним яблукам, патологічно зміненим ділянкам, м’яким тканинам обличчя, наявним дефектам, що потребували заміщення. Окремі елементи моделі виділяли різним кольором та змінювали їх прозорість для отримання максимально наочного і простого для сприйняття зображення об’єкта дослідження [4].

Надалі на комп’ютерній моделі проводили віртуальне хірургічне втручання, моделювали оптимальну форму кісткових трансплантатів, щелепно–черепно–лицевих імплантатів, проводили остеотомії кісткових структур, за допомогою лінійних переміщень та ротації моделей кісткових фрагментів відтворювали бажаний анатомічний результат операції. За необхідності додатково здійснювали моделювання хірургічних шаблонів. Основним елементом планування хірургічного втручання у досліджених хворих було моделювання віртуального транс–плантата чи імплантата для заміщення наявного дефекту. Для цього застосовували інструменти для роботи з комп’ютерною графікою, дзеркальне відображення здорових анатомічних структур, імпорт комп’ютерних моделей кісток інших пацієнтів із подібними антропометричними параметрами черепу.

Відповідно до створеної моделі проводили виготовлення індивідуальних виробів медичного призначення. Отримані моделі в форматі STL імпортували в програмне середовище СAM для виготовлення направляючих хірургічних шаблонів та стереолітографічних моделей, що в подальшому використовувались для підбору оптимальних елементів фіксації та хірургічного інструментарію, а також для виготовлення індивідуальних титанових імплантатів. Стереолітографічні моделі виготовляли на 3D принтері Multijet Modeling із поліакрилового полімеру Frosted Ultra Detail. Ділянки, що відповідали важливим анатомічним структурам (канал нижнього альвеолярного нерва) або патологічним утворенням (пухлини, кісти), виділяли червоним кольором. Відповідно до поставлених задач моделі робили розбірними і багатокомпонентними. У більшості випадків модель стерилізували і використовували інтраопераційно як хірургічний шаблон для вигинання пластин, адаптації/корекції форми трансплантатiв, проведення лінійних та кутових вимірювань.

Після хірургічних втручань із використанням індивідуальних імплантатів та лікувальних пристроїв усім хворим виконували контрольну комп’ютерну томографію, створювали тривимірну віртуальну модель, що порівнювали із результатами планування хірургічного втручання, визначали відповідність отриманого та бажаного анатомічного результату, визначали частоту інтра– та постопераційних ускладнень, оцінювали косметичний та функціональний результат хірургічного втручання в найближчому і віддаленому післяопераційному періоді.

Результати дослідження

Створення комп’ютерних та стереолітографічних моделей у хворих із тяжкими формами дефектів та деформацій щелепно–лицевої ділянки виявлялося інформативним і вірогідним методом оцінки топографо–анатомічних особливостей пацієнта і дозволяло не лише визначити методику хірургічного втручання та ретельно спланувати його, але й підготувати інструментарій та необхідні пристрої для реалізації лікувальної стратегії, що сприяло скороченню часу оперативного втручання, підвищувало якість проведення операції та зменшувало ризик лікарських помилок.

У 3 пацієнтів із великими кістами верхньої та нижньої щелепи, яким планували проведення кіст–ектомії із наступним заміщенням дефекту автокісткою та ксеногенними кістковозаміщуючими матеріалами, було виготовлено розбірні моделі, у яких кістозне новоутворення було змодельоване окремо, що дозволяло точно визначити його об’єм і форму (рис. 1).

Стереолітографічну модель ушкодженої кістки після видалення елемента, що відповідав новоутворенню, використовували як хірургічний шаблон, що дозволяв точно визначити необхідний об’єм автокістки, яку отримували з гребеня клубової кістки та переносили в зону післяопераційного дефекту.

У 3 пацієнтів із дефектами нижнього краю і дна орбіти було виготовлено стереолітографічні моделі ушкодженої очниці, що використовували як хірургічний шаблон для визначення оптимальної форми автотрансплантата, його лінійних розмірів, адаптації форми трансплантата до складного рельєфу поверхні кістки в зоні дефекту. Крім того, під час моделювання виготовляли предметну модель дзеркально відображеної неушкодженої орбіти, що слугувала як контроль бажаного результату операції та шаблон для вигинання титанових орбітальних пластин Stryker (Німеччина, США). В усіх випадках комбіноване застосування автотрансплантата для відновлення нижнього краю орбіти з орбітальною сіткою, для відновлення дна і зруйнованих ділянок медіальної і латеральної стінок орбіти виявилось достатнім для досягнення бажаного анатомічного результату і подальшої офтальмологічної реабілітації хворих.

В одного пацієнта із первинною адентією та вираженою атрофією альвеолярного відростка на тлі ектодермальної дисплазії СAD/CAM технологію було використано для моделювання реконструкції альвеолярного відростка кістковими трансплантатами із гребеня клубової кістки на етапі підготовки до дентальної імплантації. Це дозволило визначити об’єм кісткових трансплантатів, їх оптимальну форму і розташування та створило можливість подальшого встановлення імплантатів із використанням індивідуального направляючого шаблона.

У 2 випадках стереолітографічні моделі та хірургічні шаблони використовували для передопераційного вигинання жорстких реконструктивних пластин та вибору форми кісткового автотрансплантата в пацієнтів із післяопераційними дефектами нижньої щелепи.

Клінічний приклад 1. У пацієнтки Б., 38 років, діагностовано амелобластому нижньої щелепи, що поширювалася від лівої суглобової головки до рівня 32–го зуба, із руйнуванням кортикального шару і проростанням пухлини в навколощелепні м’які тканини на ділянці кута, гілки та частково молярів і премолярів. Прийнято рішення про проведення субперіостальної резекції нижньої щелепи з одномоментною пластикою автотрансплантатом iз гребеня клубової кістки. Для більш точного відтворення складної анатомічної форми нижньої щелепи в ділянці тіла, кута і гілки, що не відповідає формі гребеня клубової кістки, хворій було проведено комп’ютерне моделювання та виготовлено хірургічний шаблон (рис. 2).

На віртуальній моделі було виконано резекцію лівої половини нижньої щелепи в межах здорових тканин, дзеркально відображено здорову, неушкоджену половину нижньої щелепи, що відображало бажаний анатомічний результат та змодельований хірургічний шаблон, для розміщення кісткового трансплантата. За допомогою методів швидкого прототипування були виготовлені модель збереженої частини щелепи і хірургічний шаблон, на яких проведено підбір та адаптацію (вигинання) реконструктивної пластини. У передопераційному періоді хворій було проведено емболізацію судин, що живили новоутворення, виконано резекцію відповідно до визначеного плану, взято кістковий трансплантат iз гребеня клубової кістки, що за формою не відповідав резектованій ділянці щелепи. У подальшому трансплантат було фрагментовано і зіставлено в новому, наближеному до бажаної анатомічної форми положенні за допомогою хірургічного шаблона. Трансплантат на шаблоні було введено в операційну рану і фіксовано реконструктивною пластиною. Перебіг післяопераційного періоду — без ускладнень, досягнутий косметичний результат виявився цілком прийнятним і задовольняв пацієнтку, причому досягнення такого результату без застосування хірургічного шаблона було б вкрай сумнівним. Пацієнтці запропоновано проведення артропластики скронево–нижньощелепного суглоба та дентальної імплантації після повного приживлення автотрансплантата.

Зіставлення отриманого результату за даними КТ із віртуальним планом операції виявило певні обмеження методу на етапі як віртуальної симуляції, так і реалізації плану операції. Просте дзеркальне відображення здорової половини нижньої щелепи відносно серединно–сагітальної площини в умовах зміни топографо–анатомічних співвідношень внаслідок прогресування патологічного процесу (асиметричне положення суглобових голівок, порушення прикусу, зміщення підборіддя в здоровий бік) призводило до певних неточностей, корегувати які в ручному режимі було складно. Фрагменти трансплантата за товщиною і формою повністю не відповідали хірургічному шаблону, крім того, навіть незначне відхилення пластини від змодельованого положення викликало кутові зміщення, що суттєво позначалося на інтегральному результаті.

У 3 пацієнтів із дефектами кісток лицевого і мозкового черепа за стереолітографічними моделями було виготовлено титанові сітчасті імплантати тім’яної, лобної кістки (рис. 3), а також кісток середньої зони обличчя з використанням титанових заготовок та методики фірми Trinon (Німеччина).

В усіх випадках на етапі підготовки до операції хворим було виготовлено стереолітографічну модель зони ураження, а також змодельовано бажану форму імплантата, виготовлено проміжні технологічні моделі, за якими проводилося вигинання титанової сітки. Застосована технологія забезпечила –точне прилягання країв імплантата до поверхні кістки, що оточувала зону дефекту, потреби в корекції форми імплантата в жодному випадку не виникало. Найбільші складності виникали при виготовленні сітчастих імплантатів на ділянці спинки і кореня носа, медіальної, нижньої і верхньої стінок орбіти. Ці ділянки мають складну анатомічну форму, і у пацієнтів із значними дефектами і деформаціями, що супроводжуються втратою анатомічних орієнтирів, досить складно змоделювати імплантат оптимальної форми, що б повною мірою задовольняв естетичним вимогам. Для цього нами були застосовані додаткові прийоми, у тому числі підбір так званого віртуального донора — моделі іншого пацієнта, наближеного за антропометричними параметрами до постраждалого, суміщення цих двох моделей, наступна обробка графічного зображення із симуляцією змін зовнішніх контурів обличчя, враховуючи стан м’яких тканин.

Клінічний приклад 2. Пацієнт Ю. надійшов до Київської обласної клінічної лікарні із тяжкою поєднаною травмою (рис. 4).

Було діагностовано багатоуламковий перелом кісток лицевого черепа, після чого в ранньому посттравматичному періоді виконано їх репозицію й остеосинтез, відновлено неперервність нижньої і верхньої щелепи, нормалізовано зовнішній контур обличчя, відновлено прикус. Втім на цьому етапі виявилося неможливим проведення реконструкції назоетмоїдального комплексу та орбіт, що зазнали дрібноуламкової фрагментації. Частина вільних уламків цієї зони була видалена при первинній хірургічній обробці рани, а спроба заміщення дефекту шкіри в ділянці перенісся, спинки носа і лівої нижньої повіки із використанням прийомів місцевої пластики призвела до формування рубцевої деформації і дефіциту м’яких тканин у вказаній ділянці. Приєднання гнійно–запального процесу в післяопераційному періоді суттєво погіршило локальні умови для проведення реконструктивно–відновного втручання. Після ретельного аналізу клінічної ситуації за допомогою методів комп’ютерного моделювання хворому було запропоновано провести реконструкцію середньої зони обличчя із індивідуального титанового сітчастого імплантата для відновлення спинки носа, перенісся, нижніх країв, частково — медіальної і нижньої стінок орбіти. Для забезпечення необхідного обсягу м’яких тканин, здатних перекрити імплантат у ділянці дефекту шкіри, під шкіру лобної ділянки було введено тканинний експандер. Пiд час операції рубцеву деформацію було усунено, титановий імплантат установлено в зону дефекту, на лобі сформовано клапоть, що був переміщений у зону дефекту шкіри на ділянці спинки носа і лівої нижньої повіки. Також було відновлено нормальні співвідношення твердих тканин обличчя, хворому планується провести ряд корегуючих втручань на м’яких тканинах, необхідних для подальшої косметичної реабілітації.

Отримані клінічні результати є свідченням високої ефективності застосування СAD/CAM технології в лікуванні постраждалих iз дефектами і деформаціями кісток обличчя. На відміну від попередніх досліджень, у яких стереолітографічні моделі переважно застосовували для покращення діагностики та візуалізації ушкоджених анатомічних структур, у цьому дослідженні стереолітографія була невід’ємною частиною виробничих процесів із виготовлення індивідуальних імплантатів та направляючих хірургічних шаблонів, що безпосередньо використовувалися під час проведення операції для вирішення тих чи інших хірургічних задач та покращення найближчих та віддалених результатів операції. Застосований підхід передбачав не лише створення тривимірної моделі анатомічних утворень пацієнта за даними КТ, але й проведення віртуальної симуляції хірургічного втручання, що дозволяло спланувати його проведення, забезпечити необхідне устаткування, пристрої, конструкції, виготовлення індивідуальних імплантатів тощо. Віртуальна модель при цьому відображала план лікування і очікуваний результат, який можна було представити пацієнту в доступній наочній формі, а також порівняти досягнутий результат із очікуваним.

Аналіз отриманих результатів свідчить водночас про певні обмеження методу, ефективне застосування якого потребує відповідного досвіду хірурга та ефективної взаємодії із фахівцями в галузі комп’ютерного моделювання та медичними інженерами. Крім того, виготовлення індивідуальних імплантатів та пристроїв медичного призначення на сьогодні пов’язано із суттєвими часовими і фінансовими затратами, що вимагає диференційованого підходу до застосування СAD/CAM технології в кожній клінічній ситуації.

Висновки

Застосування сучасних методів комп’ютерного моделювання та СAD/CAM технології дозволяє не лише покращити якість діагностики та планування лікувальних заходів у пацієнтів iз дефектами і деформаціями кісток лицевого черепа, але й якісно збільшити ефективність хірургічного лікування хворих за рахунок виготовлення індивідуальних імплантатів та навігаційних хірургічних шаблонів.

Обмеження методу визначаються збільшенням часових і фінансових ресурсів, необхідністю налагодження ефективної взаємодії із лабораторіями, що здійснюють комп’ютерне моделювання та виробництво лікувальних пристроїв, та впливом суб’єктивних чинників на реалізацію віртуального плану операції, що вимагає диференційованого підходу до вибору способу лікування та засобів для його здійснення.