Опыт создания и использования 3D-моделей органов при опухолевом поражении печени и легкого

В настоящее время в хирургическом лечении злокачественных опухолей печени и легкого значительно расширяются показания к выполнению органосохранных операций. По данным разных авторов, количество таких операций, как сегментэктомия при раке легкого составляет около 15,2-20 % (стадии Ia, Ib) [1–3], лобэктомия - до 58% (при более поздних его стадиях) [4]. При опухолевом поражении печени удаление одного или нескольких сегментов составляет более 50% от всех резекционных операций [5–9]. Данная тенденция предъявляет повышенные требования к предоперационной диагностике с точным определением локализации опухоли, ее взаимоотношений с внутренними структурами органа, объема оставшейся его части после резекции и т.д.

Такие методы, как КТ, МРТ, УЗИ, ангиография, как правило, позволяют решить большинство из поставленных задач. Однако, оценка 2-х мерных изображений, полученных при их выполнении, в некоторых случаях не дает информацию, достаточную для определения адекватного объема операции или оперативного доступа.

Попытки сделать методы исследования более наглядными и менее зависимыми от интерпретации врача, привели к развитию и широкому внедрению в хирургическую практику 3D-моделирования. Изначально, появившись в виде компьютерных реконструкций, данное направление, с развитием технологии 3D-печати, преобразовалось в создание «нативных» 3D-моделей [10–16].

Один из пионеров данного направления, профессор Maki Sugimoto (Kobe University Hospital, Japan ) в 2011 году впервые представил 3D-модели пораженных опухолью печени и почек, полученных при обработке 2-х мерных КТ-изображений программой OsiriX и отпечатанных полностью на 3D-принтере [17–19]. Данная технология позволила ему создать модели органов с опухолью с точностью отображения внутренних структур до 1 мм. При этом внутреннее «дерево»,выполненное из цветного пластика, находилось внутри прозрачного плотного материала из фотополимера. В настоящее время 3D-модели наиболее активно используются в торакальной и гепатобилиарной хирургии [20–26].

Основным из недостатков данного метода является его высокая стоимость, которая, по данным разных авторов, составляет от 1500 до 4000 долларов США, что значительно ограничивает широкое использование данного метода в медицинской практике [27–29].

Материалы и методы

На базе Московской городской онкологической больницы № 62 и НИИ «КУРС» г. Москва была разработана оригинальная технология создания подобных моделей, позволив- шая в несколько раз сократить их стоимость с сохранением как точности отображения внутренней структуры органа до 1 мм (что соответствует субсегментарному уровню), так и четкости визуализации через воссозданную «прозрачную» паренхиму органа.

Создание данных 3D-моделей состояло из следующих этапов: выполнение КТ органов грудной клетки, брюшной полости с внутривенным контрастированием (рис 1, 2).

Рис. 1. КТ грудной клетки. Образование

При этом очень важно использовать изображения, на которых хорошо контрастируются и артерии и вены, что, как правило, удается получить в венозную фазу. Толщина среза должна быть не более 1 мм;

преобразование 2-х мерных изображений, полученных при КТ, в 3-х мерные.

Для этих целей нами была использована программа OsiriX с последующей обработкой изображения программой 3d Max. Отдельно формировались изображения внутреннего «дерева» органа с опухолью и внешней его оболочки. Внутренние структуры совмещались со своеобразной «площадкой», которая топографически соответствовала корню легкого и воротам печени. В дальнейшем, эта «площадка» являлась местом соединения с внешней оболочкой органа (рис. 3–6);

Рис. 3. Внутренняя структура легкого с опухолью

Рис. 4. Внутренняя структура печени с опухолью

Рис. 2. КТ брюшной полости. Образование 36-37 мм нижней доли правого легкого 43-31 мм на границе 5,8 сегментов печени

Рис. 5. Внешняя оболочка легкого

Рис. 6. Совмещение внутренней структуры и внешней оболочки легкого

печать 3х-мерной модели внутренней структуры органа с опухолью до элементов диаметром около 1 мм. на 3D-принтере.

Нами был использован принтер Fortus 900 mc. Отдельно печаталась форма внешней оболочки органа. Материалом для создания модели являлся пластик. В случае создания внешней формы для легкого мы использовали гипсовую модель, что позволило сделать ее более дешевой (рис. 7, 8);

Рис. 9. Внутренняя структура легкого с опухолью

Рис. 7. 3D-модель внутренней структуры легкого

Рис. 10. Внутренняя структура печени с опухолью

Рис. 8. 3D-модель внутренней структуры печени

Рис. 11. Гипсовая модель формы легкого

окраска внутренних структур легкого, печени вручную.

Важно, чтобы краска не взаимодействовала с материалом заливки модели (силикон), так как изображение может получиться размытым (рис.9-12);

сопоставление внешней формы и внутренней структуры органа в области корня легкого или ворот печени (рис. 13);

Рис. 12. Пластиковая модель формы печени

Рис. 13. Сопоставление внешней формы и внутренней структуры печени заливка силиконом через технологическое отверстие во внешней форме с соблюдением нескольких вариантов температурного режима (около 8-ми часов при температуре 25-27 оС или 3 часа при 85-90 оС).

При этом, формирующиеся внутри пузыри в большинстве своем перемещаются на поверхность самостоятельно. После того, как силикон затвердеет, внешняя форма разрезалась, а готовая модель извлекалась (рис. 14-17).

Рис. 14. 3D-модель легкого(медиастинальная поверхность)

Рис. 15. 3D-модель легкого(реберная поверхность)

Рис. 16. 3D-модель печени (диафрагмальная поверхность)

Рис. 17. 3D-модель печени (висцеральная поверхность)

Результаты и их обсуждение

Формирование 3D-модели при раке легкого позволило диагностировать на предоперационном этапе такие анатомические особенности, как отхождение артерии А5 от артерии базальной пирамиды ниже отхождения А6 , а А4 - на уровне отхождения А6. При размере опухоли 36х37х37 мм было визуализировано вовлечение в онкологический процесс 8, 9, 10 бронхов, а так же 8, 9, 10 артерии и вены, что определило объем операции, как нижнюю лобэктомию.

В случае злокачественного поражения печени опухоль размером 43-31 мм располагалась на границе 5-го и 8-го сегментов с вовлечением в опухолевый процесс портальных вен 8-го и 5-го сегментов, что позволило на предоперационном этапе определить мезогепатэктомию, как адекватный объем операции.

Срок создания 3D-моделей по указанной технологии составляет 3-4 дня. Точность воссоздания структур - до 1 мм, соответствует сегментарному и субсегментарному уровням. Себестоимость данных моделей составляет около 30000 рублей, что в 3-4 раза дешевле зарубежных аналогов.

3D-моделирование органов и систем в предоперационном периоде позволяет решить следующие задачи:

точное определение объема операции, что особенно актуально при возможности выполнения органосохранных операций;

выявление оптимального оперативного доступа с учетом индивидуальных особенностей анатомии, а так же топографического отношения опухоли к подлежащим структурам;

определение особенностей реконструктивного этапа операции, особенно при сложных и комбинированных доступах;

обучение студентов и клинических ординаторов путем разбора предстоящей операции на доступных визуальному осмотру моделях пораженных органов;

наглядное объяснение пациентам особенностей их заболевания и предстоящей операции.

В качестве путей дальнейшего развития данного направления, мы начали разработку голографических способов визуализации органов, внедрение в практику интраоперационной навигации, а так же использование материалов по технологии «Biotexture» (симуляция физических свойств тканей органа) [30], что позволит непосредственно выполнить «тренировочную» операцию на точной модели органа пациента.

Выводы

Таким образом, 3D-моделирование является логичным путем развития предоперационной диагностики при опухолевом поражении органов грудной клетки и брюшной полости, позволяя хирургу наиболее точно определить объем и ход выполнения операции. Тем самым, снижается процент осложнений и повышается качество жизни больного после оперативного лечения. Оптимизация технологии создания 3D-моделей со снижением стоимости позволит внедрить их в широкую хирургическую практику.