Применение аддитивных технологий при эндопротезировании плечевого сустава



Травмы области плечевого составляют до 60% от общего числа скелетной травмы. Приблизительно 12% случаев остеоартрита (ОА) связывают с перенесенной травмой сустава. Возникающие при этом болевой синдром, снижение объема и амплитуды движений конечности, а также контрактуры существенно снижают качество жизни пациентов [22].

Деструктивные патологические процессы в суставах зачастую приводят к необходимости применения радикального хирургического лечения — эндопротезирования. Нередко, выраженная посттравматическая деформация препятствует проведению традиционных операций по эндопротезированию суставов.

С целью улучшения результатов эндопротезирования в настоящее время активно ведутся исследования по разработке и применению 3D-печати индивидуальных имлантов, резекционных шаблонов и направителей.

В последние годы техника трехмерной печати стала стремительно развиваться и внедряться в различные сферы здравоохранения, особенно в область ортопедической хирургии [1], где способы ее применения варьируются от печати моделей, используемых для предоперационного планирования до хирургических направляющих и анатомически точных персонализированных имплантатов [2]. Потребность в улучшении визуализации и качества результатов хирургического вмешательства привела к повышению интереса в вопросе 3D-печати для хирургического применения.

В процесс создания индивидуального имплантата в рамках аддитивных технологий в травматологии входят несколько клю- чевых этапов. Выбор целевой области, создание 3D-геометрии данной части тела с помощью срезов, полученных с помощью магнитно-резонансной и компьютерной томографии (МРТ, КТ) и выбор подходящих материалов для 3D-принтера. В совокупности это дает анатомически точную модель, идентичной пораженной области у пациента. [12]

Сегодня в сфере аддитивных технологий возможно использование визуализации и создания трехмерных структур посредством использования 3D-принтера и подходящего сырья. Данная технология совершила существенный прорыв в создании многих видов моделей, вне зависимости от сложности их структуры и состава, за что она была признали во многих научных и технических областях. В медицине трехмерная печать получила наибольшее распространение в области ортопедии, ортодонтии, сердечно-сосудистой хирургии. [2,20,21]

В данной работе описан клинический случай сложного эндопротезирования плечевого сустава с применением персонифицированного современного подхода. Будут раскрыты этапы подготовки, планирования и выполнения операции с использованием аддитивных 3D-технологий, индивидуальных резекционных шаблонов и направителей. Будут показаны ранние и среднесрочные результаты лечения.

Цель исследования

Улучшить результаты лечения пациентов со сложными деформациями плечевого сустава путем применения аддитивных технологий при эндопротезировании плечевого сустава.

Материалы и методы

В клинику обратился Пациент М., 54 лет с жалобами на болевой синдром, постоянного ноющего характера, который усиливается в вечернее и ночное время, возникает как в покое, так и на высоте физической нагрузки; ограничение объема движений. Патологическое состояние пациента привело к ограничению повседневной и рабочей активности и, как следствие, к снижению качества жизни. Пациенту установлен диагноз: «деформирующий остеоартрит плечевого сустава III ст. Смешанная контрактура плечевого сустава. Болевой синдром» с последующей госпитализацией для проведения планового оперативного лечения.

В результате физикального обследования была отмечена смешанная контрактура плечевого сустава и гипотрофия дельтовидной мышцы правого плеча. По VAS боль была оценена пациентом в 90 баллов, SF-36 в 20% и UCLA в 22 балла. Был измерен объем движений в плечевом суставе через ноль-проходящий метод. Нами были изучены переднее и горизонтальное сгибание и разгибание, а также приведение, отведение, ротация, ретракция и протракция на разных временных промежутках наблюдения за пациентом для оценки динамики. В результате первичной оценки выражено снижение амплитуды движений (табл. 1).

Таблица 1

Объем движений в плечевом суставе у пациента М. на контрольных осмотрах (нейтральное положение – ноль)

	Объем движений в плечевом суставе	Перед операцией	3 мес. после операции	6 мес. после операции	12 мес. после операции
Переднее сгибание и разгибание (N=160°/40°)	лг	70°/5°	90°/20°	125°/25°	130°/25°
Отведение и приведение (N=180°/30°)	180°^ хк 20"-40*	50°/15°	90°/20°	110°/20°	110°/20°
Горизонтальное сгибание и разгибание (N=135°/45°)		Н/О	100°/10°	110°/20°	120°/20°
Наружная ротация и внутренняя ротация (N=70°/70°)	as-^^ 5-	10°/15°	20°/20°	30°/20°	30°/20°
Протракция и ретракция плечевого сустава (N=30°/30°)		20°/20°	20°/20°	20°/20°	20°/20°
Подъем и опускание лопатки (N=8 см)		6 см	6 см	6 см	6 см

Результаты мультиспиральной компьютерной томографии показали признаки выраженной деформации суставных поверхностей, остеофитов, субхондрального склероза, значительного сужения суставной щели, кистовидной перестройки головки плечевой кости и суставного отростка лопатки. (Рис. 1)

Рисунок 1. МСКТ правого плечевого сустава пациента М до операции.

в).

При оценке клинико-рентгенологических данных в ходе предоперационного планирования мы пришли к заключению о необходимости нестандартного индивидуального решения, в связи с отсутствием технической возможности применения стандартной методики эндопротезирования. Первым этапом была произведена печать пластиковой анатомически точной копии лопатки на основе данных МСКТ (рис. 2А). Была распечатана 3D-копия лопатки пациента масштабированная по МСКТ, которая была использована для проектирования персонализированного импланта в рамках предоперационного планирования. Была оценена и определена характеристика опорной поверхности гленоида (Рис. 2В).

Рисунок 2. Пластиковая анатомическая модель лопатки пациента. А-особенности патологической анатомии; В-дизайн опорного импланта.

Имплант для пациента был изготовлен на принтере Concept laser M2 в формате трехмерной печати из титанового сплава BT6 с остеоиндуктивной поверхностью и винты с предустановленным направлении, для закрепления на ости лопатки. Этот металлический сплав был выбран из-за его относительно низкой жесткости, хороших механических свойств, легкого веса, коррозионной стойкости и биосовместимости. Точность печати составила +/- 0.2 мм. Общее время изготовления всех имплантатов составила 38 часов.

Вторым этапом мы приступили к предоперационному планированию и подготовке. После того как был создан трехмерный дизайн аугмента, разработанный совместно с компанией TIOS, мы соединили масштабированную пластиковую анатомическую модель лопатки пациента с напечатанным аугментом для оценки их совместимости, особенностей фиксации и создания необходимой опорной площади для лопаточного компонента эндопротеза (Рис. 3).

Рисунок 3. А – Компьютерный дизайн 3D-аугмента.

В - распечатанный 3D-аугмент. С - фотография аугмента, совмещенного с анатомической моделью лопатки пациента

Следующей задачей, требующей решения стала фиксация аугмента, с последующей установкой компонентов эндопротеза. Для корректной навигации винтов, фиксирующих аугмент были разработаны индивидуальные 3D-направители. В ходе предоперационного планирования был рассчитан оптимальный уровень и наклон опила плечевой кости, а также позиционирование гленоидного компонента. С этой целью были созданы индивидуальные трехмерные резекционные шаблоны и направители, разработанные с учетом особенностей патологической анатомии данного пациента (Рис. 4).

Рисунок 4. Индивидуальные направители.

Третьим этапом после подготовки и планирования была выполнена операция. Операцию проводили под общим комбинированным эндотрахеальным наркозом в положении больного «сидя в пляжном кресле». Выполнен стандартный дельтовид-но-пекторальный хирургический доступ к плечевому суставу. С применением индивидуального резекционного шаблона, выполненным в геометрической форме, совпадающей с патологической анатомией пациента, выполнен опил плечевой кости с учетом предоперационного планирования. Следующим этапом выполнено иссечение рубцовой ткани и подготовка ложа для 3D-аугмента. Использованием индивидуальных направителей выполнено позиционирование и фиксация последнего в зоне суставного отростка лопатки. Направление фиксирующих винтов также было задано индивидуальными направителями, согласно тому как мы запланировали заранее. Окончанием основного этапа операции стало установка компонентов тотального реверсивного эндопротеза плечевого сустава (Рис. 5). Длительность операции составила 70 мин. Объем периоперационной кровопотери не превысил 500 мл.

Рисунок 5. Интраоперационный вид А. резекционный шаблон; B,C,D – подготовка и установка аугмента с использованием индивидуальных шаблонов

В результате эндопротезирования были восстановлены ретроверсия головки плечевой кости и антеверсия гленоида, функция правого плечевого сустава пациента в целом. Несмотря на длительную контрактуру и деформацию сустава, послеоперационный период имел крайне положительную динамику: на 12 неделю после операции отмечалось снижение болевого синдрома и восстановление дельтовидной мышцы (появление контуров, увеличение диапазона движений, увеличение ее передней части).

Результаты

Объективные результаты лечения пациента представлены на рисунке 6. Отмечается достоверно значимое улучшение сравнению с исходным состоянием (р<0,05).

Рисунок 6. Результаты лечения пациента М. по данным опросников на контрольных осмотрах.

При использовании технологии 3D-печати в результате эндопротезирования были восстановлены ретроверсия головки плеча и антероверсия гленоида, возобновлены функции правого плечевого сустава. В послеоперационном периоде наблюдалось уменьшение болевого синдрома с 90 до 20 баллов по визуальноаналоговой шкале боли уже на 12 неделе после операции (р<0,05), а также восстановление дельтовидной мышцы, которая является ключевой при реверсивном эндопротезировании. Несмотря на длительное существование контрактур и грубой деформации сустава, была отмечена крайне положительная динамика восстановления и увеличения объема движений, появились контуры дельтовидной мышцы и увеличение ее передней порции (Рис. 7, 8). Благодаря операции пациент полностью избавился от болевого синдрома (VAS), что внесло существенный вклад в улучшение его качества жизни (SF-36). На отметке полгода после операции наблюдается полное восстановление объема движений, хорошая сила мышц, отсутствие жалоб, пациент вернулся к профессиональной активной жизни.

Рисунок 7. Контрольная послеоперационная рентгенограмма пациента М.

Рисунок 8. Отведение оперированной руки пациента

М. через 3 мес. после операции

Обсуждение

Даже недавно появившиеся программы 3D-изображений в МРТ и КТ, позволяющие разобраться в клинических случаях при комплексных патологиях, не всегда имеют чувство осязаемости, что нередко нужно хирургам при планировании операций и выборе дальнейшей тактики лечения. В данном случае объекты, распечатанные на 3D-принтере, будут способствовать не только хирургическому лечению сложных кейсов, но и обучению молодых специалистов. [4]

Последние исследования показывают, что использование моделей различных переломов и других травм в натуральную величину способно внести значительный вклад в повышение качества обучения студентов-медиков в области травматологии и ортопедии [14]. В итоге обеспечивается лучшее понимание комплексной анатомии травмы, уникальной для каждого конкретного случая, и дальнейшее хранение моделей редких клинических случаев для обучения [15].

Анализ материалов и результатов лечения привел к выводу о том, что создание точной анатомической копии патологической области и последующего имплантата с помощью МРТ- и КТ-исследований позволяет не только заменить поврежденную кость, но и провести надлежащее предоперационное планирование с наиболее подходящей тактикой операции. [6, 23] Использование 3D-печати в предоперационном планировании также позволяет определить точные размер, позицию и направление будущего имплантата. В совокупности это даст возможность сильно уменьшить время операции, кровопотерю, лучевую нагрузку. В дополнение, из-за понижения степени вовлечение соседних интактных тканей и структур, падает риск послеоперационных осложнений и репозиции имплантата, что в итоге и предоставит более оптимистичные ожидания от лечения и реабилитации больного и снизит общую стоимость операций. [7,16,17] Это также укрепляет взаимоотношения между пациентом и хирургом, что является одним из приоритетов оказания медицинских услуг. Следует отметить, что в данный момент большая часть имплантатов, используемых в ортопедии, подчиняются концепции «один размер подходит всем». Однако, у размерный ряд довольно ограничен. Произ- водство ортопедических имплантатов для конкретного пациента с использованием технологии 3D-печати позволяет избежать осложнений, возникающих из-за несоответствия размеров имплантатов и особенностей анатомии человека [8,9,10]. Помимо анатомического соответствия хирургическим требованиям пациента, имплантаты, созданные с помощью 3D-печати могут быть изготовлены с каркасными решетками, которые могут облегчить остеоинтеграцию и уменьшить жесткость импланта [11].

Трехмерная печать значительно улучшает визуализацию патологии хирургом. Данное свойство дает несомненные пре имущества в проведении хирургических вмешательств, и также повышает уровень оказания медицинской помощи, обучения специалистов, персонализации и общей доступности в целом [19].

Использование методики 3D-печати, несмотря на свои преимущества и потенциал, все еще ограничено в ортопедической хирургии из-за недостаточных знаний и умений в работе хирургов. Вдобавок, ее использование затормаживается из-за невозможности точно воспроизвести мягкие ткани, такие как связки и суставные поверхности [3]. Положительным моментом является тот факт, что печать таких ригидных тканей, как костная не составляет больших трудностей. Материалами, используемыми в 3D-печати для моделирования костной ткани, являются, например, акрилонитрилбутадиенстирол и гидрохинон. [13, 14]

В данном клиническом случае мы обследовали пациента, в результате чего пришли к выводу, что лечение с использованием традиционных методов нецелесообразно, поэтому была разработана индивидуальная концепция лечения. После обнаружения резко уменьшенной опорной площадки глено-ида, в рамках предоперационного планирования, для восстановления суставной поверхности была создана виртуальная 3D-конструкция. Впоследствии были распечатаны 3х-мерная конструкция и копия деформированной лопатки пациента. Для правильной навигации в условиях столь сильной деформации также возникла потребность в индивидуальных резекционных шаблонах и направителях. После выполнения операции пациент был направлен на реабилитацию. На контрольном осмотре в 6 месяцев отмечалось существенное увеличение объема движений, силы мышц и полное избавление от болевого синдрома.

Заключение

Персонализированный для пациента направляющий шаблон, и созданная точная копия поврежденной лопатки для предоперационного планирования, основанные на технологии 3D-печати, были рассмотрены как многообещающие методы, которые позволяют простым и удобным способом добиться меньшего отклонения и более высокой точности во время операции, уменьшить лучевую нагрузку и кровопотерю, а также ускорить восстановление пациента и вернуть прежнее качество жизни. Данный кейс является первым случаем использования

метода 3D-печати для проведения эндопротезирования плечевого сустава у пациента с недостаточной площадью опоры гленоида для импланта.