CC BY
173
Карпов О.Э., Гаврюшин С.С., Замятин М.Н., Епифанов С.А., Хрыков С.С. ЦИФРОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В СОВРЕМЕННОЙ РЕКОНСТРУКТИВНОЙ ХИРУРГИИ
ЦИФРОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В СОВРЕМЕННОЙ РЕКОНСТРУКТИВНОЙ ХИРУРГИИ
Карпов О.Э.1, Гаврюшин С.С.2, Замятин М.Н.1, УДК: 616-089:681.3
Епифанов С.А.1, Хрыков С.С.2
1 Национальный медико-хирургический Центр им. Н.И. Пирогова, Москва
2 МГТУ им. Н. Э. Баумана, Москва
Резюме
Представлен отечественный опыт применения цифровых технологий для подготовки и планирования хирургических вмешательств в реконструктивной хирургии. Обсуждаются достигнутые результаты и перспективы применения программного обеспечения и технологических средств для планирования и осуществления эндопро-тезирования в современных многопрофильных клинических центрах.
Ключевые слова: цифровые технологии, аддитивные технологии, компьютерная томография, хирургическая операция, CAS-технологии.
DIGITAL TECHNOLOGY IN MODERN RECONSTRUCTIVE SURGERY
Karpov O.Je., Gavrjushin S.S., Zamjatin M.N., Epifanov S.A., Hrykov S.S.
There is Russian experience of the application of digital technologies for the preparation and planning of surgical interventions in reconstructive surgery. Discuss progress and prospects for the use of software and technology tools for the planning and implementation of joint replacement in modern multidisciplinary clinical centers.
Keywords: digital technology, additive technology, computed tomography, surgery, CAS-technology.
Введение
Цифровые технологии в хирургии - это прежде всего разработка и применение специальных программно-аппаратных систем, получивших наименование Computer Aided Surgery (CAS). CAS-технологии предназначены для совершенствования и автоматизации диагностики, предоперационного планирования, тренинга хирурга-оператора, непосредственно хирургического вмешательства и интраоперационного сопровождения. Развитие CAS-технологий связано с научными достижениями, среди которых следует отметить современную диагностику (КТ, МРТ), виртуальное компьютерное моделирование и аддитивные технологии ^D-печать), используемые для изготовления шаблонов, вспомогательных элементов и имплантатов. Широкое внедрение CAS-систем позволило повысить эффективность работы хирурга за счет научно обоснованного учета индивидуальных особенностей организма пациента, оптимизации оперативной техники и минимизации травмы, связанной с хирургическим вмешательством.
Эволюция цифровых технологий в медицине
Возникновение и совершенствование CAS-техноло-гий связано с научными достижениями последних десятилетий. Однако основоположником послойного анализа изображений человеческого тела можно по праву считать Н.И. Пирогова. Использовав оригинальный метод дис-секции замороженных трупов и получив изображения тысячи распилов различных частей человеческого тела в трех перпендикулярных направлениях, Н.И. Пирогов издал бессмертный труд - «Anatomía topographica secti-onibus, per corpus humanum congelatum triplicedirectione ductis, illustrate» - «Топографическая анатомия, иллюстри-
рованная разрезами, проведенными через замороженное тело человека в трех направлениях». «Срезы Пирогова» подобно современному компьютерному томографу с прецизионной точностью отображают строение анатомических структур человеческого тела [7]. Идея, заложенная великим хирургом, реализована лауреатами Нобелевской премии (1979 г.) Г. Хаунсфилдом и А. Кормаком в виде компьютерной томографии [1, 2]. Прорыв в цифровой диагностике позволил приступить к построению трехмерных и строго индивидуальных моделей биомеханических объектов. С помощью компьютерной томографии получают послойные растровые изображения - срезы под заданным углом. Качество изображения зависит от разрешающей способности томографа, которая оценивается размером объемной ячейки - вокселя. В настоящее время с помощью специализированных томографов удается получить изображения с размером вокселя до 0,1 мм. Томограммы используют послойные растровые изображения, представленные в специализированном формате DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine, что можно перевести как «формирование изображений и коммуникации в медицине»). DICOM поддерживает открытый обмен изображениями и сопутствующей информацией между различными устройствами анализа цифровых изображений и медицинской аппаратурой, которая создает эти изображения, и де-факто стал стандартом, на который ориентируются зарубежные и российские разработчики медицинского оборудования (рис. 1).
Вместе с тем, полученная с помощью компьютерной томографии пространственная растровая модель не может быть непосредственно использована для проведения численного анализа. Необходимо преобразовать растровое изображение в так называемую трехмерную
Карпов О.Э., Гаврюшин С.С., Замятин М.Н., Епифанов С.А., Хрыков С.С. ЦИФРОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В СОВРЕМЕННОЙ РЕКОНСТРУКТИВНОЙ ХИРУРГИИ
Рис. 1. Принципиальная схема получения изображения с помощью специализированного стоматологического компьютерного томографа
твердотельную модель, состоящую из геометрических примитивов, точек, линий, поверхностей и объемов [3].
В настоящее время зарубежными разработчиками создан ряд программных систем Mimics (Materialise, Бельгия), Amira (Visage Imaging, США) и др., которые позволяют перейти от срезов к трехмерным объектам с возможностью структурного анализа системы в зависимости от плотности тканевой структуры [4]. Так, в программе Mimics (Materialise, Бельгия, 2015) система позволяет проводить виртуальные хирургические операции. Врачу дается возможность посмотреть трехмерную модель, отрезать часть поврежденной кости, поместить имплантат, закрепить его винтами, пластинами, проверить толщину костей до и после операции, создавать индивидуальные пластины и имплантаты и распечатать необходимые части анатомии на 3D-принтере. Система предназначена для моделирования хирургических операций на лицевых костях, коленном суставе, костях таза, позвоночнике, сердце и многих других областях человеческого тела, что делает ее универсальной. Однако большинство функций необходимо для использования инженерами и в меньшей степени применима во врачебной практике. Mimics трудна в освоении и недостаточно функциональна для широкого применения. Кроме того, имеет высокую стоимость и не предоставляет техническую поддержку в России.
Еще одним примером является Trauma Cad 2.4, Brain lab, Германия, 2015 - программное обеспечение для хирурга-ортопеда, предоставляющее набор виртуальных инструментов для предоперационного планирования, подбора протезов, визуализации и моделирования лечения (рис. 2).
Система позволяет врачу быстро и точно оценить размеры анатомии пациента, размеры имплантатов, провести виртуальное планирование операции, оценить
Рис. 2. Trauma Cad 2.4, Brain lab, Германия, 2015 - программное обеспечение для хирурга-ортопеда (Электронный ресурс // URL: https://www.brainlab.com/en/surgery-products/orthopedic-surg-ery-products/digital-templating/)
постоперационное состояние пациента, например, можно определить длину ноги или ее смещение относительно нормального положения. В дополнение, Trauma CAD имеет набор модулей для педиатрии, травм позвоночника, стопы и голеностопного сустава.
Основным недостатком программы является отсутствие поддержки трехмерных изображений (вместо этого предлагается работать с плоской рентгенограммой), что лишает врача возможности наглядно оценить расположение и форму анатомических объектов, а также усложняет виртуальную примерку имплантатов и трансплантатов.
Существенным недостатком для Российского здравоохранения является тот факт, что программа позволяет работать только с фиксированным перечнем имплантатов западных фирм, а возможность добавления изделий других производителей (например, из России) не предусмотрена.
В версии программы CMF iPlan Brain Lab, Германия, возможна работа с 3D объектами (проведение сегментации, зеркальное отображение и т.д.), однако она ограничена в моделировании имплантатов и восстановлении утраченных структур. Кроме того, программа ориентирована на использование с навигационными станциями того же производителя, что ограничивает ее широкое применение (рис. 3).
Наличие значительных трудностей, связанных с внедрением зарубежных программных комплексов планирования хирургических вмешательств, ограничивает использование цифровых технологий в отечественной медицине.
Коллективом авторов Пироговского Центра и МГТУ им. Баумана разработана отечественная CAS-система для подготовки и планирования хирургических операций на базе 3D-моделей - Medbox. Программа имеет функции загрузки и просмотра томограммы, создания на ее основе 3D-модели пациента. Главной ее особенностью является набор специализированных функций для манипуляций в пространстве модели, которыми может пользоваться сам хирург (лепка, фрагментация и т.д.).
Карпов О.Э., Гаврюшин С.С., Замятин М.Н., Епифанов С.А., Хрыков С.С. ЦИФРОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В СОВРЕМЕННОЙ РЕКОНСТРУКТИВНОЙ ХИРУРГИИ
Рис. 3. Сегментация и обработка изображений в программе CMF iPlan Brain Lab (представлены этапы «сегментации»: a, б, в)
С помощью разработанной программы врач может восстановить геометрию поврежденных или отсутствующих анатомических структур (наличие библиотек шаблонов и имплантатов) и использовать полученную информацию для проведения лечения (рис. 4).
Рис. 4. 1УЫЬох - программа для подготовки и планирования хирургических операций на базе 3D-моделей
Виртуальную модель с реконструированной анатомией врач может сохранить в виде файла или отправить по электронной почте (например, для изготовления имплантата).
Отличительной особенностью программы является отсутствие привязанности к фирмам изготовителям имплантатов, ориентированность на врача, как главного пользователя системы, а не инженера, как в зарубежных аналогах, полностью российскую технологическую поддержку.
Современные технологические методы в реконструктивной хирургии
Как в России, так и в мире в целом перед медициной стоят задачи: глубокая индивидуализация методов лечения, использование новых высокотехнологичных материалов, более рациональное применение дорогостоящего диагностического оборудования, повышение качества и сокращение сроков предоставления медицинских услуг. В этой связи наблюдается некоторое разделение «потоков» больных, что связано с определенной оптимизацией оказываемых услуг. Так, за 2015 г. по данным отделения челюстно-лицевой хирургии Пироговского Центра возросло количество обращений пациентов с деформациями лица после проведенных хирургических вмешательств по поводу онкологических заболеваний на 20-25%. Отчасти это связано с низкой эффективностью стандартных технологий, применяемых для реабилитации такой категории пациентов. Увеличивается количество обращений коллег из других учреждений с просьбой спланировать и провести хирургическое вмешательство с применением цифровых технологий (не каждое лечебное учреждение оснащено высокотехнологичным оборудованием). Например, с помощью 3D-принтера возможно быстро получать прототипы протезируемых конструкций, модели тканей и органов организма, оценивать с их помощью эффективность тех или иных стратегий лечения, а на этапе проведения операции хирург может воспользо-
Карпов О.Э., Гаврюшин С.С., Замятин М.Н., Епифанов С.А., Хрыков С.С. ЦИФРОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В СОВРЕМЕННОЙ РЕКОНСТРУКТИВНОЙ ХИРУРГИИ
ваться изготовленными на 3D-принтере хирургическими шаблонами. При этом все изготовленные изделия будут полностью индивидуализированы, то есть будут учитывать геометрическую форму поверхностей тканей и органов конкретного пациента. В качестве исходных данных используем файлы в формате DICOM. Каждая томограмма представляет собой послойную последовательность плоских изображений, аналогичных рентгеновским снимкам (рис. 5). С помощью специальной программы создаем трехмерную виртуальная модель лицевого скелета пациента. Затем формируем прототип будущей протезной конструкции. Шаблон протеза изготавливаем в натуральном масштабе методом 3D-печати (возможность коррекции с целью внесения необходимых исправлений и дополнений).
По шаблону создается финальная виртуальная трехмерная модель, согласно которой из соответствующих сертифицированных материалов (титановые сплавы, специальные пластики и т.п.) изготавливается окончательный вариант протезной конструкции (станки ЧПУ, 3D печать и т.п.) на любом сертифицированном производстве в рамках договорных отношений (рис. 6).
Данная методика не свободна от недостатков, связанных со значительной трудоемкостью процесса и временными затратами, что усложняет процесс оказания медицинской помощи (рис. 7).
Длительность цикла одной хирургической операции составляет от двух недель до шести недель. При этом в случае использования типовых решений без учета индивидуальных особенностей пациента, сохраняется относительно высокая вероятность неблагоприятного исхода операции.
Внедрение программного обеспечения Medbox позволило получать диагностические сведения в реальном времени, обрабатывать данные пациента на доопераци-онном этапе и проводить планирование сложных многоэтапных реконструктивных вмешательств. В итоге достигнуто значительное сокращение временного фактора при подготовке к таким хирургическим вмешательствам без снижения качества лечения (рис. 8).
В челюстно-лицевой хирургии индивидуализация протезирующих конструкций приобретает особое значение, позволяя добиться наиболее полного функционального и эстетического восстановления [10].
Комплексная автоматизация высокотехнологичных хирургических операций
Перспективы реализации высокотехнологичных систем поддержки медицинских операций CAS ассоциируются с достижениями в области современных произв одств енных CAD/CAE/ CAM компьютерных технологий [11, 12]. Процесс проведения высокотехнологичных медицинских операций, в определенной мере, аналогичен процессу решения производственных задач на промышленном предприятии. Широкое распространение получила концепция жизненного цикла изделия (ЖЦИ),
Рис. 5. Последовательность томографических снимков головы пациента
Б
Рис. 6. Модель протеза височно-нижнечелюстного сустава (а) и протез сустава, изготовленный из титанового сплава на фрезерном станке(б)
Карпов О.Э., Гаврюшин С.С., Замятин М.Н., Епифанов С.А., Хрыков С.С. ЦИФРОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В СОВРЕМЕННОЙ РЕКОНСТРУКТИВНОЙ ХИРУРГИИ
Рис. 7. Этапы цикла подготовки к одной хирургической операции
Рис. 8. Этапы цикла подготовки к одной хирургической операции с использованием виртуального планировщика
как аналог процесса хирургического лечения пациента. В соответствии с определением стандарта ISO 9004-1, ЖЦИ - это совокупность процессов, выполняемых от момента выявления потребностей общества в определенной продукции до момента удовлетворения этих потребностей и утилизации продукта. Для эффективной работы предприятия на всех стадиях ЖЦИ необходимо создание единого информационного пространства (информационно-аналитического центра) на основе распределенных баз данных, обеспечивающих унифицированные средства хранения, поиска и выдачи информации, а также инженерно-технической лаборатории, отвечающей некоторым потребностям системы. Последовательность этапов жизненного цикла медицинской услуги зависит от ее вида и от возможностей медицинского учреждения. Услуга, свя-
занная с хирургическим вмешательством, выполняется в следующей последовательности: предоперационная диагностика, планирование операции, проведение операции, послеоперационная реабилитация пациента (рис. 9).
Таким образом, CAS - системы можно рассматривать как комплексные информационно-вычислительные технологии, отвечающие концепции жизненного цикла, включающие аппаратуру и программные средства, необходимые для получения исходных данных, их обработки методами математического моделирования, с целью нахождения рационального плана проведения операции с использованием специализированного инструментария (инженерно-техническая лаборатория), в том числе робототехнических устройств или систем на этапах проведения операции и реабилитации пациента. Созданные к настоящему времени
Карпов О.Э., Гаврюшин С.С., Замятин М.Н., Епифанов С.А., Хрыков С.С. ЦИФРОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В СОВРЕМЕННОЙ РЕКОНСТРУКТИВНОЙ ХИРУРГИИ
Рис. 9. Последовательность этапов (жизненный цикл) высокотехнологичной хирургической операции
CAS-системы можно охарактеризовать как объединение в единую технологическую цепочку аппаратных средств, специализированных программных комплексов и компьютерных программ [8]. Так, в работе, посвященной исследованию особенностей конструирования, фиксации и стабилизации субпериостальных имплантатов в стоматологии, объединяются возможности компьютерной томографии и программных систем MIMICS и Solid Works/COSMOS Works [5]. Так, при протезировании височно-нижнече-люстных суставов используются комбинации различных програмных комплексов [9]. В работах, посвященных математическому моделированию бифуркаций сонной артерии в норме, при патологии и после реконструктивной операции, используются исходные данные, полученные методами компьютерной томографии и магнитно-резонансной томографии, а также математические пакеты ANSYS, ADINA, ABAQUS, COMSOL [6]. CAS - системы традиционно специализируются в соответствии с разделами хирургии, что, на наш взгляд, является определенным препятствием развития технологии. На базе Пироговского Центра создаваемая CAS - система объединяет различные хирургические специальности и способствует развитию IT-технологий.
Литература
1. Календер В. Компьютерная томография - М.: Техносфера, 2006. - 244 с.
2. Прокоп М., Галански М., Спиральная и многослойная компьютерная томография. Уч.пособие / Пер. с англ.-М.: Медпресс-информ, 2007. - 712 с.
3. Божко А.Н., Жук Д.М., Маничев В.Б. Компьютерная графика. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007. - 392 с.
4. Gelaude F., Vander Sloten J., Lauwers B. Accuracy assessment of CT-based outer surface meshes, Computer Aided Surgery 2008, 13(4), Р. 188-199.
5. Чуйко А.Н., Шинчуковский И.А. Биомеханика в стоматологии: Монография.
- Х.: Изд-во «Форт». 2010. - 516 с.
6. Kossovich L.Yu., Kirillova I.V., Gulayev Yu.P. etc. Mathematical modeling of human carotid in healthy, affected or post-corrective surgery conditions. Topical Problems in Solid Mechanics. Elite Pub. House Pvt.Ltd., 2008. - Р. 235-250.
7. Шевченко Ю.Л., Апостолиди К.Г., Балин В.Н., Епифанов С.А. Ледяная анатомия Пирогова и интраоперационная навигация в хирургии повреждений орбиты: гениальное пророчество и его реальное воплощение. Вестник Национального медико-хирургического Центра им. Н.И.Пирогова. - 2013. - т.8, №.3.
- С. 8-12.
8. Карпов О.Э., Апостолиди К.Г., Балин В.Н., Епифанов С.А. Хирургическое лечение больных с травмой назоорбитоэтмоидального комплекса в условиях гибридной операционной. Вестник Национального медико-хирургического Центра им. Н.И. Пирогова. - 2014. - Т. 9, №.2. - С. 59-63.
9. Епифанов С.А., Поляков А.П., Скуредин В.Д. Протезирование височно-нижнечелюстного сустава. Вестник Национального медико-хирургического Центра им. Н.И. Пирогова. - 2014. - Т. 9, №.4. - С. 17-22.
10. Епифанов С.А., Балин В.Н., Хрыков С.С. Компьютерные технологии в реконструктивной хирургии средней зоны лица. Вестник Национального медико-хирургического Центра им. Н.И. Пирогова. - 2014. - Т. 9, №.4. - С. 28-31.
11. Гаврюшин С.С., Кузьмичев В.А., Грибов Д.А. Биомеханическое моделирование хирургического лечения воронкообразной деформации грудной клетки // Российский журнал биомеханика, 2014. T.18, №1 (63). - C. 36-47.
12. Гаврюшин C.C. Численный анализ биомеханических систем в стоматологии //Сб. тр. МГТУ им. Н.Э. Баумана - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003.
- С.130-143.
Заключение
Таким образом, на сегодняшний день цифровые технологии прочно заняли нишу в большинстве разделов высокотехнологичной медицины. Применение аддитивных технологий совместно с CAS-системами позволяет добиться значительного повышения эффективности работы хирурга за счет научно обоснованного учета индивидуальных особенностей пациента, оптимизации операционного процесса и минимизации травмы при хирургическом вмешательстве, повысить качество лечения.
Использование автоматизации и телемедицины позволит -
привлечь неограниченное количество специалистов, что КОНТАКТНАЯ ИНФОРМАЦИЯ безусловно будет способствовать развитию цифровых
105203, г. Москва, ул. Нижняя Первомайская, 70
технот™ в российском здравоохранении. е_та11. nmhc@maii.ru
