3D-технологии как инновационный инструмент в лечении переломов верхней конечности в травматологии



Трехмерная (3D) печать в травматологии и ортопедии стремительно развивается и применяется для создания костных имплантов, ортезов, протезов и других медицинских устройств. Эта технология позволяет адаптировать изделия под конкретные анатомические особенности пациента, что повышает их эффективность и снижает риск отторжения. Кроме того, 3D-печать позволяет быстро создавать прототипы и тестировать новые модели, способствуя дальнейшему развитию инноваций в области травматологии и ортопедии. Инновационные методы в травматологии и ортопедии открывают много возможностей в лечение пациентов. Современные материалы и оборудование повышают качество оказания медицинской помощи с использованием современных технологий, улучшают результаты операционного вмешательства, прогноз как в постоперационном периоде, так и в дальнейшей реабилитации пациента.

Цель исследования — провести анализ использования 3D-технологий в лечении пациентов травматологического и ортопедического профиля. Выявить преимущества и недостатки данного метода.

Материалы и методы. Проведен общий обзор литературы, опубликованной в период с 2016 года по 2024 года, с использованием баз данных PubMed, Сyberleninka, Elsevier, Biomedcentral, Еlibrary и др. Для поиска использовались термины из списка медицинских предметных рубрик, а также свободные текстовые ключевые термины.

Ключевые слова: травматология, ортопедия, хирургия, 3D-печать, 3D-моделирование, интонационные методы.

Three-dimensional (3D) printing in traumatology and orthopedics is rapidly developing and is used to create bone implants, orthoses, prostheses and other medical devices. This technology allows products to be customized to the specific anatomical features of the patient, which increases their effectiveness and reduces the risk of rejection. In addition, 3D printing enables rapid prototyping and testing of new models, furthering innovation in trauma and orthopedics. Innovative methods in traumatology and orthopedics open up many possibilities in patient care. Modern materials and equipment increase the quality of medical care using modern technologies, improve the results of surgical intervention, prognosis both in the postoperative period and in further rehabilitation of the patient.

Objective: to analyze the use of 3D-technologies in the treatment of traumatologic and orthopedic patients. To identify the advantages and disadvantages of this method.

Materials and methods: a general review of literature published between 2016 and 2024 was conducted using PubMed, Soublerinck, Elsevier, Biomedcentral, Elibrary, and other databases. Terms from the list of medical subject headings as well as free text key terms were used for the search.

Keywords: traumatology, orthopedics, surgery, 3D printing, 3D modeling, intonation methods.

Инновации в травматологии и ортопедии включают в себя различные технологии и методики, такие как роботизированная хирургия, 3D-печать костных имплантов, протезов, направителей, хирургических шаблонов, аппаратов внешней иммобилизации, ортопедических стелек и ортезов; использование биоматериалов для регенерации тканей, а также применение искусственного интеллекта для диагностики и планирования операций [1]. Эти инновации помогают улучшить точность процедур, сократить время восстановления и повысить качество жизни пациентов.

40 лет назад в 1984 году C. W. Hull разработал 3D-печать. Возможности современных материалов и оборудования, их доступности, в последние десятилетие дали толчок к стремительному развитию 3D-печати в медицине, в частности в травматологии и ортопедии, нейрохирургии [2,3].

Современные способы медицинской визуализации с высоким разрешением могут обрабатывать данные для создания 3D-изображений, которые необходимы для печати физических объектов. В свою очередь, 3D-принтеры способны создать модель любой сложности формы и геометрии. 3D-печать — это тип производственного процесса, при котором такие материалы, как пластик или металл, наносятся слоями для создания 3D-объекта из цифровой модели. Этот процесс отличается от традиционных методов производства тем, что он является аддитивным процессом в хирургической практике [4].

Нормативно-правовая база изо всех сил пытается идти в ногу со временем и с каждым годом совершенствуется, позволяя обеспечить эффективность использования и безопасность персонифицированных изделий для пациентов и при этом избежать правовых барьеров для развития данного инновационного направления [5, 6, 7].

Акромион:

Используется 3D-модель также и для лечения переломов акромиона. Сначала создается 3D-модель акромиона, а затем дистальная пластина для реконструкции ключицы сгибается таким образом, чтобы соответствовать индивидуальным анатомическим изгибам и форме акромиона. Пациентов оценивают по шкалам Константа-Мерли и DASH. Основываясь на статистике, перелом или несращение зажили во всех случаях [6]. Если операция проводилась до появления дополнительных повреждений (например, импинджмент-синдрома), то наблюдалось полное исчезновение боли.

Ключица:

Была разработана минимально инвазивная пластика при переломах средней части ключицы, используя интрамедуллярную технику непрямого вправления и предварительно изогнутые пластины, изготовленные с помощью 3D-печатных моделей. Это позволило точно наложить пластину и минимально травмировать мягкие ткани. Также возможно использование 3D-печатной модели ключицы для предоперационного планирования и в качестве инструмента во время операции для минимально инвазивного наложения пластины при смещенных компрессионных переломах средней части ключицы. При этой методике в случаях одностороннего вколоченного перелома средней ключицы со смещением выполняется компьютерная томография обеих ключиц. Затем обе ключицы печатают на 3D-принтере, чтобы получить модели ключиц в натуральную величину. Неповрежденную ключицу печатают на модели противоположной стороны с использованием техники зеркального отображения, чтобы создать дотравматическую копию сломанной ключицы. 3D-печатная модель неповрежденной ключицы используется в качестве шаблона для выбора преконтурной фиксирующей пластины, которая наилучшим образом соответствует модели. Пластина вводится через небольшие разрезы и фиксируется с помощью стопорных винтов без обнажения места перелома.

Плечевая кость:

Для создания трехмерной модели использовалась 3D-печать с использованием данных, полученных с помощью тонкослойной компьютерной томографии и обработанных в программе “Mimics”. Это действенный способ подтвердить диагноз, разработать индивидуальный план хирургического вмешательства, смоделировать и провести операцию в соответствии с планом. В настоящее время чаще всего применяется только тонкощелевая компьютерная томография, сравнивается продолжительность операции, кровопотеря и время сращения. Также сравнивается длина винтов, запланированная до операции и измеренная во время операции. 3D-модель позволяет визуально на 360° и пальпаторно определить направление и тяжесть смещения перелома, что помогает в точной предоперационной диагностике, планировании и разработке хирургического вмешательства, измерении имплантатов, предварительном выборе подходящей анатомической фиксирующей пластины и моделировании результатов операции.

Стоит упомянуть, что в современных центрах травматологии и ортопедии активно используются 3D-печатные пластины для остеосинтеза при лечении межкондилярных переломов плечевой кости. Тринадцать пациентов с межкондилярными переломами плечевой кости были взяты для открытого вправления и внутренней фиксации обычными пластинами (n = 7) или 3D-печатными пластинами (n = 6) в период с марта по октябрь 2017 года [8]. Они сравнивались по времени операции и функции локтевого сустава при наблюдении в течение минимум 6 месяцев. Все пациенты наблюдались в среднем 10,6 месяца (диапазон: 6–13 месяцев). В группе 3D-печати среднее время операции было значительно меньше (70,6–12,1 мин), чем в группе традиционной фиксации (92,3–17,4 мин). При последнем контрольном осмотре не было выявлено существенной разницы между группами в показателях хорошей или отличной функции локтевого сустава, хотя в группе 3D-печати частота хороших или отличных результатов была несколько выше (83,1 %) по сравнению с группой традиционной установки пластин (71,4 %). Таким образом, методика зарекомендовала себя как довольно безопасная и эффективная.

Выводы

Учитывая полученные результаты, можно сделать вывод о том, что 3D-технологии открывают широкий спектр возможностей для улучшения методов лечения и их результатов в травматологии и ортопедии. Но для этого необходимо наличие специального программного и аппаратного обеспечения, что дополнительно увеличивает затраты средств медицинского учреждения на модернизацию и обслуживание, а также обучение медицинского персонала.

Литература:

1. Павлив Н. И. Инновационные костнопластические материалы в травматологии и ортопедии // Материалы XIV Международной студенческой научной конференции «Студенческий научный форум» URL: https://scienceforum.ru/2022/article/2018028999 (дата обращения: 12.05.2024).
2. Яриков А. В., Горбатов Р. О., Столяров И. И. и др. Применение аддитивных технологий 3D-печати в травматологии-ортопедии и нейрохирургии. Врач. 2021; 32 (10): 8–16. URL: https://doi.org/10.29296/25877305- 2021–10–02 URL: https://vrachjournal.ru/sites/default/files/fulltext-pdf/25877305–2021–10–02.pdf (дата обращения 05.05.2024).
3. Кочегаров А. А.1, Маркина С. Э. Аддитивные 3d-технологии в оперативной травматологии URL: https://elar.urfu.ru/bitstream/10995/107085/1/fti_2020_520.pdf (дата обращения: 05.05.2024).
4. Панкратов А. С., Ларцев Ю. В., Рубцов А. А., Огурцов Д. А., Ким Ю. Д., Шмельков А. В., Князев Н. А. Применение 3D-моделирования в персонифицированном подходе к накостному остеосинтезу (обзор литературы) // Вестник медицинского института «Реавиз»: реабилитация, врач и здоровье. 2023. № 1. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/primenenie-3d-modelirovaniya-v-personifitsirovannom-podhode-k-nakostnomu-osteosintezu-obzor-literatury/viewer (дата обращения: 05.05.2024).
5. Pettersson ABV, Ballardini RM, Mimler M, Li P, Salmi M, Minssen T, Gibson I, Mäkitie A. Legal issues and underexplored data protection in medical 3D printing: A scoping review. Front Bioeng Biotechnol. 2023 Feb 27;11:1102780. doi: 10.3389/fbioe.2023.1102780. PMID: 36923458; PMCID: PMC10009255. URL: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC10009255/
6. Rizzo ML, Turco S, Spina F, Costantino A, Visi G, Baronti A, Maiese A, Di Paolo M. 3D printing and 3D bioprinting technology in medicine: ethical and legal issues. Clin Ter. 2023 Jan-Feb;174(1):80–84. doi: 10.7417/CT.2023.2501. PMID: 36655649. URL: https://www.clinicaterapeutica.it/2023/174/1/14_MAIESE %20.pdf
7. Morrison RJ, Kashlan KN, Flanangan CL, Wright JK, Green GE, Hollister SJ, Weatherwax KJ. Regulatory Considerations in the Design and Manufacturing of Implantable 3D-Printed Medical Devices. Clin Transl Sci. 2015 Oct;8(5):594–600. doi: 10.1111/cts.12315. Epub 2015 Aug 3. PMID: 26243449; PMCID: PMC4626249. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4626249/
8. Lal H, Patralekh MK. 3D printing and its applications in orthopaedic trauma: A technological marvel. J Clin Orthop Trauma. 2018 Jul-Sep;9(3):260–268. doi: 10.1016/j.jcot.2018.07.022. Epub 2018 Aug 3. PMID: 30202159; PMCID: PMC6128305. URL: https://translated.turbopages.org/proxy_u/en-ru.ru.432462af-66410996–2f660190–74722d776562/https/pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/30202159/ (дата обращения: 05.05.2024).
9. Шишкин В. Б., Голубев В. Г. Предоперационное планирование в травматологии и ортопедии с использованием технологии трехмерной компьютерной реконструкции и моделирования // Современные проблемы науки и образования. — 2015. — № 5.; URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=21636 (дата обращения: 12.05.2024).
10. Montmartin M, Meyer C, Euvrard E, Pazart L, Weber E, Benassarou M. L'impression 3D à l'hôpital: quelle réglementation en France? [3D printing in health care facilities: What legislation in France?]. Rev Stomatol Chir Maxillofac Chir Orale. 2015 Nov;116(5):302–7. French. doi: 10.1016/j.revsto.2015.04.007. Epub 2015 Jun 9. PMID: 26071022. URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2213653315000737?via %3Dihub (дата обращения: 12.05.2024).
11. Mardis NJ. Emerging Technology and Applications of 3D Printing in the Medical Field. Mo Med. 2018 Jul-Aug;115(4):368–373. PMID: 30228770; PMCID: PMC6140256. URL: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6140256/ (дата обращения: 12.05.2024).
12. George M, Aroom KR, Hawes HG, Gill BS, Love J. 3D Printed Surgical Instruments: The Design and Fabrication Process. World J Surg. 2017 Jan;41(1):314–319. doi: 10.1007/s00268–016–3814–5. PMID: 27822724; PMCID: PMC6287965. URL: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6287965/ (дата обращения: 12.05.2024).
13. Minto J, Zhou X, Osborn J, Zhang LG, Sarkar K, Rao RD. Three-Dimensional Printing: A Catalyst for a Changing Orthopaedic Landscape. JBJS Rev. 2020 Feb;8(2):e0076. doi: 10.2106/JBJS.RVW.19.00076. PMID: 32224627. URL: https://journals.lww.com/jbjsreviews/abstract/2020/02000/three_dimensional_printing__a_catalyst_for_a.6.aspx (дата обращения: 12.05.2024).
14. Martelli N, Serrano C, van den Brink H, Pineau J, Prognon P, Borget I, El Batti S. Advantages and disadvantages of 3-dimensional printing in surgery: A systematic review. Surgery. 2016 Jun;159(6):1485–1500. doi: 10.1016/j.surg.2015.12.017. Epub 2016 Jan 30. PMID: 26832986. URL: https://www.surgjournal.com/article/S0039–6060(15)01055–7/abstract (дата обращения: 12.05.2024).
15. Tack P, Victor J, Gemmel P, Annemans L. 3D-printing techniques in a medical setting: a systematic literature review. Biomed Eng Online. 2016 Oct 21;15(1):115. doi: 10.1186/s12938–016–0236–4. PMID: 27769304; PMCID: PMC5073919. URL: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5073919/ (дата обращения: 12.05.2024).
16. Diment LE, Thompson MS, Bergmann JHM. Clinical efficacy and effectiveness of 3D printing: a systematic review. BMJ Open. 2017 Dec 21;7(12):e016891. doi: 10.1136/bmjopen-2017–016891. PMID: 29273650; PMCID: PMC5778284. URL: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5778284/ (дата обращения: 12.05.2024).