Využití 3D tisku v chirurgii hlavy a krku


Use of 3D printing in head and neck surgery

Modern technologies are increasingly finding their place in medicine, rapidly establishing as invaluable assets. This is evident in 3D printing, which in a relatively short time, has become an integral part of numerous medical fields including ENT, Maxillofacial and Plastic surgery. Its expansion is substantially facilitated by the decrease in the acquisition costs of printers and used materials, including software availability. Another advantage is the increasing number of graduated biomedical engineers who assist doctors in preparing and printing their models. On June 17, 2023, the Czech Medical Society of J. E. Purkyně accepted the newly established „Czech Society for 3D Printing in Medicine“ as its organizational component. Its objective is to help the development of 3D printing in medicine, and to set standards of use and adherence. This article presents practical examples of the use of 3D printing in Otorhinolaryngology, Maxillofacial and Plastic surgery.

Keywords:

head and neck surgery – model – 3D printing


Autoři: L. Dzan 1,2 ;  K. Mamiňák 1,3 ;  L. Čapek 4 ;  J. Blecha 1,3 ;  Š. Dzanová 5,6 ;  F. Bašovský 2;  I. Němec 1 ;  R. Holý 1,3 ;  J. Vitvar 4 ;  N. Abrhámová 7;  J. Astl 1,3
Působiště autorů: Klinika otorinolaryngologie a maxilofaciální chirurgie 3. LF UK a ÚVN Praha 1;  Oddělení ústní, čelistní a obličejové chirurgie, Krajská nemocnice Liberec, a. s. 2;  3. lékařská fakulta, Univerzita Karlova, Praha 3;  Oddělení klinické bio mechaniky, Krajská nemocnice Liberec, a. s. 4;  Stomatologická klinika 3. LF UK a FN Královské Vinohrady, Praha 5;  1. lékařská fakulta, Univerzita Karlova, Praha 6;  Oddělení zdravotnické techniky, ÚVN Praha 7
Vyšlo v časopise: Otorinolaryngol Foniatr, 73, 2024, No. 3, pp. 176-181.
Kategorie: Přehledová práce
doi: https://doi.org/10.48095/ccorl2024176

Souhrn

Moderní technologie nacházejí stále větší využití i v medicíně a zkracuje se čas, za který se etablují jako její plnohodnotné součásti. Je to vidět právě na 3D tisku, kdy za poměrně krátkou dobu od přihlášení patentu je již nedílnou komponentou celé řady lékařských oborů, včetně ORL, maxilofaciální a plastické chirurgie. Jejímu rozšíření výrazně napomáhá pokles pořizovacích nákladů tiskáren a používaných materiálů, včetně dostupnosti software. Další výhodou je zvyšující se počet absolventů oboru biomedicínský inženýr, kteří pomáhají lékařům s vlastní přípravou modelů a následně s jejich tiskem. Dne 17. 6. 2023 přijala Česká lékařská společnost J. E. Purkyně nově vzniklou „Českou společnost pro 3D tisk v medicíně“ jako svou organizační složku. Jejím cílem je napomáhat rozvoji 3D tisku v medicíně, nastavit standardy využití a garantovat jejich dodržování. Přehledový článek uvádí praktické příklady využití 3D tisku v otorinolaryngologii, maxilofaciální a plastické chirurgii.

Klíčová slova:

model – 3D tisk – chirurgie hlavy a krku

Úvod

Postupně se 3D tisk stává nedílnou součástí prakticky všech oborů medicíny nejen v zahraničí, ale i v České republice. V roce 2023 Česká lékařská společnost J. E. Purkyně přijala nově vzniklou „Českou společnost pro 3D tisk v medicíně“ jako svou organizační složku. Jejím hlavním cílem je napomáhat rozvoji 3D tisku ve zdravotnictví, nastavit standardy využití a garantovat jejich dodržování.

V chirurgii hlavy a krku se 3D tisk dosud spojuje zejména s řešením zlomenin, defektů a deformací v obličejové kostře nebo na bazi lební pomocí osteosyntetických materiálů [1, 2]. Současné klinické využití 3D tisku ale mnohem více řeší plánování výkonu a případné kompenzace defektu v kostech na 3D modelu ještě před vlastním zákrokem. Jde o začlenění této chirurgie do skupiny personal tailored surgery (PTS), která se stává trendem i v chirurgii hlavy a krku. Aplikace 3D tisku je spojována s vyšší přesností a individualizací zákroků, minimalizací rizik nesprávného postavení kostí (fragmentů), minimalizací poškození okolních tkání a s kratším operačním časem. S tím souvisí rychlejší pooperační rekonvalescence a rehabilitace [3]. Jsou to pádné argumenty jak pro pacienty, tak i pro zdravotní pojišťovny. Navíc vlivem snižující se ceny 3D tiskáren a s vývojem dalších materiálů, včetně biokompatibilních, se bude rozšiřovat potenciál využití i do oblastí dnes ještě málo představitelných, jako např. středoušní chirurgie [4].

Obr. 1. Osteom frontálního sinu.
Osteom frontálního sinu.
Fig. 1. Osteoma of the frontal sinus.

Obr. 2. Trénink operačního zákroku.
Trénink operačního zákroku.
Fig. 2. Surgical procedure training.

Obr. 3. Operační zákrok.
Operační zákrok.
Fig. 3. Surgical procedure.

Současná technická úroveň 3D tisku v medicíně

Technologie aditivní výroby (AV), zjednodušeně 3D tisku, umožňuje vyrábět fyzické objekty z trojrozměrných (3D) virtuálních modelů prostřednictvím procesu spojování materiálů v jednotlivých vrstvách. Nanášenými materiály mohou být polymery, keramika, kovy nebo živé buňky, díky čemuž je proces velmi univerzální. Další výhodou je jeho opakovatelnost, přesnost a nákladová efektivita i pro malé výrobní série.

Využití AV v lékařství je jedním z velkých témat posledních let. Virtuální modely se získávají rekonstrukcí z radiologických dat s vysokou přesností. Historicky se AV primárně využívalo pro edukaci studentů medicíny, protože zhotovené plastové modely nahrazovaly nedostatkový kadaverózní materiál [5]. Postupem času, díky skokovému vývoji nových technologií a materiálů, se samotné AV začalo využívat napříč celou medicínou. Obrovským pozitivem je také zvyšující se počet graduovaných biomedicínských inženýrů, kteří pomáhají lékařům se segmentací radiologických dat, s tvorbou virtuálních modelů a po akceptaci výsledného modelu následně s jeho tiskem. U celé řady využití 3D tisku je dokonce spoluúčast lékaře minimální, např. při tisku tracheostomických kanyl z biokompatibilních materiálů pro pacienty po laryngektomiích. Nedílnou součástí jejich využití v praxi je ověření produkce biofilmu na těchto materiálech ve srovnání s konvenčními tracheostomickými kanylami [6]. Budoucnost 3D tisku v medicíně lze tedy vidět na jedné straně v centrálních laboratořích zdravotnických zařízení, která umožní širší využití této technologie, na straně druhé v tkáňovém inženýrství a funkcionalizaci, což je v tuto chvíli ve stadiu výzkumu.

Při využívání 3D tisku v medicíně je nezbytné vědět i o negativech této technologie, mezi něž patří zejména geometrická přesnost a stranová správnost. Je to ovlivněno celou řadou faktorů, např. nastavením radiologického protokolu, samotnou segmentací, pečlivostí personálu a použitou sterilizací modelů. Historicky využívaná sterilizace etylenoxidem je ve zdravotnických zařízeních na ústupu a nahrazuje ji plazmová nebo parní sterilizace. Při vlastním procesu sterilizace je nezbytné zohledňovat technické specifikace daného materiálu, které jsou předepsány výrobcem nebo lékopisem o zkoušce sterility.

 

Praktická využití

Využití 3D tisku ve vzdělávání studentů lékařských fakult a rezidentů je dnes již běžné. Vzdělávací a školicí 3D modely poskytují příležitost lépe vizualizovat anomálie a procvičovat chirurgickou techniku. Využívají se např. při výuce otoneurologie, kdy standardní i zvětšený 3D model kosti skalní umožňuje lépe pochopit anatomicko-fyziologické konsekvence průběhu nervově cévních struktur touto kostí. Stejně tak je pro výuku názorný např. i 3D model vestibulárního schwannomu. Ve výchově rezidentů při nácviku rinologických operačních postupů je s výhodou používání 3D modelu paranazálních dutin, který umožňuje lépe pochopit anatomické vztahy mezi paranazálními dutinami a bazí lební [4]. Standardem je využití modelů při zápočtech a zkouškách mediků. Novou dimenzi využití ve výuce nabídne v brzké budoucnosti propojení 3D tisku s umělou inteligencí (AI) [7].

V oboru otorinolaryngologie a chirurgie hlavy a krku nachází 3D tisk a modelování své další využití primárně v kofochirurgii, endonazální chirurgii a chirurgii baze lební [8, 9]. 3D modely v reálné velikosti se mohou využívat k trénování chirurgických technik či k plánování individuálního operačního přístupu. Jedná se např. o řešení perforace nosního septa pomocí individuálně vyráběných septálních obturátorů [10]. Dalším praktickým příkladem může být pacient s objemným osteomem levé frontální dutiny. Z CT vyšetření zhotovený 3D model umožní operačnímu týmu prozkoumat anatomické vztahy limitující endoskopický přístup, ověřit si velikost frontálního sinu, vzdálenost baze lební od stropu očnice a rovněž natrénovat odstranění útvaru, což zvyšuje bezpečnost vlastního výkonu (obr. 1–3).

Podobně jako v ORL získává 3D tisk stále větší uplatnění i v oboru orální a maxilofaciální chirurgie. Jednou z prvních a nejrozšířenějších indikací je zhotovování anatomických modelů a tisk chirurgických šablon v dentální implantologii. 3D předoperační plánování a zhotovení těchto šablon usnadňuje orientaci a zvyšuje přesnost zavedení zubních implantátů [11].

Dnes již běžnou součástí ortognátní chirurgie je virtuální předoperační plánování a 3D tisk okluzních splintů, které zajišťují optimální postavení horní a dolní čelisti po osteotomii [12]. Možnost názorně ukázat pacientovi na 3D modelech nejen výchozí situaci, ale i očekávanou pozici čelistí je nespornou výhodou, která zvyšuje důvěru pacienta k operatérovi.

Modely rovněž umožňují chirurgovi naplánovat si operační přístup a rozsah plánovaného zákroku (viz obr. 4 a 5 – raritní osifikující hemangiom v očnici).

V traumatologii orofaciální oblasti se využívá kromě nezbytných 3D zobrazení a rekonstrukcí také elementární úroveň 3D tisku ve formě preoperativního modelu poranění. V případech komplikovaných zlomenin mandibuly slouží nízkonákladový a zcela dostupný skeletální model k upravení osteosyntetických komponent před operací (obr. 6, 7).

Další možností využití 3D modelu je např. řešení ztrátových kostěných poranění vytvořením modelu podle druhé (nezraněné) strany s následnou adaptací osteosyntetického materiálu a jeho aplikací při vlastním operačním zákroku (obr. 8, 9). Vedle zkrácení operačního času pacient profituje z přesnějšího tvaru a optimální velikosti implantované komponenty [13].

U operací, které vyžadují resekci části obličejového skeletu postiženého tumorem nebo nekrózou, se dnes běžně vyžívají 3D tištěné řezné šablony [14]. Virtuální analýza před operací určí rozsah výkonu, během něhož je na postiženou kostní strukturu přiložena šablona z biokompatibilního a sterilizovatelného materiálu (obr. 10, 11). Benefit lineárního řezu kostí spočívá v optimálních podmínkách pro hojení rány, zároveň prediktabilně určuje výchozí situaci pro případné další ošetření, např. individuálním implantátem.

Na pomezí maxilofaciální a plastické chirurgie je řešení pooperačních nebo poúrazových stavů. Jedná se zejména o defekty kalvy po kraniotomiích s využitím individuálně zhotovených implantátů [15] nebo využití 3D modelů k plánování řešení poúrazových změn na skeletu lebky, např. u přední stěny frontálního sinu (obr. 12) [16].

Jednoznačnou doménou plastické chirurgie je využití 3D modelů v rámci feminizačních operací obličeje. Jedná se o soubor zákroků na obličejovém skeletu, který mění mužský obličej na ženský. Tyto operace jsou nedílnou součástí léčby transsexuálů male-to-female. 3D modely usnadňují naplánování a upřesnění postupu konkrétního zákroku. Zároveň zlepšují komunikaci s pacientem při konzultacích v souvislosti s možným rozsahem výkonu a očekávaným výsledkem operace [17, 18]. Na základě modelu lze připravit šablony k plánované osteotomii, které umožňují upřesnit radikalitu zákroku, přispět k jeho symetrii, zvýšit bezpečnost a minimalizovat komplikace [18]. V současné době se plánuje zařazení 3D tisku jako standardu v rámci předoperačního vyšetření v souvislosti s feminizačními operacemi obličeje včetně některých dalších zákroků (obr. 13).

Plastickými chirurgy využívané tkáňové expandéry jsou vhodné v celé řadě postupů zajišťujících laloky pro uzávěry defektů [18, 19]. Např. na kalvě může 3D tisk pomoci operatérovi s plánováním nejvhodnějšího umístění expandéru pro zajištění laloku (obr. 14–17).

Obr. 4. 3D model očnice s tumorem.
3D model očnice s tumorem.
Fig. 4. 3D model of the orbit with the tumor.

Obr. 5. Operační zákrok.
Operační zákrok.
Fig. 5. Surgical procedure.

Obr. 6. 3D CT mnohočetné zlomeniny mandibuly.
3D CT mnohočetné zlomeniny mandibuly.
Fig. 6. 3D CT of multiple mandible fractures.

Obr. 7. 3D model mandibuly s dlahou.
3D model mandibuly s dlahou.
Fig. 7. 3D model of mandible with splint.

Obr. 8. 3D CT model očnice.
3D CT model očnice.
Fig. 8. 3D CT model of the orbit.

Obr. 9. 3D model očnice s dlahou.
3D model očnice s dlahou.
Fig. 9. 3D model of the orbit with splint.

Obr. 10. Řezná šablona.
Řezná šablona.
Fig. 10. Cutting tool.

Obr. 11. OPG po resekci mandibuly.
OPG po resekci mandibuly.
Fig. 11. OPG after mandible resection.

Obr. 12. 3D CT model defektu frontálního sinu.
3D CT model defektu frontálního sinu.
Fig. 12. 3D CT model of the frontal sinus wall defect.

Obr. 13. 3D model s nákresem rozsahu zákroku.
3D model s nákresem rozsahu zákroku.
Fig. 13. 3D model with a drawing of the extent of the procedure.

Obr. 14. Tumor parietotemporální oblasti.
Tumor parietotemporální oblasti.
Fig. 14. Tumor of parietotemporal region.

Obr. 15. 3D CT model lebky s tumorem.
3D CT model lebky s tumorem.
Fig. 15. 3D CT skull model with tumor.

Obr. 16. 3D model.
3D model.
Fig. 16. 3D model.

Obr. 17. Tkáňový expandér.
Tkáňový expandér.
Fig. 17. Tissue expander.

Závěr

V současné medicíně má 3D tisk již široké uplatnění. Jeho využití zlepšuje plánování operačních zákroků a slouží jako pomůcka při resekčních a rekonstrukčních výkonech. Nespornou výhodou je možnost názornější komunikace s pacientem, uplatňuje se i při výuce studentů a rezidentů. Budoucnost 3D tisku je v jeho propojení s umělou inteligencí a tkáňovým inženýrstvím.

 

Grantová podpora

Projekt byl podpořen projektem Ministerstva obrany MO 1012 a Univerzity Karlovy v rámci programu Cooperatio, vědní oblasti SURG.

 

Prohlášení o střetu zájmu

Autor práce prohlašuje, že v souvislosti s tématem, vznikem a publikací tohoto článku není ve střetu zájmů a vznik ani publikace článku nebyly podpořeny žádnou farmaceutickou firmou. Toto prohlášení se týká i všech spoluautorů.


Zdroje
1. Aimar A, Palermo A, Innocenti B. The Role of 3D Printing in Medical Applications: A State of the Art. J Healthc Eng 2019; 2019: 5340616. Doi: 10.1155/2019/5340616.
2. Yan Q, Dong H, Su J et al. A Review of 3D Printing Technology for Medical Applications. Engineering 2018; 4 (5): 729–742. Doi: 10.1016/ j.eng.2018.07.021.
3. Ballard DH, Mills P, Duszak R Jr. et al. Medical 3D Printing Cost-Savings in Orthopedic and Maxillofacial Surgery: Cost Analysis of Operating Room Time Saved with 3D Printed Anatomic Models and Surgical Guides. Acad Radiol 2020; 27 (8): 1103–1113. Doi: 10.1016/ j.acra.2019.08.011.
4. Crafts TD, Ellsperman SE, Wannemuehler TJ et al. Three-Dimensional Printing and Its Applications in Otorhinolaryngology-Head and Neck Surgery. Otolaryngol Head Neck Surg 2017; 156 (6): 999–1010. Doi: 10.1177/01945998166 78372.
5. Garcia J, Yang Z, Mongrain R et al. 3D printing materials and their use in medical education: a review of current technology and trends for the future. BMJ Simul Technol Enhanc Learn 2018; 4 (1): 27–40. Doi: 10.1136/bmjstel-2017-000234.
6. Senderovich N, Shah S, Ow TJ et al. Assessment of Staphylococcus Aureus growth on biocompatible 3D printed materials. 3D Print Med 2023; 9 (1): 30. Doi: 10.1186/s41205-023-00195-7.
7. Sriwastwa A, Ravi P, Emmert A et al. Generative AI for medical 3D printing: a comparison of ChatGPT outputs to reference standard education. 3D Print Med 2023; 9 (1): 21. Doi: 10.1186/s41205-023-00186-8.
8. Canzi P, Magnetto M, Marconi S et al. New frontiers and emerging applications of 3D printing in ENT surgery: a systematic review of the literature. Acta Otorhinolaryngol Ital 2018; 38 (4): 286–303. Doi: 10.14639/0392-100X-1984.
9. Low CM, Morris JM, Price DL et al. Three-Dimensional Printing: Current Use in Rhinology and Endoscopic Skull Base Surgery. Am J Rhinol Allergy 2019; 33 (6): 770–781. Doi: 10.1177/1945 892419866319.
10. Plášek M, Komínek P, Čábalová L et al. Uzávěr perforací nosního septa pomocí individuálně vyráběných obturátorů – první zkušenosti. Otorinolaryngol Foniatr 2018; 67 (2): 56–59.
11. Pradies G, Morón-Conejo B, Martinez-Rus F et al. Current applications of 3D printing in dental implantology: A scoping review mapping the evidence. Clin Oral Implants Res 2024; 35 (8): 1011–1032. Doi: 10.1111/clr.14198.
12. Louvrier A, Marty P, Barrabé A et al. How useful is 3D printing in maxillofacial surgery? J Stomatol Oral Maxillofac Surg 2017; 118 (4): 206–212. Doi: 10.1016/j.jormas.2017.07.002.
13. Steinbacher DM. Three-Dimensional Analysis and Surgical Planning in Craniomaxillofacial Surgery. J Oral Maxillofac Surg 2015; 73 (12 Suppl): S40–S56. Doi: 10.1016/j.joms.2015.04.038.
14. Cunningham LL Jr., Madsen MJ, Peterson G. Stereolithographic modeling technology applied to tumor resection. J Oral Maxillofac Surg 2005; 63 (6): 873–878. Doi: 10.1016/ j.joms.2005.02.027.
15. Mee H, Anwar F, Timofeev I et al. Cranioplasty: A Multidisciplinary Approach. Front Surg 2022; 9: 864385. Doi: 10.3389/fsurg.2022.864385.
16. Němec I. Use of Osteotomy in Post-traumatic Deformity of Frontal Sinus Anterior Wall. Case Report. Acta Chir Plast 2016; 58 (1): 39–42.
17. Sharaf B, Kuruoglu D, Bite U et al. Point of Care Virtual Surgical Planning and 3D Printing in Facial Feminization Surgery. Semin Plast Surg 2022; 36 (3): 164–168. Doi: 10.1055/s-0042-1754388.
18. Kuruoglu D, Yan M, Bustos SS et al. Point of care virtual surgical planning and 3D printing in facial gender confirmation surgery: a narrative review. Ann Transl Med 2021; 9 (7): 614. Doi: 10.21037/atm-20-6369.
19. Brychta P, Stanek J et al. Tkáňové expandéry. In: Estetická plastická chirurgie a korektivní dermatologie. Praha: Grada Publishing 2014.
ORCID autorů
L. Dzan 0000-0003-3034-1845,
K. Mamiňák 0000-0002-3935-5891
L. Čapek 0000-0003-3950-0646,
J. Blecha 0000-0002-5606-8018,
Š. Dzanová 0000-0002-5425-9929,
I. Němec 0000-0003-4870-4333,
R. Holý 0000-0001-8073-3658,
J. Vitvar 0009-0009-3825-9177,
J. Astl 0000-0002-8022-0200.
Přijato k recenzi: 13. 4. 2024
Přijato k tisku: 24. 6. 2024
MUDr. Ladislav Dzan, Ph.D.
Klinika otorhinolaryngologie a maxilofaciální chirurgie
3. LF UK a ÚVN Praha
U Vojenské nemocnice 1200
169 02 Praha 6
ladislav.dzan@seznam.cz
Štítky
Audiologie a foniatrie Dětská otorinolaryngologie Otorinolaryngologie

Článek vyšel v časopise

Otorinolaryngologie a foniatrie

Číslo 3

2024 Číslo 3

Nejčtenější v tomto čísle
Přihlášení
Zapomenuté heslo

Zadejte e-mailovou adresu, se kterou jste vytvářel(a) účet, budou Vám na ni zaslány informace k nastavení nového hesla.

Přihlášení

Nemáte účet?  Registrujte se