Исследователи из Технологического университета Граца (TU Graz - https://www.tugraz.at/home/) и Медицинского университета Граца (https://www.medunigraz.at/en/) в Австрии разработали автоматизированную систему для конструирования черепных имплантатов (или краниопластики).
Программа, которая была интегрирована в облачную платформу Studierfenster (http://studierfenster.tugraz.at/) от TU Graz, использует алгоритмы глубокого обучения для автоматического восстановления недостающей части черепа. Файл STL для конкретного пациента может быть сгенерирован путем вычитания дефектного черепа из завершенного. Этот процесс позволяет печатать 3D-имплантаты на месте и значительно сокращает время, необходимое для их изготовления для обычных операций, а также уменьшает боль и дискомфорт пациента.
Дефекты черепа часто являются результатом травм головы, предыдущих операций, связанных с исправлением деформации черепа или удалением опухоли головного мозга, во время которых хирургам необходимо удалить часть кости черепа, чтобы получить доступ к мозгу. Чтобы устранить это повреждение, обычно создается синтетический заменитель с использованием титана или биосовместимых полимеров, поскольку исходная структура кости слишком повреждена или загрязнена, чтобы ее можно было использовать повторно.
Текущий производственный процесс, используемый в краниопластике, в первую очередь основан на высококачественной конструкции имплантатов и производстве черепных имплантатов профессиональными компаниями, что может быть дорогостоящим и длительным прочессом. Высокий уровень знаний, необходимых для проведения процедуры, в сочетании с коммерческим программным обеспечением, необходимым для ее оптимизации, еще больше увеличивает эти затраты. Кроме того, человеческий фактор процедуры также заслуживает рассмотрения. При современных процессах пациенту требуется как минимум две операции: краниотомия и краниопластика, что вызывает у них дополнительные страдания. Это может занять несколько дней, в течении которых череп пациента является неполным.
Несмотря на то, что достижения в области трехмерной биопечати ускорили производство медицинских устройств для имплантации, остается потребность в быстрой и недорогой альтернативе. Например, в тематическом исследовании, на которое ссылаются исследователи, испанскому пациенту пришлось ждать, пока имплантат будет спроектирован с использованием нескольких программ и изготовлен в Великобритании, прежде чем его отправят на операцию. Исследовательская группа использовала такие случаи, чтобы идентифицировать существующий процесс проектирования имплантатов в качестве основного узкого места в текущем клиническом рабочем процессе.
Одним из способов снижения затрат и сроков выполнения производственного процесса может стать разработка специального бесплатного программного обеспечения САПР для конструирования черепных имплантатов. Это все ещё потребовало бы высокого уровня экспертизы для проектирования и эксплуатации, поэтому исследователи пришли к выводу, что дешёвое, полностью автоматическое программное обеспечение для проектирования и производства на месте было бы идеальным решением. Более того, автоматизация дизайна оставалась проблемой. Имплантат, напечатанный на 3D-принтере, должен был точно вписаться в дефектную область черепа и обеспечить уровень защиты мозга, который был у пациента до травмы. Если граница имплантата, толщина и согласованность формы не были воссозданы идеально, деталь может сделать пациента уязвимым для кратковременных травм.
В результате двумя студентами TU Graz был запущен сайт Studierfenster. Облачная, открытая научная платформа для обработки медицинских изображений. Программное обеспечение доступно через любой веб-браузер. Со времени ее первоначального выпуска в платформу были добавлены многочисленные функции, такие как 3D-реконструкция лица по 2D-изображению, перерисовка и восстановление расслоений аорты, автоматическое определение ориентира аорты и автоматическое проектирование черепных имплантатов. Большинство алгоритмов, лежащих в основе этих интерактивных функций, работают на сервере, и к ним легко получить доступ, используя общий интерфейс браузера, что позволяет использовать платформу на небольших устройствах с более низкими вычислительными возможностями.
Автоматическая система проектирования черепных имплантатов Studierfenster была включена в программное обеспечение с самого раннего этапа разработки и с тех пор итеративно оптимизировалась. Программа работает, загружая компьютерную томографию пациента до и после краниотомии в программное обеспечение, которое генерирует имплантат, вычисляя разницу между двумя черепами. В результате получается модель поверхности, которая автоматически печатается в 3D-режиме на месте в больнице, что устраняет дополнительные сроки и стоимость внешнего производства. Кроме того, способность программы вычитать дефектный череп из восстановленного объема черепа позволяет автоматически выполнять процесс, в отличие от предыдущих методов.
Исследовательская группа пришла к выводу, что их онлайновая система для автоматического конструирования черепных имплантатов может существенно улучшить текущую клиническую процедуру в краниопластике. У платформы есть недостатки, и ее эффективность остается в некоторой степени аппаратной и интернет-зависимой, в то время как преобразование объема черепа в сетку может быть медленным. Тем не менее, исследователи по-прежнему уверены, что, хотя программное обеспечение в настоящее время используется в образовательных и исследовательских целях, оно имеет потенциал для использования в клинических условиях в будущем.
3D-печать использовалась, чтобы помочь хирургии реконструкции черепа последовательно в течение последних нескольких лет. Например, исследователи из Северо-Западного университета (https://www.northwestern.edu/) и Университета Иллинойса в Чикаго (UIC - https://www.uic.edu/) использовали гиперэластичную кость с 3D-печатью для регенерации дефектов черепа у крыс. Исследование может привести к разработке экономически эффективного решения для черепно-лицевых костных трансплантатов.
Исследователи из Техасского университета A&M (https://www.tamu.edu/) объединили 3D-печать, разработку биоматериалов и биологию стволовых клеток для создания новых, более эффективных, настраиваемых материалов для костной пластики. Используя эту технику, ученые создали 3D-печатные высокоостеогенные каркасы, которые способствуют росту костных клеток и служат надежной платформой для регенерации кости в пользовательских формах.
Британская больница общего профиля в Северном Манчестере (NMGH) использовала свою лабораторию 3D-печати для создания костных трансплантатов DCIA для реконструкции верхней или нижней челюсти раковых больных. Этот процесс принес огромную экономию времени и средств для больницы.
Выводы исследователей подробно изложены в их статье под названием «Биочернила на основе гидрогеля для 3D-биопечати в регенерации тканей» (http://frontiersin.org/articles/10.3389/fmats.2020.00076/full), опубликованной 1 июня 2020 года. Соавторами исследования являются Цзяннин Ли, Антонио Пепе, Кристина Гсакснер и Ян Эггер (.Jianning Li, Antonio Pepe, Christina Gsaxner и Jan Egger).