Небиологическая 3D мягкая печатная модель почки

Полезная модель относится к медицине и может быть использована для тренинга чрескожной нефролитотрипсии (ЧНЛТ) и для лечения мочекаменной болезни почек.
Первичное сообщение в мире о выполнении чрескожной нефроскопии при заболевании почки было сделано RupelE и BrownR в 1941 году [1]. Дальнейшее совершенствование технологий инструментов привело к тому, что данный вид доступа стал применяться для лечения мочекаменной болезни в мире с конца 1970 годов [2, 3]. В настоящее время большинство операций по лечению мочекаменной болезни почек выполняется при помощи малоинвазивных вмешательств, при этом до 60% всех пособий в мире выполняется при помощи ЧНЛТ [4, 5].
Несмотря на малую инвазивность ЧНЛТ, проведение данного вида хирургического лечения мочекаменной болезни сопровождается развитием различных интраоперационных и послеоперационных осложнений. По данным мировой литературы, осложнения при выполнении ЧНЛТ возникают от 1-26,6% наблюдений[6, 7, 8].
Самым грозным из осложнений является возникновение кровотечений в результате повреждения крупных сосудов почки [9, 10].
Выполнение ЧНЛТ состоит из нескольких этапов: создание доступа в чашечно-лоханочную систему почки (ЧЛС), расширение хода, подбор нефроскопа, разрушение и удаление конкремента. Самым основным и главным из всех этапов является осуществление пункции ЧЛС. От правильно выполненного доступа зависит исход всего предстоящего вмешательства и его эффективность.
Выполнение доступа в ЧЛС при ЧНЛТ производится под ультразвуковым или рентгенологическим контролем. Для освоения данного хирургического приема врачу-хирургу требуется выполнение не менее 24 операций [11].
Для отработки навыков доступа в ЧЛС в мире в настоящее время применяются два основных вида тренинга, осуществляемых на биологических и небиологических моделях [12].
Каждому виду моделей присущи как положительные, так и отрицательные стороны в применении. Использование биологических моделей возможно двумя основными способами: тренинг на живых животных под анестезиологическим обеспечением или применение ex-vivo моделей животных.
Отработка навыков на живых моделях свиней в ветеринарных учебно-тренинговых центрах не всегда эффективно из-за различия строения и расположения почки у свиней и человека. Кроме этого стоимость применения данного вида тренинга высока ввиду затрат на обеспечение данного процесса обучения. В настоящий момент имеется небольшое количество тренинговых центров с ветеринарными лабораториями [13].
Более широко в мире представлено применение тренинга на ex-vivo моделях животных [14, 15, 16, 17].
В большинстве своем используются почки неживых свиней с мочевыделительным трактом и без, с различным видом расположения подготовленной биологической модели. Применение данного тренинга также не лишено недостатков, т.к. требуется подготовка моделей к использованию, невозможна полная передача тактильных характеристик и, как было описано ранее, почки животных по своему строению не соответствуют почкам человека.
Небиологические модели для тренинга также представлены двумя основными видами применения. Первый - использование виртуальной реальности. Самым известным тренажером виртуальной реальности для освоения ЧНЛТ в мире является «ThePercMentorTM» [18].
В данном тренажере имеется возможность моделирования различных сложных доступов в ЧЛС с разным вариантом строения под рентгенологическим контролем. Отрицательными сторонами применения являются высокая стоимость данного тренажера 75 000 € и отсутствие возможности отработки навыков под ультразвуковым контролем.
Другой разновидностью небиологических моделей для тренинга ЧНЛТ является применение различного рода 3D печатных моделей самой почки или ЧЛС почки. Самое первое сообщение в мире об использовании для тренинга печатной модели почки было исследование 2008 года Bruyureetall. Авторы привели данные клинического наблюдения больного с мочекаменной болезнью с наличием конкремента нижней группы чашечек левой почки. На основании выполнения компьютерной томографии пациенту было проведено 3D моделирование при помощи программного обеспечения (3D-Doctor AbleSoftware, Lexington, MA), затем формат исследования был переработан в формат STL, и было проведено компьютерное автоматизированное проектирование. С помощью 3D принтера (Z-Corporation (Burlington, MA) была выполнена 3D печатная модель почки методом ламинирования. При подборе материала для 3D печати авторами использована методика теста «Shore Test», при этом, после проверки почки свиньи данный тест показал значение 30 ед. Для печати были использованы материалы с исходными характеристиками (Copsil Ges-30, COP-ChimiedesPolymeres, SaintNazaireenRoyans, France). Также были созданы чашечки нижней группы (при помощи крахмала) с размещением в них конкрементов.
Модель почки помещена в закрытую форму между двумя шарами, где было воспроизведено нагнетание воздуха с имитацией движения почки при дыхании человека. Отработка доступа в ЧЛС была возможна под рентгенологическим контролем. На изготовление модели было потрачено 48 часов. Стоимость модели равна 2500 €. Модель можно было использовать до 6 раз [19]. Положительным качеством этой модели стала имитация дыхательных движений почки, имитирующих реальные условия. К отрицательным сторонам стоит отнести отсутствие наличия сосудистых структур почки и полноценной ЧЛС всей почки, также в модели не предусмотрена возможность использования ультразвукового контроля пункции.
В другом исследовании Adamsetall. были изготовлены 3D печатные модели почки из трех различных материалов. Для изготовления 3D печатных моделей почки были использованы трупные почки человека, удаленные через 48 часов после смерти. Затем проводили компьютерную томографию этих почек с предварительным контрастированием полостной системы почки и верхней трети мочеточника. Далее полученные «Dicom» файлы были обработаны с использованием программного обеспечения «Vesalius 3.0.0 , Brazil», данный программный софт находится в свободном доступе в интернете. Файлы в последующем использовании были переформатированы в формат STL. ЧЛС была напечатана из воска на 3D принтере (3Z pro, Solidscape, NH, USA), формы для формирования моделей почки были напечатаны из фото полимера «VeroClear» на 3D принтере (Objet 260 Connex,Stratasys, Israel). Напечатанная ЧЛС была размещена в форме модели почки, в одном случае, с формированием ЗОмодели почки материалом Ecoflex (00-20, Smooth-on, PA, USA). Восковая модель ЧЛС для создания полой структуры была отмыта этиловым спиртом.
Две другие 3D печатные модели были выполнены из агарозного геля (AgaroseElectran,VWR) и полидиметилсилоксана (PDMS) (Sylgardl84, DowCorning). Процесс изготовления мягкой модели занимает 2 рабочих дня. Впоследствии исследователи оценили каждую 3D печатную модель для пригодности к использованию рентгенологических, ультразвуковых и эндоскопических методов исследования [20]. В данных моделях не было предусмотрено выполнение ЧНЛТ с воссозданием естественных ориентиров области оперативного вмешательства, не были произведены тренинги, также не были воссозданы элементы сосудистой системы почки, а напечатанные модели почки были основаны на данных трупных почек без упоминания о заболевании мочекаменной болезнью.
В применении небиологических моделей для освоения ЧНЛТ, имеются примеры, в которых были напечатаны 3D модели ЧЛС почек больных, без печати самой почки.
Так, в исследовании Turney были изготовлены посредством 3D печати 3 D модели ЧЛС почки с последующим размещением в силиконовой непрозрачной форме с заполнением ЧЛС рентген контрастным веществом, и тренингом доступа в ЧЛС под рентгенологическим контролем. Положительным свойством данной модели является воспроизведение ЧЛС реально живого человека. Отрицательные качества модели - нет возможности использования для тренинга доступа ультразвукового наведения, также нет построения модели полной почки с отражением всех внутрипочечных анатомических структур, и в самой модели не присутствует имитация построения области оперативного вмешательства [21]. Данное исследование в какой-то мере повторяет 3D печатная модель, построенная Гаджиевым с соавт.с присущими предыдущей модели отрицательными сторонами [22].
Проблемой, решаемой полезной моделью, является создание небиологической мягкой модели почки, позволяющей проводить тренинг всех основных этапов операции в объеме ЧНЛТ под рентгенологическим и ультразвуковым контролем.
Технический результат состоит в возможности имитации своими физическими характеристиками реальных мягких тканей и почки живого человека, а также отслеживания почки с идентификацией основных внутренних структур, нормальной и патологической анатомии почки у больных с мочекаменной болезнью.
Th
Поставленная проблема решается небиологической 3D мягкой печатной моделью почки, состоящей из двух частей, первая из которых воспроизведенная анатомически 3D мягкая печатная модель почки человека с созданной реалистичной сосудистой и полой собирательной системой почки с возможностью имитации размещения конкрементов каждого больного в полостной системе, вторая часть - воспроизведенная при помощи методики 3 D печати модель фрагмента туловища человека с имитацией костных ориентиров: позвоночного столба от уровня 11 позвонка до уровня L5-S1 позвонков, ребер с 8 по 12, гребня подвздошной кости таза, содержащая сформированную полость с возможностью размещения 3D печатной мягкой модели почки в своем физиологическом положении и имитацией углов и уровня расположения, соответствующих естественному анатомическому расположению, с возможностью заполнения свободного пространства гелем высокой вязкости для ультразвукового исследования.
Техническое описание полезной модели (фиг. 1):
корпус (1) полезной модели выполняется из прозрачного оргстекла и имеет две открытые стороны, торцевые стороны корпуса имеют форму четверти человеческого тела. С одной стороны, в торцевой части корпуса имеется отверстие для размещения внутри 3D мягкой печатной модели почки (13). Отверстие закрывается крышкой (2), которая закрепляется гайками с барашками (5). В корпусе размещаются несколько ребер (4) для создания более правильной анатомической модели. В корпусе с ребрами из анатомического геля (3) отливается четверть тела, внутри выполняется полость для размещения 3D мягкой печатной модели почки (13). Модель 3D мягкой почки (13) закрепляется зажимом (12) к гибкому шлангу (6), который, в свою очередь, через муфту (7) закрепляется к крышке (2). Муфта имеет возможность освобождать и фиксировать шланг (6) для предварительного выставления 3D мягкой модели почки (13) внутри полезной модели.
Вращение и продольное перемещение осуществляется рукояткой (8). Дополнительно, при необходимости, к 3D мягкой модели почки (13) через двойной штуцер (11) подключаются два гибких шланга (10), которые через отверстия в крышке (2) выводятся наружу полезной модели. Через шланги обеспечивается рециркуляция жидкости внутри чашечно-лоханочной системы.
Предлагаемая полезная модель может быть изготовлена следующим образом:
1. Выполнение мультиспиральной компьютерной томографии.
Все исследования больных были проведены на томографе ToshibaAquilionOne 640 (Япония), протокол исследования 3 PhaseKidneys, положение пациента - лежа на спине (параметры съемки: режим исследования спиральный, толщина среза 0,5 мм, напряжение 120 kV, сила тока 80 mA, скорость вращения трубки 0,5 сек, зона исследования: от купола диафрагмы до лобкового сочленения) с внутривенным контрастированием. Контрастный препарат «Ультравист - 370» 80-90 мл, скорость введения 3,5-4 мл в сек. у больных с мочекаменной болезнью.
2. Цифровая обработка полученных данных в формате «Dicom».
Построением 3D модели почки и области предстоящего оперативного вмешательства при помощи программы Amira 5.4 [(разработчик: 1995-2013 гг., Konrad-Zuse-ZentrumBerlin (ZIB); 1999-2013 гг., VSG)] для персонального компьютера (лицензионное соглашение №257813956).
Затем из первичной модели удаляются артефакты, сглаживается сетка полигонов, в требуемых местах добавляется толщина к стенкам модели, что обуславливается необходимостью в печати FDM. Исправляются места перекрытия стенок сосудов друг другом. При необходимости модель разделяется на части для обеспечения возможности 3D печати. Для фиксации моделей сосудистой и чашечно-лоханочной систем внутри заливаемой формы моделируется основание для их крепления. После всех операций моделируется форма для литья в силикон. Так же создается модель штампа для изготовления опухоли. Обработка моделей производится в бесплатных программах: Meshmixer(Autodesk, Inc.,SanRafael, СА, США) и Blender(BlenderFoundation, Нидерланды, программное обеспечение с открытым исходным кодом).
3. Нарезка и 3D печать модели.
Готовые модели подготавливаются для 3D печати по технологии FDM с помощью бесплатного программного обеспечения Сига с открытым исходным кодом. Печать осуществляется из PLA пластика на 3D принтере с 4-мя соплами (3 сопла принтера использовались для цветных пластиков и одно сопло - для пластика поддержки). Выбор такой сложной схемы печати обуславливался сложностью самой модели, в которой сосудистая (красная и синяя) и чашечно-лоханочная модели (желтая) взаимно пересекались друг с другом и разделить их для раздельной печати было невозможно. Общее время первичной печати всех элементов модели почки, в зависимости от сложности модели, может составлять от 10 до 20 часов.
4. Изготовление силиконовой формы для отливания модели.
Силиконовая форма для финальной модели изготавливается в два этапа. На первом этапе напечатанная форма для литья помещается в контейнер и заливается наполовину силиконом. После отвержения силикона она обрабатывается разделительной смазкой, и заливается силиконом вторая половина. Сверху модели закладывается литник для заливки. После полимеризации силикона форма разбирается, внутрь помещается напечатанная модель сосудистой и чашечно-лоханочной системы, элемент ее удержания внутри формы. Также в форму помещается и фиксируется отлитая модель опухоли. В качестве силикона используется двухкомпонентный силикон ToolDecor 15, термостойкий, безусадочный литьевой силикон для форм на платине, твердость по Шору А: 15 (мягкий).
5. Заливка формы и постобработка.
В собранную форму с установленными моделями сосудистой и чашечно-лоханочной систем и окрашенной в контрастный цвет моделью опухоли заливается прозрачный состав, формирующий тело почки.
В зависимости от поставленной задачи тело почки может быть сформировано из прозрачного двухкомпонентного состава либо из термопластичного геля.
Прозрачные двухкомпонентные составы (в основном, силикон) обладают более высокой прочностью к механическим, термическим и химическим воздействиям и наиболее удобны для изготовления макетов почек, как для учебных целей, так и для предоперационной подготовки и информационного обеспечения в процессе хирургической операции.
Термопластичные прозрачные составы заливаются в форму в разогретом состоянии в жидкой фазе и затвердевают после остывания. Макеты почек, выполненные из эластичных прозрачных термостатичных составов (гелей), наиболее удобны для тренинга.
Преимуществом полезной модели является использование материалов, которые имитируют своими физическими характеристиками реальные мягкие ткани и почку живого человека. Полезная модель обладает свойствами, позволяющими использовать ультразвуковое и рентгенологическое исследования для отслеживания почки с
идентификацией основных внутренних структур, нормальной и патологической анатомии почки у больных с мочекаменной болезнью.
Применение полезной модели позволяет проводить при тренинге все этапы ЧНЛТ у больного с персонально выполненной 3D моделью почки.
Список литературы.
1. Rupel Е, Brown R. Nephroscopy with removal of stone following nephrostomy for obstructive calculous anuria. // J Urol.- 1941.- N47.-P. 177-82.
2. Fernstrom I, Johansson B. Percutaneous pyelolithotomy. A new extraction technique. //Scand J UrolNephrol.- 1976.-N10.-P.257-9.
3. Smith A.D., Reinke D.B., Miller R.P. et all. Percutaneous nephrostomy in the management of ureteral and renal calculi. //Radiology.-1979.- N49. 133.
4. Аляев Ю.Г., Григорьев H.A. Малоинвазивная чрескожная хирургия почек и верхних мочевых путей. Врачебноесословие, 2006, №5-6 стр. 8-14.
5. Wong M.Y. An update on percutaneous nephrolithotomy in the management of urinary calculi // CurrOpin Urol. - 2001. - N11(4). - P. 367-72.
6. Теодорович O.B., Забродина Н.Б., Борисенко Г.Г., Кириленко В.В. Осложнения перкутанной хирургии. Материалы Пленума правления Российского общества урологов (Тюмень, 24-27 мая 2005). М., 2005, стр. 183-184.
7. Нестеров С.Н., Рогачиков В.В., Кудряшов А.В., Тевлин К.П. Осложнения перкутанной нефролитолапаксии // Материалы XV Конгресса Российского Общества Урологов "Урология в XXI веке". -СПб., 2015.-С. 174.
8. Michel M.S., Trojan L, Rassweiler J.J. Complications in percutaneous nephrolithotomy.// Eur Urol. -2007- N51-P. 899-906.
9. Аляев Ю.Г., Рапопорт Л.М., Руденко В.И., Григорьев H.A. Мочекаменная болезнь. Актуальныевопросыдиагностики и лечения // Врачебное сословие. - 2004. - №4. - С. 4-9.
10. Сорокин Н.И. Современные аспекты профилактики, диагностики и коррекции осложнений чрескожной хирургии нефролитиаза: Дис... канд. мед. наук. - М., 2006.
11. Sri S., Shannon Т. С, Stephen Y., et all. Current Practices in Percutaneous NephrolithotomyAmongEndourologists.// Journal OF Endourology.- 2014.- Vol/ 28, (5) DOI: 10.1089/end.2013.0447.
12. Yasser A.N., Sero A. Simulation for Percutaneous Renal Access: Where Are We?// Journal of Endourology. P. 1-26. DOI: 10.1089/end.2016.0587.
13. Kallidonis P, Kyriazis I, Vasilas M. et all. Modular training for percutaneous nephrolithotripsy: The safe way to go.// Arab J Urol. -2015,-N13(4)-P.270-276.
14. Earp P.P. Percutaneous renal surgery: New model for learning and training.// IntBraz J Urol.-2003.-N29-P.151-54.
15. Hammond L., Ketchum, Schwartz B.F. A new approach to urology training: a laboratory model for percutaneous nephrolithotomy.// J Urol. -2004.-N172(5 Pt 1)-P. 1950-1952.
16. Zhang Y, Ou T.W., Jia J.G. Novel biologic model for percutaneous renal surgery learning and training in the laboratory.// Urology.- 2008.- N72(3)-P.513-516.
17. Abdallah M.M., Salem S.M., Badreldin M.R., et all. The use of a biological model for comparing two techniques of fluoroscopy-guided percutaneous puncture: A randomised cross-over study.// Arab J Urol.-2013.-Nll(l)-P.79-84.
18. Knudsen B.E., Matsumoto E.D., Chew B.H., et all. A randomized, controlled, prospective study validating the acquisition of percutaneous renal collecting system access skills using a computer based hybrid virtual reality surgical simulator: phase I.// J Urol.- 2006.- N.176(5)-P.2173-2178.
19. Bruyure F.,LerouxC, Brunereu L.,et all.Rapid Prototyping Model for Percutaneous Nephrolithotomy Training.// Journal OF Endourology.-2008.-N.lVol. 22. DOI: 10.1089/end.2007.0025.
20. Fabian Adams, TianQiu, Andrew Market all. Soft 3D-Printed Phantom of the Human Kidney with Collecting System.// Annals of Biomedical Engineering 2016.
21. Turney B.W. A new model with an anatomically accurate human renal collecting system for training in fluoroscopy-guided percutaneous nephrolithotomy access.// J Endourol.- 2014- N.28(3)-P360-363.
22. Gadzhiev N.K., Britov V.P. Petrov S.B., idr. Trenazherurologicheskiy. [Urological simulator].Prioritetnayazayavka о vyidachepatentanapoleznuyu model RF N 2017105680/ 20.02.2017. (In Russian).