Συνεντεύξεις - Άρθρα

Συγγενείς καρδιοπάθειες: 3D τρισδιάστατη εκτύπωση και δημιουργία μοντέλων

Γράφει ο Αντώνης Κουρτέσης, Συντονιστής – Διευθυντής ΕΣΥ, Καρδιο – Θωρακοχειρουργός

Η τρισδιάστατη (3D) εκτύπωση έχει εξελιχθεί ραγδαία από την πρώτη εφαρμογή την δεκαετία του 1980, με βελτιώσεις αναφορικά με την ισχύ των υπολογιστών και την ανάπτυξη 3D εκτυπωτών σε ευρεία χρήση. Υπήρξε μια έκρηξη στη χρήση της τεχνολογίας τρισδιάστατης εκτύπωσης στην ιατρική.

Η τυπική διαδικασία για τη δημιουργία τρισδιάστατου εκτυπωμένου μοντέλου είναι τυποποιημένη. Χρησιμοποιώντας δεδομένα 3D απεικόνισης, συνήθως από στοιχεία της αξονικής τομογραφίας (CT) ή μαγνητικής (MR), επισημαίνονται οι περιοχές ενδιαφέροντος για εκτύπωση, διαδικασία που ονομάζεται τμηματοποίηση.

Μόλις δημιουργηθεί ένα τμηματικό μοντέλο, επεξεργάζεται προκειμένου να διορθώσει τυχόν σφάλματα που έγιναν κατά τη διαδικασία κατάτμησης και να διασφαλιστεί ότι το μοντέλο είναι πραγματικά ικανό να εκτυπωθεί φυσικά. Στη συνέχεια, το επεξεργασμένο μοντέλο αποστέλλεται στον 3D εκτυπωτή προκειμένου να εκτυπωθεί, διαδικασία πού ανάλογα με το μέγεθος και την πολυπλοκότητα του η μπορεί να διαρκέσει οπουδήποτε από 1 έως 24 ώρες

Τα τρισδιάστατα τυπωμένα μοντέλα έχουν αποδειχθεί χρήσιμα και διευκολύνουν την επικοινωνία μεταξύ ιατρών και ασθενών, καθώς επίσης για την ενίσχυση της ιατρικής εκπαίδευσης σε διάφορους αποδέκτες.

• Η χρήση ειδικών για τον ασθενή 3D μοντέλων κατά τη διάρκεια της ενημερωτικής και συμβουλευτικής διαδικασίας με εφήβους ασθενείς πού πάσχουν από συγγενείς καρδιοπάθειες βελτίωσε την αντίληψη τους για την κατάστασή τους και μπορεί να βελτιώσει το Follow –up στο μεταβατικό στάδιο από την εφηβεία στην ενηλικίωση.

Έτσι υπάρχει δυνατότητα αλληλεπίδρασης με τον ασθενή , μέσω προβολής 360 μοιρών της ανατομίας του επιτυγχάνοντας αποτελεσματική διάγνωση. Επίσης η κατανόηση της παθολογίας του ασθενή από τον χειρουργό αλλά και τον ασθενή καθιστά ευκολότερη την συγκατάθεση του για χειρουργική αντιμετώπιση.

• 3D Μοντέλα έχουν χρησιμοποιηθεί ως απαραίτητα εφόδια στην διάρκεια της εκπαίδευσης για νοσηλευτές, φοιτητές ιατρικής και ειδικευόμενους γιατρούς.

• Οι επεμβατικές διαδικασίες στο αιμοδυναμικό εργαστήριο έχουν διευκολυνθεί από χρήση 3D μοντέλων, όπως π.χ για την σύγκλειση του dASD εκτιμώντας τα όρια του ελλείμματος, στην επέμβαση τύπου Mustard( αγγειοπλαστική πνευμονικού εμβαλώματος) για μετάθεση μεγάλων αγγείων TGA και σε περιπτώσεις σύγκλεισης με συσκευή σε διάτρηση γλωχίνας μιτροειδούς βαλβίδας λόγω μικροβιακής ενδοκαρδίτιδας. Αυτές οι διαδικασίες προσομοιώθηκαν με τη χρήση 3D μοντέλων , επιτρέποντας την εφαρμογή περίπλοκων διαδικασιών και εξασφαλίζοντας την κατάλληλη επιλογή της συσκευής πριν την παρέμβαση.

• Οι ενήλικες με CHD έχουν συχνά σύμπλοκη μετεγχειρητική ανατομία καθώς και πολλαπλές προηγούμενες χειρουργικές επεμβάσεις που καθιστούν την επανεπέμβαση πλέον δύσκολη και με υψηλότερο διεγχειρητικό κίνδυνο.

• Αρκετοί ασθενείς με CHD είναι σε προοδευτικά επιδεινούμενη καρδιακή ανεπάρκεια πού θα μπορούσαν να επωφεληθούν από μηχανική καρδιακή υποστήριξη ή μεταμόσχευση καρδιάς, αλλά η ανατομία και οι παράγοντες κινδύνου δυνατόν να τους αποκλείσουν. Τα τρισδιάστατα τυπωμένα μοντέλα μπορούν να βοηθήσουν στον προσδιορισμό της καλύτερης προσέγγισης για την εμφύτευση συσκευών μηχανικής υποστήριξης, καθώς και στη λήψη αποφάσεων αναφορικά με τον κατάλληλη δότη για μεταμόσχευση. Αυτές οι πληροφορίες μπορεί να έχουν πρόσθετο όφελος σχετικά με μικρότερους χειρουργικούς χρόνους.

Η χρησιμότητά της 3D εκτύπωσης στην χειρουργική των συγγενών καρδιοπαθειών είναι αδιαμφισβήτητη. Τα τρισδιάστατα τυπωμένα μοντέλα αποτελούν σημαντικούς παράγοντες για την επιμόρφωση των σύμπλοκων μορφών στην ανατομία των συγγενών καρδιοπαθειών. Τα εκπαιδευτικά μοντέλα μπορούν να παραχθούν για σχεδόν για όλες τις παραλλαγές των συγγενών καρδιοπαθειών και σε οποιονδήποτε αριθμό. Η τρισδιάστατη εκτύπωση επιτρέπει την ολοκληρωμένη αντίληψη της χειρουργικής ανατομίας των συγγενών καρδιοπαθειών. Είναι χρήσιμη σε:

Α. Κλινικές εφαρμογές
1. Λήψη χειρουργικών αποφάσεων,
2. Προεγχειρητική χειρουργική προσομοίωση.
3. Εσωτερική επικοινωνία μεταξύ ιατρών
4. Σχεδιασμό με τη βοήθεια υπολογιστή των απαραίτητων εμβαλωμάτων
5. Μειωμένος χρόνος χειρουργικής επέμβασης

Β. Εφαρμογές εκπαίδευσης χειρουργικών δεξιοτήτων

1. Πρακτική χειρουργική εκπαίδευση (hands-on surgical training (HOST) και την
2. Διδασκαλία της καρδιαγγειακής μορφολογίας.

Οι πλέον συνήθεις ενδείξεις κλινικής χρήσης περιλαμβάνουν
• Σύμπλοκες μορφές διπλέξοδης δεξιάς κοιλίας (DORV)
Η DORV δεν είναι μια μεμονωμένη παθολογική οντότητα αλλά μια σύνθετη παθολογία με ανατομικές ανωμαλίες πού προσδιορίζονται από την έκφυση του ημίσεως ή ακόμη και των δύο αρτηριακών δομών ( πνευμονική και αορτή) από την δεξιά κοιλία.

Η ονομασία ενός VSD ως απομακρυσμένου στην DORV μπορεί να αποθαρρύνει τους χειρουργούς να προχωρήσουν σε διόρθωση δύο κοιλιών . Ωστόσο, η διόρθωση ¨δυο κοιλιών¨ μπορεί να είναι εφικτή σε σημαντικό αριθμό DORV με απομακρυσμένο VSD. Η χρήση προεγχειρητικά 3D μοντέλων είχε ως αποτέλεσμα:

1. Σημαντική διαφορά στο μικρότερο χρόνο αποσωλήνωσης
2. Μικρότερη διάρκεια στην ΜΕΘ
3. Καλύτερα μακροπρόθεσμα αποτελέσματα.
• Μετάθεση των μεγάλων αγγείων(TGA)
• Ανώμαλες συνδέσεις των συστηματικών και πνευμονικών φλεβών, διάφορες μορφές ετεροταξίας.
• Δυσπλασίες αορτικού τόξου

Συχνή διαταραχή είναι η παρουσία αγγειακού δακτυλίου με συμπίεση του οισοφάγου ή/και της τραχείας. Η 3Dp βοηθά στο χειρουργικό σχεδιασμό πολλαπλών μορφών αγγειακού δακτυλίου, συμπεριλαμβανομένου του δεξιού αορτικού τόξου με έκφυση της αρ. υποκλειδίου αρτηρίας από την κατιούσα αορτή (εκκόλπωμα του Kommerell). Σημαντική είναι η βοήθεια στις επανεπεμβάσεις της περιοχής, όπως επίσης στον σχεδιασμό αποκατάστασης συνέχειας σε διακεκομμένο αορτικό τόξο.

• Tetralogy of Fallot με ή χωρίς αορτοπνευμονικά παράπλευρα αγγεία (TOF/MAPCAs)
• Complete atrioventricular canal defect (CAVC)
Η επισκευή του κολποκοιλιακού ¨καναλιού¨ CAVC είναι δύσκολη, λόγω της ανάγκης αποτελεσματικής διαίρεσης της κοινής κολποκοιλιακής βαλβίδας σε δυο λειτουργικές αριστερή και δεξιά βαλβίδα
• Left ventricular outflow tract obstruction (LVOTO)
• Sinus Venosus atrial septal defect with partial anomalous pulmonary venous return
• Αριστερής κοίλης φλέβας σε unroofed coronary sinus (Raghib syndrome),
• Μερική ανώμαλή εκβολή των πνευμονικών φλεβών (sinus Venosus type atrial septal defect)

Η αποτελεσματική χειρουργική εκπαίδευση HOST (hands-on surgical training) χρησιμοποιώντας τρισδιάστατα εκτυπωμένα μοντέλα είναι σαφής, τεκμηριωμένη & αποτελεί διαδικασία απόλυτα αναγκαία. Συμπερασματικά, η εκτύπωση 3D μπαίνει στο στάδιο της ωρίμανσης στην χειρουργική των συγγενών καρδιοπαθειών.

Συγγενείς Καρδιοπάθειες – Εισαγωγή

Οι συγγενείς καρδιοπάθειες (CHDs) είναι δομικές ανωμαλίες της καρδιάς με μεγάλες παραλλαγές. Αποτελούν την πλέον συχνή συγγενή ανωμαλία παγκοσμίως, με επίπτωση σχεδόν 1% των ζώντων νεογνών. Περίπου 1 στα 4 βρέφη με CHD στις Ηνωμένες Πολιτείες απαιτεί χειρουργική επέμβαση ή άλλες επεμβατικές διεργασίες στο πρώτο έτος της ζωής.

Η χειρουργική θεραπεία ή διακαθετηριακή παρέμβαση στο αιμοδυναμικό εργαστήριο απαιτεί ακριβή αντίληψη και κατανόηση της τρισδιάστατης (3D) χειρουργικής ανατομίας. Η κατανόηση των σύνθετων δομών απαιτεί 2D & 3D απεικόνιση. Ενώ η 2D απεικόνιση προορίζεται για την εξερεύνηση της σύνθεσης μιας τρισδιάστατης δομής, η τρισδιάστατη απεικόνιση είναι απαραίτητη για την πλήρη κατανόηση της δομής του σχήματος.

Όσο συμπλοκότερη είναι η συγγενής καρδιοπάθεια τόσο μεγαλύτερη είναι η ανάγκη για τρισδιάστατη ανάλυση πού μπορεί να αναπαρασταθεί σε οθόνη υπολογιστή, σε προσομοιωμένο περιβάλλον ή μέσω φυσικών τρισδιάστατων μοντέλων.

Η τρισδιάστατη εκτύπωση επιτρέπει την πλέον ρεαλιστική αντίληψη της παθολογίας χωρίς την απαίτηση συσκευών όπως οθόνη υπολογιστή. Η δυνατότητα επαφής και ψηλάφησης των τρισδιάστατων εκτυπωμένων μοντέλων ενισχύουν την κατανόηση της ανατομίας με σαφήνεια ελαχιστοποιώντας τους κινδύνους παρερμηνείας και εσφαλμένης επικοινωνίας μεταξύ των εμπλεκομένων ιατρικών ειδικοτήτων, νοσηλευτών και ασθενούς με το οικείο περιβάλλον του.

Οι αγγειογραφίες υπολογιστικής τομογραφίας (CT) και μαγνητικού συντονισμού (MR) εξασφαλίζουν 3D δεδομένα εικόνας που ταιριάζουν καλύτερα για δημιουργία, μοντέλου και 3D εκτύπωσης λόγω εξαιρετικής αντίθεσης και δυνατότητας λεπτομερών δομικών αναλύσεων.

Η τρισδιάστατη ηχοκαρδιογραφία είναι ένα εξαιρετικό εργαλείο για την τρισδιάστατη απεικόνιση των καρδιαγγειακών δομών σε οθόνη υπολογιστή. Οι υπέρηχοι σχετίζονται εγγενώς με προβλήματα ακριβούς απεικόνισης λόγω της παρουσίας αέρα και οστών μεταξύ των διαφόρων ανατομικών δομών και επιπλέον το οπτικό πεδίο της ηχοκαρδιογραφίας περιορίζεται από την ύπαρξη κατάλληλου ¨παραθύρου¨ για διάδοση ήχου. Επομένως, η 3D εκτύπωση με βάση το ηχοκαρδιογράφημα περιορίστηκε κυρίως στην αποτύπωση των καρδιακών βαλβίδων και στην ¨πλοήγηση¨ για κατάλληλη χρήση συσκευών σύγκλεισης διαφόρων ενδοκοιλοτικών επικοινωνιών.

Τα πλεονεκτήματα από την χρήση τόσο της CT, της MR και των τρισδιάστατων ηχοκαρδιογραφημάτων μπορούν να συνδυαστούν στην αναφερόμενη ως 3D υβριδική τρισδιάστατη εκτύπωση. Η τεχνική αυτή δημιουργεί ακριβέστερα μοντέλα για χειρουργικό σχεδιασμό, ιδιαίτερα σε βαλβιδοπάθειες.

Χειρουργική Προσομοίωση

Η σημαντική πρόοδος της τρισδιάστατης εκτύπωσης προσφέρει ζωντανά, τυπωμένα μοντέλα οποιουδήποτε μέρους της ανθρώπινης ανατομίας, συμπεριλαμβανομένων των συγγενών καρδιακών ελλειμμάτων.

Αυτά τα μοντέλα βοηθούν στην αντίληψη μεγέθους, θέσης και βαθμού ανωμαλίας και προσφέρουν βοήθεια στον χειρουργικό σχεδιασμό προσαρμοσμένου στον ασθενή, επιτρέποντας στους χειρουργούς να προβλέψουν πιθανές επιπλοκές και να εξασκηθούν προσομοιώνοντας την προγραμματισμένη διεγχειρητική διαδικασία παράλληλα με σενάρια “σχεδίου Β” “διάσωσης” για χειρουργικές επεμβάσεις υψηλού κινδύνου.

Οι χειρουργοί έχουν την ευκαιρία να εξασκηθούν σε μοντέλα που εκτυπώνονται από τα δεδομένα εικόνας του ασθενούς εάν δεν έχουν εμπειρία ή εξοικείωση με τα χειρουργεία.
Η προεγχειρητική προσομοίωση για τους ειδικευόμενους χειρουργούς είναι υψίστης σημασίας για την ελαχιστοποίηση των εν δυνάμει διεγχειρητικών κινδύνων, για την ασφάλεια των ασθενών και για την αύξηση της εμπιστοσύνης και των τεχνικών δεξιοτήτων τους που σχετίζονται με τη χειρουργική διαδικασία.

Για δε τους έμπειρους χειρουργούς, η προσομοίωση μπορεί να είναι επωφελής σε περιπτώσεις όπου υπάρχουν περισσότερες από μία πιθανές χειρουργικές προσεγγίσεις για τη επίλυση του χειρουργικού προβλήματος. Συνήθως αυτές οι σύνθετες αποφάσεις λαμβάνονται βάσει της εμπειρίας, της εκπαίδευσης του χειρουργού καθώς και με αναφορά στη βιβλιογραφία.

Σε πολύπλοκες περιπτώσεις όπου η χειρουργική θεραπεία μπορεί να είναι αμφιλεγόμενη, ο χειρουργός μπορεί να χρησιμοποιήσει τρισδιάστατα μοντέλα για να προσομοιώσει διαφορετικές χειρουργικές πρακτικές προκειμένου να επιλέξει την καλύτερη τεχνική για την επιδιόρθωση του συγκεκριμένου ανατομικού προβλήματος του ασθενούς.

Επιπλέον, τα τρισδιάστατα τυπωμένα μοντέλα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ανάπτυξη και δοκιμή νέων χειρουργικών επεμβάσεων. Τα προβλεπόμενα ανατομικά και αιμοδυναμικά αποτελέσματα της προσομοιωμένης χειρουργικής μπορούν να αναπαραχθούν με τρισδιάστατη μοντελοποίηση / εκτύπωση και 4D απεικόνιση

Σχεδιασμός χειρουργικών εμβαλωμάτων με τη βοήθεια υπολογιστή

Παραδοσιακά, τα εμβαλώματα για σύγκλειση ελλειμμάτων, δημιουργία ενδοκοιλιακών ¨καναλιών¨ και διεύρυνσης αγγείων διαμορφώνονται κατά τη διάρκεια χειρουργικών επεμβάσεων. Ενώ τα απλά εμβαλώματα σύγκλεισης επικοινωνιών είναι εύκολο να οριοθετηθούν, τα σύνθετα εμβαλώματα απαιτούν καλύτερη εκτίμηση από τον χειρουργό για κατάλληλο κόψιμο και εφαρμογή.

Οι εμπειρικές προσεγγίσεις σε πολύπλοκες χειρουργικές επεμβάσεις συχνά συνδέονται με πλημμελή ανατομικά αποτελέσματα. Τα κατάλληλα εμβαλώματα μπορούν να σχεδιαστούν με ακρίβεια για την συγκεκριμένη ανατομία του ασθενούς και να επιτευχθούν τα επιθυμητά χειρουργικά αποτελέσματα όπως σε περιπτώσεις δημιουργίας ενδοκοιλιακών καναλιών χωρίς απόφραξη του χώρου εξόδου της δεξιάς ή αριστερής κοιλίας με ¨φυσιολογική ¨ ροή του αίματος στην αορτική και πνευμονική βαλβίδα. Η χρήση ενός αποστειρωμένου πρότυπου μπορεί να σχεδιαστεί και να εκτυπωθεί 3D προκειμένου διεγχειρητικά να διευκολύνει την ακριβή σχεδίαση ενός διαφράγματος ή εμβαλώματος. (Patch).

Η χειρουργική εκπαίδευση στις συγγενείς καρδιοπάθειες (CHD)

Η εκπαίδευση στη χειρουργική των συγγενών καρδιοπαθειών είναι επίπονη και απαιτεί μακρά περίοδο εκπαίδευσης λόγω της σχετικής σπανιότητας των βλαβών και των πολύπλοκων χειρουργικών τεχνικών.
Επιπλέον, η διεγχειρητική εκπαίδευση αποτελεί δυνητικό κίνδυνο για την ασφάλεια των ασθενών, με αποτέλεσμα οι ειδικευόμενοι χειρουργοί να έχουν περιορισμένη χειρουργική εμπειρία στις συγγενείς καρδιοπάθειες.

Ως εκ τούτου η χειρουργική προσομοίωση προσφέρει στους χειρουργούς την δυνατότητα ανάπτυξης τεχνικών δεξιοτήτων χωρίς να διακυβεύεται η ασφάλεια των ασθενών.
Μέχρι πρόσφατα, τα μοντέλα εκπαίδευσης περιορίζονταν στις καρδιές και τα αγγεία των ζώντων ή πειραματόζωων, των παθολογικών παρασκευασμάτων καρδιάς & των πλαστικών ομοιωμάτων.

Η δυνατότητα χειρουργικής προσομοίωσης έχει εφαρμοστεί για παθήσεις που μπορούν να προσομοιωθούν σε μια φυσιολογική καρδιά, όπως στην μετάθεση των μεγάλων αγγείων και στην επέμβαση Ross. Η τρισδιάστατη εκτύπωση με μαλακά υλικά προσφέρει νέα δυνατότητα εκπαίδευσης σε διάφορες παθολογικές οντότητες.

Από το 2015, η χρήση τρισδιάστατων μοντέλων στην εκπαίδευση ( Πρακτικής Χειρουργικής Εκπαίδευσης (HOST) έγινε περισσότερο δημοφιλής μεταξύ των χειρουργών και των εκπαιδευομένων στις συγγενείς καρδιοπάθειες και έτσι η πλειοψηφία των χειρουργών τα έχουν συμπεριλάβει στο εκπαιδευτικό πρόγραμμα των CHD. Η χρήση τρισδιάστατων μοντέλων καρδιάς έχει βελτιώσει τη διαχείριση ασθενών με συγγενείς καρδιοπάθειες (CHD) σε πολλαπλά μέτωπα, από τον χειρουργικό σχεδιασμό και την προσομοίωση έως την εκπαίδευση των ασθενών.
Σε πρόσφατη μελέτη, το 96% των χειρουργών συμφώνησαν ότι τα τρισδιάστατα τυπωμένα μοντέλα βελτίωσαν την προεγχειρητική αντίληψη & τον χειρουργικό σχεδιασμό.

ΑΣΘΕΝΕΙΣ & ΟΙΚΟΓΕΝΕΙΑ

Το ECHO , μαγνητική τομογραφία (MRI) ή αξονική τομογραφία (CT) μπορεί να είναι δύσκολα αντιληπτά για τον ασθενή ή τους γονείς.
Αντιθέτως η χρήση ενός μοντέλου υψηλής πιστότητας τους δίνει απαντήσεις στην πλειοψηφία των ερωτημάτων τους αναφορικά με το σχεδιασμό της χειρουργικής θεραπείας και της μετεγχειρητικής εξέλιξης.

Το Μέλλον

Ίσως η πιο συναρπαστική μελλοντική χρήση της τρισδιάστατης εκτύπωσης στην ιατρική είναι η βιοεκτύπωση.
Η βιοεκτύπωση κυτταρικού υλικού είναι μια αναπτυσσόμενη μέθοδος με τη δημιουργία ειδικών ιστικών εμφυτευμάτων για τον ασθενή.

Η δυνατότητα ανάπτυξης αγγειακών μοσχευμάτων που μπορούν να αντικατασταθούν με τον ιστό ενός ασθενούς είναι ένα «ιερό δισκοπότηρο» στην χειρουργική των συγγενών καρδιοπαθειών που θα μπορούσε να μειώσει σημαντικά την ανάγκη για επανεπεμβάσεις λόγω σωματικής ανάπτυξης. Η τεχνική μεταμόσχευσης ιστού μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε χειρουργεία με χρήση σωληνωτών μοσχευμάτων από βλαστοκύτταρα του ίδιου του ασθενούς.

Αντώνης Κουρτέσης MD, PhD, FECTS, Συντονιστής – Διευθυντής ΕΣΥ, Καρδιο – Θωρακοχειρουργός, Γ.Ν.ΠΑΙΔΩΝ ΑΘΗΝΩΝ «Η ΑΓΙΑ ΣΟΦΙΑ»

Σχετικά Άρθρα

Back to top button