Multimediálna podpora výučby klinických a zdravotníckych odborov :: Portál LFUK v Bratislave
Lekárska fakulta, Univerzita Komenského v Bratislave
Univerzita Komenského v Bratislave
Projekt MEFANET (MEdical FAculties Educational NETwork)

MOŽNOSTI ZOBRAZENIA FORMOU 3D TLAČE V OFTALMOLÓGII

MOŽNOSTI ZOBRAZENIA FORMOU 3D TLAČE V OFTALMOLÓGII

3D tlač vďaka svojmu nesmierne rýchlemu pokroku v súčasnosti umožňuje vytvárať modely predmetov, štruktúr a tvarov, ktoré by nám pred pár mesiacmi pripadali takmer nemožné.
Vynález 3D tlače ponúkol ľudstvu úplne nový spôsob a možnosti a využitie aj v oblasti medicíny.

Práca prezentuje výsledky 3D tlače pri vužití v rámci tyvorby stereotaktického rádiochirurgickkého plánu ožiarenia pacienta s vnútroočným nádorom.

Podporené grantom KEGA 016UK-4/2018.


Úvod
3D tlač vďaka svojmu nesmierne rýchlemu pokroku v súčasnosti umožňuje vytvárať modely predmetov, štruktúr a tvarov, ktoré by nám pred pár mesiacmi pripadali takmer nemožné.
Vynález 3D tlače ponúkol ľudstvu úplne nový spôsob výroby úžitkových predmetov. Planétu obleteli zábery, ako sa tlačia ozdoby či hračky, neskôr pribudli zložité zdravotnícke pomôcky (model srdca) a napokon aj celé domy.
Zväčša sa však nespomínala odvrátená strana celej výroby – cena. Tá ostáva aj po rokoch vývoja naďalej mimoriadne vysoká. Aj preto by mal stáť elektrobicykel, ktorému vytvorili kostru 3D tlačou, až 20-tisíc eur.
3D tlač je výhodná pri výrobe jedinečných vecí, akými sú napríklad prototypy súčiastok automobiliek. Pri využití starších technológií totiž museli kvôli jednému, prípadne niekoľkým kusom zmeniť nastavenie výrobného procesu.
Začiatky 3D tlače siahajú do druhej polovice 20. storočia, keď si Charles Hull nechal v roku 1984 patentovať technológiu stereolitografie. V 90. rokoch Charles Hull so svojou firmou vytvoril prvé zariadenie schopné tlačiť v 3D formáte, SLA-1 (ktoré sa vtedy ešte nenazývalo 3D tlačiareň). 3D Systems si dlho udržala vedúcu pozíciu na trhu a do roku 1996 predala cez 600 rôznych prístrojov SLA. V roku 1993 Massachusetts Institute of Technology patentoval technológiu, ktorá pracovala s práškovým materiálom a tekutým spojovačom. Licenciu na túto technológiu kúpila firma Z Corporation, a na jej báze začala vývoj 3D tlačiarní ako takých. Pojem 3D tlačiareň teda pochádza z 90. rokov.
Začiatkom roku 2014 britský chirurg Craig Gerrand oznámil úspešný zákrok, pri ktorom nahradil rakovinou poškodenú panvu pacienta titánovým "výtlačkom" a voperoval ju pacientovi. Náhradu vytvoril z titánového prášku premeneného na pevnú hmotu pomocou laseru. Titánovú časť panvy potom pokryl minerálom, do ktorého môže pôvodná kosť pacienta vrásť a spojiť sa s umelou náhradou.
Ďalším podobným použitím 3D tlače v medicíne je náhrada lebečnej fraktúry a deformácie u Stephena Powera z Waleského Cardiffu, ktorý utrpel devastačné zranenia tváre v dôsledku motocyklovej havárie v septembri 2012. Mal zlomené obe lícne kosti, čeľusť a nos. Zranenia boli rozsiahle a mali za následok aj posunutie oka, pričom štandardné postupy rekonštrukcie a operácií nemohli byť prevedené, pretože hrozilo poškodenie oka alebo očného nervu. Prípadu sa ujali vedci z Centra aplikovaných technológií rekonstrukčnej chirurgie pod vedením Adriana Sugara. Belgickí špecialisti za použitia 3D modelingu dotvorili chýbajúce a poškodené kostné časti s presnosťou na desatiny milimetra a vyhotovili výtlačok z titánového prášku.
Na základe vstupných dát, v našom prípade CT (komputerová tomografia) skeny orbity a mozgu, sme boli schopní vytvoriť virtuálny model oka pacientov s vnútroočným nádorom. Overili sme možnosť 3D tlače u malého orgánu (predozadný priemer oka je cca 24 mm). Nádory indikované na stereotaktickú rádiochirurgiu dosahujú rozmery od 3 do 9 mm, často bizardných tvarov, ktoré je náročné si predstaviť v priestore len pomocou plošných dát z CT a MRI (magnetická rezonancia). 3D tlač prináša možnosť tieto štruktúry zhmotniť, čím prispieva k lepšej orientácii tímu odborníkov pred danou operáciou a takisto slúži aj na účely vzdelávania. Cieľom tejto štúdie je poukázať na aplikáciu nových metód zobrazenia malignít vychádzajúcich z uvey oka a na prínos 3D tlače pri rozhodovaní sa o presnom postupe stereotaktickej liečby pomocou lineárneho urýchľovača.

Využitie pri plánovaní stereotaktickej operácie
Plánovanie stereotaktickej operácie je založené na zobrazovaní získanom pomocou CT a MRI. Získané zobrazenie slúži na presné určenie anatomických štruktúr – odlíšenie cieľového objemu, tumoru od zdravého tkaniva, hlavne kritických štruktúr, a určenie ich stereotaktických koordinát, do ktorých budú lúče žiarenia aplikované. Pri plánovaní je zvolená vždy najmenšia možná hrúbka rezov – najčastejšie 1 mm vzhľadom na malé anatomické rozmery oka. Po zobrazení na CT a MRI sa jednotlivé súbory rezov prenesú počítačovo do plánovacieho systému. Pred samotným plánovaním ožarovania je vykonaná fúzia obrazov CT a MRI. Cieľové a rizikové štruktúry sú zakreslené do každého rezu. Môže byť vykonané manuálne, alebo automaticky. Pri ožarovaní sú za rizikové štruktúry považované viaceré vysoko rádiosenzitívne neuroanatomické štruktúry. V prípade ožarovania vnútroočných nádorov sa zakresľujú do plánu obe šošovky, oba optické nervy, chiasma opticum, mozgový kmeň a koža hlavy. Zakreslenie kože, resp. povrchu je dôležité pri výpočte penetračnej hĺbky pre každý lúč počas kalkulácie dávky. Práve subjektivita manuálneho zakresľovania odborníkom ovplyvnená pomocou vytlačeného 3D modelu, vie výrazne pomôcť vizualizácii v reálnom priestore, a tak zvýšiť presnosť zakresľovania cieľovej štruktúry.
Pomocou softvéru na segmentovanie dát bol vytvorený 3D model steny oka s vyrastajúcou masou tumoru, a tiež s viditeľnými anatomickými štruktúrami vnútornej steny, prípadne vychádzajúceho očného nervu, ktorých usporiadanie je mimoriadne dôležitou súčasťou modelu očnej gule. Na vytvorenie fyzického 3D modelu bola použitá aditívna technológia fused deposition modeling (FDM), ktorá sa zakladá na princípe nanášania materiálu vo vrstvách. Ako materiál bola zvolená polymliečna kyselina (PLA), ktorej vlastnosti zaručujú nízku deformáciu modelu pri prudkej zmene teploty v procese 3D tlače a tým prispievajú k presnosti fyzického 3D modelu. Výška jednej vrsty vo vertikálnej osi je 100 μm, čo zabezpečuje ideálny pomer medzi presnosťou a rýchlosťou tlače.
Retrospektívne vytvorené prototypné modely nám slúžili na overenie presnosti a porovnanie veľkosti modelu s tumorom po enukleácii (v intervale 1,5 - 2 roky po zákroku) na základe fotografie a pre účely výučby študentov (pozri video).
Pomocou technológie 3D tlače sme vytvorili 9 modelov pacientov s malígnym melanómom uvey indikovaných na SRCH na Klinike oftalmológie LFUK a UNB v spolupráci s Klinikou stereotaktickej rádiochirurgie OÚSA. Pacienti boli ožiarení na lineárnom urýchľovači LINAC, terapeutickou dávkou 35,0 Gy do nádorového ložiska. Pacienti boli vybraní na základe objemu tumoru väčším ako 0,5mm3. Sedem modelov bolo použitých pri plánovaní konkrétnych plánov pacientov pred zákrokom, dva z modelov boli vytvorené v období po zákroku (modrý, čierny) na retrospektívnu analýzu. Sedem z modelov bolo vytlačených v reálnej veľkosti, jeden model sme pre porovnanie vytlačili trojnásobne zväčšený.

Diskusia
Na stereotaktický rádiochirurgický výkon pre malígny vnútroočný nádor je ročne na Slovensku indikovaných 20 - 30 pacientov. Práve pochopenie priestorového usporiadania a tvaru vnútroočného nádora zhmotneného 3D modelom výrazne pomáha pri cielenom zakresľovaní daného ložiska v jednotlivých rezoch zobrazenia počas tvorby individuálneho stereotaktického plánu každého pacienta. Modely sú pomocou 3D tlače v medicíne už štandardne vytvárané na pracoviskách iných odborov. V rámci onkológie sa táto technológia uplatňuje pri plánovaní operácií mozgových nádorov, vytváraní vysoko individualizovaných protéz a epitéz a najnovšie aj prostredníctvom tlače živých tkanív (bioprintingu) vytváraním modelov tumorov pre vypočítanie potrebnej dávky radiácie do ložiska. V oblasti oftalmoonkológie za účelom presnejšieho plánovania samotného stereotaktického zákroku bola táto technológia použitá po prvý krát. Ako 3D databáza môžu modely naďalej slúžiť pre potreby výučby pre- aj postgraduálneho štúdia či možnosť retrospektívneho hodnotenia progresie/regresie ochorenia a výskytu pooperačných komplikácií.

Záver
Pri plánovaní stereotakticko-rádiochirurgického výkonu je presnosť zakreslenia cieľového ložiska a ohraničenie rizikových štruktúr rozhodujúcou. Jeho tvar a ohraničenie sa nám po prvý krát podarilo úspešne zhmotniť pomocou 3D tlače a zvýšiť tak exaktnosť zameriavania terapeutickej dávky počas individuálneho plánovania zákroku pacientov a takisto ovplyvniť vypočítanie čo najnižšej dávky do rizikových štruktúr, čo v mnohých prípadoch dokáže rozhodnúť o kvalite života pacienta po zákroku. V budúcnosti plánujeme rozširovať a vytvoriť súbor modelov oka s rozličnými tvarmi vnútroočných nádorov, ktorých prínos bude nezanedbateľným aj v rámci výučby lekárov a študentov medicíny. Možnosť chytiť a vidieť 3D štruktúru oka s progresívnym malígnym ochorením je veľkým prínosom a prispieva k lepšiemu pochopeniu lokalizácie a progresie vnútroočných nádorov v porovnaní s vytváraním predstavy priestorového usporiadania výlučne pomocou 2D zobrazenia.


Zoznam literatúry
1. Trojrozmerná tlačiareň. Dostupné na Internete: https://sk.wikipedia.org/wiki/Trojrozmern%C3%A1_tla%C4%8Diare%C5%88
2. Tokuuye K, Akine Y, Sumi M, Kagami Y, Ikeda H, Kaneko A: Fractionated stereotactic radiotherapy for choroidal melanomas. Radiother Oncol. 1997, 43(1): 87-91. ISSN 0167-8140.
3. Shields JA, Shields CL: Intraocular tumors: an atlas and textbook. Philadelphia: Lippincott Williams & Wilkins, 2007. 574 s. ISBN 978-0-7817-7580-9.
4. Hungerford JL: Current trends in the treatment of ocular melanoma by radiotherapy. Clin Experiment Ophthalmol. 2003, 31(1): 8-13. ISSN 1442-6404.
5. Furdova A, Sramka M: Uveal malignant melanoma and stereotactic radiosurgery: Intraocular uveal melanoma and one-day session stereotactic radiosurgery at linear accelerator. Saarbrücken: LAP LAMBERT Academic Publ, 2014. 188 s. ISBN 978-3-659-61042-4.
6. Furdova A, Sramka M, Turzo A, Furdova A: Early experiences of planning stereotactic radiosurgery using 3D printed models of eyes with uveal melanomas. Clin Ophthalmol. 2017, 11: 267-271. doi: 10.2147/OPTH.S123640. eCollection 2017.
7. Furdova A, Strmen P, Waczulikova I, Chorvath M, Sramka M, Slezak P: One-day session LINAC-based stereotactic radiosurgery of posterior uveal melanoma. Eur J Ophthalmol. 2012, 22(2): 226-235. ISSN 1120-6721. doi: 10.5301/EJO.2011.7733.
8. Valverde I, Gomez G, Suarez-Mejias C, Hosseinpour A-R, Hazekamp M, Roest A, Vazquez-Jimenez JF, El-Rassi I, Uribe S, Gomez-Cia T: 3D printed cardiovascular models for surgical planning in complex congenital heart diseases. Journal of Cardiovascular Magnetic Resonance 2015; 17(Suppl 1): 196. ISSN 1532-429X.
9. Ventola CL: Medical Applications for 3D Printing: Current and Projected Uses. P T. 2014, 39(10): 704–711. ISSN 1052-1372.
10. Charbe N, McCarron PA, Tambuwala MM: Three-dimensional bio-printing: A new frontier in oncology research. World Journal of Clinical Oncology. 2017, 8(1): 21-36. doi:10.5306/wjco.v8.i1.21.
 

Prílohy:
Príloha   Dátum Veľkosť Prístupnosť [?] Klinicky citlivé [?] Licencia
avi MOŽNOSTI ZOBRAZENIA FORMOU 3D TLAČE V OFTALMOLÓGII Stiahnuť - MOŽNOSTI ZOBRAZENIA FORMOU 3D TLAČE V OFTALMOLÓGIIOtvoriť v novom okne - MOŽNOSTI ZOBRAZENIA FORMOU 3D TLAČE V OFTALMOLÓGII 5.4.2018 38.63 MB registrovaný užívateľ

Kľúčové slová: 3D tlač, stereotaktická rádiochirurgia, vnútroočné nádory, 3D tlač, stereotaktická rádiochirurgia, vnútroočné nádory

4-D hodnotenie:

typ
Skriptá a návody
typ
Edukačné weby a atlasy
typ
Digitálne video
typ
Prezentácie a animácie
typ
Obrazový materiál – kazuistiky
typ
E-learningové kurzy (LMS)
result
Nerecenzované

level
Základná úroveň
level
Pokročilá úroveň
level
Špecializačná úroveň
level
Komplexná úroveň
   
Zvoľte prosím dosiahnutú úroveň vzdelania a potom ohodnoťte výučbový materiál predovšetkým z pohľadu vhodnosti materiálu pre samoštúdium.
Študent – študent bakalárskeho alebo magisterského stupňa
Absolvent – absolvent bakalárskeho alebo magisterského stupňa
PhD. absolvent – postgraduálny študent, absolvent PhD. štúdia, odborný asistent, ...
 
Ohodnoťte
ako prvý tento článok!
hodnotiť

Tento príspevok nebol skontrolovaný garantom obsahu portálu.

autor: Alena Furdová, Denisa Fialová(1), Adriána Furdová(1, 2), Robert Furda, Ing.(3), Michal Greguš, prof. RNDr. PhD.(3): 1) Klinika oftalmológie LFUK, BA, 2) Ústav simulačného a virtuálneho medicínskeho vzdelávania LFUK, BA, 3) Katedra informačných systémov, FMUK, BA | pracovisko: Klinika Oftalmológie | publikované: 5.4.2018 | posledné úpravy: 5.4.2018
citácia: Furdová Alena, Denisa Fialová(1), Adriána Furdová(1,2), Robert Furda, Ing.(3), Michal Greguš, prof. RNDr. PhD.(3): 1) Klinika oftalmológie LFUK, BA, 2) Ústav simulačného a virtuálneho medicínskeho vzdelávania LFUK, BA, 3) Katedra informačných systémov, FMUK, BA: MOŽNOSTI ZOBRAZENIA FORMOU 3D TLAČE V OFTALMOLÓGII. Multimediálna podpora výučby klinických a zdravotníckych odborov :: Portál Lekárskej fakulty Univerzity Komenského v Bratislave [online] 5.4.2018, posledná aktualizácia 5.4.2018 [cit. 2018-04-21] Dostupný z WWW: <https://portal.fmed.uniba.sk/clanky.php?aid=332>. ISSN 1337-9577.
 

Komentáre a diskusia

Vložiť nový príspevok:

Autor / e-mail: [ prihlásenie/overenie používateľa ]
Titulok:
Text:
 
 Pridať štítok:   Štítok odoslaný, ďakujeme