3D modely lidských tkání pomáhají lékařům při operacích pacientů

Moderní medicína preferuje individuální přístup k ošetření pacienta. Lidé si jsou sice podobní, ale nejsou stejní. Lidské organismy se liší v proporcích a řadě drobných detailů a lékaři musí tuto individuálnost respektovat. K tomu již často nestačí standardní empirické postupy spoléhající na zkušenost a subjektivní odhad lékaře. V zájmu zpřesnění, a také urychlení lékařského zásahu je potřeba využívat podpory jiných oborů. Velké možnosti v tomto směru nabízí především počítačová grafika. V řadě lékařských klinických oborů se právě interdisciplinární aplikace počítačové grafiky při trojrozměrném (3D) geometrickém modelování lidských tkání může stát prostředkem ke zlepšení úrovně diagnostiky a následné péče o pacienty. Její výraznější využití může přinést navíc nemalé finanční úspory. 3D geometrickým počítačovým modelováním lidských tkání se již několik let zabývá tým odborníků vedený Ing. Přemyslem Krškem, Ph.D., na Ústavu počítačové grafiky a multimédií Fakulty informačních technologií VUT v Brně. Jejich skupina Počítačové grafiky pro medicínu se zaměřuje na výzkum, vývoj a praktické aplikace v oblasti klinické humánní medicíny především v oborech plastické chirurgie, stomatologie, traumatologie a ortopedie. Vzhledem k silně interdisciplinárnímu charakteru výzkumu tým těsně spolupracuje s lékaři. Do kooperace jsou tak zapojeni odborníci z Lékařské fakulty Masarykovy univerzity, především z Kliniky zobrazovacích metod FN u sv. Anny v Brně v čele s přednostou doc. MUDr. Petrem Krupou, CSc. Na aplikaci výsledků výzkumu se podílejí také lékaři z celé řady klinických pracovišť nejen v Brně (Stomatologická klinika a Klinika plastické a estetické chirurgie nebo také Klinika traumatologie Úrazové nemocnice v Brně), ale také v Olomouci, Ostravě a Praze. Jak takové počítačové modelování probíhá nám přiblížil Ing. Přemysl Kršek. „Na základě dat získaných z počítačové tomografie nebo magnetické rezonance (CT/MR) vytvoříme pomocí vektorové segmentace nejdříve virtuální 3D geometrický model lidské tkáně. Již tento počítačový model může mít pro lékaře velký význam, může s ním v počítači pracovat, přesouvat, řezat, tvarovat, konstruovat, plánovat atd. Na jeho základě se lékař také seznámí se situací v místě zákroku a připraví se na možné komplikace budoucí operace. Počítačová podpora tak slouží jako určitá navigace pro lékařův postup a správné naplánování operačního zákroku. Ale to není všechno. Podle virtuálního modelu můžeme vyrobit reálný model předmětné tkáně. S ním si lékař může vyzkoušet ,na nečisto‘, vlastně natrénovat, svou budoucí práci. Právě takové fyzické ,ohmatání‘ části tkáně – jejich rozměrů a tvarů - je pro lékaře velkým přínosem, např. při komplikovaných operacích endoprotéz kyčelních kloubů nebo doplňování a modelaci štěpů u plastických operací i v řadě dalších případů. Tyto aplikace se samozřejmě týkají pouze asi 5 % komplikovaných případů, kde však mají velký význam,“ vysvětluje Kršek. K výrobě reálných modelů kostí a částí tkání využívají výzkumníci dvě technologie. První je klasické frézování na CNC frézce. Na obsluhu méně náročná technologie Rapid prototyping vytváří modely lepením vrstviček ze sádrového kompozitu. Po zadání geometrie modelu zařízení automaticky zhotoví jakýkoliv tvar včetně složitých dutin. Modely mají celkovou přesnost v závislosti na CT/MR vyšetření toleranci jednoho milimetru. Výsledky činnosti týmu techniků jsou průběžně uplatňovány v praxi. Klinická aplikace 3D modelů pomáhá zkvalitnit ošetření pacientů - zpřesňuje a zrychluje operační zákroky, podstatně zmenšuje riziko nutnosti následných reoperací a minimalizuje také možnost omylů při diagnostice – stalo se již, že lékaři po zhlédnutí poškození pánve na modelu od operace upustili. Zpřesnění a zrychlení operačních zákroků má také dopady ekonomické – celkové náklady operací se snižují. Tým Ing. Krška se již podílel se svými modely na 40 medicínských zákrocích. V oblasti plastické chirurgie to byla např. rekonstrukční plastická operace obličeje s deformací oblasti oka po odstranění nádoru. Podle dat CT vyšetření byl vytvořen 3D model „doplňku“ tváře, který vhodně korigoval deformovaný tvar. „Nejprve byl vytvořen 3D model lebky a tváře. S pomocí symetrie byla doplněna geometrie deformované části obličeje. Následně byl na 3D tiskárně vyroben ,doplněk‘, který pak byl použit během operace pro přesnější přípravu a odebrání přenášené tkáně. Výsledek byl mnohem přesnější, operace měla kratší průběh, snížilo se riziko komplikací a nebylo potřeba dalších korekčních operací. Rozdíly mezi počátečním subjektivním odhadem rozměrů přenášené tkáně a rozměry vyrobeného doplňku se pohybovaly na úrovni 5 mm,“ popisuje průběh operace Ing. Kršek. 3D modely se dobře uplatňují v ortopedii. V případě úrazů nebo onkologických onemocnění dochází často k silnému poškození oblasti kloubů (kyčelní kloub, koleno atd.). V těchto případech nelze uplatnit standardní postupy operací, protože není zcela jasná situace a geometrie postiženého místa. Pro určení nejvhodnějšího operačního postupu a použitých implantátů (umělé jamky a hlavice kyčelního kloubu) je proto výhodné nejprve vyzkoušet několik možných variant. Pokud je nutné použít nestandardní implantáty vyrobené na míru, je možné na základě 3D modelu jejich včasné objednání nebo přesný návrh na míru. Vlastní operace pak může být provedena mnohem rychleji, přesněji a s menším rizikem komplikací. Další oblastí pro uplatnění 3D modelů je stomatologie. U dětí někdy dochází k poruše růstu zubů, které rostou na špatném místě (uvnitř čelistí, na bradě atd.) nebo špatným směrem. To je často možné korigovat „autotransplantací“ - vyjmutím postiženého zubu a přesazením na správné místo. Aby byla operace úspěšná, nesmí být replantovaný zub dlouho mimo tělo, aby se nepoškodila vrstva jeho růstových buněk. Na základě CT vyšetření lze vytvořit 3D model postiženého zubu a vyrobit jeho přesnou kopii. Během vlastní operace je pak nové lůžko zubu připravováno s pomocí této kopie. Teprve potom je živý zub vyjmut a přesazen. V tomto případě je zub mimo tělo pouze několik sekund a do připraveného lůžka je vsunut pouze jednou, takže se sníží riziko poškození nebo odření růstových buněk. Dále jsou uvedené postupy používány ke tvorbě 3D modelů čelistí pro plánované zavádění implantátů. Uvažuje se také o podpoře rekonstrukčních operací komplikovaných případů rozštěpu patra. Specialisté z týmu jsou však schopni vyrobit nejen 3D model tkáně, ale i samotný implantát. Pro pacienta s deformací lebky tak např. připravili korekční doplněk klenby lebky ze silikonu. „Bohužel se zatím tento zákrok nerealizoval, protože nejde o lékařsky schválený materiál. Přitom zahraniční certifikované materiály jsou pro běžné pacienty finančně nedostupné. Ve spolupráci s odborníky z Chemické fakulty VUT jsme při tom schopni vyvinout vhodné materiály, ale pro jejich medicínské schválení by byla potřeba podpora ze strany ministerstva zdravotnictví. Není to problém technologický, ale finanční,“ konstatuje Ing. Kršek. Podle jeho názoru by ministerstvo zdravotnictví mělo poskytnout podporu i pro medicínské aplikace 3D modelů formou alespoň částečné úhrady nemocenskou pojišťovnou, protože úspory vzniklé jejich využitím mohou být značné, nehledě k přínosu pro pacienty. „Jsme schopni tyto věci dělat 5-10krát levněji než zahraniční firmy se srovnatelným efektem,“ je přesvědčen Ing. Kršek. V současnosti tým Ing. Krška pracuje v rámci Národní sítě pro vědu a výzkum ČR CESNET na vytvoření počítačového systému pro virtuální konzultace mezi všemi účastníky výzkumu. „Na základě CT dat umíme připravit 3D modely, doplňky tkání apod. Jenže my jsme technici a potřebujeme korekci z medicínského hlediska. Je proto potřeba neustálých konzultací. V rámci Brna to ještě jde, ale když něco děláme pro kliniky v Olomouci nebo Praze, tak už je to problém. Proto potřebujeme server, na který by se mohli připojit všichni zainteresovaní účastníci, abychom mohli konzultovat a korigovat další postup. Takové kolaborativní počítačové prostředí bychom v základní formě chtěli vytvořit ještě letos,“ plánuje Ing. Kršek. IGOR MAUKŠ