Využitie tlačených 3D modelov srdca u detských pacientov s vrodenými chybami srdca

 

Vrodené chyby srdca sa vyskytujú takmer u 1% živonarodených detí. Liečbou u väčšiny týchto detí je, či už kardiochirurgická operácia, alebo katetrizačný intervenčný zákrok.  Keďže existuje široká škála anatomických variant vrodených chýb srdca (cca 80 typov), každému takémuto zákroku predchádza zobrazenie srdca a veľkých ciev, ktoré zadefinuje o aký typ vrodenej chyby srdca ide, a podľa výsledku ktorého sa volí liečebný postup. U väčšiny pacientov pre tento účel postačuje echokardiografia (ultrazvukové vyšetrenie srdca), ako základná zobrazovacia metóda v detskej kardiológii.  V prípadoch, ak ide o zložitejšie vrodené chyby srdca je táto metóda dopĺňaná katetrizačnou angiografiou, CT-angiografiou alebo zobrazovaním srdca pomocou magnetickej rezonancie.

Avšak najdokonalejším zobrazením srdca je vytlačenie jeho reálnej trojdimenzionálnej kópie v mierke 1 : 1 pomocou 3D tlačiarne.  V porovnaní s ostatnými zobrazovacími metódami umožňuje najprehľadnejšiu analýzu anatomických detailov a ich vzájomného  priestorového vzťahu v reálnom 3D priestore. Je to veľmi dôležité u komplexných vrodených chýb srdca, keďže aj ten najmenší anatomický detail môže napomôcť k voľbe toho najoptimálnejšieho operačného postupu v danom konkrétnom prípade. U takto komplexných chýb totiž prichádza do úvahy viacero operačných postupov a v prípade, ak sa zvolí nesprávny postup šance na prežitie a dobrú kvalitu života po operácií sa znižujú. Výsledky viacerých zahraničných štúdii preukázali, že využitie 3D-modelov srdca v klinickej praxi prispieva, ako aj k vyhnutiu sa chirurgickej improvizácii počas operácie, tak aj ku skráteniu času operácie, čím sa znižuje pooperačná morbidita a mortalita pacientov. Naše skúsenosti s využitím 3D modelov srdca tieto výsledky jednoznačne podporujú, čo potvrdzuje aj fakt, že pri niektorých diagnózach sa analýza 3D modelov srdca stala v rámci predoperačného plánovania už štandardom. S tlačou 3D modelov detských srdiečok pacientov manažovaných v DKC Bratislava sme začali v roku 2014, odkedy sme do súčasnosti vytlačili cca 50 exemplárov.

Ako vstupné dáta pre tlač 3D modelov srdca sme využili dáta z CT-angiografie, čo znamená, že pred samotnou 3D-tlačou modelu srdca musí pacient podstúpiť CT vyšetrenie s intravenóznym podaním kontrastnej látky. Nasleduje najzložitejšia fáza výroby 3D – modelu, tzv. segmentácia dát realizovaná v špeciálnych grafických programoch, počas ktorej treba exaktne vyznačiť dutiny srdca a veľkých ciev, ktoré majú byť vytlačené. Takýto typ segmentácie využívame najmä na zobrazenie anomálií ciev prichádzajúcich a vychádzajúcich zo srdca. Nasleduje samotný proces 3D-tlače trvajúci, v závislosti od veľkosti modelu, od niekoľkých hodín až po niekoľko desiatok hodín. Po vytlačení a vychladnutí modelu sa mechanicky odstráni podporný materiál, ktorý udržiava stabilitu modelu počas tlače. V súčasnosti už disponujeme modernejšou 3D-tlačiarňou využívajúcou vo vode rozpustný podporný materiál, tým pádom stačí vytlačený model s podporným materiálom ponoriť na niekoľko hodín do nádoby s vodou a následne sa z vody vytiahne už len čistý 3D-model srdca. Najčastejšie využívaným materiálom, z ktorého sa 3D modely srdca tlačia, sú umelé materiály ako napríklad polymliečna kyselina. V súčasnosti disponujeme tlačiarňou využívajúcou na tlač modelu srdca gume podobný materiál, ktorého výhodou je väčšia mechanická odolnosť, ako aj možnosť tréningu operácie srdca na samotnom modeli. Ak je zámerom vytlačiť kompaktný výtlačok svaloviny myokardu a stien veľkých ciev, musíme využiť iný typ segmentácie, pri ktorom sa zo zdrojových dát vyznačia práve tieto priestorové dáta. Cieľom využitia takéhoto typu modelu nie je však pozerať sa na srdce zvonku, ale analyzovať anatomické anomálie vo vnútri srdca, čo znamená, že treba model srdca prerezať. Iniciálne sme to robili mechanicky rôznymi pílami, neskôr sme modely začali „rezať“ elektronicky pred samotnou tlačou, a následne sme samostatne vytlačili dve kompatibilné časti modelu s možnosť pozrieť sa priamo do vnútra srdca. Okrem spomínaného predoperačného plánovania, či eventuálneho nácviku kardiochirurgického zákroku, 3D tlačené modely srdca využívame ako učebné pomôcky v edukácii študentov medicíny, či samotných pediatrických kardiológov alebo  kardiochirurgov. Zároveň sa môžu využiť ako aj názorné pomôcky pre rodičov, ktorým je nutné čo najjednoduchšie vysvetliť, akou vrodenou chybou srdca ich dieťa trpí a aký typ operácie je u ich dieťaťa plánovaný. V poslednom roku okrem tlačených 3D – modelov v predoperačnom plánovaní využívame aj vysegmentované elektronické virtuálne 3D modely srdca umožňujúce napríklad „virtuálny prelet“ cez jednotlivé oddiely srdca, čím možno taktiež získať detailný anatomický prehľad o danej vrodenej chybe srdca. Perspektívou vo využívaní 3D tlače v detskej kardiológii je vyvíjajúci sa „bioprinting“, ktorého ambíciou je presne podľa potreby vytlačiť napríklad chýbajúcu časť cievy alebo srdcovú chlopňu s naočkovanými živými bunkami, ktoré umožnia rast cievy alebo chlopne s rastom detského pacienta.

 

Doc. MUDr. Peter Olejník