Реалистичная хирургическая модель человеческого тела

Современные технологии цифрового моделирования и достижения в области материаловедения не обходят и медицинскую отрасль. И если изготовленные по индивидуальному отпечатку эндо- и экзопротезы уже во многих видах медицинской помощи не вызывают удивления, то разработка в 2016 году полноценной модели человеческого тела с тканями и органами для нужд хирургии и смежных специальностей привлекла немалое внимание. Ведь этап перехода от теории к практике всегда был животрепещущим вопросом в профессии хирурга, где цена ошибки практикующего врача особенно велика.

Врачи из Медицинского центра Университета Рочестера (URMC) разработали новый способ производства искусственных органов и тканей человека, идеально имитирующих оригинал вплоть до возникновения кровотечений при надрезах. Эти искусственные модели позволяют эффективно и реалистично воспроизводить различные ситуации для отработки хирургических навыков.

Создателями программы, названной SIMPLE (искусственная симуляционная модель для физикальных учебных опытов, англ. Simulated Inanimate Model for a Physical Learning Experience), стали доктор Ахмед Гази, M.D., M.Sc., ассистент-профессор отделения урологии, и доктор Джонатан Стоун, M.D., клинический ординатор в нейрохирургии со степенью в области биомедицинской инженерии. Процесс предполагает конвертацию изображений, полученных в ходе диагностической визуализации, в электронные макеты и последующее создание с помощью 3D-принтера полноценных копий внутренних органов, на которых можно проводить диссекции и иные хирургические манипуляции.

«Существует всего несколько имитационных моделей, с высокой достоверностью воспроизводящих от начала и до конца работу живых систем», — утверждает доктор Гази. «Нам удалось создать модель, которая выглядит, ощущается и реагирует, как живой орган, что позволяет практикантам и хирургам отрабатывать те же ситуации, которые могут встретиться им в реальной практике с живыми людьми».

Разработка способов производства искусственных органов и тканей, подобных настоящим по свойствам, происходила методом проб и ошибок и началась в 2014 году. Тогда доктор Гази, оперирующий уролог и преподаватель, познакомился с доктором Стоуном, который обладал опытом в инженерно-конструкторской работе, страстью к разработке нового медицинского оборудования и, самое главное, доступом к 3D-принтеру.

Работа началась с загрузки данных, полученных при МРТ, КТ и ультразвуковых исследованиях, в систему автоматизированного проектирования (CAD). Вместо использования полученных макетов для создания пластиковых реплик внутренних органов и тканей, что постоянно делается в подобных проектах, коллектив ученых использовал электронные материалы из CAD для изготовления шаблонов (форм), полученных с помощью 3D-печати. Данные шаблоны затем заполнялись гидрогелем, который, затвердевая, образует прочную структуру, что роднит этот процесс с процедурой отливки бронзовой статуи.

Содержание воды в гидрогеле аналогично содержанию воды в тканях человеческого организма, что делает данные искусственные органы и ткани похожими на натуральные.
Большое количество усилий было затрачено на изыскания и эксперименты для разработки гидрогеля, обеспечивающего готовому изделию не только нужную консистенцию, но и правильный цвет.

«Мы относимся к нашему проекту как к инженерному и научному начинанию, но по большому счету это на самом деле искусство и творчество, поскольку в итоге мы создаем скульптуры, которые также являются анатомическими копиями», — говорит доктор Стоун.

В сотрудничестве с отделом биоинженерии Университета Рочестера команда изобретателей подвергла свои модели целому ряду различных тестов, чтобы убедиться в том, что конечный продукт обладает механическими свойствами, максимально близкими к свойствам реальных тканей. Также проводилось сравнение работы хирургов на искусственной модели и на реальном пациенте, во время которого была установлена параллель. Симуляционная модель была представлена на нескольких ежегодных собраниях Американской Урологической Ассоциации, крупнейшей организации урологов в США, где получила высшие награды подряд в 2015 и 2016 гг.

После создания базовых моделей человеческих тканей тандем докторов принялся модифицировать макеты для создания имитации патологических процессов. К примеру, они изменяли концентрацию гидрогеля для моделирования уплотнения раковой опухоли, или почечной непроходимости, или артериальной бляшки. Используя преимущества 3D-принтера, они также смогли воссоздать костную ткань для имитации процессов, затрагивающих позвоночник и кости черепа. На самом деле потенциальные медицинские сценарии, в которых может использоваться данная технология, действительно безграничны.

Возможность работать с полноценной репликой живого органа дает хирургам уникальные шансы для наработки опыта и получения информации. Они могут установить, где кровеносные сосуды входят и где покидают орган, а также, в случае модели с опухолью, могут определить размер и локализацию новообразования. Возможно даже изготовление среза органа для изучения его внутреннего строения.

Однако доктор Гази и доктор Стоун не ограничиваются лишь созданием моделей отдельных человеческих органов и тканей. Они хотят, чтобы студенты, ординаторы и хирурги имели возможность получить полноценный хирургический опыт. Для этого требуется не только изготовление модели отдельного органа, но и воссоздание окружающих его тканей и соседних органов, чтобы воспроизвести процесс работы с инструментами в нужной локализации, манипуляции с соседними органами для улучшения доступа, пережатие кровеносных сосудов, а также резекции и извлечения опухоли.

Для достижения этой цели команда изобретателей собирает целые сегменты человеческого тела, дополняя симулятор искусственной мышечной тканью, кожей и подкожно-жировой клетчаткой, а также, в зависимости от сегмента, печенью, толстой и тонкой кишкой, селезенкой, почками и другими соседними органами и структурами. Искусственные кровеносные сосуды соединены с резервуарами, содержащими краситель красного цвета, для имитации крови при разрезе. Аналогично реализовано присутствие и других физиологических жидкостей, таких как моча и желчь.

Собранный целиком сегмент человеческого тела затем может быть доставлен в операционную и подключен к роботизированной хирургической системе для полноценного проведения любой манипуляции от первого разреза и до завершения вмешательства.

Высокая реалистичность симуляционной модели порой вводила в заблуждение даже опытных профессионалов.

«Иногда, видя, что мы работали с симуляторами в операционной, другие доктора и медсестры производили обработку рук и надевали маски, так как пребывали в полной уверенности, что на столе реальный пациент», — вспоминает доктор Гази.

«Даже будучи хирургом с большим опытом, я часто не мог поверить, что работаю не с настоящим человеком, а с моделью», — замечает доктор Джин Джозеф, глава лапароскопической и роботизированной хирургии в отделении урологии, который принимал активное участие в разработке симулятора.

«Хирурги в чем-то похожи на пилотов», — замечает доктор Гази. «У пилота наступает момент, когда он в первый раз поднимает в воздух огромный лайнер, и также приходит время, когда хирург впервые выполняет какую-либо процедуру самостоятельно от начала и до конца. В то время как пилоты проводят многие часы в симуляторах, позволяющих им тренироваться в реальной обстановке, подобных обучающих систем для хирургов не существовало».

Помимо возможности для профессионалов от хирургии практиковать полноценные операции, поддерживать свои навыки, а также изучать новые хирургические технологии, система SIMPLE может применяться и в обучении студентов-медиков. Во время хирургической практики на третьем курсе студенты Школы медицины и стоматологии Университета Рочестера обязаны освоить процедуру лапароскопического удаления желчного пузыря, или холецистэктомию. В прошлом студенты ограничивались наблюдением за операцией со стороны или отработкой соответствующих приемов на трупах.

Гази и Стоун сконструировали полноценный макет для симуляции холецистэктомии, который позволял студентам выполнять операцию в группах от начала и до конца. От них требовалось выполнить весь объем операции — первоначальный разрез, манипуляции с инструментами, а также сепарацию, фиксацию и удаление желчного пузыря с помощью минимально инвазивной хирургии.

«Для студентов-медиков действительно не существует более эффективной альтернативы», — говорит доктор Стоун. «Технологии виртуальной реальности на данный момент не позволяют полностью прочувствовать операционный опыт изнутри, что ограничивает этот метод в образовании будущих хирургов. Наша технология, напротив, дает обучающимся хирургии возможность полноценного погружения в задачу, а тем студентам, кто не планирует работать в этой области, предоставляет шанс ознакомиться с клиническими методиками и техниками, которые были бы им недоступны в другом случае.

Пока симуляционные модели используются для работы над стандартными клиническими ситуациями, создатели видят будущее метода в использовании этих моделей для проведения своеобразных «репетиций» перед особо тяжелыми и сложными операциями, пока пациент еще находится вне операционной. В таких случаях команда врачей изготавливает модель органов и тканей с использованием актуальных данных визуализации пациента, аккуратно воспроизводя все уникальные особенности и патологические состояния, с которыми хирурги будут иметь дело во время операции.

Отличным примером того, как данная технология может усовершенствовать уход за больным и помочь спрогнозировать исход операции, является частичная нефрэктомия, во время которой специалисты удаляют опухоль, стараясь сохранить как можно большее количество здоровой ткани. Данная процедура требует не только удачного извлечения опухоли вместе с минимальным количеством соседней здоровой ткани, но и завершения всех манипуляций за максимально короткое время. Техника операции требует перекрытия кровотока к почке, а т.к. функция этого органа необратимо страдает уже через 20 минут без адекватного кровоснабжения, то хирурги в действительности работают наперегонки со временем.

Соответственно, ключевым моментом для успешного исхода операции является отсутствие сюрпризов и сведение к минимуму возможности осложнений, которые могут замедлить ход операции. Порой специалисты сталкиваются с особо сложными ситуациями, связанными с локализацией и размером опухоли, хотя такие варианты и попадаются нечасто среди большинства случаев. Как раз при такой клинической картине предварительный пробный прогон операции может помочь хирургам провести успешно все манипуляции уже на живом человеке.

Хотя широкое применение данного пациент-специфичного метода пока дело будущего, доктор Гази уже использовал симуляционную модель в нескольких клинических случаях для реальных операций по нефрэктомии.

«Подчас хирургия похожа на ящик Пандоры», — замечает доктор Гази. «Ты никогда не узнаешь, что внутри, пока не откроешь. То, что мы будем способны однажды проводить хирургические манипуляции на таких моделях перед тем, как идти в операционную, поможет избежать сюрпризов и увеличит безопасность операций, а вместе с этим и качество медицинской помощи. Пациенты смогут успокоить себя, спросив доктора, как прошла вчерашняя репетиция. Это — будущее хирургии».

Источник:

https://www.urmc.rochester.edu/news/story/4668/creating-the-model-human-to-practice-surgery.aspx