Скоро сосудистые хирурги, приступая к операции на сердце, смогут в процессе подготовки выполнить виртуальный разрез на точной копии органа пациента, чтобы предотвратить возможные осложнения. А травматологи начнут вживлять людям искусственные имплантаты, распечатанные на 3D принтере под индивидуальные особенности организма. Соответствующие технологии уже разработали студенты и научные сотрудники Ставропольского медуниверситета. Когда их можно увидеть на практике?

В начале декабря на форуме «Цифровые медицинские технологии в медицинской практике и в обучении студентов медвузов» в Ставропольском медуниверситете были представлены проекты двух вузов – СтГМУ и СКФУ: распечатанные на 3D-принтере органы человека и голографическая реальность HoloDoctor. О том, как это работает, «Медицинская Россия» поговорила с куратором проекта, доцентом СтГМУ, доктором медицинских наук Александром Александровичем Долгалевым.

Что такое HoloDoctor и зачем он нужен?

Технология HoloDoctor основана на интерфейсе очков дополненной реальности HoloLens от Microsoft, совмещающих реальный мир с голографической 3D картинкой.

Как это работает? Представьте, что есть комната, в которую нужно поставить новый диван. Но вы не знаете, какой именно вам подойдет. Помочь могут очки НoloLens: дизайнеры встроят в них любой, понравившийся вам предмет мебели, и вы можете увидеть его в интерьере.

Но как это использовать в медицине? Все просто: очки помогают строить не псевдотрехмерные, а полноценные 3D-модели органов на основе цифрового сканирования организма – УЗИ, КТ или МРТ. Причём персонифицированные – построенные на основе данных конкретного пациента со всеми особенностями его организма.

Дальше врач свободно работает с этой моделью, например, делает виртуальные операции. Партнеры исследователей Ставропольского медуниверситета, программисты из Екатеринбурга, работают над технологией, позволяющей делать произвольные разрезы на виртуальных органах. Если всё сложится благополучно, то уже к концу декабря медики получат работающие инструменты разреза и ушивания виртуальной ткани.

«Это не новая технология, – говорит Александр. – В США уже 5 лет применяются очки НoloLens, в том числе в медицине — в травматологии. Наше ноу-хау в том, что мы смогли интегрировать в очки данные сердца конкретного пациента. Насколько нам известно, в сердечно-сосудистой хирургии этого еще никто не делал».

Почему использовали именно сердце? Сердечно-сосудистые патологии – это частые заболевания с высоким уровнем смертности, поясняет Долгалев. Исследователи планируют сначала отработать технологию на сердце, потом расширить на почки, затем – на скелет и лицевой скелет.

«Докторам идея понравилась»

Технология поможет студентам в решении ситуационных задач. «Как это выглядело раньше? – поясняет замысел куратор проекта. – Студент просто читал в книге: «Пациент такой-то, жалобы такие-то, на рентгенограмме видно то-то и то-то. Поставьте диагноз». Теперь мы эту ситуационную задачу даем не просто в виде набора слов, а с моделью органа и полными данными пациента».

Но будет ли HoloDoctor интересен практикующим врачам? «Мы ввели в команду экспертов, – рассказывает Александр. – Спросили: «Будет ли Вам удобно смотреть историю болезни во время операции в ваших очках?» Докторам идея понравилась».

Можно не отходя от операционного стола взглянуть на анализы, историю болезни, рентген, 3D-реконструкцию органов – всё делается просто жестом в воздухе. Меню очков – это тоже голограмма.

Операции можно будет планировать: ещё раз внимательно изучить орган, сделать виртуальные разрезы и посмотреть, какие сложности могут возникнуть. «В будущем мы планируем трассировать опасные участки, – делится планами Александр. – Если во время операции доктор заденет артерию или вену, начнется виртуальное кровотечение».

В процессе хирург также может подключить стороннего консультанта с помощью интерфейсов связи. И эту возможность уже положительно оценили в НМИЦ ССХ им. Бакулева.

Технологию оценил Путин

Программное обеспечение для очков ставропольские исследователи разрабатывают самостоятельно на основе базовых пакетов от Microsoft. Помимо этого, разрабатывается специальная образовательная платформа. Она будет работать на облачных сервисах: можно будет подключиться к базе из любой точки страны.

На разработку технологии у СтГМУ ушел почти год. Идея создания лаборатории 3D-технологий пришла в голову молодому научному сотруднику университетского Центра персонифицированной медицины Артёму Мишвелову. Ректор университета Владимир Иванович Кошель сразу поддержал эту идею, был набран штат молодых перспективных специалистов, закуплено первое оборудование. Для оперативного решения задач по развитию проекта было создано малое инновационное предприятие ХОЛОМЕД, финансируемое за счет грантов, средств университета и инвесторов. Возглавил МИП ХОЛОМЕД д.м.н. Долгалев Александр Александрович.

«В этом году мы выиграли грант фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (так называемый фонд Бортника) по программе «Старт-1», – перечисляет Александр. – Ещё одна студентка-старшекурсница выиграла грант по этому направлению по программе «Умник». Артём Мишвелов выиграл грант на форуме «Машук-2018».

Над проектом трудится 10 человек. Кроме троих специалистов СгТМУ, в нем участвуют команды программистов из Москвы и Екатеринбурга.

Над наполнением образовательного ПО работают 7-8 кафедр университета. Биохимия, физиология, анатомия процессов – это скорее дизайнерские задачи. Ими занимаются ещё 10 человек.

«В конце декабря будут первые результаты – некий голографический виртуальный симулятор», – делится планами куратор.

Пока о серийном выпуске и применении в медицинской практике очков HolaDoctor говорить рано: оборудование потребует тестирования в клинических условиях и сертификации, а это процесс не быстрый и очень дорогой.

Однако медики уже знакомы с демо-версиями. «Презентацию на грант фонда Бортника мы защищали с главврачом Ставропольского краевого кардиоцентра, – говорит Александр. – Сейчас этот проект находится под контролем губернатора и правительства края, а на форуме «Машук-2018» президент Путин лично жал руки нашим ребятам».

В образовательных целях проект будет использоваться уже в начале 2019 года. «Мы планируем расширить его на весь Северо-Кавказский медицинский образовательный кластер, куда входит 8 учебных заведений – академии, университеты и другие медицинские образовательные организации», – резюмирует Долгалев.

 Будущее за «напечатанными» органами

Ещё в Ставропольском медуниверситете занимаются медицинской 3D-печатью: воссоздают на принтере органы для имплантации.

Пока это образцы из пластиков, использующиеся для образовательных целей. «Мы научились создавать прототипы имплантатов и печатать их, – говорит Александр. – Делать шаблоны для навигации имплантатов в челюстно-лицевой хирургии. Свои наработки мы используем на практике. Кроме того, все новые разработки мы тестируем на клеточных культурах, на малых и крупных лабораторных животных. В Ставрополе есть институт овцеводства, представляющий нам модели для экспериментов. На баранах мы отработали множество методик по челюстно-лицевой хирургии и травматологии».

В будущем разработки позволят печатать персонифицированные имплантаты для конкретных пациентов. «Мы уже печатаем баранам пластиковые имплантаты на основе данных КТ, – раскрывает детали Александр. – Интегрируем их, позже заменяем на металлические. Один раз получили весьма интересный результат: кость наросла на пластмассу (это говорит об отсутствии токсического действия на ткани данных материалов)».

Зачем это нужно? К примеру, есть пациент с онкологическим диагнозом, ему нужно удалить фрагмент челюсти. Но заменить его сразу на металлический имплантат невозможно – возникнут проблемы с проведением лучевой терапии. Медики предложили следующий выход: зону будущей операции сканируют, создают цифровой прототип и печатают пластиковый имплантат, вживляют, затем больному проводят необходимую лучевую терапию и заменяют имплантат на постоянный.

Речи о печати мягких тканей и целых органов вроде печени или почек пока не идет. Ведь даже костная ткань — это очень сложный орган. Воссоздать его структуру — или хотя бы приблизиться к выполнению этой задачи — никому пока не удалось. Перспективная цель – создание резорбируемых имплантатов, постепенно замещающихся собственной тканью организма. Над этим работают сейчас во всём мире – и в России, и за рубежом. Ученые хотят напечатать полноценную кость, но пока успехов в этой области мало.

Сдерживающий фактор – недостаток финансирования

Исследователи надеются, что в ближайшем будущем смогут использовать имплантаты не только для замещения костных дефектов, но и при недостатке хрящевой ткани. В 2017 году студент СтГМУ выиграл грант по созданию мягкотканных скаффолодв, в 2018 студентка старшего курса – грант по созданию скаффолдов для замещения костной ткани. На очереди хрящ. Оборудование и материалы импортные, но для скаффолдов университет разрабатывает собственную рецептуру.

Кроме того, в университете разрабатывают нанопокрытия для имплантатов, чтобы улучшить их приживаемость. Дело в том, что не все виды материалов подходят для их изготовления. Бывает, что материал по прочности хороший, а по биологической совместимости человеку не подходит. По этому направлению мы выполняем госзадание Минздрава РФ, наш аспирант выиграл грант по программе Умник.

«Материалом для постоянных имплантатов служит в основном медицинский титан, – поясняет Александр. – Но он имеет однородную поверхность, а в организме – контактирует с различными тканями. Мы разработали 5-6 разных поверхностей для улучшения приживаемости».

В области 3D-печати с университетом сотрудничают два индустриальных партнёра – производители имплантатов и заменителей костной ткани, и корпорация Росатом, выигравшая большой грант на развитие аддитивных технологий, в том числе в медицине. А всего в проекте задействовано порядка 50 человек из ведущих ВУЗов России, ближнего и дальнего зарубежья.

«Пришло время объединения, – говорит Александр Долгалев. – Если раньше каждый пытался в своей лаборатории что-то сделать, то сейчас добиться успеха можно только сообща. Например, Донской технический университет выиграл крупный грант на тестирование имплантатов, и они очень пожалели, что не познакомились с нами раньше, чтобы проводить совместные исследования».

Александр Долгалев признается, что основным сдерживающим фактором является отсутствие стабильного финансирования. Сейчас лаборатория 3D-технологий существует за счет средств университета и нескольких грантов — в этом году это порядка 4,5 млн рублей.

«Если бы у нас было хотя бы миллионов 20-30, мы привлекли бы лучших специалистов, закупили оборудование, сформировали международный коллектив, – говорит куратор. – И процесс пошел бы значительно быстрее».

Беседовала Екатерина Резникова

Как сообщалось ранее, челюстно-лицевые хирурги краснодарской Первой краевой больницы воссоздали в полном объёме челюсть 28-летнему пациенту по верхнему и по нижнему контуру. Подробнее читайте: Краснодарские врачи восстановили челюсть пациенту с помощью 3D-технологии.