Od kováře k endoprotéze

Ortopedie je vlastně překvapivě mladý obor. Ještě před několika staletími bychom předchůdce dnešních ortopedů hledali spíš mezi kováři než mezi lékaři. Skutečný rozvoj ortopedické chirurgie ale umožnil až příchod anestezie, asepse a rentgenu. Ve 20. století pak její vývoj významně ovlivnily epidemie poliomyelitidy a kostní či kloubní tuberkulózy. Lékaři se při péči o velké množství pacientů naučili řešit komplikované deformity a postižení pohybového aparátu.

Zásadní technologickou revolucí se pak stala kloubní náhrada. Endoprotézy dokážou pacientům s těžce poškozenými klouby vrátit pohyblivost a zbavit je bolesti. Jen v Evropě se v současnosti implantují přibližně tři miliony endoprotéz ročně a v následujících dvaceti letech má jejich počet vzrůst o stovky procent. A právě množství kloubních náhrad spolu s prodlužujícím se životem pacientů přináší nový problém – i implantáty totiž stárnou.

Kosti a kov

První operace může proběhnout skvěle. Jenže tím péče nekončí. Opotřebovaná nebo uvolněná endoprotéza může postupně poškozovat kost ve své blízkosti. K problému přispívají mikropohyby implantátu i částice materiálu vznikající jeho opotřebením. Obzvlášť při zanedbání průběžných kontrol pak pacient po letech nepřichází jen s kloubem, který potřebuje vyměnit, ale třeba i s masivním defektem stehenní kosti nebo pánve.

Tomu pomáhají předcházet implantáty s upravenými povrchy, které na rozdíl od starších hladkých kovových kloubních náhrad upevňovaných kostním cementem nabízejí kostním buňkám vhodná místa, kterých se mohou zachytit, a vytvářejí tak příznivější podmínky pro spojení implantátu s kostí. Podobnou povrchovou úpravu dnes má přibližně 80 % implantovaných endoprotéz.

3D tisk ale umožňuje jít o krok dál a namísto plného kusu kovu vytvořit prostorovou porézní strukturu. Kost pak nezůstává pouze vedle implantátu, ale může do něj postupně prorůstat.

Personalizované náhradní díly

A pak jsou případy, kdy žádný sériově vyráběný implantát nestačí – představme si například pacienta, kterému stará endoprotéza během let zničila velkou část pánve, nebo člověka s nádorem, kterému musí chirurgové odstranit podstatnou část kosti. Právě tady může 3D tisk nabídnout řešení – umožňuje totiž vytvořit velmi komplikované tvary i vnitřní struktury, které by běžným obráběním šly vyrobit jen obtížně nebo vůbec.

Takto z pacientových dat získaných zobrazovacími metodami vznikne digitální model, lékaři společně s inženýry naplánují, jaký prostor je potřeba vyplnit, kde má být nový kloub a kam lze implantát bezpečně ukotvit, a následně vznikne fyzický implantát – který pasuje právě do jednoho konkrétního člověka.

Vývoj přitom nekončí u správného tvaru. Výzkum, na kterém se Novotný a jeho tým podílí, se snaží „okořenit“ povrch implantátu tak, aby podporoval jeho integraci s kostí a současně znesnadňoval bakteriální osídlení. Právě infekce totiž patří mezi komplikace, které mohou osud implantátu zásadně ovlivnit.

Implantát za tisíc (nebo šest set)

U individuálních implantátů se ovšem dostáváme k velmi praktickému problému: ceně.

Samotná fyzická výroba přitom nemusí být tou nejnákladnější složkou. Platí se vývoj, návrh konkrétního implantátu, testování, dokumentace, certifikace a celý systém, který musí zajistit, že něco, co chirurg vloží pacientovi do těla, skutečně splňuje požadavky zdravotnického prostředku.

Novotný to ilustruje historkou ze svých přednášek pro inženýry. Když jim řekne, že individuální implantát může stát i 600 tisíc korun, údajně si klepou na čelo: vždyť oni by mu podobnou věc vytiskli za tisícovku. „Já to vím, oni to ví,“ usmívá se. Jenže vytisknout kus titanu a vyrobit zdravotnický prostředek, který může být bezpečně implantován člověku, jsou dvě velmi rozdílné věci. A když se náklady na vývoj a certifikaci rozpočítávají mezi malé množství výrobků, výsledná cena roste. Celý proces výroby implantátu na míru včetně schválení zdravotní pojišťovnou pak trvá přibližně tři měsíce.

Pomůcka pro chirurgy

Využití 3D tisku ale nekončí jen u samotného implantátu. Může být užitečný i pro operatéra, který si díky němu nemusí komplikovanou prostorovou situaci představovat jen z obrázků na monitoru. Díky převedení dat z CT do trojrozměrného modelu a vytvoření fyzické kopie příslušné části pacientova těla si může ještě před zákrokem komplikovanou zlomeninu, deformovanou pánev nebo oblast postiženou nádorem skutečně vzít do ruky a promyslet, kudy a jak bude operovat – namísto toho, aby až během operace zjišťoval, co přesně ho uvnitř čeká.

V některých případech lze navíc model sterilizovat a vzít přímo na operační sál. Taková taktilní mapa chirurgovi umožní mít vedle sebe model anatomie konkrétního pacienta a průběžně podle něj kontrolovat, kde se právě nachází.

Na pracovišti Tomáše Novotného pro tento účel vznikla vlastní 3D laboratoř. Nemusí přitom jít o futuristické zařízení za desítky milionů – pro anatomické modely zde používají i běžné 3D tiskárny.

V ideálním případě tak pacient přijede do nemocnice s komplikovaným problémem, připraví se data, přes noc se model vytiskne a ráno ho má operatér k dispozici. Cenu takového jednoduchého modelu v českých podmínkách pak Novotný uvádí kolem 300 Kč.

Nejde přitom jen o pohodlí lékaře. Podle citovaných studií může použití 3D modelů při plánování některých operací zkracovat operační čas, snižovat krevní ztrátu a zvyšovat přesnost zákroku.

Model může pomoci také při komunikaci s pacientem. Místo vysvětlování nad obtížně čitelným rentgenem mu lékař ukáže jeho problém v trojrozměrné podobě a názorně předvede, co se bude během operace dít. Pacient pak může lépe pochopit nejen závažnost situace, ale i následnou léčbu a rehabilitaci.

Zkušení chirurgové vs. šablony

Znamená to tedy, že čím více 3D tisku, tím lepší výsledky?

Novotný upozorňuje, že to tak být nemusí. Jako příklad uvádí řezací šablony vytištěné pacientovi na míru. Lékař před operací přesně naplánuje, kudy chce kost přeříznout, a nechá vytisknout pomůcku, která na kost zapadne v požadované poloze a on pak vede řez podle ní.

Podle studií, na které Novotný v přednášce odkazuje, ale nebyl vždy pozorovatelný významný rozdíl v klinických výsledcích při použití takové šablony oproti práci zkušeného chirurga. Má tedy smysl je využívat?

Jak Novotný konstatuje, není cílem vylepšit ty nejlepší. Zkušený operatér sice může něco zvládnout stejně přesně od oka, ale jeho zkušenosti se získávají roky. Takových špiček v oboru je (a bude) málo. Hlavní přínos takových pomůcek tedy Novotný vidí především v potenciálním zkrácení učební křivky a rychlejším vycvičení většího počtu lékařů na spolehlivou úroveň – a tím zajištění dobrého výsledku většímu počtu pacientů.

Technologie 3D tisku ale možná v budoucnu část svého dnešního významu v lékařství zase ztratí. Fyzické modely sice umožňují chirurgovi držet pacientovu anatomii v ruce, ale nastupující rozšířená realita by mu ji mohla promítnout přímo do operačního pole. Mohl by tak vidět, kde se nachází kost, kudy vede céva nebo jak pokračuje struktura ukrytá pod tkání, aniž by fyzický model potřeboval. 3D tisk tak nejspíš není cílová stanice, ale jeden z dalších nástrojů ortopedie. Jeho skutečná hodnota se ukazuje především tam, kde dokáže nabídnout řešení pacientovi, pro něhož už „konfekční“ medicína žádné nemá.

Záznam této i dalších přednášek z Mensa Akademie najdete na mensa.click/yt-ma.