Мобильная версия

Журнал «Травма» Том 24, №2, 2023

Діагностика, лікування та моніторинг хворих із первинними злоякісними пухлинами кісток таза і нижніх кінцівок: перспективні технології

Авторы: Дроботун О.В.
Інститут експериментальної патології, онкології і радіобіології ім. Р.Є. Кавецького НАН України, м. Київ, Україна

Рубрики: Травматология и ортопедия

Разделы: Справочник специалиста

Актуальність. Діагностика та лікування хворих зі злоякісними пухлинами кісток вимагає постійного вдосконалення наявних методів діагностики й лікування. Мета дослідження: поліпшити результати лікування хворих із пухлинами стегнової кістки й таза шляхом застосування технологій медичної візуалізації, технології 3D-моделювання та 3D-друку персоніфікованих моделей кісток і пухлин, ендопротезування й біоактивної кераміки. Матеріали та методи. Проведено обстеження, лікування та моніторинг 28 хворих на злоякісні пухлини кісток таза й нижніх кінцівок і обстеження 16 практично здорових осіб. Застосовано комп’ютерну (КТ) і магнітно-резонансну томографію (МРТ), 3D-моделювання, біохімічні маркери кісткового метаболізму, ендопротезування, Біомін. Результати. Розроблено технологію створення 3D-моделі кісток, уражених злоякісними пухлинами, на підставі результатів МРТ, КТ та 3D-друку. Передопераційне планування та тренінг на 3D-моделях вірогідно скоротили інтраопераційну крововтрату, тривалість оперативного втручання, терміни повного відновлення функцій кінцівки, зменшили ризик розвитку післяопераційних ускладнень і, відповідно, збільшили тривалість 1-го безрецидивного періоду. Застосування маркерів кісткової резорбції та остеосинтезу дозволяє контролювати остеоінтеграцію ендопротеза й Біоміну, своєчасно діагностувати рецидивування/метастазування. Висновки. Застосування алгоритму КТ + МРТ + 3D-моделювання + тренінг на 3D-моделі + видалення пухлини + ендопротезування + Біомін забезпечило через 12 місяців функціональні результати: відмінні — 57,35 %, добрі — 29,41 %; післяопераційні ускладнення спостерігалися лише у 12,2 % хворих; місцеві рецидиви спостерігалися лише у 7,3 % випадків.

Background. Diagnosis and treatment of patients with malignant bone tumors requires continuous improvement of existing methods of diagnosis and treatment. Purpose: to improve the treatment results in patients with tumors of the femur and pelvis through the application of medical imaging technologies, 3D modeling and 3D printing of personalized models of bones and tumors, arthroplasty and bioactive ceramics. Materials and methods. Examination, treatment and monitoring of 28 patients with malignant tumors of the bones of the pelvis, lower extremities and examination of 16 apparently healthy people were performed. Computed tomography (CT) and magnetic resonance imaging (MRI), 3D modeling, biochemical markers of bone metabolism, arthroplasty, biomine were applied. Results. The technology of creating a 3D model of bones affected by malignant tumors has been developed based on the results of MRI, CT and 3D printing. Preoperative planning and training on 3D models reliably reduced intraoperative blood loss, duration of surgery, time of complete recovery of the extremity function, the risk of postoperative complications and, accordingly, increased the duration of the first recurrence-free period. The use of bone resorption and osteosynthesis markers allows to control the osseointegration of endoprosthesis and biomine, to diagnose recurrence/metastasis timely. Conclusions. The application of CT + MRI + 3D modeling + training on 3D models + tumor removal + arthroplasty + biomine algorithm provided functional results after 12 months: excellent — in 57.35 %, good — in 29.41 % of cases. Postoperative complications were observed only in 12.2 % of patients, local recurrences — in 7.3 %.

Ключевые слова

комп’ютерна томографія; магнітно-резонансна томографія; 3D-моделювання; кісткова резорбція та остеосинтез; Біомін

computed tomography; magnetic resonance imaging; 3D modeling; bone resorption and osteosynthesis; biomine

doi: http://dx.doi.org/10.22141/1608-1706.2.24.2023.945

Вступ

Важливими у лікуванні хворих з первинними злоякісними пухлинами кісток нижніх кінцівок є одночасність резекції враженої пухлиною кістки і раннє відновлення несучої здатності та функції прооперованої кінцівки [1–3]. Але через 3 роки лише 50 % протезів зберігають свою функцію [4, 5]. Водночас результати ревізійного реендопротезування мають значно більший процент ускладнень, ніж при первинному ендопротезуванні. Після ревізійного реендопротезування у 20–56 % хворих виникає потреба у повторному втручанні [1, 4].

Для компетентної діагностики первинних злоякісних кісток традиційно використовують способи медичної візуалізації, що постійно розвиваються: ехографію, рентгенографію, КТ, МРТ, рідше — ПЕТ [3]. Так, наприклад, віртуальне моделювання у рамках КТ і МРТ органічно лягло в основу практично не вивченого в Україні 3D-моделювання й точного відтворення реальних твердотільних персоніфікованих 3D-моделей сегментів скелета із пухлинами та судинами, на яких можливо проводити планування операцій і передопераційний тренінг мануальних навичок [6].

Важливим у лікуванні хворих є збереження кістки, яка уражена пухлинним процесом, що базується на даних медичної візуалізації, ендопротезуванні (перевага ендопротезування — одночасність резекції ураженої пухлиною кістки і раннє відновлення опороздатності та функції оперованої кінцівки), кістково-замісній пластиці та має можливості для вдосконалення [1, 3].

Мета роботи: поліпшити результати лікування хворих із пухлинами стегнової кістки й таза шляхом застосування технологій медичної візуалізації, технології 3D-моделювання та 3D-друку персоніфікованих моделей кісток і пухлин, ендопротезування й біоактивної кераміки.

Матеріали та методи

Обстеження, лікування та моніторинг проведено у 28 хворих на злоякісні пухлини кісток таза та ніжних кінцівок. Контрольна група — 16 практично здорових осіб, яким проводили обстеження за тією чи іншою підозрою, що згодом не підтвердилася.

Діагностику поширення злоякісних пухлин проводили шляхом виконання мультидетекторної комп’ю-терної томографії (МДКТ) з рентгеноконтрастуванням. Для рентгеноконтрастування використовували Ультравіст («Байер Фарма АГ», Німеччина).

Для оцінки ступеня інтеграції кісткової тканини з поверхнею ендопротезів і біокераміки розраховували на основі вимірювання рентгенівської щільності максимальної, мінімальної, середньоарифметичної (РЩмакс, РЩмін, РЩса відповідно) коефіцієнти гетерогенності К1 , К2 , К3 [7].

Для визначення межі злоякісних пухлин нами запропоновано спосіб (патент № 1 45081 UA. Спосіб діагностики доброякісних та злоякісних пухлин), який полягав у застосуванні МРТ [8]. Останнє виконувалося на томографі з індукцією магнітного поля 1,5 Тл.

Обробку діагностичних зображень здійснювали у форматі єдиного уніфікованого стандарту для передачі, збереження та обробки зображень DІCОM 3.0 (Digital Imaging and Communications in Medicine) (томограф Magnetom Vision (Siemens, Німеччина).

Була розроблена й використовувалася 5-етапна технологія створення 3D-моделі та 3D-друку персоніфікованих моделей артерій і пухлин кісток пояса нижньої кінцівки. Для цього проводили МДКТ з рентгеноконтрастуванням, МРТ зони інтересу у хворого з дотриманням вимог: товщина зрізу 0,5–1,0 мм, мінімальна колімація, мінімальна відстань між зрізами (ультратонкі зрізи); максимально допустиме перекриття зрізів (до 50 %). Файли записувалися на диск у двох проєкціях (2D-зображення). Обробляли отримані дані, підвищували якість зображення. 2D-зображення переводили у формат StereoLithography (STL) для зберігання та подальшого використання [6].

Аналіз і редагування 3D-моделі онкоортопедом проводилися спільно з радіологом і медичним фізиком, для детального огляду зони інтересу, геометричних розмірів, синтопії, виявлення аномалій і відхилень у будові кістки, формування діагнозу. Використовувався пакет програм MIMICS (Materialiseʼs Interactive Medical Image Control System) як програмний інтерфейс і система постпроцесингу зображень для передачі зображень від апаратури медичної візуалізації на системи аналізу, проєктування, синтезу, моделювання й відтворення. Отримана модель переводилася в автоматизовану систему 3D-принтера для проєктування ідеально персоніфікованої 3D-моделі органа. Для друку моделі використовувався 3D-принтер Creatbot D600 (Китай). Друк виконувався методом пошарового наплавлення (Fused Deposition Modeling — FDM). Матеріал для друку: термопластик полілактид (ПЛА) — біорозкладаний, біосумісний (сировина для виробництва: кукурудза і цукровий очерет), термопластичний, аліфатичний поліефір, мономером якого є молочна кислота.

Ендопротезування кульшового та колінного суглобів у хворих проводили після резекції сегмента кістки з пухлиною, межі якої визначали за допомогою МДКТ-перфузіографії. Оптимальний розмір ендопротеза та спосіб його фіксації підбирали індивідуально для кожного хворого, враховуючи дані рентгенографії, КТ чи МРТ ураженої кістки. Для ендопротезування кульшового суглоба застосовували ендопротези фірм «Інмед» (Україна), Vagner (США), ZMR (США), Kent Hip (США), колінного суглоба — «Інмед» (Україна), V. Link (Німеччина), Stryker (США). При ендопротезуванні використовували цементний тип фіксації. Розрахунок протяжності резекції сегмента кістки з пухлиною проводили за допомогою МДКТ-перфузіографії, а розрахунок розмірів ендопротеза — за даними рентгенографії, КТ або МРТ ураженої кістки.

Для кісткової пластики застосовували біоактивну кераміку Біомін (гідроксіапатит Ca10(PO4)6(OH)2) як кістковий матрикс, стимулятор репаративного остеогенезу (ТУ У 33.1-00235016-001:2010. Свідоцтво про державну реєстрацію № 14986/2015) [9].

Вивчали біохімічні маркери кісткової резорбції і остеосинтезу (табл. 1): С-кінцевий телопептид (СТХ) сироватки крові, дезоксипіридинолін (ДПІД) сечі, тартратрезистентну кислу фосфатазу (ТРКФ-5Ь); кісткову лужну фосфатазу (КЛФ) сироватки крові, остеокальцин (ОК) сироватки крові.

Клініко-рентгенологічний ефект лікування хворих оцінювали за системою ISOLS (International Society of Limb Salvage), оцінка функціональної ефективності лікування проводилася за системою оцінки функції кульшового суглоба за Харісом через 6–12 міс. після ендопротезування. Оцінку функціональних можливостей кісток таза й нижніх кінцівок, якості життя прооперованих хворих виконували за допомогою модифікованої шкали MSTS (Musculo-Skeletal Tumor System). Вивчення якості життя хворих проводили за допомогою анкет EORTC QLQ-C30 і EORTC QLQ-BМ22 [10].

Результати та обговорення

Для оцінки співвідношення тканин, що сформувалися в ділянці кортекса з імплантованим Біоміном, було проведено морфометричне дослідження. При морфометричному дослідженні встановлено, що співвідношення тканин (%) у ділянці дефекту між фрагментами кортекса з імплантованим Біоміном було таким: кісткова тканина — 23 %, фіброретикулярна тканина — 15 %, Біомін — 62 %; а співвідношення тканин у ділянці губчастої тканини кістки було таким: кісткова тканина — 32 %, фіброретикулярна тканина — 14 %, Біомін — 54 %. На основі даних морфометрії площі тканин у ділянці дефекту, розташованого в кортексі, виявлено, що площа кісткової тканини була на 8 % більшою порівняно з площею фіброретикулярної тканини, а площа тканин у ділянці дефекту, розташованого в губчастій тканині кістки, була на 18 % більшою порівняно з площею фіброретикулярної тканини, це говорить про те, що Біомін є стимулятором остеогенезу в місці імплантації.

На персоніфікованих 3D-моделях пухлинного ураження кісток здійснювали: вибір оптимального хірургічного доступу до вогнища неоплазії з урахуванням обсягу й топографо-анатомічного розташування новоутворення та зручності виконання інтраопераційних завдань (видалення пухлини, кісткової пластики або ендопротезування); планування лінії передбачуваної резекції кістки з максимальним збереженням інтактної кісткової тканини з дотриманням онкологічних принципів радикальності й абластичності; розрахунок оптимальної кількості необхідного пластичного матеріалу (Біомін [7, 9]); тренування основних базових прийомів хірургічної техніки з можливістю отримання тактильного зворотного зв’язку; пацієнт-орієнтовані репетиції операційного втручання.

Регулярне виконання базових прийомів хірургічної техніки на персоніфікованих 3D-моделях дозволяє автоматизувати психомоторний компонент, що дає можливість продуктивніше сконцентруватися на всебічному забезпеченні операції, посилити ситуаційну обізнаність, тобто сенсорне сприйняття елементів обстановки, їх значення та прогнозування найближчого майбутнього. На основі планування і тренувань операційні втручання виконані у 28 хворих.

Інтраопераційна верифікація 3D-моделі кісток з доброякісними і злоякісними пухлинами показала їх практично повну ідентичність прототипам за всіма операційно важливими розмірами (радіологічними розмірами пухлини, довжиною артеріальних сегментів, калібром і товщиною стінок судин), точну відповідність будові органів конкретного хворого з урахуванням тільки йому властивих особливостей будови та синтопії прилеглих органів.

Порівняння впливу варіантів планування і тренувань в основній та контрольній групах на показники якості ендопротезування (проаналізовано мінімальний набір очевидних показників) наведено у табл. 2.

Бачимо, що планування і тренування в усіх 8 спостереженнях вірогідно скоротили тривалість оперативного втручання та, відповідно, інтраопераційну крововтрату й ризик розвитку післяопераційних ускладнень.

Вивчали біохімічні маркери кісткової резорбції та маркери остеосинтезу у хворих зі злоякісними пухлинами кісток, у пацієнтів контрольної групи (табл. 3).

До операції маркери кісткової резорбції СТХ сироватки крові, Дпід сечі, ТРКФ-5b сироватки крові та маркери остеосинтезу КЛФ сироватки крові й остеокальцину сироватки крові вірогідно (р < 0,01) підвищені відносно відповідного нормального значення маркерів. На 10-ту добу після операції спостерігається тенденція зниження маркерів кісткової резорбції та остеосинтезу, але розбіжності з доопераційним рівнем не вірогідні (р > 0,05). Тільки через 3–6–9 місяців після операції відмічено вірогідне зниження маркерів порівняно з доопераційним рівнем (р < 0,01).

Маркери кісткової резорбції та остеосинтезу у хворих із пухлинами без проявів остеопорозу практично в усі строки спостереження вірогідно відрізняються від відповідних показників хворих з пухлинами на тлі остеопорозу.

Зростання маркерів кісткової резорбції та остеосинтезу (СТХ > 3,82 нг/мл, Дпід > 9,1 нмоль/ммоль креатиніну, ТРКФ > 5,1 Од/л, КЛФ > 54 Од/л, остеокальцину > 11,80 мкг/л) свідчить про рецидивування/метастазування злоякісних пухлин та спостерігається за 6–10 місяців до клінічної/радіологічної маніфестації рецидивування та метастазування.

Інтеграція імплантатів у кісткову тканину — це включення чужорідного тіла у тканинне середовище живого організму, що забезпечує відновлення цілісності та заміщення втрачених тканинних структур, чим досягається і часткове/повне відновлення їх функції. Цей процес характеризується майже відсутністю патологічних реакцій прилеглих до імплантату тканин і утворенням тривалого та стабільного з’єднання з ними.

На підставі досвіду роботи з біоімплантатами [5, 7] при аналізі ступеня інтеграції кісткової тканини з поверхнею ендопротезів і біокераміки кількісну оцінку щільності кісткової тканини проводили гістографічним аналізом КТЗ кісткових тканин. Результати радіологічного моніторингу хворих основної групи, хворих контрольної групи і розрахунку коефіцієнтів гетерогенності наведені у табл. 4.

Коефіцієнти К1 і К2 в усіх групах показали вірогідно вищу гетерогенність губчастої тканини (цілком очевидно і тривіально з морфологічної точки зору) порівняно з компактною тканиною (Р < 0,01). Гетерогенність компактної і губчастої тканин у хворих з первинними злоякісними й метастатичними пухлинами до операції вірогідно вища, ніж у хворих контрольної групи (Р < 0,01).

Висновки

Передопераційне планування та тренінг на 3D-моделях вірогідно скоротили інтраопераційну крововтрату, тривалість оперативного втручання, терміни повного відновлення функцій кінцівки, знизили ризик розвитку післяопераційних ускладнень і, відповідно, збільшили тривалість 1-го безрецидивного періоду.

Коефіцієнти гетерогенності об’єктивно відображають ступінь інтеграції кісткової тканини з поверхнею ендопротезів і біокераміки після лікування. Результати дослідження свідчать про ефективність спільного застосування Біоміну: встановлено ущільнення структури компактної та губчастої тканин і збільшення їх гетерогенності, реорганізується структура інтерфейсу, характерна для інтактної кісткової тканини, відповідно спостерігається й відновлення міцності.

Застосування маркерів кісткової резорбції й остеосинтезу дозволяє контролювати остеоінтеграцію та своєчасно діагностувати рецидивування/метастазування.

Використання нових методів лікування первинних злоякісних пухлин кісток можливе на основі оптимізації обсягів хірургічних втручань. Застосування алгоритму «лікування — хірургічне втручання з використанням Біоміну» у хворих з пухлинними ураженнями кісток забезпечило через 12 місяців наступні функціональні результати: відмінні — 57,35 %, добрі — 29,41 %, післяопераційні ускладнення спостерігалися лише у 12,2 % хворих, місцеві рецидиви спостерігалися лише у 7,3 % випадків.

Конфлікт інтересів. Автор заявляє про відсутність конфлікту інтересів та власної фінансової зацікавленості при підготовці даної статті.

Отримано/Received 05.04.2023

Рецензовано/Revised 25.04.2023

Прийнято до друку/Accepted 30.04.2023

Список литературы

1. Карпенко В.Ю. Реконструктивный и реконструктивно-пластический этапы при радикальных операциях в онкологической ортопедии: дис. ... д-ра мед. наук: 14.01.12. Обнинск, 2016. 337 с.

2. Красильников А.А. Применение коллагенсодержащего материала при хирургическом лечении первичных доброкачественных опухолей костей и суставов: автореф. дис. ... канд. мед. наук: 14.01.15 «Онкология». М., 2013. 27 с.

3. Коноваленко В.Ф., Бурьянов А.А., Проценко В.В. и др. Опухоли и опухолеподобные заболевания костей и суставов (клиника, диагностика, лечение): руководство. Под ред. проф. В.Ф. Коноваленко. Киев: Лазурит-Полиграф, 2015. 343 с.

4. Бабалаев А.А. Реэндопротезирование после органосохранных операций у больных с опухолями костей: автореф. дис. ... канд. мед. наук: 14.01.12 «Онкология». М., 2013. 26 с.

5. Терновой М.К., Колотілов М.М., Вовк В.В. Ендопротезування та кістково-замісна хірургія при доброякісних та злоякісних пухлинах нижніх кінцівок: використання мебіфону. Лучевая диагностика, лучевая терапия. 2014. 1–2. 59-66.

6. Ternovoy N.K., Kolotilov N.N., Drobotun O.V. 3D modeling and 3D printing technology for personalized models of pelvic bones and proximal femur malignant tumors for surgery planning and rehearsal. Лучевая диагностика, лучевая терапия. 2018. 4. 36-40.

7. Терновой Н.К., Колотилов Н.Н., Дроботун О.В. Текстурный анализ компьютерно-томографических изображений костных тканей: гетерогенность как показатель остеоинтеграции (предварительное сообщение). Лучевая диагностика, лучевая терапия. 2019. 1. 43-50.

8. Ternovoy N.K., Kolotilov N.N., Drobotun O.V. Quantifiable tumor diffusion coefficient (overview and own data). Лучевая диагностика, лучевая терапия. 2018. 3. 70-76.

9. Ульянчич Н.В., Мищенко О.Н., Кондратец И.В., Зайцева Н.В. Регулируемые cвойства остеотропного имплантационного материала Биомин для различных клинических применений (обзор литературы и собственные результаты). Russian Journal of Biological Research. 2014. 2. 99-111.

10. Zeegen E.N., Aponte-Tinao L.A., Hornicek F.J. Survivorship analysis of 141 modular metallic endoprostheses at early follow-up. Clin. Orthop. Relat. Res. 2004. 420. 239-250.