Трехмерные модели плечевого сплетения как основа дополненной реальности и искусственных трансплантатов

При сложных травмах нервов верхней конечности во время операции в условиях дополненной реальности и при создании искусственных трансплантатов необходимы знания трехмерного строения плечевого сплетения. Целью настоящего исследования является разработка метода изготовления максимально детализированных и точных полых трехмерных моделей плечевого сплетения из фотополимерных смол.
Материал и методы. С помощью разработанной методики препарированы и выделены все элементы правого плечевого сплетения у 10 трупов мужчин и женщин в возрасте 39–89 лет, выполнено 3D-сканирование, созданы цифровые модели и 3D-печать. Точность реконструкции проверили сравнительными измерениями электронным штангенциркулем диаметров элементов плечевого сплетения в идентичных местах у препаратов и трехмерных моделей. Полученные данные занесены в программу MS Excel 12.0, с помощью программы Statistica for Windows 12.0 проведен анализ сформированной базы данных.
Результаты и их обсуждение. Разработанная методика 3D-печати позволила воспроизвести максимально точные модели плечевого сплетения со всеми элементами (5 спинномозговых нервов, 3 ствола, 6 разделений, 3 пучка и 15 нервов) в натуральную величину. Сравнительный качественный анализ показал, что созданные полые трехмерные модели обладают высоким структурным соответствием, улучшают восприятие глубины, подчеркивают пространственные взаимоотношения. Количественный анализ не обнаружил значимых различий диаметров элементов плечевого сплетения у исходных препаратов и трехмерных моделей. Разработанный метод и изготовленные на 3D-принтере модели позволяют выявить детализированные особенности строения плечевого сплетения на периневральном уровне.
Заключение. Создание полного комплекта трехмерных моделей всех вариантов строения плечевого сплетения позволит оперировать в условиях дополненной реальности и повысить эффективность операций. Кроме того, проведенное исследование является основой для последующего изготовления биосовместимых и биоразлагаемых трансплантатов, которые позволят восстанавливать сложные повреждения нервов верхней конечности.

1. Tapp M., Wenzinger E., Tarabishy S., Ricci J., Herrera F.A. The epidemiology of upper extremity nerve injuries and associated cost in the us emergency departments. Ann. Plast. Surg. 2019;83(6):676–680. doi: 10.1097/SAP.0000000000002083

2. Padovano W.M., Dengler J., Patterson M.M., Yee A., Snyder-Warwick A.K., Wood M.D., Moore A.M., Mackinnon S.E. Incidence of nerve injury after extremity trauma in the united states. HAND (NY). 2022;17(4):615–623. doi: 10.1177/1558944720963895

3. Breyer J.M., Vergara P., Perez A. Epidemiology of adult traumatic brachial plexus injuries. In: Operative Brachial Plexus Surgery: Clinical Evaluation and Management Strategies. Eds. A.Y. Shin, N. Pulos. Springer International Publishing, 2021. P. 63–68. doi: 10.1007/978-3-030-69517-0_28

4. Kaiser R., Waldauf P., Ullas G., Krajcová A. Epidemiology, etiology and types of severe adult brachial plexus injuries requiring surgical repair: systematic review and meta-analysis. Neurosurg. Rev. 2020;43(2):443–452. doi: 10.1007/s10143-018-1009-2

5. Lunga H., O’Connor M., Rocher A.G.L., Marais L.C. Outcomes of surgically managed adult traumatic brachial plexus injuries in an upper-middle-income country. J. Orthop. 2024;51:66–72. doi: 10.1016/j.jor.2024.01.006

6. Singh V.K., Haq A., Tiwari M., Saxena A.K. Approach to management of nerve gaps in peripheral nerve injuries. Injury. 2022:53(4):1308–1318. doi: 10.1016/j.injury.2022.01.031

7. Gong H., Fei H., Xu Q., Gou M., Chen H.H. 3Dengineered GelMA conduit filled with ECM promotes regeneration of peripheral nerve. J. Biomed. Mater. Res. A. 2020;108(3):805–813. doi: 10.1002/jbm.a.36859

8. Zimmermann K.S., Aman M., Harhaus L., Boecker A.H. Improving outcomes in traumatic peripheral nerve injuries to the upper extremity. Eur. J. Orthop. Surg. Traumatol. 2023;34(7):3687–3697. doi: 10.1007/s00590-023-03751-3

9. Duraku L.S., Hundepool C.A., Moore A.M., Eberlin K.R., Zuidam J.M., George S., Power D.M. Sensory nerve transfers in the upper limb after peripheral nerve injury: a scoping review. J. Hand. Surg. Eur. Vol. 2024;49(8):946–955. doi: 10.1177/17531934231205546

10. Houshyar S., Bhattacharyya A., Shanks R. Peripheral nerve conduit: materials and structures. ACS Chem. Neurosci. 2019;10(8):3349–3365. doi: 10.1021/acschemneuro.9b00203

11. Song S., Wang X., Wang T., Yu Q., Hou Z., Zhu Z., Li R. Additive manufacturing of nerve guidance conduits for regeneration of injured peripheral nerves. Front. Bioeng. Biotechnol. 2020;8:590596. doi: 10.3389/fbioe.2020.590596

12. Zhang Ch., Gong J., Zhang J., Zhu Z., Qian Y., Lu K., Siyi Zhou S., Gu T., Wang H., He Y., Yu M. Three potential elements of developing nerve guidance conduit for peripheral nerve regeneration. Adv. Funct. Mater. 2023;33(40):2302251. doi: 10.1002/adfm.202302251

13. Vijayavenkataraman S. Nerve guide conduits for peripheral nerve injury repair: A review on design, materials and fabrication methods. Acta Biomater. 2020;106:54–69. doi: 10.1016/j.actbio.2020.02.003

14. Liu K., Yan L., Li R., Song Z., Ding J., Liu B., Chen X. 3D printed personalized nerve guide conduits for precision repair of peripheral nerve defects. Adv. Sci. (Weinh). 2022;9(12):2103875. doi: 10.1002/advs.202103875

15. Fang Y., Wang Ch., Liu Z., Ko J., Chen L., Zhang T., Xiong Z., Zhang L., Sun W. 3D printed conductive multiscale nerve guidance conduit with hierarchical fibers for peripheral nerve regeneration. Adv. Sci. (Weinh). 2023;10(12):e2205744. doi: 10.1002/advs.202205744

16. Huang Y., Wu W., Liu H., Chen Y., Li B., Gou Z., Li X., Gou M. 3D printing of functional nerve guide conduits. Burns Trauma. 2021;9:tkab011. doi: 10.1093/burnst/tkab011

17. Johnson B.N., Lancaster K.Z., Zhen G., He J., Gupta M.K., Kong Y.L., Engel E.A., Krick K.D., Ju A., Meng F., … McAlpine M.C. 3D printed anatomical nerve regeneration pathways. Adv. Funct. Mater. 2015;25(39):6205–6217. doi: 10.1002/adfm.201501760

18. Zhang J., Tao J., Cheng H., Liu H., Wu W., Dong Y., Liu X., Gou M., Yang S., Xu J. Nerve transfer with 3D-printed branch nerve conduits. Burns Trauma. 2022;10:tkac010. doi: 10.1093/burnst/tkac010

19. Bolleboom A., de Ruiter G.C.W., Coert J.H., Tuk B., Holstege J.C., van Neck J.W. Novel experimental surgical strategy to prevent traumatic neuroma formation by combining a 3D-printed Y-tube with an autograft. J. Neurosurg. 2019;130(1):184–196. doi: 10.3171/2017.8.JNS17276

20. Shahriari D., Loke G., Tafel I., Park S., Chiang P.H., Fink Y., Anikeeva P. Scalable fabrication of porous microchannel nerve guidance scaffolds with complex geometries. Adv. Mater. 2019;31(30):1902021. doi: 10.1002/adma.201902021

21. Zennifer A., Thangadurai M., Sundaramurthi D., Sethuraman S. Additive manufacturing of peripheral nerve conduits – Fabrication methods, design considerations and clinical challenges. SLAS Technol. 2023;28(3):102–126. doi: 10.1016/j.slast.2023.03.006

22. Selim O.A., Lakhani S., Midha S., Mosahebi A., Kalaska D.M. Three-dimensional engineered peripheral nerve: toward a new era of patient-specific nerve repair solutions. Tissue Eng. Part B: Rev. 2022; 28(2):295–335. doi: 10.1089/ten.teb.2020.0355

23. Zhang Y., Li X., Liu Y., Sun Y., Duan L., Zhang Y., Shi R., Yu X., Peng Zh. 3D SHINKEI MR neurography in evaluation of traumatic brachial plexus. Sci. Rep. 2024;14(1):6268. doi: 10.1038/s41598-024-57022-0

24. Chaker S.C., Reddy A.P., King D., Manzanera E.I.V. Thayer W.P. Diffusion tensor imaging techniques and applications for peripheral nerve injury. Ann. Plast. Surg. 2024; 93(3S Suppl 2):S113–S115. doi: 10.1097/SAP.0000000000004055

25. van Hoof T., Gomes G.T., Audenaert E., Verstraete K., Kerckaert I., D’herde K. 3D computerized model for measuring strain and displacement of the brachial plexus following placement of reverse shoulder prosthesis. Anat. Rec. (Hoboken). 2008;291(9):1173–1185. doi: 10.1002/ar.20735

26. van de Velde J., Bogaert S., Vandemaele P., Huysse W., Achten E., Leijnse J., de Neve W., van Hoof T. Brachial plexus 3D reconstruction from MRI with dissection validation: a baseline study for clinical applications. Surg. Radiol. Anat. 2016;38(2):229–236. doi: 10.1007/s00276-015-1549-x

27. Zhao X., Zhao H., Zheng W., Gohritz A., Shen Y., Xu W. Clinical evaluation of augmented reality-based 3D navigation system for brachial plexus tumor surgery. World J. Surg. Oncol. 2024;22:20. doi: 10.1186/s12957-023-03288

28. Wake N., Lin Y., Tan E.T., Sneag D.B., Ianucci S., Fung M. 3D printing of the brachial plexus and its osseous landmarks using magnetic resonance neurography for thoracic outlet syndrome evaluation. J. 3D Print. Med. 2024;10(1):36. doi: 10.1186/s41205-024-00239-6