Hyppää pääsisältöön

Ihmisen varaosat ovat totta

Julkinen ID: 39-4619415a7862a9dc31e Koko: 1920x1020  Lisätty: 05.02.2018 15:56  Lisännyt: Peltoniemi Teija  Keywords: Tiedeykkönen, 3D-mallinnus, Implantti  Copyright: HUS Risto Kontio
Nuoren ihmisen syöpä yläleuassa. Vasemmalla: kirurgi on suunnitellut potilaan kallomalliin leikkauslinjoja. Keskellä tietokonemallinnus, jossa potilaskohtainen implantti. Oikealla tämä implantti kallomalliin sovitettuna. Julkinen ID: 39-4619415a7862a9dc31e Koko: 1920x1020 Lisätty: 05.02.2018 15:56 Lisännyt: Peltoniemi Teija Keywords: Tiedeykkönen, 3D-mallinnus, Implantti Copyright: HUS Risto Kontio Kuva: HUS Risto Kontio Tiedeykkönen,3D-mallinnus,syöpä,Implantti

Ihmisen kasvojen lihaksilla ja luilla on ratkaiseva rooli nielemisessä, puremisessa ja hengittämisessä, ilmeitä ja ulkonäköä unohtamatta. Siksi on tärkeää, että kasvaimen tai onnettomuuden vaurioittamat kasvot voidaan korjata ennalleen ja puuttuva luusto ja kudos voidaan rakentaa uudelleen. Kolmiulotteinen mallintaminen on tuonut avun luu- ja pehmytkudoksen puutoksiin. Tämä teknologia mahdollisti myös Suomen ensimmäisen kasvojen kudosten siirron. Insinöörien osaaminen on tullut lääketieteen rinnalle.

Insinöörit ja kirurgit yhteistyössä

Kolmiulotteinen mallintaminen sai vauhtia 1980-luvulla, kun tietokonekerroskuvaus (tietokonetomografia, lyh. TT) yhdistettiin numeeriseen ohjaukseen. Kuva muodostuu lukuisista kohteen poikkileikkauskuvista. Tietokonekerroskuvauksen kolmiulotteisesta datasta voidaan rakentaa leikkauksen suunnittelussa tarvittava anatominen malli.

Professori Riitta Seppänen-Kaijansinkko Helsingin yliopistosta on tutkinut kudosteknologiaa eli puuttuvien kudosten rakentamista elimistössä liukenevien biomateriaalien, kantasolujen ja kasvutekijöiden avulla.

Hammashoitoteknologiaan erikoistuneessa yrityksessä Planmecassa on osaamista kolmiuloitteisesta suunnittelusta, mallinnuksesta ja tulostamisesta, ja se oli mukana ensimmäisess kasvojen kudosten siirrossa.

Suunnittelupäällikkö Jani Horelli Planmecasta työskentelee tiimissä, joka suunnittelee ja valmistaa potilaskohtaisia implantteja. Horelli oli mukana HUS:ssa tehdyssä kasvojen kudosten siirrossa. Kirurgit Patrik Lassus ja Jyrki Törnwall tekivät itse toimenpiteen. Planmeca Oy suunnitteli leikkaukseen kirurgiset ohjaimet.

Kasvuikäisen potilaan yläleuan syöpä haaste luusiirteelle

Syöpä yläleuassa. tietokonemallinnus potilaan implantista.
Nuoren potilaan syöpä yläleuassa. tietokonemallinnus potilaan implantista. Kuva HUS Risto Kontio. Syöpä yläleuassa. tietokonemallinnus potilaan implantista. Kuva: HUS Risto Kontio Tiedeykkönen,3D-mallinnus,Implantti

Erityisen haastavaa on hoitaa vielä kasvavia nuoria ja lapsia. Riitta Seppänen-Kaijansinkko kertoo teini-ikäisestä potilaasta, joka menetti osan yläleukaansa syövän vuoksi.

Luusiirteen suunnittelu lähti liikkeelle tietokonekerroskuvauksesta. Näin saatua kolmiulotteista kuvaa apuna käyttäen Planmecassa tulostettiin nuoren kallosta malli, johon leikkaava kirurgi Risto Kontio suunnitteli kasvaimen poistamiseksi tarvittavat leikkauslinjat. (kuvassa vasemmalla).

Yläleuan alueella on paljon hermoja ja verisuonia, jotka pitää ottaa huomioon syövän poistossa. Tämän vuoksi leikkauslinjojen tarkka suunnittelu on tärkeää. Seuraavaksi kirurgi Risto Kontio ja Jani Horelli suunnittelivat potilaan leukaan kiinnitettävän leikkausohjaimen, jonka avulla kirurgi pystyy noudattamaan aiemmin suunniteltuja leikkauslinjoja.

Julkinen ID: 39-4619415a7862a9dc31e Koko: 1920x1020  Lisätty: 05.02.2018 15:56  Lisännyt: Peltoniemi Teija  Keywords: Tiedeykkönen, 3D-mallinnus, Implantti  Copyright: HUS Risto Kontio
Syöpä yläleuassa: kliininen alkutilanne (vas.), tietokonemallinnus ja potilaskohtainen implantti ja oikealla 3D-tulostetun kallomallin päällä titaanilevy, joka antaa tuen implantille. Kuva HUS Risto Kontio. Julkinen ID: 39-4619415a7862a9dc31e Koko: 1920x1020 Lisätty: 05.02.2018 15:56 Lisännyt: Peltoniemi Teija Keywords: Tiedeykkönen, 3D-mallinnus, Implantti Copyright: HUS Risto Kontio Kuva: HUS Risto Kontio Tiedeykkönen,3D-mallinnus,syöpä,Implantti

Kolmiulotteista tietokonemallinnusta hyväksikäyttäen suunniteltiin kasvaimen jättämän aukon korvaava pala, implantti.

"Implantin raaka-aineena käytetään jäykkää titaania, jotta se säilyttää posken oikean muodon", sanoo Riitta Seppänen-Kaijansinkko.

Potilaan nuoresta iästä johtuen implanttia ei kiinnitetty yläpäästään leukaluuhun. Näin jätettiin tilaa kasvulle.

Tietokoneavusteista suunnittelua ja valmistusta

Luu-kudossiirteen suunnittelun pohjana on siis potilaan, tietokonekerros- ja magneettikuvantamisesta, saatu kolmiulotteinen data. Tämän tiedon perusteella voidaan suunnitella tarvittava siirre ja mallintaa leikkausta. Lopulta valmistetaan fyysinen malline, kädessä pidettävä kappale, esimerkiksi titaanilevystä sekä kallosta.

Kuvantamisessa saatavaa dataa käsitellään vaativilla matemaattisilla käskyillä, nk. algoritmeillä. Riitta Seppänen-Kaijansinkko ottaa esimerkin kuvan tulkitsemisesta. Tietokonekuvaus pitää sisällään mustan ja valkoisen eri värisävyjä eli käytännössä harmaan eri värisävyjä. Seppänen-Kaijansinkon mukaan ihmissilmä erottaa noin 30 eri sävyä, kun tietokone erottaa noin tuhat. Tarkka tietokonekuvaus ja riittävä määrä leikkeitä tuovat ymmärrettävään muotoon puuttuvan luun osan.

Leikkausohjaimet ovat mahdollistaneet kasvojen kudosten siirron

Kuvassa tietokonemallinnus potilaan kasvoista. Punaisella on merkitty alaleuassa sijaitseva kasvain sekä sen ympärillä leikkauskohtaa rajaavat beiget leikkausohjaimet. Kuva Helsingin yliopisto.
Kuvassa tietokonemallinnus potilaan kasvoista. Punaisella on merkitty alaleuassa sijaitseva kasvain sekä sen ympärillä leikkauskohtaa rajaavat beiget leikkausohjaimet. Kuvassa tietokonemallinnus potilaan kasvoista. Punaisella on merkitty alaleuassa sijaitseva kasvain sekä sen ympärillä leikkauskohtaa rajaavat beiget leikkausohjaimet. Kuva Helsingin yliopisto. Kuva: Kuva Helsingin yliopisto. syöpä,3D-mallinnus,3D-tulostus,tietokoneavusteinen suunnittelu,tietokoneavusteinen valmistus

Merkittävää kasvojen alueen vaurioiden korjaamisessa ovat olleet kullekin potilaalle yksilöllisesti suunnitellut leikkausohjaimet. Muoviset leukaan kiinnitettävät ohjaimet auttavat kirurgia noudattamaan tarkkaa ennakkosuunnitelmaa.

Suunnittelupäällikkö Jani Horellin mukaan juuri kasvojen kudosten siirrossa leikkausohjaimilla oli merkittävä rooli. Siirteen vastaanottavan potilaan kasvojen anatomia voitiin selvittää etukäteen, sen sijaan luovuttajan tiedot saatiin vain tunteja aikaisemmin. Horelli kertookin, että sen vuoksi leikkausta simuloitiin etukäteen erimuotoisilla kasvoilla. Leikkausohjaimien ansiosta luovuttaja saattoi olla kasvojen luustoltaan lähes minkälainen tahansa.

Kaikkiaan leikkausta suunniteltiin kolme vuotta. Harjoitteluun ja simulaatioihin kului satoja tunteja. Myös lupa-asiat veivät oman aikansa. Tällä hetkellä suunnitellaan Suomen toista kasvojen kudosten siirtoa.

Horellin mukaan leikkausohjaimet nopeuttivat leikkausta ratkaisevasti. Luovuttajan luinen kudosrakenne pystyttiin liittämään potilaaseen kymmenessä minuutissa siinä missä maailmalla se on aiemmin vienyt nelisen tuntia. 3D–mallinnus teki vaativan leikkaustapahtuman simuloinnin etukäteen mahdolliseksi.

Biomateriaalit

Riitta Seppänen-Kaijansinkko kertoo potilaasta, jolta jouduttiin poistamaan koko alaleuka luukuolion vuoksi. Uusi alaleuka saatiin aikaan leuan muotoisesta rakenteesta, jossa akryylilevyjen avulla voitiin muotoilla maitohaposta valmistettu verkko. Maitohappoverkon sisään asetettiin luun kasvua ohjaavaa biomateriaalia. Itse luuhun kohdistuvan rasituksen ottaa vastaan puolestaan titaaninen levy tai potilaskohtaisesti tehty ”kaukalo”, johon maitohappoverkko sisältöineen kiinnitetään. Akryyliä ei jätetä potilaaseen vaan se toimii muottina.

Metallisen titaanin haittapuoli on, että se voi ajan myötä syöpyä kudoksista läpi. Tämä onkin ollut kimmoke biohajoavien biomateriaalien tutkimukselle.

Yleensä biomateriaaleissa hyödynnetään luun omia aineita: kalsiumia ja fosfaattia.

”Mutta ne eivät pelkästään riitä, tarvitaan verisuonten ja solujen rakennusaineita”, sanoo Seppänen-Kaijansinkko. Joskus voidaan käyttää myös kasvutekijöitä eli kudoksissa syntyviä, solujen kasvua ja erilaistumista lisääviä tai estäviä hormonin kaltaisia peptidejä. Nykyään käytetään synteettisesti, yhdistelmä-DNA-tekniikalla valmistettuja ns. rekombinanttikasvutekijöitä.

Luusiirteen kasvatus vatsassa tai reidessä

Keski-ikäinen mies menetti koko yläleukansa syöpäkasvaimen vuoksi. Kokonainen yläleuka suunniteltiin 3D-mallinnuksella, koska saatavilla ei ollut niin monimuotoista potilaan yläleukaan sopivaa levyä, tietää Riitta Seppänen-Kaijansinkko.

Mallintamisen avulla potilaalle suunniteltiin juuri hänen yläleukansa muotoiset akryylimallineet. Näiden muottien avulla muotoiltiin maitohappoverkko, joka täytettiin potilaan rasvan kantasoluilla ja biomateriaaleilla. Tämä rakennelma asetettiin kasvamaan hänen reiteensä kahdeksaksi kuukaudeksi.

Sen jälkeen luusiirre asetettiin ilman akryyliä leikkauksessa paikoilleen potilaan yläleuaksi.

"Titaaninen yksilöllinen kiinnityslevy eli implantti antoi rakenteeseen tukea ja vahvuutta", kertoo leikkaussuunnittelussa mukana ollut Jani Horelli.

Tietokonemallinnus potilaan yläleuasta, jossa oli syöpä. Violetilla merkitty suunniteltua kiinnityslevyä. Kuva Hlesingin yliopisto.
Tietokonemallinnus potilaan yläleuasta, jossa oli syöpä. Punainen kuvaa potilaan yläleukaa ennen kuin syöpä on poistettu. Violetilla on merkitty suunniteltu kiinnityslevy. Tietokonemallinnus potilaan yläleuasta, jossa oli syöpä. Violetilla merkitty suunniteltua kiinnityslevyä. Kuva Hlesingin yliopisto. Kuva: Kuva Helsingin yliopisto. syöpä,3D-tietokonemallinnus,Tiedeykkönen

Seppänen-Kaijansinkon mukaan olisi ihanteellisinta, että puuttuva luu kasvaisi siellä, mihin se on tarkoitettukin. Mutta aina niin ei voi tehdä. Luun kasvupaikka pitää olla hyvin verisuonitettu ja pehmytkudoksen suojaamana bakteereilta, joita suussa on runsaasti. Tämän takia luusiirre pitää kasvattaa siellä, missä niitä verisuonia on. Esimerkiksi alavatsan iho-lihaskieleke, nk. TRAM-kieleke, on hyvä paikka kasvattaa luusiirrettä.

Vatsa toimikin luusiirteen kasvupaikkana potilaalla, jolla oli kudospuutos suulaessa. Tästä aukosta oli yhteys suuontelosta nenä- ja poskionteloon. Irrotettava proteesi oli auttanut elämään tilanteen kanssa, mutta sitä oli hankala käyttää.

Potilaalla iso kudospuutos suulaessa. Puuttuva alue kasvatettiin vatsalihaksessa.
Potilaalla oli aukko suulaessa. Kuva HUS Potilaalla iso kudospuutos suulaessa. Puuttuva alue kasvatettiin vatsalihaksessa. Kuva: HUS Tiedeykkönen,3D-mallinnus,teija peltoniemi

Seppänen-Kaijansinkko muistelee, kuinka titaaniverkko, ja sen sisällä olevat biomateriaalit, kantasolut ja kasvutekijät, istutettiin suoraan potilaan vatsalihakseen. Siellä se sai kasvaa luuksi seuraavan kahdeksan kuukauden aikana. Hän ihastelee, kuinka potilaan suulaen harjaanteetkin kasvoivat ajan myötä suuhun. Ihminen on aikamoinen korjaaja itsekin, varsinainen bioreaktori.

Potilaalla iso kudospuutos suulaessa. Puuttuva alue kasvatettiin vatsalihaksessa. Lopputilanne. Kuva Helsingin yliopisto.
Potilaan aukko suulaessa korjattiin siirteellä, joka sai kasvaa vatsassa kahdeksan kuukauden ajan. Jopa suulaen harjanteet kasvoivat siirteen ansiosta. Kuva HUS. Potilaalla iso kudospuutos suulaessa. Puuttuva alue kasvatettiin vatsalihaksessa. Lopputilanne. Kuva Helsingin yliopisto. Kuva: Kuva Helsingin yliopisto. 3D-tietokonemallinnus,vatsa,Suulaki,kudos,Kantasolu

Miten tehtiin aikaisemmin?

Potilaan alaleuan kasvain on poistettu ja korvattu ei-yksilöllisellä implantilla. Myöhemmin luun kasvettua siihen voidaan istuttaa hammasimplantit.
Potilaan alaleuan kasvain on poistettu hyvänlaatuisen kasvaimen vuoksi ja korvattu ei-yksilöllisellä implantilla. Luun kasvettua siihen on voitu istuttaa hammasimplantit. Potilaan alaleuan kasvain on poistettu ja korvattu ei-yksilöllisellä implantilla. Myöhemmin luun kasvettua siihen voidaan istuttaa hammasimplantit. Kuva: Copyright Veikko Tuovinen / Keski-Suomen keskussairaala. kasvain,3D-tietokonemallinnus,hammasimplantit,Tiedeykkönen

Kuvassa näkyy, kuinka potilaan alaleuan kasvain on poistettu ja korvattu ei-yksilöllisellä implantilla. Omaa luuta oleva luusiirre voidaan ottaa lonkasta (suoliluun harjanteelta) tai pohjeluusta. Luun kasvettua siihen voidaan istuttaa hammasimplantit.

Professori Riitta Seppänen-Kaijansinkko valottaa Tiedeykkösessä 3D-mallinnuksella luusiirteitä, miten tehtiin ennen 3-ulotteista mallinnusta ja yksilöllisiä implantteja. Hän käy läpi kuvaa, jossa potilaalla oli hyvänlaatuinen kasvain alaleuassa.

Tulevaisuudesta

Riitta Seppänen-Kaijansinkon mukaan 3D-mallinnus ja kudosteknologia ovat pääasiassa kokeellista kirurgiaa ja tehdään osaksi tutkimustyönä. Potilaalle haetaan yleensä parasta hoitomuotoa.

”Lisää tutkimusta tarvitaan, mutta meidän tutkimuksen paras kannustin on tyytyväinen potilas”, hän valottaa työnsä motivaatiota.

Voisiko kudosteknologia olla kolmas hoitomuoto kirurgian ja lääkehoidon rinnalla? Seppänen-Kaijansinkko näkee, että olemme kaukana ajasta, jossa ihminen voisi saada heikentyneen sydämensä korvattua.

”Entä sitten maksa? Sillä on lukuisiä tehtäviä. Pitäisikö meidän valmistaa yhden maksan sijaan useita maksoja, kysyy professori Riitta Seppänen-Kaijansinkko. ”Nyt tarvitaan todellakin laatikon ulkopuolelle katsomista”, hän summaa.

Planmecan suunnittelupäällikkö Jani Horelli visioi bioresorboituvista implanteista, jotka kantavat suurempia voimia ja kasvattavat potilaan omaa luuta. Lopulta implanttimateriaali häviäisi aineen vaihdunnan mukana. Jäljelle jäisi potilaan omaa luuta. Implanteissa olisi mahdollisesti antureita, jotka tunnistaisivat milloin luu on kasvanut ja se on riittävän vahvaa, pohtii Horelli.

Lisätty todellisuus voisi auttaa tuomaan kaiken oleellisen 3D-informaation kirurgin näkökenttään lasien avulla itse leikkauksessa.

Lue myös - yle.fi:stä poimittua

Tiede