Індивідуальні 3D ортопедичні екзопротези для собак

Introduction

Екзопротези — це пристрої, які функціонують як часткові або повні замінники втрачених кінцівок, сприяючи перерозподілу ваги тіла та допомагаючи в підтримці постуральної стабільності та локомоторної функціональності під час стояння та пересування (1, 2). У тварин втрата кінцівки та пов'язані з нею біомеханічні зміни безпосередньо впливають на локомоторну здатність і загальне благополуччя, а також асоціюються зі зниженням соціальної активності (3, 4).

Ортопедичні розлади вражають значну частину популяції тварин і часто пов'язані з травматичними ушкодженнями (5). Повна ампутація кінцівки широко застосовується у ветеринарній медицині та асоціюється з загалом сприятливими результатами: більшість собак досягають хорошої функціональної адаптації та задовільної або хорошої якості життя після операції (6, 7). Подібні результати також були зареєстровані в популяціях котів (8). Однак в окремих випадках власники відзначали зміни рівня активності, толерантності до фізичних навантажень та поведінкових патернів (6, 7).

Навпаки, часткова ампутація кінцівки рідше висвітлюється в літературі, з обмеженими доказами щодо довгострокових функціональних результатів та задоволеності власників. Хоча функціональна адаптація може відбуватися, втрата частини кінцівки пов'язана з вищим рівнем ускладнень та менш визначеними довгостроковими результатами, що підкреслює прогалину в сучасних знаннях (9).

Ці стани, хоча й етіологічно різні, мають спільний результат, що характеризується дефіцитом кінцівки та подальшим біомеханічним дисбалансом. Іншою причиною біомеханічних змін є вроджені аномалії, які є однією з головних причин неонатальних розладів і характеризуються структурними та/або функціональними деформаціями, що розвиваються під час гестації або присутні при народженні, потенційно ставлячи під загрозу життєздатність тварини (10).

Подібно до ампутацій, які можуть бути наслідком обох станів, часткова або повна втрата кінцівки може вплинути на якість життя тварини, перешкоджаючи участі в реабілітаційній терапії та підвищуючи ризик вторинних деформацій і дегенерації суглобів, на додаток до зниження рівня фізичної активності та функціональної автономії (11).

У цьому контексті технологія адитивного виробництва (additive manufacturing) стала трансформаційним інструментом у ветеринарній медицині з застосуваннями в різних галузях, включаючи ортопедію, стоматологію та, останнім часом, хірургічне планування. Згідно з Лімою та Карвалью (Lima and Carvalho) (12), ця технологія дозволяє створювати анатомічні моделі на основі візуалізаційних досліджень, полегшуючи візуалізацію структур та підтримуючи клінічне прийняття рішень. Крім того, доступність доступних за ціною принтерів та програмного забезпечення підвищила доцільність цього підходу.

У ветеринарній медицині ортопедичні та протезні пристрої використовуються для підтримки локомоторної функції у пацієнтів із втратою або порушенням функції кінцівок. Протези можна класифікувати як ендопротези (endoprostheses), коли вони хірургічно фіксуються до кісткових структур, або екзопротези (exoprostheses), коли вони зовнішньо встановлюються на куксу кінцівки, з основною метою відновлення стабільності та зменшення біомеханічних змін, пов'язаних із сегментарною відсутністю (11). Ортези (orthoses), у свою чергу, є зовнішніми пристроями, призначеними для підтримки, захисту або контролю руху сегментів тіла, що дозволяє обмежувати або спрямовувати рухливість суглобів відповідно до клінічних потреб (13).

Крім того, протези та ортези, виготовлені за допомогою 3D-друку, набувають дедалі більшого значення для функціональної реінтеграції пацієнтів, сприяючи відновленню благополуччя та сегментарному кінетичному відновленню, а також зменшуючи біль, пов'язаний із тривалим біомеханічним перевантаженням (4, 14). У цьому контексті можна використовувати різні термопластичні матеріали, зокрема полілактид (PLA), термопластичний поліуретан (TPU) та нейлон, кожен з яких має відмінні механічні властивості, що безпосередньо впливають на роботу пристрою в умовах навантаження. Хоча PLA широко використовується завдяки легкості обробки та біосумісності, він має обмежену ударну в'язкість (15), TPU забезпечує вищу гнучкість і поглинання енергії, що є перевагою в умовах динамічного навантаження (16), тоді як поліаміди, такі як нейлон, мають вищу механічну міцність і довговічність, що робить їх більш придатними для застосувань з високим навантаженням у локомоторних пристроях (17).

Ефективне проєктування та виготовлення ортопедичних екзопротезів потребує всебічного розуміння анатомічних, кінетичних та біомеханічних принципів для забезпечення оптимізації взаємодії між пристроєм і пацієнтом (18). Придатність тварин до екзопротезної реабілітації визначається багатьма факторами, включаючи вид, темперамент і поведінку пацієнта, неврологічний та ортопедичний статус, а також здатність опікуна забезпечувати належне подальше спостереження та щоденне обслуговування пристрою (19). Крім того, застосування таких пристроїв може бути недоцільним у агресивних тварин через труднощі, пов'язані з фіксацією, адаптацією та довгостроковим безпечним використанням (13). Щодо характеристик кукси, збереження приблизно 50% променевої/ліктьової кістки або великогомілкової/малогомілкової кістки асоціюється з покращеною фіксацією протеза та може полегшити використання протезів на основі приймальної гільзи, коли це клінічно показано для реабілітації (20).

Незважаючи на технологічний прогрес, існує дефіцит літератури, присвяченої клінічному застосуванню 3D-друкованих ортопедичних екзопротезів у собак, особливо з огляду на анатомічні, адаптаційні та біомеханічні виклики, пов'язані з цими пристроями. Враховуючи цю ситуацію, метою даного дослідження було описати розробку та застосування індивідуалізованих 3D-друкованих ортопедичних екзопротезів у собак з частковими ампутаціями кінцівок та вродженими вадами розвитку, що впливають на розвиток кінцівок, на основі серії випадків із використанням методів тривимірного моделювання та 3D-друку як функціональної та доступної терапевтичної альтернативи.

Methods

Це дослідження було проведено у співпраці з приватною компанією 3D Medicine—3D Solutions for Health, розташованою в місті Жуан-Пессоа, Бразилія. Дослідження виконано відповідно до етичних принципів і схвалено Комітетом з етики використання тварин Федерального університету Кампіна-Гранді (CEUA/CSTR) за протоколом № 44.2024.

Розробка цифрових моделей для виготовлення індивідуалізованих екзопротезів виконувалася з використанням тривимірного програмного забезпечення автоматизованого проєктування (CAD) Blender® (Blender Foundation, Амстердам, Нідерланди) на основі прямих анатомічних вимірювань кожного пацієнта, отриманих за допомогою вимірювальної стрічки, цифрових штангенциркулів та лінійок. Передові методи візуалізації, такі як комп'ютерна томографія або тривимірна реконструкція, не використовувалися. Основними зібраними параметрами були: висота залишкової кінцівки відносно землі з анатомічно вирівняними проксимальними суглобами, окружність залишкової кінцівки на трьох різних рівнях, діаметр кінцівки та відстань між дистальним кінцем залишкової кінцівки та найближчим проксимальним суглобом. Ці вимірювання використовувалися для створення простого циліндричного тривимірного цифрового фантома залишкової кінцівки, призначеного насамперед для забезпечення просторової прив'язки анатомічних розмірів і пропорцій кожного пацієнта. Цей фантом слугував анатомічною основою для індивідуалізованого моделювання протеза, дозволяючи адаптувати розміри гільзи, вирівнювання кінцівки та висоту протеза відповідно до морфології та біомеханічних вимог кожної тварини.

Тривимірні файли були експортовані до програмного забезпечення для нарізки BambuStudio® (v.1.10.1.50, BambuLab, Шеньчжень, Китай), яке генерувало пошарові інструкції для друку за технологією моделювання методом наплавлення (Fused Deposition Modeling, FDM). Пристрої були виготовлені за допомогою 3D-принтера X1 Carbon Combo (BambuLab, Шеньчжень, Китай), причому полімолочна кислота (polylactic acid, PLA) була обрана як матеріал для друку завдяки її біосумісності, міцності на стиск, низькій вартості та відновлюваному походженню (отримується з кукурудзяного крохмалю та цукрової тростини) (21).

Протокол друку було адаптовано з Carvalho (16) і включав такі технічні параметри: діаметр сопла 0,4 мм, висота шару 0,2 мм, товщина стінки 1,6 мм, 50% заповнення гіроїдної структури (gyroid infill pattern), швидкість друку від 200 до 250 мм/с, а також деревоподібні опорні структури (tree-type support structures) за потреби. Усі протези були розроблені з використанням стандартизованих технічних параметрів, включаючи вибір матеріалу та конфігурації друку, для забезпечення належної механічної стійкості, зменшеної ваги та комфорту пацієнта.

Після друку опорні структури були видалені вручну, а кожен компонент пройшов дрібне шліфування для фінішної обробки поверхні. Згодом екзопротези були вистелені зсередини акриловою прокладкою та м'якою тканиною для підвищення комфорту, запобігання потертостям та покращення адаптації до кукси. Фіксація здійснювалася за допомогою компресійних пов'язок, індивідуально підібраних відповідно до морфології кукси. Крім того, основи протезів були оснащені протиковзкими гумовими підошвами для покращення зчеплення з поверхнею та запобігання ковзанню під час ходьби.

Відразу після встановлення протеза якісно оцінювали прийняття пристрою на основі здатності до навантаження вагою, ходових якостей та поведінкової реакції на пристрій. Прийняття класифікували як: (1) погане, що характеризується нерішучістю або опором використанню протеза, непостійним або відсутнім навантаженням вагою та труднощами з ініціацією ходьби; (2) задовільне, що характеризується частковою функціональною адаптацією, поступовим навантаженням вагою та поступовим покращенням ходи в період адаптації; та (3) добре до відмінного, що характеризується негайним спонтанним використанням протеза, постійним навантаженням вагою з першого встановлення, стабільною ходою та відсутністю явного дискомфорту або опору пристрою.

Клінічне спостереження включало періодичну оцінку функціональної адаптації, цілісності шкіри, стабільності ходи та загальної толерантності до протезного пристрою. Професійне фізіотерапевтичне спостереження було рекомендоване для всіх пацієнтів; однак дотримання власниками спеціалізованих реабілітаційних програм було обмеженим. Тому власникам надавали лише загальні рекомендації щодо домашньої реабілітації, які складалися з контрольованої ходьби на повідку, допоміжних вправ на перенесення ваги, поступової стимуляції опорної стійкості та пропріоцептивної стимуляції на різних поверхнях підлоги. Інтенсивність і прогресія вправ емпірично коригувалися відповідно до толерантності та клінічної адаптації кожного пацієнта, згідно із загальними принципами ветеринарної реабілітації (22).

Звіти про випадки

Усі собаки, включені в це дослідження, мали ампутовані або деформовані залишкові кінцівки, що вражали грудні або тазові кінцівки, та пройшли адаптацію до індивідуальних екзопротезів, виготовлених за допомогою 3D-друку. У Таблиці 1 узагальнено клінічні характеристики та основні стани, що стали показаннями до використання цих пристроїв, тоді як Таблиця 2 містить дані щодо вимірювань залишкової кінцівки, кількості регулювань протеза, негайного прийняття пристрою та тривалості спостереження.

Ось переклад: Клінічна характеристика собак, оснащених індивідуальними екзопротезами, виготовленими за допомогою 3D-друку.

Таблиця узагальнює основні клінічні характеристики собак, оснащених індивідуалізованими 3D-друкованими екзопротезами, включаючи породу, стать, вік, масу тіла, уражену кінцівку, рівень залучення суглоба (articular involvement) та основну етіологію ампутації або мальформації.

Характеристики залишкової кінцівки, протезна адаптація та інформація про подальше спостереження у собак, оснащених індивідуальними 3D-друкованими екзопротезами.

Нижче наведено клінічні звіти про собак, які проходили адаптацію до індивідуальних 3D-друкованих екзопротезів, з акцентом на характеристики ураженої кінцівки, процес виготовлення, період адаптації та реакцію на пристрій.

Випадок 1. Самцю собаки змішаної породи, віком 3 роки, масою 17,5 кг, було представлено з анамнезом вродженої вади розвитку, що вражала праву тазову кінцівку, включаючи заплесновий суглоб (tarsal joint). Стан призвів до значного порушення локомоції, відсутності пропріоцепції, кульгавості та уражень шкіри, спричинених прямим контактом деформованої структури із землею (Рисунок 1A). Враховуючи ці обмеження, виготовлення індивідуалізованого 3D-друкованого екзопротезу було показано як альтернатива для покращення функціональності та загальної якості життя. Було зібрано детальні виміри ураженої кінцівки, які використали для розробки тривимірної моделі, що згодом була виготовлена за допомогою 3D-друку (Рисунок 1B). Зібрані виміри: відстань від кукси до землі становила 8 см, довжина залишкової кінцівки — 11,5 см, а окружність — 15,7 см. З першого моменту контакту з екзопротезом собака продемонстрував задовільну адаптацію, з частковим навантаженням на уражену кінцівку та більш збалансованим перерозподілом маси тіла. Власник активно брав участь у процесі реабілітації, ретельно дотримуючись інструкцій, наданих ветеринарним лікарем та технічною командою (Рисунок 1C). Короткострокове клінічне спостереження підтвердило повну адаптацію до протезного пристрою. Не спостерігалося жодних уражень шкіри, дискомфорту чи ускладнень, пов'язаних із використанням протезу. Успішна адаптація підкреслила ефективність пристрою та покращення якості життя тварини, забезпечуючи стабільну та функціональну локомоцію з часом.

(А) Фотографічний запис у латеральній проекції (lateral view) вродженої вади розвитку правої тазової кінцівки (right pelvic limb) собаки чоловічої статі. (B) Індивідуалізована віртуальна модель 3D екзопротезу гніздового типу (socket-style exoprosthesis). (C) Негайний запис після першої фіксації 3D протеза, що демонструє опору ампутованої кінцівки на конструкцію, зі збалансованим розподілом ваги тіла на дві основи, що забезпечує більшу стабільність тварині.

Випадок 2. 8-річний кобель змішаної породи вагою 13,3 кг був представлений з анамнезом травматичної ампутації лівої тазової кінцівки на рівні дистального відділу заплесна (distal tarsal level). Ампутація стала наслідком колотої рани, що була актом жорстокого поводження з твариною, який стався на вулиці, серйозно порушивши цілісність заплеснового суглоба (tarsal joint) тварини. Після початкового періоду повного загоєння залишкової кукси, тварину направили на спеціалізоване обстеження з метою створення індивідуального протеза, який міг би відновити локомоторну функцію та покращити якість життя (Рисунок 2A). Під час первинної консультації пацієнт демонстрував очевидний дискомфорт під час руху, а також підвищену чутливість при пальпації ампутованої ділянки, що підтверджувало необхідність адаптивного втручання. У цьому контексті екзопротезний підхід (exoprosthetic approach) був розглянутий як терапевтичний варіант та обраний після обговорення з власником, враховуючи клінічний стан та мету збереження кінцівки. Для розробки протеза були зроблені детальні анатомічні виміри кукси, включаючи відстань від кукси до землі (15 см), довжину кінцівки до кукси (13 см) та окружність ділянки (12,6 см). Ця інформація була фундаментальною для розробки персоналізованої тривимірної моделі, яка дозволила б виготовити анатомічний та функціональний пристрій, сумісний з особливостями пацієнта (Рисунок 2B).

(А) Фотографічний запис у латеральній проекції (lateral view) собаки з анамнезом травматичної ампутації лівої тазової кінцівки (left pelvic limb) внаслідок колотої рани. (В) Віртуальна модель кутової 3D-екзопротеза (angled 3D exoprosthesis), виготовлена на основі точних вимірювань залишкової кукси (residual stump), спроектована з ширшою основою для забезпечення стабільності. (С) Перша фіксація пристрою до кукси, що демонструє підтримку протезної кінцівки (prosthetic limb) та початок функціональної адаптації до ходи (gait).

Після виготовлення та початкового регулювання протеза тварині було встановлено пристрій та проведено протокол поступової адаптації (Рисунок 2C). Хоча в перші моменти використання собака виявляв певну нерішучість та обережність, з часом він продемонстрував значне покращення локомоції, що свідчить про здатність адаптуватися до нової штучної кінцівки. Клінічне спостереження було ретельним, із постійним моніторингом функціональної відповіді та виконанням необхідних технічних коригувань для забезпечення належного вирівнювання, стабільності пристрою та комфорту під час використання.

Випадок 3. 10-річний кастрований кобель лабрадора-ретривера був представлений з анамнезом низької ампутації лівої грудної кінцівки, виконаної на рівні зап'ястка (carpal level) як частина лікування плоскоклітинної карциноми (SCC) (Рисунок 3A). Після початкового відновлення тварина почала проявляти ознаки апатії, м'язової атрофії ампутованої кінцівки, кульгавості та обмеження рухів — фактори, що зумовили показання до застосування індивідуалізованого екзопротеза. Під час фізикальної оцінки були зібрані точні виміри кукси, включаючи довжину 15 см, окружність 12 см та відстань від кукси до землі 6 см, які слугували для розробки тривимірної цифрової моделі. Модель згодом була матеріалізована за допомогою 3D-друку. Протез був ретельно підігнаний до кінцівки для забезпечення комфорту та стабільності (Рисунок 3B). З першого контакту з протезом (Рисунок 3C) собака зміг спиратися кінцівкою на землю, рівномірно розподіляючи вагу тіла та значно зменшуючи навантаження на контралатеральну кінцівку. Ці покращення зберігалися під час короткострокового спостереження, з перевагами у мобільності та комфорті під час локомоції.

(А) Фотографічний запис лівої грудної кінцівки перед ампутацією через плоскоклітинну карциному. (B) Тривимірна модель 3D-екзопротеза, виготовлена зі зменшеною висотою та анатомічним дизайном для щільного прилягання до зап'ястка (carpus). (C) Собака в положенні лежачи на грудях (sternal recumbency) під час початкової фази адаптації, вже використовує протез на лівій грудній кінцівці та демонструє контакт протезної кукси з землею.

Випадок 4. 13-річний собака-метис чоловічої статі вагою 14 кг був представлений з анамнезом травматичної ампутації правої грудної кінцівки на рівні зап'ясткового суглоба (carpal joint). Ампутація сталася внаслідок побутової травми, коли кінцівка була затиснута воротами помешкання, що призвело до її травматичного відриву. Під час первинного огляду у тварини спостерігалися відсутність пропріоцепції та м'язова атрофія ураженої кінцівки, однак не було виявлено опорних ран або крепітації (Рисунок 4A). Було помічено, що собака використовував куксу як опору під час локомоції як компенсаторний механізм. За таких умов було розроблено індивідуальний екзопротез для покращення його рухливості та якості життя. Отримані виміри: відстань від кукси до землі — 10 см, довжина залишкової кінцівки — 13 см, окружність — 12,6 см. Внутрішня частина протеза була вистелена м'яким матеріалом для забезпечення комфорту, а фіксація на куксі здійснювалася за допомогою компресійної пов'язки, що забезпечувало більшу стабільність (Рисунок 4B). З першого примірювання тварина змогла успішно спиратися протезованою кінцівкою на землю, демонструючи покращену функціональність під час ходи (Рисунок 4C). Крім того, були надані рекомендації з реабілітації для полегшення адаптації до протезного пристрою, включаючи контрольовану ходьбу на повідку, допоміжні вправи на перенесення ваги, стимуляцію опорної стійки та пропріоцептивні вправи на різних поверхнях підлоги. Спочатку собака виконував контрольовані сеанси ходьби тривалістю приблизно 5 хв з поступовим збільшенням відповідно до його толерантності та адаптації. Під час подальшого спостереження власник повідомив про покращення переносимості фізичної активності, зменшення втомлюваності під час ходьби та значне покращення постави під час годування. Були проведені періодичні короткострокові контрольні оцінки для моніторингу комфорту, адаптації до протеза, локомоторної функції та загальної якості життя.

(А) Фотографічний запис собаки, що демонструє загоєну травматичну ампутацію правої грудної кінцівки (right thoracic limb), спричинену побутовою травмою. (B) Індивідуалізований 3D-екзопротез (customized 3D exoprosthesis), покритий акриловим чохлом (acrylic blanket). (C) Запис використання пристрою після адаптації, що демонструє стійку опору на землю та покращення локомоторної функціональності (locomotor functionality).

Випадок 5. 3-річний собака-самець, змішаної породи, масою 15,3 кг, був представлений з анамнезом травматичної ампутації лівої грудної кінцівки в проксимальній третині променево-ліктьової ділянки (проксимальній третині радіоульнарної ділянки) (Рисунок 5A). Нещасний випадок стався, коли тварині було лише 2 місяці, після того, як автомобіль переїхав кінцівку, що призвело до її часткової втрати. На той час собаку доставили до ветеринарної лікарні, де він отримав невідкладну допомогу та лікування відкритої рани до повного загоєння. Під час процесу на місці виникла інфекція, але стан був успішно контрольований. Однак відсутність фізіотерапії погіршила рухливість тварини, що призвело до латерального відхилення ліктьового суглоба (латеральної девіації ліктьового суглоба), вираженої м'язової атрофії кінцівки та нездатності витримувати вагу. Крім того, тварина демонструвала гіперчутливість, пов'язану з болем, під час пальпації ураженої кінцівки, без ознак активних уражень шкіри на момент оцінки. Було розроблено індивідуальний екзопротез з метою покращення функціональної здатності та якості життя пацієнта, довжиною 15 см, окружністю 11 см та відстанню від кукси до землі 20 см (Рисунок 5B). Екзопротез був покритий акриловим ватином для забезпечення комфорту та запобігання травмам або потертостям. Фіксація здійснювалася за допомогою крепового бинта, добре підігнаного за допомогою клейкої стрічки, що забезпечувало стабільність та безпеку використання пристрою.

(А) Фотографія собаки в латеральній проекції (lateral view) з травматичною ампутацією лівої грудної кінцівки внаслідок наїзду автомобіля. (B) 3D цифрова модель екзопротеза (exoprosthesis), виконана зі збільшеною висотою для компенсації суглобової латералізації (articular lateralization), що спостерігається у пацієнта. (C) Перша адаптація протеза, зафіксованого на куксі за допомогою компресійної пов'язки та м'якої внутрішньої прокладки, що демонструє початок ходи з функціональною опорою.

Спочатку собака мав труднощі з адаптацією до протеза, демонструючи чутливість у ділянці ураження, виражену латералізацію кінцівки, знижену здатність до навантаження вагою, а також нестабільність під час стояння та ходьби. Через більшу висоту протеза та значні біомеханічні порушення, виявлені в цьому випадку, початковий реабілітаційний підхід був зосереджений переважно на стоянні з підтримкою, поступовому перерозподілі ваги та звиканні до використання протеза. Ранні вправи з адаптації включали короткочасні сеанси стояння з допомогою, контрольоване статичне навантаження вагою, вправи на підтримку постави та короткі прогулянки на повідку на невеликі відстані для поступової стимуляції навантаження на кінцівку при мінімізації дискомфорту та втоми. Цей випадок був одним із найскладніших з біомеханічної точки зору в серії через виражену латералізацію суглоба, м'язову атрофію та тривалу відсутність попередньої фізіотерапії, що потребувало спеціальних конструктивних адаптацій для забезпечення стабільності та комфорту. Під час подальшого спостереження тварина продемонструвала поступове покращення локомоції та функціональної адаптації до протеза (Рисунок 5C). Одночасно собака також проходив лікування від трансмісивної венеричної пухлини (TVT), досягнувши повної ремісії без змін фізіологічних параметрів.

Випадок 6. Дев'ятимісячна сука змішаної породи вагою 11,6 кг була представлена з вродженою вадою розвитку фаланг лівої тазової кінцівки, дистальніше заплеснового суглоба (tarsal joint), при збереженні функціональності кінцівки (Рисунок 6A). Структурна аномалія включала атипову кісткову конформацію, що характеризувалася наявністю двох фаланг (phalanges) в ураженій кінцівці, що перешкоджало адекватній локомоції та значно погіршувало функціональність кінцівки. Початкова клінічна оцінка включала детальний візуальний огляд, ортопедичне та неврологічне обстеження, а також точне вимірювання кукси для планування індивідуального протеза. Отримані вимірювання: відстань від кукси до землі становила 8 см, довжина залишкової кінцівки — 6 см, а окружність — 9 см. Ці дані були основоположними для розробки точної та індивідуалізованої тривимірної моделі, яка враховувала анатомічні особливості пацієнта (Рисунок 6B). Після виготовлення пристрій пройшов процедури фінішної обробки, внутрішнього наповнення та індивідуальної адаптації для забезпечення стабільності та запобігання дискомфорту або ураженням шкіри в зоні контакту з куксою. Протягом періоду адаптації пацієнт демонстрував поступове відновлення локомоції з чудовою переносимістю екзопротеза. Початкові рекомендації з реабілітації включали контрольовані сеанси ходьби тривалістю приблизно від 20 до 30 хв з акцентом на поступове перенавчання ході, опорне навантаження та функціональне зміцнення м'язів. Протягом короткострокового спостереження спостерігалося значне покращення рухливості, рівноваги та впевненості в локомоції, що дозволило тварині пересуватися з більшою автономністю та стабільністю. За повідомленнями власників та клінічними спостереженнями, пацієнт зрештою відновив здатність виконувати більш динамічні рухи, включаючи біг з використанням протезного пристрою, що призвело до значного позитивного впливу на якість життя (Рисунок 6C).

(А) Фотографія бічної проекції (lateral view) самки собаки з вродженою вадою лівої тазової кінцівки, що характеризується змінами в заплесновому суглобі (tarsal joint). (Б) Тривимірна модель 3D екзопротеза, розроблена на середній висоті та зі структурним посиленням для стабільності. (В) Використання пристрою під час фази адаптації, що демонструє активну опору протезованої кінцівки на землю та поступове відновлення локомоції.

Обговорення та висновки

Використання технологій тривимірного моделювання та FDM-друку виявилося ефективним і доступним, дозволяючи виготовляти індивідуалізовані пристрої відповідно до морфології кожного пацієнта. Анатомічна варіабельність серед пацієнтів-собак, хоча й є сильною стороною 3D-друку, що дозволяє персоналізацію, також означає, що кожен протез є унікальним і потребує ретельного та індивідуального процесу проєктування та виготовлення (23). Окрім особливостей кісткової тканини, стан залишкової мускулатури виявився визначальним фактором, оскільки різні ступені атрофії та м'язової асиметрії впливають на розподіл навантаження та стабільність протягом усього процесу адаптації (13, 24).

Налаштування, яке забезпечується 3D-друком, є визначальним фактором для підвищення функціональної ефективності протезів, безпосередньо впливаючи на процес адаптації та покращуючи якість життя тварин. Такий ступінь індивідуалізації сприяє пришвидшенню процесів реабілітації та посилює повернення пацієнтів до їхніх звичних поведінкових і локомоторних функцій (2).

Аналогічно, попередні дослідження продемонстрували, що собаки з куксоприймальними протезами можуть досягати хороших функціональних результатів і підтримувати задовільну якість життя, хоча успішна адаптація тісно пов'язана з правильною підгонкою та ретельним контролем потенційних ускладнень, таких як пролежні (pressure sores) (25). У цьому дослідженні, окрім структурної індивідуалізації, адаптації сприяли м'яка внутрішня підкладка та захист кукси бавовняним носком, що забезпечило адекватну толерантність до пристрою без виникнення клінічно значущих шкірних ускладнень.

Виготовлення та адаптація індивідуальних друкованих ортопедичних екзопротезів із використанням 3D-друку продемонстрували багатообіцяючі результати впродовж короткострокового періоду спостереження, зі спостережуваним покращенням мобільності, стабільності та якості життя пролікованих собак. Ці результати узгоджуються з повідомленнями Marcellin-Little (1) та Cruz et al. (14), які підкреслюють важливість протезів у відновленні локомоторної функціональності та запобіганні компенсаторному перевантаженню здорових кінцівок.

Дослідження з екзопротезами показують, що, незважаючи на початкову толерантність тварини, вона потребує фізіотерапевтичного супроводу та коригувань для сприяння адаптації з часом. Моделі із зовнішньою фіксацією та відсутністю кісткової фіксації мають менший контроль рухів, більше механічне зношування та гірше поглинання ударів, особливо під час бігової активності або різких змін напрямку, що погіршує функціональність та сприйняття твариною (11, 23).

Завдяки своїй защіпній природі, вони переважно покладаються на зовнішні методи фіксації, такі як бинти, що може погіршити стабільність та безпеку пристрою під час використання. Ефективність фіксації є ще більш критичною при ампутаціях вищих кінцівок, де площа контакту для зовнішньої фіксації зменшена, що ускладнює отримання міцної та тривалої посадки (4). У випадку 5, що характеризувався ампутацією у проксимальній променево-ліктьовій третині, спостерігалися повільніша адаптація та початкові труднощі у стабілізації пристрою, головним чином через виражену м'язову атрофію, латералізацію суглоба та больову гіперчутливість під час маніпуляцій з кінцівкою, що підкреслює, як більш проксимальні рівні ампутації можуть погіршити стабільність протеза та подовжити час, необхідний для функціональної консолідації.

Такі рішення, як регульовані ремені та силіконові покриття, були протестовані, але вони все ще не забезпечують ідеальної фіксації під час динамічних рухів. Таким чином, зовнішня фіксація (external fixation) постає одним із головних обмежень, пов'язаних із цим типом протезів для тварин, на відміну від людей, де моделі із зовнішньою фіксацією широко використовуються (26–28).

Додаткові інженерні стратегії, досяжні за допомогою адитивного виробництва, були описані для покращення стабільності протезів та біомеханічних показників у собак, включаючи анатомічно контуровані інтерфейси кукси, індивідуалізовані структури розподілу навантаження та геометричні модифікації, призначені для кращого витримування сил ходи та покращення перерозподілу ваги під час локомоції (29, 30). Крім того, аналіз методом скінченних елементів (finite element analysis, FEA) був описаний як корисний інструмент для оцінки розподілу напружень та механічної стійкості в компонентах протезів, виготовлених методом 3D-друку, що піддаються навантаженням, пов'язаним з ходою (29). Хоча ці підходи не оцінювалися в даному дослідженні, вони є відповідними інженерними стратегіями, які можуть сприяти оптимізації ветеринарних екзопротезних пристроїв.

Стосовно процесу реабілітації та адаптації, собаки, включені в це дослідження, продемонстрували поступові та індивідуалізовані функціональні реакції на використання протеза, хоча більшість власників повідомили про помітне покращення рухливості та загальної якості життя, що узгоджується з попередніми повідомленнями про собак, оснащених ортопедичними протезними пристроями (13). Період адаптації варіювався серед пацієнтів і, ймовірно, залежав від таких факторів, як морфологія кукси, ступінь м'язової атрофії, біомеханічні зміни та попередні патерни локомоторної компенсації. Подібні труднощі описані в літературі. У проспективному дослідженні за участю 43 собак, оснащених ортезами або протезами, Rosen та ін. (31) спостерігали, що у 91% тварин протягом 12-місячного періоду розвинулося принаймні одне ускладнення, причому найпоширенішими небажаними явищами були ураження шкіри, включаючи садна, випадіння шерсті та рани.

Також були описані механічні проблеми з пристроєм (наприклад, необхідність ремонту), які виникали приблизно у 7–40% собак залежно від типу ортезу/протеза; неприйняття пристрою (опір або відмова від використання) — приблизно у 10–55%; відмова або передчасне припинення використання до ветеринарної адаптації — у 10–27%; та інша категорія, наприклад, «великі» ускладнення з боку шкіри (рани, що потребують ветеринарного лікування) порівняно з незначними, які спостерігалися приблизно у 17% випадків серед тих, хто мав ускладнення з боку шкіри (31). Аналогічні труднощі також були описані у собак, які перенесли часткову ампутацію кінцівки з використанням куксоприймальних протезів, включаючи варіабельність адаптації та виникнення ускладнень (9, 25).

У всіх оцінених випадках спостерігалася сприятлива клінічна еволюція, без реєстрації уражень шкіри або серйозних ускладнень, пов'язаних із використанням протеза, що свідчить про ефективність стратегій внутрішнього покриття та прокладки, застосованих в екзопротезах, для захисту кукси та мінімізації дискомфорту під час ходьби, подібно до описаного Carr et al. (32), які наголосили, що регулювання товщини внутрішньої прокладки є ключовою стратегією для корекції протезної невідповідності або різниці в довжині кінцівок та підтримання відповідних патернів ходи.

Незважаючи на сприятливі результати, слід врахувати деякі обмеження цього дослідження. Рентгенографічна оцінка не була включена в процес планування протезування, хоча методи візуалізації могли б надати додаткову анатомічну та біомеханічну інформацію, корисну для індивідуалізованого дизайну протеза, як повідомляють Wendland et al. (33). Крім того, стандартизоване професійне фізіотерапевтичне спостереження не було досягнуто через обмежену прихильність власників, що призвело до залежності від нестандартизованих рекомендацій щодо реабілітації в домашніх умовах, що могло вплинути на функціональну адаптацію пацієнтів, оскільки реабілітація вважається важливою для оптимізації функціонального використання ортопедичних та протезних пристроїв (18).

Іншим обмеженням була відсутність довготривалого спостереження, що обмежувало оцінку хронічних біомеханічних адаптацій, довговічності протеза та потенційних пізніх ортопедичних ускладнень. Крім того, не було проведено об'єктивних методів функціональної оцінки, таких як кінетичний або кінематичний аналіз ходи та оцінка на силовій платформі. Відповідно, функціональні результати базувалися на якісній клінічній оцінці ходи, навантаження на кінцівку та адаптації до протеза. Для подальшого підтвердження клінічної застосовності індивідуалізованих ветеринарних екзопротезів необхідні майбутні дослідження, що включають більші популяції, тривале спостереження, візуалізаційну підтримку, стандартизовані протоколи реабілітації та об'єктивний аналіз ходи.

Навіть з урахуванням цих обмежень, індивідуалізовані тривимірні екзопротези продемонстрували важливу клінічну застосовність як функціональні та відносно недорогі альтернативи реабілітації, особливо у випадках, коли збереження залишкової кінцівки (residual limb) дозволяло індивідуальну адаптацію протеза. Доступність технологій адитивного виробництва (additive manufacturing) у поєднанні з індивідуалізованим цифровим моделюванням може суттєво розширити терапевтичні можливості для ветеринарної локомоторної реабілітації.

Підсумовуючи, тривимірне моделювання та 3D-друк виявилися ефективними інструментами для виготовлення індивідуальних ортопедичних екзопротезів у собак, сприяючи покращенню рухливості, постуральної стабільності та загальної якості життя. Застосування адитивного виробництва у розробці ветеринарних ортопедичних екзопротезів є важливим досягненням у ветеринарній медицині та підкреслює потенціал персоналізованих стратегій реабілітації для тварин з ампутаціями або вродженими деформаціями кінцівок.

Acknowledgments

Автори висловлюють подяку Федеральному університету Кампіна-Гранді (UFCG) за інституційну підтримку, Координації з удосконалення персоналу вищої освіти (CAPES) за стипендію, а також професору доктору Даніло Айресу (in memoriam) за його внесок та допомогу в цій роботі.

Фінансування

Автор(и) заявили, що фінансова підтримка була отримана для цієї роботи та/або її публікації. Цю роботу було підтримано Каролінським інститутом (Karolinska Institute) через інституційну угоду про публікації. Фінансування покрило витрати на публікацію у відкритому доступі.

Вибачте, але ви не надали текст для перекладу. Будь ласка, надішліть статтю або фрагмент, який потрібно перекласти.

Відредаговано: Девід Левін, Університет Теннессі в Чаттанузі, Сполучені Штати

Рецензовано: Ajay Vikram Singh, Федеральний інститут оцінки ризиків (BfR), Німеччина

Джонні Алтвол, Корнельський університет, Коледж ветеринарної медицини, Сполучені Штати

Заява про доступність даних

Вихідні дані, що підтверджують висновки цієї статті, будуть надані авторами без необґрунтованих обмежень.

Заява щодо етики

Дослідження на тваринах були схвалені Комітетом з етики використання тварин (CEUA), Центром сільського здоров'я та технологій (CSTR), Федерального університету Кампіна-Гранді (UFCG), Патус, Бразилія (протокол № 44/2024). Дослідження проводилися відповідно до місцевого законодавства та інституційних вимог. Від власників було отримано письмову інформовану згоду на участь їхніх тварин у цьому дослідженні. Від учасників було отримано письмову інформовану згоду на публікацію цього клінічного випадку.

Авторський внесок

Внесок авторів: MS: Концептуалізація, Курація даних, Дослідження, Методологія, Візуалізація, Написання – оригінальний проєкт, Написання – рецензування та редагування. RL: Концептуалізація, Методологія, Візуалізація, Написання – рецензування та редагування. DA: Методологія, Написання – рецензування та редагування, Візуалізація. AD: Візуалізація, Написання – рецензування та редагування, Дослідження, Ресурси, Керівництво, Валідація. LC: Концептуалізація, Методологія, Керівництво, Валідація, Написання – оригінальний проєкт, Написання – рецензування та редагування, Отримання фінансування, Дослідження, Адміністрування проєкту, Ресурси.

Конфлікт інтересів

Автори MS, RL та LC були працевлаштовані компанією 3D Medicine Vet.

Інший(і) автор(и) заявили, що ця робота проводилася за відсутності будь-яких комерційних або фінансових відносин, які могли б бути витлумачені як потенційний конфлікт інтересів.

Твердження про генеративний штучний інтелект

Автор(и) заявили, що генеративний штучний інтелект не використовувався під час створення цього рукопису.

Будь-який альтернативний текст (alt text), наданий разом із рисунками в цій статті, був створений компанією Frontiers за підтримки штучного інтелекту, і було докладено розумних зусиль для забезпечення точності, включаючи перевірку авторами, де це можливо. Якщо ви виявите будь-які проблеми, будь ласка, зв'яжіться з нами.

Примітка видавця

Усі твердження, висловлені в цій статті, належать виключно авторам і не обов'язково відображають позицію їхніх афілійованих організацій, видавця, редакторів або рецензентів. Будь-який продукт, який може бути оцінений у цій статті, або твердження, зроблене його виробником, не гарантується та не схвалюється видавцем.

Ось переклад: Посилання

Супутні дані

Заява про доступність даних

Вихідні дані, що підтверджують висновки цієї статті, будуть надані авторами без необґрунтованих обмежень.