CC BY
28
Компьютерно-ориентированные методики
в лечении пациентов с травмой поясничного отдела позвоночника
УДК [617.559:616.711]-001-08
Резюме. В статье представлены компьютерно-ориентированные методики рентгенометрии, которые активно применяются в РНПЦ травматологии и ортопедии при анализе и планировании хирургического лечения пациентов с травмой поясничного отдела позвоночника. Ключевые слова: цифровые технологии, травма поясничного отдела позвоночника, хирургическое лечение.
Ведущее место в диагностике повреждений поясничного отдела позвоночника занимают лучевые методы исследования. Спондилограммы выполняются в двух стандартных проекциях (прямой и боковой) по общепринятым методикам. При необходимости для детализации дополнительно применяются рентгеновская компьютерная (РКТ) и магнитно-резонансная томография (МРТ).
Разметка рентгенограмм требует специальных знаний, которыми обладают только хирурги и рентгенологи с большим опытом работы. Измерение параметров поясничного отдела вручную сопровождается ошибками и значительной вариабельностью результатов у различных исполнителей. Оснащение медицинских учреждений цифровой рентгеновской аппаратурой позволяет применять компьютерные технологии при планировании и анализе итогов проводимого лечения. Программы просмотра изображений («E-film», «Rogan» и др.) упрощают процесс измерений. Для объективной оценки состояния поясничного отдела позвоночника используются
Кирилл Криворот,
научный сотрудник лаборатории травматических повреждений позвоночника и спинного мозга РНПЦ травматологии и ортопедии
десятки параметров, относящихся как к отдельным позвонкам, так и позвоночнику в целом. Поскольку расчет полного их набора весьма трудоемок, все актуальнее становится разработка компьютерно-ориентированных комплексов. Внедрение таких систем в практическое здравоохранение позволит качественно улучшить диагностику и избежать ошибок при лечении травм и заболеваний.
С 2008 по 2010 г. в рамках научно-исследовательской работы по созданию методики рентгенометрии и планирования внутренней стабилизации поясничного отдела позвоночника при его повреждениях и заболеваниях (ГНТП «Лечебно-диагностические технологии», раздел
«Хирургия») РНПЦ травматологии и ортопедии совместно с Объединенным институтом проблем информатики НАН Беларуси с применением информационных технологий была создана соответствующая компьютерная программа «Dorsal» [3], программирование велось на языке Borland Delphi 6.
Диагностика травматических деформаций позвоночника и тактика планирования хирургического лечения опираются на информацию геометрического характера, содержащуюся в рентгенограммах. Используются точечные модели позвонков, которые представлены координатами их характерных точек: 14 точек на прямой проекции и 8 на боковой (рис. 1, 2).
На основе точек определены наборы из линейных, угловых и относительных величин, описывающих форму позвонков, позволяющих оценить отклонения от нормы и планировать хирургическое вмешательство (рис. 3, 4).
По прямой рентгенограмме вычисляются следующие параметры: диаметр верхней и нижней замыка-тельной пластинки (d1 и d2), правая
и левая высота тела позвонка (И1 и И2), боковая компрессия тела позвонка (%), наклон верхней и нижней замы-кательной пластинки тела позвонка, интерпедикулярное расстояние (с), ширина правого и левого корня дуги, смещение вправо, смещение влево, высота нижнего диска справа и слева, угол Кобба, степень выраженности сколиотической деформации, степень ротации позвонка (по НаБИ-Мое), смещение вершинного позвонка, боковой наклон крестца, смещение позвонка 1.1-Б. По боковой рентгенограмме вычисляются: диаметр нижней и верхней замыкательной пластинки (с11 и (С2), высота тела позвонка спереди и сзади (И1 и И2), наклон верхней и нижней замыкательной пластинки, сегментарный лордоз, смещение (Б), высота нижнего диска спереди и сзади (е1 и е2), угол клиновидной деформации тела позвонка (УКД), поперечно-диагональный угол (СОД), задний угол тела позвонка (РУВД), угол перелома, грудопоясничный угол, поясничный лордоз, угол поверхности крестца (БТД), индекс поверхности крестца (БТ!), поясничный индекс (И), пояс-нично-крестцовый угол (15Д), наклон крестца (ББ), крестцовый угол (БД),
смещение L1-S. На рентгенограмме в прямой проекции определяются такие нарушения, как степень компрессии, наличие клиновидной деформации и ее степень, наличие смещения; по боковой - степень компрессии тела позвонка, наличие клиновидной деформации тела позвонка, наличие смещения.
Исходным материалом для программы являются спондилограммы поясничного отдела позвоночника, выполненные в положении пациента стоя в двух стандартных проекциях (прямой и боковой) с помощью цифровой рентгеновской установки как графические файлы в формате JPEG.
Программа позволяет выполнить четыре основных этапа:
■ выбор нужного изображения рентгенограммы;
■ разметку рентгенограммы;
■ определение диагностических параметров и формирование заключения по результатам анализа размеров
и формы позвонков;
■ определение параметров вентральных и дорсальных фиксаторов. Управление программой осуществляется в режиме диалога на языке директивного типа с использованием
системы вложенных меню. Под разметкой рентгенограммы понимают указание на ней положений характерных точек нижнего грудного позвонка, пяти поясничных позвонков и первого сегмента крестца. Точечная модель позвоночника создается посредством последовательного отыскания на рентгенограмме характерных точек позвонков и включения их в точечную модель (рис. 5). Решение о размещении каждой точки принимает пользователь. От того, насколько правильно и точно указано положение характерных точек, зависят значения диагностических параметров и параметров фиксации позвонков.
Результатом работы компьютерной программы является контурная схема позвоночника и таблицы со значениями различных параметров, которые отображаются на экране отдельно для каждой проекции рентгенограмм поясничного отдела (рис. 6). На завершающем этапе предоставляется возможность распечатать вычисленные параметры или передать сформированную информацию в документ Microsoft Office Word или Microsoft Excel для дополнения другими сведениями.
Рис. 1. Точечная модель поясничного позвонка на прямой проекции
1. крайняя правая точка каудальной поверхности тела позвонка;
2. крайняя левая точка каудальной поверхности тела позвонка;
3. крайняя правая точка краниальной поверхности тела позвонка;
4. крайняя левая точка краниальной поверхности тела позвонка;
5. крайняя левая точка правого бокового контура позвонка;
6. крайняя правая точка левого бокового контура позвонка;
7. верхняя точка правого корня дуги позвонка;
8. нижняя точка правого корня дуги позвонка;
9. крайняя правая точка правого корня дуги позвонка;
10. крайняя левая точка правого корня дуги позвонка;
11. верхняя точка левого корня дуги позвонка;
12. нижняя точка левого корня дуги позвонка;
13. крайняя левая точка левого корня дуги позвонка;
14. крайняя правая точка левого корня дуги позвонка.
Рис. 2. Точечная модель поясничного позвонка на боковой проекции
1. точка передне-нижнего угла краниальной поверхности тела позвонка;
2. точказадне-нижнего угла краниальной поверхности тела позвонка;
3. точка передне-верхнего угла краниальной поверхности тела позвонка;
4. точка задне-верхнего угла краниальной поверхности тела позвонка;
5. срединная точка вентральной поверхности тела позвонка;
6. срединная точка дорсальной поверхности тела позвонка;
7. верхняя точка нижнего контура ножки дуги позвонка;
8. нижняя точка верхнего контура корня дуги позвонка.
Рис. 3. Параметры прямой проекции поясничного позвонка
Рис. 4. Параметры боковой проекции поясничного позвонка
При планировании вентральной фиксации вычисляются длины винтов для каждого позвонка, длина пластины, длина и угол клиновидности им-плантата, при планировании дорсальной фиксации - диаметры и длины винтов для каждого позвонка, длина штанги справа и слева (рис. 7).
Для сравнительного изучения результатов рентгенометрии с помощью традиционных методов и разработанной программы было проведено следующее исследование. Изучались рентгенограммы в прямой и боковой проекциях 32 пациентов. В одной серии измерений исследо-
Рис. 5. Разметка рентгенограммы в прямой и боковой проекции
ватель «А» применял программу «Rogan», во втором случае исследователь «Б» применял новую программу «Dorsal». Собранные воедино данные проанализированы с применением статистических методов на предмет идентичности полученных результатов. Проверка выполнялась критериями Вальда-Вольфовица и Стюдента (в случае нормального распределения и совпадения дисперсий). Было доказано, что программа «Dorsal» дает возможность полностью заместить по своим функциям обычно применяемые методики, однако с меньшими на порядок затратами времени [4].
Вместе с тем вышеизложенный компьютерно-ориентированный комплекс не лишен недостатков: он громоздок (для разметки надо расставить 126 точек), работает только с рентгенограммами и только поясничного отдела позвоночника. С учетом этих нюансов в РНПЦ травматологии и ортопедии с 2012 по 2015 г. была создана упрощенная компьютерно-ориентированная методика рентгенометрии [2, 5]. При реализации первых двух версий использовалась технология программирования на языке C# (интегрированная среда Microsof Visual Studio 2010), третья версия реализована на языке Borland Delphi 7. Компьютерная программа «V-calc» может применяться для расчета основных критериев лучевой диагностики повреждений позвоночника [8-10] (степень компрессии тела позвонка, величина кифотической деформации, степень смещения тела
позвонка и степень стеноза) и параметров внутренних фиксаторов (длина и диаметр винта, длина штанги, имплантата и пластины).
Рентгенограммы в боковой проекции могут быть представлены точечными моделями позвонков, состоящими из 8 характерных точек, каждой из которых присваиваются координаты Х, Y (рис. 8).
После активации программа позволяет выполнить: выбор и загрузку на экран ПЭВМ графического файла в формате JPEG (рентгенограмма, РКТ, МРТ или изображение, полученное с применением электорон-но-оптического преобразователя) в боковой проекции; разметку изображения и формирование заключения. Под разметкой изображения позвонка понимают указание на нем в произвольном порядке положения двух, четырех или шести характерных точек трех позвонков. Если программа работает в режиме расчета степени стеноза, то необходимо расставить две точки (дорсальная поверхность тела позвонка и основание остистого отростка), а если в режиме расчета диагностических параметров (не включая степень стеноза) - четыре точки (1-4) по краям тела позвонка. В режиме рентгенометрических параметров металлофиксации расставлять необходимо шесть точек: четыре по краям тела позвонка и две (5, 6) по краям корня дуги позвонка. После разметки программа выводит четыре диагностических параметра и девять параметров планирования металлофиксации (рис. 9).
Для сравнительного изучения результатов рентгенометрии с помощью традиционных методов и разработанной программы было проведено следующее исследование. Сначала применялась стандартная программа «E-Film», а затем - «V-calc» для анализа рентгенограмм, РКТ, МРТ или ЭОП-сканов 40 пациентов. Данные измерений проанализированы с применением статистических методов на предмет идентичности полученных результатов. Проверка выполнялась критерием Стюдента и критериями Вальда-Вольфовица. Было доказано, что созданная компьютерно-ориентированная методика для диагностической рентгенометрии и планирования металлофиксации позвоночника работоспособна, точна, практична и может по некоторым параметрам заменить уже применяющиеся методики [6].
Успех хирургического лечения повреждений поясничного отдела позвоночника во многом зависит от правильного подбора имплантатов (транспедикулярные винты, штанги, кейджи и сетчатые имплантаты) и их установки. На этапе планирования
определяется оптимальная длина и диаметр элементов металлоконструкций, которые будут использованы при монтаже во время операции. Выбор вариантов установки конструкции и размеров ее элементов во многом зависит от анато-мо-морфометрических особенностей строения позвоночника конкретного пациента [1, 7].
С целью улучшения результатов хирургического лечения пациентов с повреждениями поясничного отдела на основе морфометрических параметров позвонков был создан компьютерно-ориентированный комплекс «У-$ЪаЪ». Первым этапом были отобраны цифровые рентгенограммы в двух стандартных проекциях 298 пациентов без врожденных аномалий, деформаций и повреждений позвоночника (наличие дегенеративных изменений не служило основанием для исключения из обследования), которым оказывалась медицинская помощь в РНПЦ травматологии и ортопедии. Рентгенограммы разделены на группы по полу (мужчины и женщины) и по возрасту (21-30, 31-40, 41-50, 51-60 и старше 60 лет), сфор-
мировано 10 групп. В каждой от 19 до 42 пациентов. Затем были определены анатомо-морфометрические параметры позвонков, размеры которых необходимо учитывать при установке металлоконструкции (параметры на прямой проекции: поперечный
Рис. 6.
Вывод заключения
Рис. 7.
Вывод параметров металлофиксации
Рис. 8. Точечная модель позвонка в боковой проекции
1. точка передне-верхнего угла краниальной поверхности тела позвонка;
2. точка задне-верхнего угла краниальной поверхности тела позвонка;
3. точка задне-нижнего угла краниальной поверхности тела позвонка;
4. точка передне-нижнего угла краниальной поверхности тела позвонка;
5. верхняя точка нижнего контура ножки дуги позвонка;
6. нижняя точка верхнего контура корня дуги позвонка;
7. срединная точка дорсальной поверхности тела позвонка;
8. точка основания остистого отростка позвонка.
Рис. 9.
Расчет рентгенометрических параметров и размеров элементов металлоконструкции
Рис. 10.
Окно программы после выбора параметров
размер тела позвонка сверху и снизу, поперечный диаметр правого корня дуги и левого корня дуги; параметры на боковой проекции: передне-задний размер позвонка сверху и снизу, высота тела позвонка спереди и сзади, высота нижнего диска спереди и сзади). Расчет производился с применением компьютерно-ориентированного комплекса «Dorsal». Среднестатистические размеры анатомо-морфоме-трических параметров поясничных позвонков в каждой группе пациентов послужили исходным материалом при создании компьютерно-ориентированного комплекса «V-stat», разработанного в интегрированной среде Borland Delphi 7. Данная методика рентгенометрии может применяться для расчета оптимальных размеров элементов внутренних фиксаторов позвоночника (длина резьбовой части транспедикулярного винта, диаметр транспедикулярного винта, длина штанги, имплантата, пластины, винтов для нее, высота межтелового кейджа).
При запуске в компьютере программы «V-stat» в рабочем окне пользователю необходимо указать пол, возраст пациента, а в списке
«Позвонок» - сломанный позвонок. После нажатия на кнопку «Рассчитать» программа выведет максимально допустимые для данного пола, возраста и сломанного позвонка размеры элементов металлоконструкции (рис. 10).
Таким образом, созданы компьютерно-ориентированные методики для анализа и планирования хирургического лечения пациентов с повреждениями поясничного отдела
позвоночника. Разработки не имеют аналогов по назначению, методологическим основам и функциональным возможностям. Компьютерные программы работоспособны, точны, практичны и могут успешно заменить по некоторым параметрам уже применяющиеся методики рентгенометрии. СИ
Статья поступила в редакцию 20.11.2015 г.
Summary
The leading role in the diagnosis of spine injuries occupy ray methods. Digital X-ray equipment allows to use the computer technology in the planning and analysis of the results of the treatment. At the same time it is very hard to calculate all parameters of spine injury. The article presents computer-oriented vertebral column roentgenometry techniques that are widely used in the Republican Scientific and Practical Centre for traumatology and orthopaedy (Minsk, Republic of Belarus) while analyzing and planning a surgical treatment of patients with trauma in the lumbar part of the spine. This computer programs are unique to the destination, the methodological bases and functionality. They are efficient, accurate, practical and can be successfully replaced in some ways already applied techniques roentgenometer. The introduction of these systems into practical health care will improve the diagnosis and avoid mistakes in the treatment of injuries and illnesses.
See: http://innosfera.by/2016/02/Computer-oriented_techniques
Литература
1. Анисимова Е.А. Закономерности изменчивости размеров и формы позвонков докрестцового отдела позвоночного столба // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Медицинские науки. 2009, №2(10). С. 3-13.
2. Криворот К.А. Цифровые технологии в спинальной хирургии: сб. науч. работ / под ред. A.B. Сикорского, О.К. Кулаги // Ловые исследования молодых ученых 2015».- Мн., 2015. С. 83-88.
3. ЛамбинRH., Мазуренко A.H., Артемьева O.H., Гордон B.C, Криворот К.А. Параметрические модели рентгеновских изображений позвонков // Информатика. 2010, №1. С. 66-74.
4. Мазуренко A.H., Макаревич CB., Миттер A.B., Криворот К.А., Сомова И.К, Артемьева O.H. Сравнение различных методов рентгенометрии поясничного отдела позвоночника // ARS Medica №29. (09) 2010, №1. С. 353-356.
5. Мазуренко A.H., Макаревич CB., Криворот К.А. Расчет основных критериев лучевой диагностики повреждений позвоночника и параметров металлофиксации с применением цифровых технологий // Материалы всероссийской науч.-практ. конф. с международным участием. 13-14 сентября 2013 г., г. Санкт-Петербург. С. 112-113.
6. Макаревич CB., Мазуренко A.H., Криворот К.А. Сравнение методов рентгенометрии позвоночника с применением цифровых технологий // Хирургия. Bосточная Европа. 2014. Спецвыпуск: Материалы IX съезда травматологов-ортопедов Республики Беларусь с международным участием, г. Минск. С. 488-491.
7. Рубашкин С.А. Анатомо-морфометрическое обоснование хирургической коррекции сколиотической деформации: дисс. ... канд. мед. наук: 14.00.22.- Саратов, 2008.
8. Cobb J.R. // The American Academy of Orthopedic Surgeons Instructional Course Lectures. Vol. 5. Ann Arbor, MI: J.E. Edwards; 1948.
9. Keynan O., Charies G. Fisher, Alexander Vaccaro, Michael G. Fehlings // Spine. 2006. Vol. 31, №5. P. E156-E165.
10. McBride G.G. Cotrel-Debousset // Spine. 1993. Vol. 18, №4. P. 466-473.
