CC BY
16
УДИ 617.3; 615.47
Л. Б. РЕЗНИК А. А. НОВИКОВ
Омская государственная медицинская академия
Омский государственный технический университет
МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ЧИСТОТЫ КОСТНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ ЭНДОПРОТЕЗИРОВАНИИ КРУПНЫХ СУСТАВОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ УЛЬТРАЗВУКА_
В статье изложена методика определения чистоты поверхности костного ложа при эн-допротезировании тазобедренного сустава. Вводится классификация видов хирургического загрязнения костной поверхности при подготовке к имплантатции. Описывается новая технология определения количества загрязняющих элементов на поверхности костного ложа с применением информационного анализа изображений. Для регистрации костных фрагментов, не связанных с материнской поверхностью, предложена методика высокотемпературного напыления серебра. В заключение приводится корреляция результатов экспериментальных исследований и теоретических расчётов, позволяющая прогнозировать качество полимерной мантии при цементном эндопротезиро-вании.
Введение
Современные подходы к лечению тяжелой патологии крупных суставов человека сводятся, в основном, к их тотальному замещению - эндопротезиро-ванию. При этом хирургов волнует прежде всего «выживаемость» имплантата с точки зрения его износостойкости, прочности и долговечности функционирования в тканях организма! 1 ]. Среди известных сегодня способов фиксации имплантатов в организме наиболее распространенным является его «вклеивание» в костную ткань на полиметилметакрилат, или «костный цемент«[3]. Такой способ фиксации называется «цементым», и поданным различных национальных регистров развитых стран на него приходится от 4550% [6] до 96,5% [4] всех выполненных за 1994-2002 год операций.
Долговечность функционирования эндопротеза в организме зависит от его надежности, прочности соединения с полимерной «мантией», и прочности соединения самой «мантии» с костным ложем. Прежде всего ученых интересует структура полимера и состояния мантии в процессе ее функционирования. И если в процессе эндопротезирования на прочность полиметилметакрилата повлиять невозможно, то его монолитность и прочность сцепления мантии с костью напрямую зависят от технологии цементирования. Ключевой здесь является зона контакта «кость -полимер», которая и определяет свойства всей формирующейся мантии [2], а эффективное склеивание возможно только при наличии чистой поверхности в этой зоне. В медицинской литературе большое значение придается рентгенологическим и морфологическим методам послеоперационного контроля состо-I яния кости и мантии. Однако методик оценки готов-
ности кости к цементированию и степени ее хирургического загрязнение перед цементированием в доступной литературе нами не обнаружено.
Цель исследования
Разработка методики оценки хирургической чистоты поверхности кости для сравнения эффективности ультразвуковой чистки с другими технологиями эндопротезирования.
Материалы и методы исследования
Нами разработана концепция хирургического загрязнения поверхности кости, где в качестве отправных точек - ориентиров используются анатомические костные ячейки. При этом под хирургической чистотой костной поверхности понимается состояние отсутствия на ней свободно лежащих фрагментов тканей, остающихся после первичной, или грубой обработки кости. В свою очередь эти свободные элементы отнесены нами к факторам хирургического загрязнения. Следует отметить, что среди них только бактериальное загрязнение относится к категории общепринятых и однозначно негативно влияющих на течение раневого процесса. Остальные загрязнители условны и являются таковыми лишь для ситуации цементного протезирования, когда они мешают сцеплению полимера с костью и угрожают развитием осложнений; В таком случае они могут быть отнесены к категории загрязнителей, или «хирургического мусора». Введенная нами условная система координат позволяет оценить расположение этого «мусора« на цементируемой поверхности.
Хирургические загрязненители можно условно разделить на три группы:
1. загрязнители 1-го порядка, (х,), или механическое, выполняемое нерастворимыми, плотными частицами тканей (кость, хрящевая и соединительная ткань, полиметилметакрилат);
2. загрязнители 2-го порядка, (х2), - загрязнение растворимыми в ультразвуковом поле тромботичес-кими и жировыми массами, возникающее в процессе изменения геометрии костного ложа;
3. загрязнители 3-го порядка, (х3), - микробное загрязнение, обусловленное попаданием в рану бактерий как из внутренней среды организма, так и из внешней среды.
Такое разделение способствует пониманию зависимости осложнений цементного протезирования от качества и количества загрязняющих агентов. Совокупности всех объектов - загрязнителей на цементируемой поверхности мы определили как степень хирургической чистоты костной поверхности. При ее определении большое значение имеют визуальные методы, и, прежде всего, «рельеф» поверхности.
В качестве материала для исследований нами использовался экспериментальный (живая кость собаки) и операционный материал (биоптаты), что позволило всесторонне оценить степень чистоты поверхности перед цементированием. Регистрация «рельефа» выполнялось методом микрофотографии. Фотографии получались в цифровом виде и анализировались в компьютерной программе по специальной технологии.
Поскольку подсчет числа загрязняющих элементов на поверхности достаточно трудоемок, а ячеис-тость поверхности неравномерна на различных участках кости, нами предпринята попытка автоматизировать анализ изображения. Методика основана на компьютерном анализе изображения, получаемого в цифровом формате с помощью программы Photoshop (разделLuminosity). Сравнение гистограмм, построенных на основе цветосветовых параметров изображения и степёни чистоты поверхности, определенной статистическим методом, позволило нам установить их взаимосвязь.
Анализировали два параметра гистограмм:
• Std. Devision-значимость разброса яркости изображения;
• Median-интенсивность цвета в среднем интервале разброса яркости.
Полученные данные сравнивали и подвергали статистической обработке.
Для повышения достоверности полученных данных мы разработали методику вакуумного напыления серебра на кость, которая, особенно эффективна в отношении твердых фрагментов (кость) на поверхности.
Серебро напыляли на кость аппаратом ВУП-5 согласно схеме на рис. 1.
Аппарат ВУП-5 имеет высокотемпературную рабочую камеру с двухступенчатой системой вакуумного отсасывания газов. В камере создается вакуумное разряжение порядка 10'6 Па в течение 30 - 40 мин. В центре камеры расположен испаритель в виде вольфрамовой «корзинки», которая нагревается электрическим током до температуры 2000 °С. В «корзинку» помещается кусочек химически чистого серебра массой 3-5 г, который по мере испарения распространяется по всему объему камеры.
Внутренний диаметр камеры составляет 350 мм. По мере удаления от вольфрамового испарителя температура падает. Так, на расстоянии 5 см она состав-
а
Рис. 1. Схема напыления серебра на поверхность кости: 1-вакуумная камера испарителя, 2-костный фрагмент, 3- подставки в камере, 4-очищенное серебро на подставке испарителя.
ляет 100 ± 8,7^, аувнешней границы камеры - около 40 "С. Активное испарение серебра (Ад) происходит со скоростью приблизительно 1 г/мин., в общей сложности от 3 до 5 мин. в зависимости от количества серебра. Для создания устойчивой, хорошо видимой серебряной пленки серебро напыляли двукратно
Распределение загрязнителей трех основных тит пов (х,, х, их3) по поверхности (Б), позволяет рассчитать степень хирургического загрязнения (0) по формуле:
общ
Результаты и их обсуждение
Визуально-статистический метод оценки чистоты костной поверхности
При анализе изображения нам было важно определить связь того или иного элемента с материнской Костной поверхностью, поскольку удалению подлежат только свободные элементы. Для определения загрязненности костных ячеек, существенно влияющей на площадь адгезии ПММА и кости, мы ввели понятие коэффициента удельного загрязнения (к), который представляет собой отношение числа загрязнителей 1-го порядка к числу ячеек в поле зрения, и рассчитывался по формуле: k = Y/Z.
На рис.2 представлено изображение костной поверхности с загрязнением различного типа.
На иллюстрациях хорошо видны загрязняющие элементы различных типов, однако, для облегчения расчетов, фотографии в программе Photoshop трансформировали в негативы. Хорошее освещение находящихся на поверхности фрагментов оптически акцентирует их в негативном изображении, и элементы загрязнения имеют вид темных точек (рис, 3).
Для моделирования и обработки информации было принято формальное изображение четырех костных ячеек в поле зрения при допущении равномерной ячеистости костной поверхности. Число формализованных костных ячеек в группе обозначили Z, а число загрязняющих элементов - У. В понятие «ячейка» включали и костные стенки, и полость внутри нее.
При анализе учитывали элементы загрязнения, сопоставимые по размерам с ячейками 0,2 - 2 мм, поскольку загрязнители меньших размеров не оказывали значимого влияния на прочность мантии. Число таких фрагментов в ячейке колебалось от 0 до 6. Основным требованием при анализе фотографии было, чтобы точечные изображения имели площадь не менее 0,5 мм2. Изображение анализировали на основе формальных вариативных схем в виде простых
Рис. 2. Загрязнение ячеек 1-го и 2-го порядка (обозначено стрелками): механическое (а), жировое и тромботическое (б). Ув.х12,6.
а б
Рис. 3. Позитивное (а) и негативное (б) изображение поверхности с элементами механического загрязнения. Ув.х 12,6.
Таблица 1
Формальные вариативные схемы поверхностного загрязнения кости (в каждом поле зрения четыре костные ячейки)
Вариант Число элементов загрязнения У в четырех ячейках Формализованное изображение четырех ячеек и элементов загрязнения (•) в поле зрения Удельное загрязнение к=У/г Границы значений удельного загрязнения
] 0 1 ! ■ 1 0 к <0,5
! 1',
2 2 1 • .•'• 1. 1 0,5 0,5 £к£ 1,5
1 1 . 1
3 6 " 1 • • 1 1 1,5 0,5 £ к й 1,5
" ! 1
4 9 1 ••• 1 ••» I 2,25 1,55 к£ 4
1 ... 1 1
5 / 16 ! ** • • 4 1,5 й к < 4
1 »• •• ]
6 24 6 к > 4
! 1
Рис. 4. Костная поверхность с различной степенью чистоты и компьютерный анализ их изображения. Ув.х 12,6.
логических таблиц, позволяющих просчитать различные комбинации параметров Y и Z. Данные представлены в табл. 1.
Примеры расчета удельного хирургического загрязнения костной поверхности по табл. 15.
Пример 1.Вариант №3.г = 4;У = 6.Тогдак = 6:4 = = 1,5.
При таком коэффициенте хирургического загрязнения костных ячеек костную поверхность можно считать первично очищенной.
Пример 2. Строка №5. Z = 4; Y = 16. Значит k = = 16:4 = 4.Такую поверхность можно отнести к умеренно загрязненным.
Возможность моделирования и расчета величины механического загрязнения поверхности позволила нам количественно оценивать степень этого загрязнения, и придать математическое значение величине хирургической чистоты. Весь спектр загрязнений был разбит на четыре группы значений величины к.
Классификация степени хирургической чистоты поверхности при эндопротезировании
I степень чистоты - хирургически загрязненная костная поверхность, к > 4;
II степень чистоты - умеренное загрязнение, 1,5£к£4;
III степень чистоты - первично очищенная поверхность, 0,55к^1,5;
IV степень чистоты - хирургически чистая поверхность, к < 0,5.
Данная классификация позволяет сравнивать по чистоте как несколько полей одной поверхности, так и разные поверхности. Основываясь на разработан-
ном нами методе определения загрязненности костной поверхности при эндопротезировании в лабораторных условиях на костном срезе, классификации и параметрах загрязнения, мы предложили компьютерный метод контроля загрязнения в процессе операции.
Определение чистоты костной поверхности на основе компьютерной обработки ее изображения.
Для оценки чистоты костной поверхности анализировали гистограммы. При исследовании изображения (рис.4) видно, что чистая костная поверхность (верхний рисунок слева) отличается по своим цвето-световым характеристикам (верхний рисунок справа) от хирургически загрязненной (нижние рисунки). Исследование 50 изображений костной поверхности с различной степенью очистки подтвердило, что показатели Std. Devision и Median подходят для определения соотношение между чистыми ячейками, которые выглядят на фотографиях темными, и более светлыми, хирургически загрязненными,
Для загрязненной поверхности показатель Std. Devision был на 4 - 8 единиц ниже, чем для чистой костной поверхности. Аналогичная картина отмечена для показателя Median, который для загрязненной поверхности был на 6-12 единиц ниже, чем для очищенной. Однако эта технология не позволила нам достоверно дифференцировать загрязнители различных типов.
При использовании технологии высокотемпературного напыления серебра с костной поверхности испарялось все, кроме твердых костных фрагментов, которые лучше регистрировались благодаря большему, в сравнении с окружающими тканями, осаждению серебра. В результате проведенных экспериментов было установлено, что лучшие результаты да- J ет напыление в двух режимах:
%
Histogram
8491 , ВДеИ ^ , „
\ ? ' egurstii ; ,
.taiat» 75.1 viäftgM^r '
* Vixels £aeteLteM>J .> -
Рис. 5. Изображение костной поверхности с напыленным в режиме 1 серебром, рядом - соответствующая гистограмма: а) после ультразвуковой чистки, б) после традиционного промывания. Ув.х 12,6.
1. удаление образца от испарителя на 50 ± 10 мм и расположение его перпендикулярно вектору движения частиц в камере - режим 1,
2. удаление на 175 мм и расположение его у стенки камеры под углом 20" к вектору движения ионов серебра в камере - режим 2.
Полученные образцы фотографировали, а их изображение анализировали в программе Photoshop.
Режим 1 (рис. 5) позволил получить соотносимые изображения костной поверхности. При сохранении ее структуры высокая температура привела к выпариванию жидкой и белковой составляющей хирургического «мусора» и на поверхности фиксировались только термоустойчивые (костные) фрагменты.
Наглядно видна разница изображений. После ультразвуковой чистки [5] серебро распределилось по поверхности неравномерно, преимущественно в виде точек. В то же время на костной поверхности после промывания почти сплошь просматриваются участки с серебряной пленкой, соответствующие фрагментам загрязнения. На представленных (рис.6) изображениях хорошо видны различия в характере костной поверхности, а также параметры компьютерного графика.
Поскольку ранее определена взаимозависимость параметров изображения и степени чистоты поверхности, в данном исследовании мы использовали их в качестве критериев для оценки. Сравнивали также I Std, Devision - значимость разброса яркости изобра-
жения, и Median - интенсивность цвета в среднем интервале разброса яркости (табл.2).
Оказалось, что при серебрении разброс яркобгиизо-бражения (Std. Devision, или S.D.) возрастал в среднем на 30 %. Разброс интенсивности цвета (Median, или М) в среднем интервале разброса яркости в условиях напыления серебра уменьшался в среднем на 25%.
Таким образом установлено, что:
• метод регистрирует разницу информационных параметров изображения поверхности кости, в зависимости от технологии ее подготовки;
• после нанесения на поверхность кости серебра разброс яркости изображения возрастает на 30%, а разброс интенсивности цвета уменьшается почти на столько же.
Свойства костной поверхности по показателю Std. Devision (S D) и Median (M) при различных условиях ее подготовки оценивали по их градиенту. Варианты хирургической подготовки кости к цементированию, и ее специальной обработки серебром, обозначены в таблице 3 соответствующими литерами: А -кость, которую не подвергали какой-либо хирургической чистке; В - кость промывали с помощью шприца; С -УЗ-подготовка костной поверхности. Выделены основные группы образцов, исходя из технологии напыления серебра:
0 — без напыления,
1 — напыление серебра в режиме 1,
2 — напыление серебра в режиме 2.
Рис. 6. Изображение костной поверхности с напыленным в режиме 2 серебром, рядом - соответствующая гистограмма: а) после ультразвуковой чистки, б) традиционного промывания кости.Ув.г12,6.
Таблица 2
Зависимость параметров гистограммы от способа подготовки костной поверхности при разных режимах напыления, М±т.
№ Технология обработки поверхности кости Std. Devision (S.D) Median (М)
Без напыления Ад1* В режиме напыления Адг* Без напыления в режиме напыления Ад7*
1 2 1 2
1 Отсутствие промывания 20,1 ±2 ,3 35,78 ±5,2 35,23 ±4,2 109 ±8 81 ± 4 88 ±5
2 Шприцевое промывание 21,45 ± 1.7 35,26±3,8 34,15±[,3 111 ± 15 79±4 86±3
3 Ультразвуковая обработка 26,04 ±4,5 34,48±6,4 32,91 ±2,2 118± 10 75±3 77 ±3
Градиент рассчитывали внутри этих групп исследуемых образцов попарно, в зависимости от способа обработки и наличия напыления серебра по формулам: Д, = а - Ь; Д2 = Ь - с; Д3 = а - с.
Из таблицы 3 видно, что максимальная разница и с напылением серебра, и без пего как по значимости разброса яркости изображения ( Б Э), так и по разбросу интенсивности цвета в среднем интервале яркости (М) была во всех случаях между образцами кос-
ти с традиционным промыванием и образцами, очищенными ультразвуком.
Проведенные исследования доказали, что • напыление серебра (особенно в режиме 2-го типа, когда образец удален от испарителя на 175 мм и расположен под утлом 20 градусов к вектору движения ионов серебра) повышает достоверность и информативность при оценке чистоты костной поверхности перед эндопротезированием;
Таблица 3
ГрадиентЛразброса значимости яркости (в-И.) и средней интенсивности цвета (М) на гистограммах при различных вариантах обработки образцов •
Режим Технология обработки напыления Ад Вариант поверхности кости Д, Д! Д3 Л1 5.0. Э.О. Б.О. МММ (а-Ь) (Ь-с) (а-с) (а-Ь) (Ь-с) (а-с)
А Без промывания Промывание шприцом С УЗ - обработка -0,48 ^--- V. -2 —-- -5,07 -9 ——— -4.59
А Без промывания Промывание ' шприцом С УЗ — обработка 0,52 -- 2 - 1,3 в :—--—— 0,78 *
А Без промывания ^ „ Промывание шприцом С УЗ -обработка 0,58 —-.-— 2 , ■ ......-- . ■ ■■' '2,32 . И ■ ' ■'■... .: 1,08 :■ 7
объяснение цифры в залитой ячейке — см. головку таблицы
Таблица 4
Единая таблица соотношения значений степени хирургической чистоты костной поверхности, определенных статистическим и компьютерным методами, М± т
Степень чистоты поверхности Коэффициент загрязнения поверхности к Чистота поверхности, определенная компьютерным методом (условные единицы)
Без напыления Ад С напылением Ад
БШ.Оеу. Мес^ап БиШеу. МесНап 88 ±4,5
I к > 4 20,1 ±5,3 107 ±5 35,23 ± 4,6
11 1,5 £к £4 21,45 ±6,1 11 2±9 34,15 ±2,7 86 ±3,8
III 0,5 £к£1,5 23,2 ± 5,8, 114 ±12 33,11 ±2,47 82 ±3,3
IV к < 0,5 26,04±4,43 118± 10 32,91 ±4,5 77±2,7
• ультразвуковая обработка обеспечивает более высокую, чем другие методы, степень чистоты костной поверхности, что проявляется в отсутствии выступающих освещенных микрообъектов и в достоверном снижении компьютерных показателей освещенности-значимости разброса яркости изображения и интенсивности цвета в среднем интервале разброса яркости.
Интегральная система оценки чисто ты поверхности
Конечной целью исследований было создание метода оперативной оценки степени чистоты костного ложа и его готовности к цементированию. Сопоставив коэффициенты загрязнения костной поверхности из предложенной нами «Классификации...» с результатами, полученными с помощью компьютерной обработки изображения в цифровом формате, мы установили их четкую корреляцию, на основе которой построили таблицу, позволяющую избирательно контролировать достаточность очистки костного ло-
жа в ходе операции, непосредственно перед имплантацией (табл. 4).
На основе этой таблицы, имея фотографию поверхности кости в цифровом формате, в ходе операции можно оперативно проанализировать ее и оценить степень подготовки кости к цементированию. Данная методика имеет самостоятельное применение. Нет необходимости в постоянных исследованиях такого рода, однако периодическая оценка состояния костной поверхности перед цементированием поможет хирургу при необходимости скорректировать.
Выводы
1. Степень хирургической чистоты костной поверхности - важный показатель, определяющий монолитность и прочность мантии из полиметилметак-рилата при цементном эндопротезировании.
2. Методики экспериментальной оценки чистоты костной поверхности на основе информационной обработки изображений позволяют контролировать
качества подготовки поверхности кости к эндопроте-зированию.
3. Напыление серебра на поверхность при удалении кости на 175 мм от источника ионов и расположении под углом 20° к вектору их движения - эффектов -ный способ визуализации хирургического загрязнения элементами 1-го порядка.
4. Применение ультразвуковой обработки костной поверхности при цементировании обеспе-чивает высокую степень ее чистоты, хорошее качество полимерной мантии и надежность фиксации эндопро-тезов.
3. ChamleyJ. Acrylic bone cement in orthopaedic.//Surg. Livingstone E. and S.- Edinburgh-London, 1970. - P.276.
4. Herberts P., Malchau H. Long-term registration has improved the quality of hip replacement.-Areview of the Swedish THR Register comparing 160,000 cases.//Acta Orthop. Scand.-2000.-Vol. 71, N.2. -P. 111-121.
5. KlapperR.C., Caillouette J.T., Callaghan J.J., etal. Ultrasonic technology in revision joint arthroplasty. // Clin. Orthop.-1992.-N.285.-P.147-154.
6. Malchau H., Herberts P. ARSRAPPORT Nationalregistret for Hoftledsplastikeri Sverige. Avdelningen forOrtopedi Sablgrenska Unniversitetssjukbuset.-Maj, 2002.
Библиографический список
1. Корнилов H.B., Войтович A.B. и др. Хирургическое лечение дегенеративно-дистрофическихпоражений крупных суставов. -СПб., 1997.-С. 174-175.
2. Bishop N.Е„ Fergusons., Tepic S. Porosity reduction in bone cement at the cement-stem interface //J. Bone Joint Surg.-1996,-Vol.78-B., N.3.-P.237 - 241.
РЕЗНИК Леонид Борисович, кандидат медицинских наук, заведующий отделением травматологии железнодорожной больницы г. Омска. НОВИКОВ Алексей Алексеевич, кандидат технических наук, заместитель проректора по научной работе Омского государственного технического университета.
Книжная полка
Аляутдин Р.Н. Фармакология: Учебник для вузов / Р.Н. Аляутдин. — М.: ГЭОТАР Медицина, 2004.
Внутренние болезни. В 2 т. Т. 1: Учебник / Под ред. А.И. Мартынова, H.A. Мухина, B.C. Моисеева и др. - М.: ГЭОТАР-МЕД, 2004. - (XIX век).
Внутренние болезни. В 2 т. Т. 2: Учебник / Под ред. А.И. Мартынова, H.A. Мухина, B.C. Моисеева и др. - М.: ГЭОТАР-МЕД, 2004. - (XIX век).
Милюкова И.В. Лечебная гимнастика при заболевании органов дыхания / И.В. Милюкова. — М.: Эксмо, 2004.
Светлов Р. Генетика и здоровье / Р.Светлов. — СПб.: Весь, 2004. — (Энергия жизни).
Суворов А.П. Атеросклероз: диагностика, профилактика и методы лечения / А.П. Суворов, С.А. Суворов. — М.: Центрполиграф, 2003. — (Рекомендации ведущих специалистов).
