CC BY
84
НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ТРАВМАТОЛОГИИ И ОРТОПЕДИИ
УДК 616.718.4-089.85-053.2 DOI: 10.17816/PTORS4352-58
ПЛАНИРОВАНИЕ КОРРИГИРУЮЩЕЙ ОСТЕОТОМИИ БЕДРЕННОЙ КОСТИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ SD-МОДЕЛИРОВАНИЯ. ЧАСТЬ I
© А.Г. Баиндурашвили, В.Е. Басков, А.В. Филиппова, П.И. Бортулев, Д.Б. Барсуков, И.Ю. Поздникин, С.Ю. Волошин, Т.В. Баскаева, М.С. Познович
ФГБУ «НИДОИ им. Г.И. Турнера» Минздрава России, Санкт-Петербург
Статья поступила в редакцию: 14.07.2016 Статья принята к печати: 09.08.2016
Введение. При стандартном планировании корригирующей остеотомии бедра схема хирургического вмешательства создается на одноплоскостном бумажном носителе на основании рентгеновского изображения. Визуализация при помощи одноплоскостной скиаграммы не в состоянии передать истинную пространственную конфигурацию бедренной кости. При совмещении одноплоскостной модели и трехмерной кости неизбежно возникают субъективные погрешности, вызывающие искажение заданных параметров, что может приводить к грубым ошибкам и, как следствие, к повторным операциям.
Цель исследования — разработка нового трехмерного метода планирования и выполнения корригирующей остеотомии бедренной кости с использованием визуализирующих компьютерных технологий с оценкой эффективности предложенного метода по сравнению с одноплоскостным планированием по рентгенограммам. Материалы и методы. Представлен новый способ планирования корригирующей остеотомии бедра у детей с различной патологией тазобедренного сустава. Проведен анализ результатов планирования корригирующей остеотомии бедра у 27 пациентов в возрасте от 5 до 18 лет (32 тазобедренных сустава) с врожденной и приобретенной деформацией бедренной кости.
Заключение. Планирование операций на компьютере с использованием трехмерного моделирования минимизирует возможность возникновения субъективных ошибок, что улучшает результаты лечения за счет повышения точности планирования и выполнения хирургического вмешательства.
Ключевые слова: дети, тазобедренный сустав, 3D-моделирование, корригирующая остеотомия бедра.
Введение
При хирургическом лечении детей с врожденной и приобретенной патологией тазобедренного сустава (дисплазии, последствия инфекционного поражения, последствия травмы и аваскулярного некроза и др.) практически во всех случаях требуется коррекция угловых величин проксимального отдела бедренной кости. Результаты ортопедических операций напрямую зависят от точности предоперационного планирования и интраопера-ционного исполнения.
При стандартном планировании корригирующей остеотомии бедренной кости схема хирургического вмешательства выполняется на скиа-грамме — одноплоскостном бумажном носителе, созданном на основании рентгеновского изображе-
ния. Металлоконструкция для остеосинтеза подбирается «прикладыванием» к рентгенограмме [1]. Визуализация при помощи одноплоскостной скиа-граммы не может передать истинную пространственную конфигурацию бедренной кости. В ходе хирургического вмешательства при совмещении одноплоскостной модели и трехмерной кости неизбежно возникают субъективные погрешности, вызывающие искажение заданных параметров, что приводит к грубым ошибкам и, как следствие, к повторным операциям.
Отличительной особенностью современных визуализирующих компьютерных технологий является то, что они имеют практически неограниченные возможности и позволяют провести точную топическую диагностику, рассчитать параметрические данные и осуществить вир-
туальное моделирование любого трехмерного объекта.
Цель исследования
Цель исследования — разработка нового трехмерного метода планирования и выполнения корригирующей остеотомии бедренной кости с использованием визуализирующих компьютерных технологий с оценкой эффективности предложенного метода по сравнению с одноплоскостным планированием по рентгенограммам.
Материалы и методы
В работе представлен новый способ планирования корригирующей остеотомии бедра у детей с различной патологией тазобедренного сустава (заявка на изобретение «Способ корригирующей остеотомии бедренной кости», приоритетная справка № 2016105166 от 16.02.2016). Проведен анализ результатов планирования корригирующей остеотомии бедра у 27 пациентов в возрасте от 5 до 18 лет (32 тазобедренных сустава) с врожденной и приобретенной деформацией бедренной кости.
Для выполнения скиаграмм использованы рентгенограммы тазобедренных суставов, бумага, карандаш, ножницы и клей.
Для 3D-моделирования использованы компьютерные томограммы бедренных костей тех же пациентов и комплекс адаптированного нами 3D-программного обеспечения. Для прототипи-рования использован 3D-принтер EnvisionTeC's ULTRA 3SP (компания EnvisionTeC, Германия).
Методики предоперационного планирования
Этапы одноплоскостного планирования корригирующей остеотомии бедренной кости
Выполнялись рентгенограммы тазобедренных суставов в прямой проекции в среднем положении, с внутренней ротацией бедра и по Лау-энштейну. Расчерчивались оси диафиза и шейки бедренной кости. Измерялся истинный и проекционный шеечно-диафизарный угол (ШДУ). Для вычисления истинного угла антеверзии использовались математические таблицы Strzyzewski [2] или Shartlain [3].
На рентгенограмме измеряется угол между осью шейки и касательной к наружному контуру диафиза — Ь, равный 90°. Иссекаемым клином на скиаграмме является треугольный участок edf, равный 40°. Угол edf равен углу с; с — степень коррекции; а — требуемый ШДУ, равный 130°; de — линия остеотомии, равная 2,5 см. При выполнении остеотомии с иссечением клина сначала производится остеотомия бедра — ed, затем отмеряется расстояние ef и осуществляется иссечение edf (рис. 2) [4].
Полученные данные переносятся на бумажную скиаграмму, на которой вырезается клин, а затем сопоставляются фрагменты (рис. 3).
В итоге получается условное изображение реконструкции бедренной кости, основанное на од-ноплоскостной модели (рис. 4).
Используя данный способ предоперационного планирования, можно условно смоделировать коррекцию ШДУ, однако невозможно точно рассчитать коррекцию угла антеверзии шейки бедренной кости, так как данный угол находится в плоскости, перпендикулярной плоскости
а б в
Рис. 1. Рентгенограммы пациентки С. (а — в прямой проекции, б — по Рис. 2. Вычисление иссекаемого Лауэнштейну, в — с внутренней ротацией бедра) до хирургического лечения. клина по одноплоскостной рент-Дистрофическая варусная деформация проксимального отдела бедренной кости генограмме
Рис. 3. Скиаграмма корригирующей остеотомии бедренной кости
Рис. 4. Реконструкция бедренной кости на основании одноплоскостной модели
рентгенограммы, выполненной в переднезадней проекции. Интраоперационно угол антеверзии приходится задавать приблизительно на основании визуальной и пальпаторной оценки формы бедренной кости, полагаясь только на мануальные навыки хирурга.
Этапы 3D-моделирования корригирующей остеотомии бедренной кости
1. Используя данные компьютерной томографии бедренной кости в программе для 3Б-моделирования, путем конвертации создается трехмерная модель бедренной кости (рис. 5).
2. В 3Б-программе под контролем различных проекций (perspective, right, left, top, front) рас-
считывается ШДУ, определяемый пересечением линий оси диафиза бедренной кости и оси шейки бедренной кости во фронтальной плоскости и равный 95,66° (рис. 6).
3. Под контролем различных проекций рассчитывается угол антеверзии, определяемый пересечением в горизонтальной плоскости линии оси шейки и тангенциальной линии мыщелков бедренной кости и равный 3,45° (рис. 7).
4. Для планирования остеосинтеза к 3Б-модели бедренной кости из созданной нами виртуальной базы добавляется 3Б-модель фиксирующей металлоконструкции, в данном случае пластина 130° DePyu Synthes LCP pediatric hip plate. Для пози-
а б
Рис. 5. Создание ЭБ-модели тазобедренных суставов (а — вид спереди, б — вид сверху)
Рис. 6. Вычисление шеечно-диа-физарного угла на ЭБ-модели бедренной кости (вид спереди)
Рис. 7. Вычисление угла антевер-зии на 3D-модели бедренной кости (вид снизу): а — линия оси шейки; б — тангенциальная линия мыщелков бедренной кости
Рис. 8. Проведение направляющей спицы
ционирования пластины виртуально проводится направляющая спица (рис. 8).
5. Виртуально выполняется межвертельная остеотомия бедренной кости (рис. 9).
6. В проекции top в 3D-программе выполняется поворот дистального отдела бедренной кости до запланированного угла антеверзии (15°), образованного пересечением линии оси шейки и тангенциальной линии мыщелков бедренной кости. На дистальный и проксимальный отделы бедренной кости в одну линию на уровне и перпендикулярно плоскости остеотомии создаются проксимальная и дистальная торсионные метки, привязанные к проксимальному и дистальному отделам бедренной кости соответственно. С целью дальнейшего моделирования шаблона дис-тальный отдел бедренной кости с привязанной к нему дистальной торсионной меткой возвращается в исходное положение (рис. 10).
7. Ведущую роль играет выбор точки вращения при перемещении проксимального фрагмента бедренной кости до запланированной величины ШДУ, равной 130°. Образовавшаяся зона наложения дистального и проксимального фрагментов бедренной кости соответствует форме резецируемого костного клина, угол костного клина равен 37,08°, основание — 17,39 мм (рис. 11).
8. После виртуального удаления костного клина сопоставляются дистальный и проксимальный фрагменты бедренной кости (рис. 12).
Обсуждение
Данные, полученные при сравнении методики одноплоскостного планирования с 3D-мо-делированием, представлены в табл. 1.
Рис. 9. Проведение плоскости остеотомии между проксимальным и дистальным отделами бедренной кости
а б
Рис. 10. Создание торсионных меток после коррекции угла антеверзии (а); ротация в исходное положение дистального фрагмента бедренной кости с привязанной к нему дистальной торсионной меткой (б)
Рис. 11. Точка вращения при перемещении проксимального фрагмента бедренной кости. Зона наложения проксимального и дистального фрагментов бедренной кости
Рис. 12. Резецируемый костный клин. Сопоставление фрагментов бедренной кости
Таблица 1
Сравнение результатов, полученных путем вычисления по методике одноплоскостного планирования
и 3D-моделирования
Показатели Одноплоскостное планирование 3D-моделирование
Шеечно-диафизарный угол, ° 91 95,66
Угол антеверзии, ° - 3,45
Угол иссекаемого клина, ° 30 37,08
Основание костного клина, мм 25 17,39
Аналогично выполнен сравнительный анализ расчетов 3Б-моделирования и одноплоскостного планирования у 27 пациентов (32 тазобедренных сустава). Выявлено, что средняя разница в измерении угловых показателей составила 6° ± 2°(р < 0,05), в линейных показателях разница составила 4 мм ± 2 мм (р < 0,05).
При выполнении предоперационного планирования с использованием одноплоскостных скиаграмм выявлены следующие недостатки:
- на рентгенограмме структуры тазобедренного сустава накладываются и «затеняют» друг друга, что затрудняет его достоверную оценку, которая в данном случае зависит от укладки пациента и степени развития пространственного мышления хирурга;
- при совмещении одноплоскостной модели и трехмерной кости неизменно возникают неточности, приводящие к искажению заданных параметров.
Перечисленное ведет к возникновению погрешностей при выполнении корригирующей остеотомии, что отрицательно сказывается на результатах лечения.
Методика 3Б-моделирования отличается от одноплоскостного планирования тем, что:
- проведенные под контролем различных проекций в 3Б-программе линии обеспечивают идеальную точность расчета угловых величин;
- только 3D-моделирование дает возможность точно спланировать коррекцию угла антевер-зии;
- минимизируются погрешности при определении истинной формы и размеров резецируемого костного клина;
- виртуальный каталог металлоконструкций позволяет подобрать необходимый фиксатор с идеальной точностью;
- позволяет смоделировать несколько вариантов оперативного лечения и выбрать оптимальный вариант, необходимый данному пациенту, для достижения наилучшего результата лечения.
Заключение
Использование расчетов, полученных путем расчерчивания рентгенограмм, не является точным и надежным способом в предоперационном планировании и контроле выполнения корригирующей остеотомии бедренной кости. Планирование операций на компьютере с использованием трехмерного моделирования минимизирует возможность возникновения субъективных ошибок, что улучшает результаты лечения за счет повышения точности планирования и выполнения хирургического вмешательства [5]. Точный выбор уровня остеотомии, формы костного клина и металлоконструкции не только во многом определяет ход операции, но и оказывает решающее влияние на исход лечения в целом.
Грамотное планирование оперативного вмешательства является показателем не только профессионального уровня, но и культуры в работе хирурга. В специализированных ортопедических отделениях не рекомендуется проводить реконструктивные вмешательства без составления качественного математического предоперационного планирования [1].
Способ выполнения корригирующей остеотомии бедренной кости с использованием индивидуального шаблона, а также результаты будут представлены во второй части статьи.
Информация о финансировании и конфликте интересов
Авторы декларируют отсутствие конфликта интересов, связанных с публикацией настоящей статьи. Работа выполнена в рамках НИР, утвержденной ФГБУ «НИДО им. Г.И. Турнера» Минздрава России.
Список литературы
1. Соколовский А.М., Соколовский О.А., Голь-дман Р.К., Деменцов А.Б. Планирование операций на проксимальном отделе бедренной кости // Журнал медицинские новости. - 2005. - № 10. - С. 2629. Доступно по: http://www.mednovosti.by/journal. а8рх?ах!1с1е=1043. Ссылка активна на 06.07.16.
[Sokolovskii AM, Sokolovskii OA, Gol'dman RK, De-mentsov AB. Planirovanie operatsii na proksimal'nom otdele bedrennoi kosti. Zhurnal meditsinskie novosti. 2005;10:26-29. (In Russ).] Доступно по: http://www. mednovosti.by/journal.aspx?article=1043. Ссылка активна на 06.07.16.
2. Басков В.Е. Ортопедохирургическое лечение детей с диспластическим маргинальным вывихом бедра: Дис. ... канд. мед. наук. - СПб., 2009. [Baskov VE. Ortopedo-khirurgicheskoe lechenie detei s displas-ticheskim marginal'nym vyvikhom bedra. [dissertation] Saint Petersburg; 2009. (In Russ).]
3. Мирзоева И.И., Гончарова М.Н., Тихоненков Е.С. Оперативное лечение врожденного вывиха бедра у
детей. - Л.: Медицина, 1976. [Mirzoeva II, Goncharo-va MN, Tikhonenkov ES. Operativnoe lechenie vrozh-dennogo vyvikha bedra u detei. Leningrad: Meditsina; 1976. (In Russ).]
4. Баиндурашвили А.Г., Краснов А.И., Дейнеко А.Н. Хирургическое лечение детей с дисплази-ей тазобедренного сустава. - СПб.: СпецЛит, 2011. [Baindurashvili AG, Krasnov AI, Deineko AN. Khirurgicheskoe lechenie detei s displaziei tazobed-rennogo sustava. Saint Petersburg: SpetsLit; 2011. (In Russ).]
5. Brown G, Firoozbakhsh K, DeCoster T, et al. Rapid prototyping: the future of trauma surgery? J Bone Joint Surg [Am]. 2003;85-A(Suppl):49-55.
PLANNING FOR CORRECTIVE OSTEOTOMY OF THE FEMORAL BONE USING 3D-MODELING. PART I
© A.G. Baindurashvili, V.E. Baskov, A.V. Filippova, P.I. Bortulev, D.B. Barsukov, I.Y. Pozdnikin, S.Y. Voloshin, T.B. Baskaeva, M.S. Poznovich
The Turner Scientific and Research Institute for Childrens Orthopedics, Saint Petersburg, Russia
For citation: Pediatric Traumatology, Orthopaedics and Reconstructive Surgery, 2016;4(3):52-58 Received: 14.07.2016
Accepted: 09.08.2016
Introduction. In standard planning for corrective hip osteotomy, a surgical intervention scheme is created on a uniplanar paper medium on the basis of X-ray images. However, uniplanar skiagrams are unable to render real spatial configuration of the femoral bone. When combining three-dimensional and uniplanar models of bone, human errors inevitably occur, causing the distortion of preset parameters, which may lead to glaring errors and, as a result, to repeated operations. Aims. To develop a new three-dimensional method for planning and performing corrective osteotomy of the femoral bone, using visualizing computer technologies. Materials and methods. A new method of planning for corrective hip osteotomy in children with various hip joint
pathologies was developed. We examined the method using 27 patients [aged 5-18 years (32 hip joints)] with congenital and acquired femoral bone deformation. The efficiency of the proposed method was assessed in comparison with uniplanar planning using roentgenograms. Conclusions. Computerized operation planning using three-dimensional modeling improves treatment results by minimizing the likelihood of human errors and increasing planning and surgical intervention accuracy.
Keywords: children, hip joint, 3D-modeling, corrective hip osteotomy.
Сведения об авторах
Алексей Георгиевич Баиндурашвили — д-р мед. наук, профессор, чл.-корр. РАН, заслуженный врач РФ, директор ФГБУ «НИДОИ им. Г.И. Турнера» Минздрава России. E-mail: [email protected].
Владимир Евгеньевич Басков — канд. мед. наук, руководитель отделения патологии тазобедренного сустава ФГБУ «НИДОИ им. Г.И. Турнера» Минздрава России. E-mail: [email protected].
Анастасия Викторовна Филиппова — научный сотрудник научно-организационного отдела ФГБУ «НИДОИ им. Г.И. Турнера» Минздрава России. E-mail: [email protected].
Павел Игоревич Бортулев — научный сотрудник отделения патологии тазобедренного сустава ФГБУ «НИДОИ им. Г.И. Турнера» Минздрава России. E-mail: [email protected].
Alexey G. Baindurashvili — MD, PhD, professor, corresponding member of RAS, honored doctor of the Russian Federation, Director of The Turner Scientific and Research Institute for Childrens Orthopedics. E-mail: [email protected].
Vladimir E. Baskov — MD, PhD, head of the department of hip pathology. The Turner Scientific and Research Institute for Children's Orthopedics. E-mail: dr.baskov@ mail.ru.
Anastasia V. Filippova — MD, research associate of the scientific-organizational department. The Turner Scientific and Research institute for Children's Orthopedics. E-mail: [email protected].
Pavel I. Bortulev — MD, research associate of the department of hip pathology. The Turner Scientific and Research Institute for Children's Orthopedics. E-mail: [email protected].
Дмитрий Борисович Барсуков — канд. мед. наук, старший научный сотрудник отделения патологии тазобедренного сустава ФГБУ «НИДОИ им. Г.И. Турне-ра» Минздрава России. E-mail: [email protected].
Иван Юрьевич Поздникин — канд. мед. наук, научный сотрудник отделения патологии тазобедренного сустава ФГБУ «НИДОИ им. Г.И. Турнера» Минздрава России. E-mail: [email protected].
Сергей Юрьевич Волошин — канд. мед. наук, заведующий отделением патологии тазобедренного сустава ФГБУ «НИДОИ им. Г.И. Турнера» Минздрава России. E-mail: [email protected].
Тамила Владимировна Баскаева — врач травматолог-ортопед отделения патологии тазобедренного сустава ФГБУ «НИДОИ им. Г.И. Турнера» Минздрава России. E-mail: [email protected].
Махмуд Станиславович Познович — аспирант ФГБУ «НИДОИ им. Г.И. Турнера» Минздрава России.
Dmitry B. Barsukov — MD, PhD, senior research associate of the department of hip pathology. The Turner Scientific and Research Institute for Children's Orthopedics. E-mail: [email protected].
Ivan Y. Pozdnikin — MD, PhD, research associate of the department of hip pathology. The Turner Scientific and Research Institute for Children's Orthopedics. E-mail: [email protected].
Sergei Y. Voloshin — MD, PhD, chief of the department of hip pathology. The Turner Scientific and Research Institute for Children's Orthopedics. E-mail: volochin_ortoped@ mail.ru.
Tamila V. Baskaeva — MD, orthopedic surgeon of the Turner Scientific and Research Institute for Children's Orthopedics. E-mail: [email protected].
Mahmoud S. Poznovich — MD, PhD student of the Turner Scientific and Research Institute for Children's Orthopedics.
