CC BY
23
УДК 617.3
© В.Б. Шишкин, В.Г. Голубев, 2016
В.Б. Шишкин, В.Г. Голубев ТРЕХМЕРНАЯ КОМПЬЮТЕРНАЯ ДИАГНОСТИКА КОСТНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ
ФБГУЗ «Центральная клиническая больница Российской академии наук», г. Москва
Деформации костной системы, возникающие в результате травм или заболеваний, нередко представляют сложности в диагностике ввиду трудности правильной оценки и отсутствия представления о величине необходимой коррекции. Основным инструментом диагностики в данных сложных клинических ситуациях остается рентгенография, которая не всегда достаточно информативна. Даже несмотря на развитие такого современного метода исследования, как компьютерная томография, выявление патологических изменений костной системы остается сложной задачей. Целью данного исследования явилась разработка новых технологий и способов оценки строения костной системы у пациентов с переломами костей конечностей и посттравматическими деформациями костной системы с применением технологии трехмерной компьютерной реконструкции и моделирования на основе данных компьютерной томографии с учетом индивидуальных особенностей изменений костной системы принципа сравнительной оценки по контралатеральной конечности. При помощи указанной методики проведено исследование 73 пациентов с положительными результатами. Таким образом, применение предлагаемой диагностической технологии повышает точность оценки имеющихся изменений костной системы и положительно сказывается на выработке дальнейшей тактики лечения.
Ключевые слова: трехмерная компьютерная реконструкция компьютерных томограмм, компьютерное моделирование, посттравматические деформации костей конечностей, неправильно сросшиеся переломы костей конечностей, диагностика костных деформаций.
V.B. Shishkin, V.G. Golubev 3D COMPUTER DIAGNOSIS OF BONE DEFORMITIES
Bone deformities resulting from injuries or illnesses can often be difficult to identify because of problems with correct assessment, based on lack of adequate information of the amount of the necessary correction. Radiography remains the main diagnostic tool in these difficult clinical situations, but it sometimes can be non-informative. Despite the development of such up-to-date diagnostic methods as computed tomography, detection of pathological changes in the skeletal system still remains a challenge. The aim of this study was to develop new technologies and ways to assess the bone structure in patients with fractures and posttraumatic deformities of bones with the use of three-dimensional computer reconstruction and modeling of computer tomography data, focusing on the individual changes in the skeletal system and applying the principle of comparative matching of the paired contralateral limb. 73 patients were examined with the mentioned technique with good results. The use of the proposed technology improves the diagnostic accuracy of changes in the skeletal system and has a positive impact on the development of future treatment strategies.
Key words: three-dimensional computer reconstruction of CT (computed tomography) data, computer assisted orthopedic surgery, posttraumatic bone deformities, fracture malunions, diagnostics of bone deformities.
Деформации костной системы, возникающие в результате травм или заболеваний, нередко представляют сложности в диагностике ввиду трудности правильной оценки и отсутствия необходимого представления о величине необходимой коррекции. Сросшиеся со смещением костные структуры после неадекватно проведенного лечения зачастую отличаются по своим анатомо-морфологическим характеристикам от нормальной анатомии скелета человека, что может поставить хирурга в затруднительное положение. Не имея полноценного представления о величине и локализации костных изменений, невозможно выработать правильный план дальнейшего лечения.
Основным инструментом диагностики в данных сложных клинических ситуациях остается рентгенография. При возникновении вопросов о характере изменений костной структуры выполняются сравнительные снимки идентичных областей поврежденной и здоровой конечностей [2]. Использование метода сравнительной оценки схожих анатомических структур контралатеральных конечностей подтверждается литературными данными, подкрепленными результатами анатомических и инструментальных исследований. Имеются исследо-
вания, подтверждающие контралатеральную идентичность ладьевидных [9,10], плечевой [14] костей, костей предплечья [6,8,11,13] и ключиц [12] у человека. При исследовании костного скелета овец обнаружено сходство большебер-цовых костей противоположных конечностей [5]. Таким образом, можно говорить о целесообразности использования принципа сравнительной оценки деформаций костей конечностей. Методика сравнительной рентгенографии проста и доступна, однако обладает некоторыми недостатками. Так, достаточно сложно добиться точного соответствия проекций на снимках при наличии выраженных деформаций костной системы, так как не всегда возможно выполнить правильно укладку конечности, что влечет за собой неточности в оценке и трактовке полученных результатов. Следует также учитывать и погрешности при проявлении рентгеновских снимков, в ряде случаев снижающих их диагностическую ценность, а зачастую требующих выполнения новых рентгенограмм [4]. Кроме того, рентгенограмма, являясь плоскостным изображением и по сути представляя собой изображение теней структур организма, полученных посредством гамма-излучения, не дает полного понимания о пространственном строе-
нии той или иной зоны исследования [7]. Несмотря на наличие двух рентгенограмм разных конечностей одинаковой локализации, они представляют собой два отдельных снимка, а их оценка рентгенологом производится путем визуального сравнения изображений, что обуславливает зависимость данной методики от опыта и квалификации специалиста. Несомненным прогрессом в диагностике стало внедрение в клиническую практику компьютерной томографии, позволившей получать послойные изображения органов и тканей [1]. Еще большие возможности для диагностики и оценки данных открыла трехмерная реконструкция компьютерных томограмм [3], позволяющая получить трехмерное максимально реалистичное изображение органа или зоны организма. Однако и здесь с применением принципа сравнительной оценки костных деформаций возникают те же проблемы: невозможность полного совпадения проекций и разрозненность полученных изображений пострадавшей и контрольной здоровой конечности, что также может сказываться на точности трактовки и интерпретации полученных данных. Стоит обратить внимание и на механизм трехмерной реконструкции изображения в стандартной рентгенологической компьютерной программе просмотра. Главной его особенностью является то, что программным обеспечением производится построение изображения в настоящем времени путем обработки имеющихся срезов томограмм, то есть для получения изображения трехмерного вида компьютерной программе необходимо обработать весь перечень двухмерных изображений формата DICOM и на основе их обработки представить объемное изображение. Манипуляции с трехмерным объектом, а также его передача и обработка при данном методе невозможны. Таким образом, несовершенство имеющихся диагностических методик обуславливает необходимость разработки новых технологий и способов оценки строения костной системы при травмах и заболеваниях.
Целью исследования явилась оценка эффективности применения технологии трехмерной компьютерной реконструкции и моделирования на основе данных компьютерной томографии с учетом индивидуальных особенностей изменений костной системы и принципа сравнительной оценки по контрала-теральной конечности у пациентов с переломами костей конечностей и посттравматическими деформациями костной системы.
Материал и методы
Благодаря наличию современных компьютерных программных систем появилась
возможность построения полноценных трехмерных моделей заинтересованной анатомической области на основе данных компьютерной томографии независимо от наличия или отсутствия двухмерных срезов. Запись информации о полученном объемном объекте записывали в отдельный файл и подвергали дальнейшей обработке. Конверсию двухмерных снимков формата DICOM в трехмерную структуру производили на компьютере со специализированным программным обеспечением (программа DeVIDE (г. Делфт, Нидерланды)). Каждая сформированная трехмерная модель представляет собой множество точек, соединенных гранями, которые соединены плоскостями (рис. 1).
Рис. 1. Трехмерная модель дистального отдела бедренной кости, вид спереди
Взаимное расположение точек в трехмерном пространстве по осям X (ширина), Y (глубина) и Z (высота) определяет структуру трехмерного объекта. Преимуществом данного метода реконструкции является то, что, выполнив построение модели один раз, структуру объекта возможно сохранить и в последствии подвергать дальнейшей обработке и передаче в неизменном виде. Используя принцип сравнительной оценки и выполнив реконструкцию заинтересованной зоны и противоположной конечности по вышеописанной методике, мы получили две независимые трехмерные модели схожих анатомических зон, с которыми возможна дальнейшая работа на компьютере. Для последующей обработки данных в своей работе мы использовали графический программный пакет Blender (г. Амстердам, Нидерланды) с авторским дополнением - программы «МАРШ» (подана заявка на государственную регистрацию программы ЭВМ) (рис. 2).
Эта программа включает в себя определенные командные функции, последователь-
ность выполнения которых приводит к облегчению проведения сравнительной оценки костных деформаций, а также упрощает подготовку трехмерных моделей к печати.
Действия!
Открыть файл
1.Центрация курсора
2.Центрация точки
З.Центрация о&ьекга по точке
Д Центрация точки поо&ъекту
Отразить (нажмите X)
Выделить все
Ротировать
Сместить
Рис. 2. Интерфейс программы «МАРШ» в графическом пакете «Blender»
Поскольку костная деформация обычно затрагивает лишь одну из областей кости, существует вероятность того, что определенная часть ее структуры остается интактной. Имея
в распоряжении трехмерные файлы здоровой и деформированной костей, можно говорить о наличии в них совпадающих структурно-идентичных зон.
Принимая во внимание несвязанность моделей костей конечностей, возможно произвести их прецизионную обработку: зеркально отображая трехмерную модель здоровой кости в саггитальной плоскости, получали модель, максимально идентичную деформированной до произошедших изменений. Определяли уровень и величину деформации, сопоставляя идентичные, не затронутые деформацией зоны обеих костей, с помощью функции наложения, ротации и смещения. Разница структур отображается относительной девиацией структуры (рис.3). Следует обратить внимание на необходимость точного сопоставления элементов моделей по длине и ширине и устранения ротационных смещений, что может вызвать определенные трудности из-за манипуляции моделями в ручном режиме ввиду сложности костной структуры.
/ i
Рис. 3. Совмещение трехмерных моделей здоровой (зеленый) и деформированной (фиолетовый) ладьевидных костей, лучевая (А) и ладонная (Б) проекции
Альтернативой «ручному» сопоставлению моделей являются сопоставление структур по совпадающим точкам и полуавтоматическое сопоставление с применением специализированной функции итеративного алгоритма ближайших точек. Данный алгоритм реализован в программе «МАРШ». Он использован для выполнения прямого сравнения трехмерных объектов, имеющих форму сетки или облака точек. Программа многократно проводит преобразования (смещение, вращение), необходимые для сведения к минимуму расстояния между точками из двух отдельных объектов.
Сопоставление структур по совпадающим зонам заключается в том, что на каждой из имеющихся моделей пользователем отмечаются участки заведомо совпадающих областей, не затронутых деформацией. К примеру, для лучевой кости при наличии деформации в области диафиза такими областями могут быть шиловидный отросток, бугорок Листера, суставная поверхность. В дальнейшем про-
граммой указанные точки сопоставляются, накладывая изображения трехмерных структур друг на друга и таким образом показывая наличие и величину отклонений структуры несовпадающих элементов. В данном случае крайне важна точность расположения отмеченных точек и их количество, что напрямую влияет на точность сопоставления.
Альтернативным способом является автоматический поиск программой совпадающих точек после проведения грубого (приблизительного), но максимально возможно точного ручного сопоставления моделей с устранением программными средствами остаточных смещений. Преимуществом данного метода является автоматизация процесса, однако повышаются требования к качеству трехмерных моделей: точность сопоставления на моделях с меньших количеством точек будет заведомо ниже, чем на структурно более сложных. Стоит также иметь в виду необходимость использования больших аппаратных ресурсов для об-
работки значительного объема данных, так как чем более структурно сложной является модель, тем больше оперативной памяти компьютера и мощности процессора требуется для ее обработки. Очевидным преимуществом вышеописанных методов является автоматизация процесса сопоставления, которая позволяет повышать точность и экономить время.
Независимо от использованной методики по итогам проведенного процесса провели дополнительную графическую оценку полученных результатов путем построения гистограмм выявленных отклонений для более детальной и полной оценки деформаций. Гистограмма представляет собой переходную цветовую спектральную шкалу, где каждый из
цветов характеризует определенное значение. Цветовой схемой отображается расстояние внешней поверхности структуры одного трехмерного объекта до другого. Зеленый цвет шкалы означает наименьшее отклонение поверхностей, красный - наибольшее. Переходные цвета от желтого до оранжевого обозначают уменьшение или увеличение отклонения. Полученную гистограмму проецировали непосредственно на объект исследования, что дает четкую визуальную картину зоны деформации и делает информацию легкой и понятной для восприятия пользователем (рис. 4). Проводили точные расчеты с определением абсолютных величин отклонений - линейных или угловых.
Б
Рис. 4. Гистограмма деформированной кости
Результаты и обсуждение
С помощью вышеописанной методики сравнения трехмерных моделей костей конечностей, используемой в качестве протокола предоперационного планирования в травматологическом отделении ФГБУЗ ЦКБ РАН за период с сентября 2013 года по октябрь 2016 года оперировано 73 пациента с переломами и посттравматическими деформациями костей конечностей (45 мужчин, 29 женщин). Средний возраст пациентов составил 40,3 года (от 20 до 73 лет). Распределение пациентов по локализации изменений костной системы: 33 пациента имели переломы и посттравматические деформации костей предплечья, 20 пациентов -костей кисти, 9 - большеберцовой кости, 5 -бедренной кости, 3 - пяточной кости, 3 - плечевой кости. Безусловным условием применения методики являлось отсутствие деформаций противоположной конечности, а также технические возможности для проведения компьютерной томографии в сравнительном режиме.
Из всех обследованных пациентов была сформирована основная группа из 50 пациентов, которым было проведено оперативное лечение в соответствии с выработанным на основе проведенной компьютерной реконструкции и моделирования планом. Из них 10 пациентов с
переломами костей предплечья, 10 - костей кисти, 10 - большеберцовой кости, 10 - костей стопы, 5 - бедренной кости, 5 - плечевой кости. Группу сравнения составили 50 пациентов, перенесших переломы костей конечностей, аналогичных первой группе по локализации и классификации АО, которым в качестве предоперационного планирования проводилась стандартная рентгенография поврежденной зоны в двух проекциях. Средняя длительность операции в основной группе составила 79,1±1,7 мин, в группе сравнения - 109,5±2,7 мин (р<0,05).
В обеих группах контралатеральное сравнение структур дало хорошие результаты и положительно отразилось на выборе тактики дальнейшего лечения вне зависимости от используемого метода оперативного лечения. В основной группе уменьшение времени проведения операции достигнуто за счет более четкой картины имевшихся изменений костной системы. Отмечались улучшение логист-ки в операционной и более слаженная работа медицинского персонала.
Выводы
1. Предложенная технология оценки строения костной системы у пациентов с переломами костей конечностей и посттравматическими деформациями костной системы с
применением технологии трехмерной компьютерной реконструкции и моделирования на основе данных компьютерной томографии с учетом индивидуальных особенностей изменений костной системы позволяет использовать принцип сравнительной оценки по кон-тралатеральной конечности.
2. Данная технология трехмерной компьютерной реконструкции данных КТ позволяет значительно сократить время проведения операции, улучшить логистку в операционной, добиться более слаженной работы медицинского персонала.
Сведения об авторах статьи:
Шишкин Василий Борисович - врач-травматолог-ортопед травматологического отделения ФГБУЗ «Центральная клиническая больница Российской академии наук». Адрес: 117593, г. Москва, Литовский бульвар, 1а. E-mail: shishkinvb@mail.ru. Голубев Валерий Григорьевич - д.м.н., профессор, зав. травматологическим отделением ФГБУЗ «Центральная клиническая больница Российской академии наук». Адрес: 117593, г. Москва, Литовский бульвар, 1а.
ЛИТЕРАТУРА
1. Глаголев, Н.А. Основы и принципы рентгеновской компьютерной томографии (методологические аспекты) / Н.А. Глаголев. -М.: Видар, 2009. - 79 с.
2. Ким, А.Р. Диагностическое значение сравнительной рентгенографии при травмах локтевого сустава. / А.Р. Ким, А.У. Садыко-ва, А.А. Кан // Медицинский вестник Северного Кавказа. - 2009. - Т. 13, №1. - С. 69b.
3. Мошнегуц, С.В. Трехмерная визуализация медицинских томографических данных с помощью современного персонального компьютера / С.В. Мошнегуц, Л.С. Барбараш, И.Ю. Журавлева // Вестник российской академии медицинских наук. - 2006. -№ 12. - С. 42-46.
4. Скворцов, А.Е., Сравнительный анализ цифровых и аналоговых методов рентгенографии / А.Е. Скворцов // Поликлиника. -2013. - № 5. - С. 53-56.
5. Can the contra-lateral limb be used as a control with respect to analyses of bone remodelling? / P. Krishnakanth [et al.] // Medical Engineering & Physics. - 2011. - Vol. 33, № 8. - P. 987-992.
6. Complex Radius Shaft Malunion: Osteotomy with Computer-Assisted Planning / А. Schweizer [et al.] // Hand. - 2010. - Vol. 5, № 2. -P. 171-178.
7. Compson, J.P. The radiological anatomy of the scaphoid. Part 1: osteology / J.P. Compson, J.K. Waterman, F.W. Heatley // J. Hand Surg. - 1994. - Vol. 19, № 2. - P. 183-187.
8. Distal Radius Osteotomy with Volar Locking Plates Based on Computer Simulation / J. Miyake [et al.] // Clin. Orthop. Relat. R. - 2011. -Vol. 469, № 6. - P. 1766-1773.
9. Heinzelmann, A. D. Anthropometry of the human scaphoid / A.D. Heinzelmann, G. Archer, R.R. Bindra // J. Hand Surg. - 2007. - Vol. 32, № 7. - P. 1005-1008.
10. Schweizer, А. Three-dimensional computed tomographic analysis of 11 scaphoid waist nonunions / A. Schweizer, P. Furnstahl, L. Nagy // J. Hand Surg. - 2012. - Vol. 37, № 6. - P. 1151-1158.
11. Three-dimensional assessment of bilateral symmetry of the radius and ulna for planning corrective / J.C. Vroemen [et al.] // J. Hand Surg. - 2012. - Vol. 37, № 5. - P. 982-988.
12. Three-dimensional corrective osteotomies of mal-united clavicles - is the contralateral anatomy a reliable template for reconstruction? / А.М. Hingsammer [et al.] // Clin. Anat. - 2015 - Vol. 28, №7. - P. 865-871.
13. Three-Dimensional Corrective Osteotomy of Malunited Fractures of the Upper Extremity with Use of a Computer Simulation System / T. Murase [et al.] // J. Bone Joint Surg. Am. - 2008. - Vol. 90, № 11. - P. 2375-2389.
14. Tricot, М. 3D-corrective osteotomy using surgical guides for posttraumatic distal humeral deformity / M. Tricot, K. T. Duy, P. L. Docquier // Acta Orthop. Belg. - 2012. - Vol. 78, № 4. - P. 538-542.
