Коррекция деформаций длинных костей аппаратом «Орто-СУВ» на основе использования моделей трехмерной печати

Авторы: Виленский В. А.,Усов С. Ю., Соломин Л. Н.
  1. ФГБУ «Научно-исследовательский детский ортопедический институт им. Г.И.Турнера». Министерство здравоохранения Российской Федерации, г. Санкт-Петербург.
  2. ФГБУ «Российский научно-исследовательский институт травматологии и ортопедии им. Р.Р. Вредена». Министерство здравоохранения Российской Федерации, г. Санкт-Петербург.
  3. Санкт-Петербургский государственный университет.
  4. Клиника «ЛенОблВет», г. Колпино.
Ключевые слова: коррекция деформаций, предоперационное планирование, трехмерные модели, референтные линии и углы (РЛУ), чрескостный остеосинтез, компьютерная навигация, аппарат «Орто-СУВ».
Цель: апробировать планирование коррекции деформации длинных костей на основе модели трехмерной печати.

Введение

При планировании коррекции деформаций длинных костей используют так называемые референтные линии и углы (РЛУ). Во всем мире принят стандартный алгоритм использования РЛУ при работе с рентгенограммами, выполненными в прямой и боковой проекциях. Определение деформации на основе анатомических осей не гарантирует восстановления механических углов. Поэтому большинство авторов отдают предпочтение определению вершины деформации с использованием механических осей проксимального и дистального фрагментов. Но в случае деформации суставного конца или/и наличия торсионного компонента точное определение механических осей невозможно. Кроме того, даже при наличии возможности идентификации механических осей уровни вершин деформаций на прямой и боковой рентгенограммах часто не совпадают. При определении истинной плоскости деформации (oblique plan deformity correction – OPDC) для нахождения истинной вершины деформации необходимо сделать дополнительную рентгенограмму в найденной плоскости, что на практике достаточно сложно. Однако наличие торсионного компонента (в меньшей степени – трансляции) также делает невозможным выполнение OPDC. С помощью компьютерной томографии можно построить трехмерную модель кости, оценить величину торсионного компонента деформации, но использование этой техники не предполагает определения РЛУ и планирования коррекции деформаций. Имеется информация о возможности дистанционного планирования коррекции деформации при помощи специальных инженерных программ. Однако данный метод не позволяет планировать коррекцию деформации при укорочении сегмента: изготовляемые шаблоны предназначены только для ограниченного вида пластин и локализаций. Авторами статьи в литературе была найдена единичная публикация о возможности планирования коррекции деформации длинной кости на основе модели, полученной путем трехмерной печати данных компьютерной томографии. При этом доктором выполнялась остеотомия модели поврежденной кости, одномоментная коррекция деформации, фиксация пластиной.
Этот метод представляется нам весьма перспективным, что и послужило отправной точкой публикации настоящей работы, цель которой – апробировать эффективность планирования коррекции деформации длинных костей на основе модели трехмерной печати.

Материалы и методы

Объектом исследования послужила собака с посттравматической деформацией и укорочением левого предплечья (рис. 1). Для достижения цели был выполнен следующий алгоритм действий:
  1. Компьютерная томография деформированного сегмента конечности.
  2. Компьютерная томография контралатерального (здорового) сегмента конечности с последующим созданием ее зеркальной копии.
  3. Печать трехмерных моделей. В результате первых трех шагов мы получили «твердые копии» деформированных костей левого предплечья и образ костей левого предплечья после коррекции деформации.
  4. Планирование и моделирование коррекции деформации.
  5. Выполнение коррекции деформации на основе подготовленного и обоснованного плана.
  6. Сравнение результатов коррекции с планируемым результатом.

Для компьютерной томографии использовался аппарат КТ-00-0000 РЭ, совместно разработанный компаниями Philips и «Электрон». Толщина среза 0,75 мм, с наложением. Для печати трехмерных моделей был выбран принтер Zprinter 650 с точностью 0,0875 мм в масштабе 1:1. Для чрескостного остеосинтеза использовали аппарат с компьютерной навигацией «Орто-СУВ» [2, 13, 15], который позволяет выполнить одноэтапную коррекцию деформации в трех плоскостях и шести степенях свободы. Выбор уровней остеотомии осуществляли на основе мануального изучения компонентов деформации и определения виртуальных осей. Пластиковую модель фиксировали аппаратом «Орто-СУВ», выполняли остеотомию и на основе компьютерной программы «Орто-СУВ» планировали и выполняли коррекцию до достижения совпадения с «образом после коррекции» (зеркальная пластиковая копия контралатерального предплечья). Для реальной коррекции применяли аппарат, аналогичный тому, что использовался на модели. По завершении коррекции выполняли рентгенограммы и сравнивали их с планируемым результатом.

Результаты

Компьютерные томограммы предплечий и трехмерные модели представлены на рис. 1. При анализе моделей было установлено, что деформация является четырехкомпонентной трехплоскостной (состоит из следующих компонентов: угловая деформация лучевой кости в двух плоскостях: в сагиттальной плоскости 25º и во фронтальной – 35º; угловая деформация локтевой кости в сагиттальной плоскости – 12º; укорочение – 35 мм, ротация – 15º). На этой основе определены уровни остеотомий каждой из костей: лучевой – на 58 мм проксимальнее линии дистального сустава лучевой кости; оптимальная линия остеотомии локтевой кости – 66 мм проксимальнее линии дистального сустава локтевой кости. В соответствии с принципами коррекции деформаций костей предплечья процедура моделирования коррекции была разбита на два этапа.
Первый этап – чрескостный остеосинтез аппаратом «Орто-СУВ», остеотомия лучевой кости с последующей ее изолированной коррекцией для восстановления соотношений в дистальном радиоульнарном сочленении (рис. 2).

Второй этап включал проведение дополнительных чрескостных элементов в локтевую кость, ее остеотомию с последующим удлинением обеих костей предплечья на величину 25 мм (рис. 3). В результате коррекции ориентация суставов костей предплечья полностью соответствовала достигаемому образу.

10.05.2014 г. под интубационным наркозом выполнена операция наложения аппарата «Орто-СУВ» и остеотомии лучевой кости (рис. 4). На рис. 4 d представлено окно программы «Орто-СУВ», где желтый контур – исходное положение дистального фрагмента лучевой кости, красный контур – расчетное положение фрагмента после коррекции. Коррекция начата на 5-е сутки в темпе 1 мм/сутки. Период коррекции – 10 дней. 
Результаты первого этапа коррекции представлены на рис. 4 e.

Вторым этапом, на 11 сутки после завершения первого этапа, выполнены проведение чрескостных элементов, стабилизирующих локтевую кость в мобильной опоре, и остеотомия локтевой кости на заданном уровне (рис. 5 a). После этого был выполнен расчет коррекции в программе «Орто-СУВ» (рис. 5 b). Коррекция начата на 5-е сутки в темпе 1 мм/сутки. Время коррекции составило 25 дней. Результат представлен на рис. 5 c. Аппарат внешней фиксации на рис. 5 d – на 44-й день после завершения второго этапа коррекции.
Таким образом, индекс внешней фиксации составил 2,26 дн./мм. Сравнение трехмерной модели костей левого предплечья после коррекции деформации с запланированным образом показало, что коррекция полностью соответствовала запланированной до операции. Осложнением коррекции явилось формирование межкостных синостозов и временная сгибательная контрактура в лучезапястном суставе, что мы связываем с особенностями дистракционного остеогенеза у собак.
Обсуждение
В настоящее время в челюстно-лицевой хирургии и в вертебрологии при лечении новообразований активно используются технологии трехмерного моделирования и трехмерной печати (т.н. CAD (computer-aided design) и CAM (computer-aided manufacturing)). По данным КТ и полимерным 3D-моделям выполняют планирование объема резекции опухоли, изготовление индивидуальных металлоконструкций (пластин, кейджей, металлических сеток) с целью дальнейшего идеально точного восстановления анатомии сегмента при пластике пострезекционного дефекта ауто- или аллокостью, биокомпозитными материалами. Единичные публикации о применении данных технологий в ортопедии свидетельствуют о ряде ограничений, связанных с их применением на практике. Так, планирование коррекции деформации по 3D-модели, полученной путем распечатки данных КТ на 3D-принтере, с ее остеотомией и фиксацией пластиной ограничено тем, что большинство деформаций сопровождаются укорочением, т.е. имеются ограничения к одномоментной коррекции и внутренней фиксации. Кроме этого, неиспользование образа неповрежденного сегмента не позволяет считать данное моделирование коррекции идеальным.
Сегодня в практику входит метод виртуального планирования коррекций деформаций по виртуальной 3D-модели, в результате которого изготавливают стереолитографический шаблон-направитель для выполнения остеотомии и фиксации пластины. Метод выглядит весьма прогрессивным и призван облегчать труд хирурга. Однако практика предполагает значительное повышение трудозатрат. Ортопед должен отослать результаты КТ-исследования электронной почтой в офис соответствующей компании. Здесь они обрабатываются инженером с последующим созданием индивидуального шаблона-направителя. Последний отправляется доктору почтой. Однако установка направителя на кости в нужном месте является весьма непростым делом, т.к. не существует маркеров должного положения направителя. Кроме того, указанные шаблоны предназначены только для определенных видов пластин и, соответственно, локализаций.
Предлагаемый нами метод планирования коррекции деформаций исключает ограничения описанных современных вариантов планирования. Так, чрескостный аппарат «Орто-СУВ», работающий на основе компьютерной навигации, дает все необходимые опции для коррекции любого вида деформации на модели и позволяет воспроизвести его непосредственно на деформированной конечности. «Твердая модель» зеркальной копии здорового сегмента позволяет дать образ для сравнительной оценки здоровой модели и модели с выполненной коррекцией деформации.
Заключение
Сочетание методик CAD/CAM и чрескостного аппарата «Орто-СУВ», работающего на основе компьютерной навигации, позволило оптимизировать планирование коррекции сложной многоплоскостной деформации, сопровождающейся укорочением и торсионной деформацией сегмента. Точное воспроизведение планируемой коррекции деформации в клинике при помощи аппарата «Орто-СУВ» явилось, по нашему мнению, основой хорошего результата коррекции деформации. Мы полагаем, что данное исследование является предпосылкой для более широкого использования указанных способов при коррекции деформаций длинных костей.

Литература:

  1. Удлинение предплечья по Илизарову: метод. рекомендации / КНИИЭКОТ; сост.: Г. А. Илизаров, В. И. Калякина. Курган: [б. и.], 1983. 27 с.
  2. Использование чрескостного аппарата на основе компьютерной навигации при лечении пациентов с переломами и деформациями длинных трубчатых костей: мед. технология / сост.: Л. Н. Соломин, А. И. Утехин, В. А. Виленский, П. Н. Кулеш, К. Л. Корчагин, А. Н. Иванов. СПб, 2010. 48 с.
  3. Маркс В. О. Ортопедическая диагностика: руководство для врачей. Минск: Наука и техника, 1978. 512 с.
  4. Определение референтных линий и углов длинных трубчатых костей: пособие для врачей / РНИИТО им. Р. Р. Вредена; сост.: Л. Н. Соломин, Е. А. Щепкина, П. Н. Кулеш, К. Л. Корчагин, А. А. Лоздовский, П. В. Скоморошко. СПб, 2010. 48 с.
  5. Соломин Л. Н. Основы чрескостного остеосинтеза аппаратом Г. А. Илизарова: монография. СПб.: МОРСАР АВ, 2005. 544 с.
  6. Сысенко Ю. М. Чрескостный остеосинтез по Илизарову при лечении больных с закрытыми диафизарными оскольчатыми переломами длинных трубчатых костей верхних конечностей: автореф. дис. д-ра мед. наук. Курган, 2000. 47 с.
  7. Швед С. И., Шевцов В. И., Сысенко Ю. М. Лечение больных с переломами костей предплечья методом чрескостного остеосинтеза. Курган: Курган. гор. тип., 1997. 292 с.
  8. Шевцов В. И., Макушин В. Д., Куфтырев Л. М. Псевдоартрозы, дефекты длинных костей верхней конечности и контрактуры локтевого сустава (базовые технологии лечения аппаратом Илизарова). Курган: Зауралье, 2001. 406 с.
  9. Abduo J. Fit of CAD/CAM implant frameworks: a comprehensive review // J. Oral Implantol. 2014. Vol. 40, No 6. P. 758–766.
  10. Normal axial alignment of lower extremity and load-bearing distribution at the knee / R.W. Hsu, S. Himeno, M. B. Coventry, E.Y. Chao // Clin. Orthop. Relat. Res. 1990. No 255. P. 215–227.
  11. Osteotomies for posttraumatic deformities / eds. R. K. Marti, R. J. Van Heerwaarden. 1st Edition. New York: Thieme, 2008. 708 p.
  12. Deformity planning for frontal and sagittal plane corrective osteotomies / D. Paley, J. E. Herzenberg, K. Tetsworth, J. McKie, A. Bhave // Orthop. Clin. North Am. 1994. Vol. 25, No 3. P. 425–465.
  13. Paley D. History and Science Behind the Six-Axis Correction External Fixation Devices in Orthopaedic Surgery // Oper. Tech. Orthop. 2011. Vol. 21. P. 125–128.
  14. Paley D. Principles of deformity correction. Exercise Workbook. New York: Springer-Verlag, 2002. XXV. In 2 volumes. 806 p.
  15. Solomin L. N. The basic principles of external skeletal fixation using the Ilizarov and other devices. 2nd Edition. Milan; Heidelberg; New-York: Springer-Verlage, 2012. 1593 p.
  16. Tahiri Y., Taylor J. A. In support of using computer-aided design and modeling for periorbital osteotomies // J. Craniofac. Surg. 2015. Vol. 26, No 1.
  17. Victor J., Premanathan A. Virtual 3D planning and patient specific surgical guides for osteotomies around the knee: a feasibility and proof-of-concept study // Bone Joint J. 2013. Vol. 95-B, 11 Suppl. A. P. 153–158.

Рубрика:  Ортопедия

Любите читать бумажную версию? Живёте далеко? Не беда!

Оформить рассылку

Эксклюзив для ветеринарных клиник Санкт-Петербурга

Оформить доставку