Способ трехмерного моделирования операции чрескостного остеосинтеза при переломах области голеностопного сустава
METHOD FOR THREE-DIMENSIONAL MODELING OF TRANSOSSEOUS OSTEOSYNTHESIS OPERATION IN ANKLE JOINT FRACTURES

Изобретение относится к медицине, а именно к травматологии и ортопедии, области лечения травм опорно-двигательного аппарата с помощью программно реализуемых и моделируемых способов операции внеочагового остеосинтеза.
Целью любого моделирования является оказание максимально информативной помощи врачу в построении алгоритма действий во время реальной операции. При этом врач - травматолог-ортопед визуально должен четко увидеть то, что будет происходить с костными элементами под влиянием его манипуляций. Достичь наглядности в таком визуальном пособии позволяют методы компьютерной трехмерной графики.
Известен способ автоматизированной коррекции, который заключается в определении расположения плоскостного шарнирного соединения с целью последующего устранения всех компонентов деформации по оптимальной методике. Для оптимизации чрескостного остеосинтеза использовалась программа «Остеокинез» и методика его клинического применения (М.Ф. Егоров, О.Г. Тетерин «Использование компьютерной программы «Остеокинез» в чрескостном остеосинтезе». - Анналы травматологии и ортопедии, 1998, №2-3, с. 88-96).
Известен способ коррекции многоплоскостных деформаций, который осуществляется с помощью программы, позволяющей по фронтальной и сагиттальной проекциям рассчитать и увидеть на дисплее пространственную модель деформации в целом и с заданной величиной ротации в 5, 10 и 15 градусов, найти оптимальный уровень остеотомии на экране, создать пространственную модель кости до и после коррекции. Метод использован для лечения сложной ортопедической патологии (ложные суставы, неправильно сросшиеся и несросшиеся переломы и др.), сопровождающейся деформациями длинных костей конечностей (А.В. Скляр «Использование ЭВМ при планировании операционной коррекции многоплоскостных полисегментарных деформаций нижних конечностей» - в сб. докладов международной конференции «Метод Г.А. Илизарова - перспективы и достижения», посвященной памяти академика Г.А. Илизарова // Курган, 1993, с. 104-176).
Известен программно реализуемый цифровой способ моделирования операции внеочагового остеосинтеза при переломах конечностей (патент РФ №2199152, G09B 23/28, А61В 17/58, 20.02.2003, Слободской А.Б.), основанный на использовании компьютера, оборудованного средствами ввода и визуализации изображения, и включающий выполнение ввода изображения рентгенограмм места перелома, калибровку оптической плотности рентгенограмм, геометрическое масштабирование, коррекцию яркости и контрастности изображения, обозначение контрастными метками проксимальных и дистальных участков отломков и крупных осколков костей с получением каждой из них своего геометрического адреса, редактирование изображения с помощью группы инструментов выделения и транслокации, для чего в двухмерной плоскости XY виртуально перемещают каждый отломок с сохранением в памяти каждого эпизода, выполняют функции виртуальной дистракции, компрессии, медиального и латерального смещения, ротационного и углового перемещения отломков, полную виртуальную репозицию отломков и составляют реальный план операции.
Этот способ впервые применен для моделирования репозиции при острой травме (переломах костей) и взят в качестве прототипа, являясь эволюционным предшественником предложенного метода (патент РФ №2285475, 30.07.2004 г., Слободской А.Б., Попов А.Ю.).
Недостатком способа является то, что все виды смещений отломков костей, за исключением ротационных, устраняются по шаблонам рентгенограмм, в программах 2-х мерной графики, что не дает реального формата происходящего действия. В 3-х мерном редакторе проводилось устранение ротационных смещений отломков костей. Для чего, после замеров геометрических параметров отломков в двухмерном редакторе, вручную, производилось построение трехмерной модели области перелома в редакторе с возможностью векторной графики. Таким образом, процесс трансформирования изображения из растрового в векторный формат происходил достаточно примитивно и сложно.
Задачей изобретения является разработка способа трехмерного моделирования операции внеочагового чрескостного остеосинтеза, базирующегося на данных изображений рентгенограмм.
Технический результат изобретения - улучшение функциональных и анатомических результатов оперативного лечения, повышение качества и эффективности выполняемых операций чрескостного остеосинтеза при переломах голеностопного сустава, сокращение сроков консолидации и реабилитации пациентов.
Сущность изобретения заключается в следующем. Способ трехмерного моделирования операции чрескостного остеосинтеза при переломах области голеностопного сустава основан на использовании компьютера, оборудованного средствами ввода и визуализации изображения, и включает ввод изображения рентгенограмм места перелома, калибровку оптической плотности рентгенограмм, геометрическое масштабирование, коррекцию яркости и контрастности изображения, обозначение контрастными метками проксимальных и дистальных участков отломков и крупных осколков костей, при этом выполняют функции виртуальной дистракции, компрессии, медиального и латерального смещения, ротационного и углового перемещения отломков, полную виртуальную репозицию отломков, причем используют компьютерную программу 3D-графики виртуальной трехмерной модели костных структур области перелома на основе сканограмм, выполненных с оригинальных рентгенограмм травмированного сегмента тела, при этом выстроенные костные структуры масштабируют до точного сопоставления виртуальных размеров, форм, соотношений и антропометрических данных пациента, причем изначально каждый фрагмент и крупный осколок виртуальной кости получает собственную систему координат с центром в точке, локализацию которой оператор может изменять по необходимости, выстраивают алгоритм действия, в котором соответственно этапам устранения смещения каждый фрагмент и осколок перемещают по заданной траектории до полной виртуальной репозиции, при этом центр каждого трехмерного фрагмента имеет свой геометрический пространственный адрес и все его перемещения отслеживают на мониторе в виде цифровых данных и сохраняют в памяти компьютера, а каждое перемещение в виде этапа виртуальной репозиции фиксируют отдельно, и на основании полученной информации составляют план реальной операции. Способ может применяться при использовании аппарата Илизарова.
Пространственное моделирование является более наглядным при сравнении с плоскостным: на экране монитора врач может отследить все манипуляции с костными фрагментами в том виде, в каком они будут проходить во время реальной операции. Данный способ подразумевает экономическую выгоду за счет отказа от использования дорогостоящих программ моделирования типа «Остеокинез». В лечебных учреждениях, не оснащенных спиральным компьютерным томографом, данный способ практически копирует функцию спиральной компьютерной томографии при условии меньших технических и экономических затрат, что делает его доступным к применению любым специалистом, в распоряжении которого имеется компьютер с инсталлированной программой 3D-графики.
Для выполнения поставленной задачи необходим достаточно мощный компьютер (не менее Pentium 200 с 128 MB ОЗУ), оборудованный средствами ввода и визуализации изображения, а также программное обеспечение по обработке ввода и визуализации изображения, программное обеспечение по 3D-графике. Цифровой анализ изображения может проводиться в любой из программ векторной графики, разработанной как стандартное приложение операционной среды Windows, с возможностью построения объектов в трех измерениях. Пространственное моделирование проводилось в программе трехмерной графики 3D MAX Studio 3.0, 5.0. Протоколирование изображений этапов виртуальной операции и текстовых заключений выполнялось в программе Microsoft Office 2000.
Моделирование изобретения производится следующим образом:
1. Выполнение стандартного рентгенологического исследования пациента на момент поступления в лечебное учреждения после травмы, включающего рентгенографию травмированного сегмента конечности в двух взаимоперпендикулярных проекциях, при необходимости дополненных атипичными косыми проекциями и томограммами.
Обозначение контрастными метками проксимальных и дистальных участков отломков и крупных осколков костей, составляющих голеностопный сустав. Снятие антропометрических данных травмированной конечности больного сразу после рентгенографии с ориентацией на выступающие участки костных структур. Сравнение полученных данных рентгенометрии и антропометрии, вычисление коэффициента геометрического увеличения рентгеновского изображения для учета его при введении данных истинных геометрических размеров трехмерных объектов.
2. Ввод изображения рентгенограмм в компьютер с помощью лазерного сканера «Mastek 1200 UB Plus» в цветовом режиме «Gray» с глубиной изображения оттенков серого до 8 разрядов (бит) и разрешающей способностью до 1200 dpi. Сканировались рентгенограммы области перелома в двух проекциях.
3. Удаление артефактов пленки и скан - штрихов с помощью функции «Удаления пятен» (выбор чувствительности до 10). Для усиления четкости изображения можно применять функцию рельефного выдавливания изображения.
4. Калибровка оптической плотности. Учитывая, что сканировались рентгенограммы различных оптических характеристик, и иногда и низкого качества, проводилась их оптическая калибровка. Этим достигалось приведение изображения к единому масштабу плотности. Измерение оптических параметров проводилось в условных единицах от 0 (min R плотности, соответствует воздуху) до 255 (max R плотности, соответствует кортикальному слою кости). Проведение операции оптической калибровки сканограмм позволяет скорректировать их возможные различия, обусловленные разными условиями получения снимка.
5. Трехмерные построения. В программе 3D-графики создавалась плоскость, несущая фон изображения сканированной рентгенограммы. Размеры ее
значения не имеют (в отличие от пропорций), т.к. выстроенная на ее основе трехмерная модель позже масштабируется до необходимых размеров самостоятельно. Причем изначально каждый фрагмент и крупный осколок виртуальной кости, составляющий голеностопный сустав, получает собственную систему координат с центром в точке, локализацию которой оператор может изменять по необходимости, выстраивают алгоритм действия, в котором соответственно этапам устранения смещения каждый фрагмент и осколок перемещают до окончательной репозиции. С помощью инструментов трансформации, деформации, масштабирования, перемещения, связывания объектов, редактора материалов, источников света в трехмерном пространстве из примитивных форм (цилиндр, скругленный цилиндр, сфера, куб) моделировались костные структуры области перелома - длинные трубчатые кости конечности. Необходимые данные также брались из «Атласа анатомии человека» под редакцией Р.Д. Синельникова, атласа «Рентгеновская анатомия», Д. Надь, Будапешт, 1961. Область перелома моделировалась с помощью функции «Отрез» в различных вариациях. Идентичность костных структур на сканограмме и трехмерных моделей достигалась полным сопоставлением контуров тени, отбрасываемой виртуальными костями на плоскость с изображением сканограммы, и контуров костей на самой сканограмме при условии, что прямолинейный источник света находится впереди трехмерных построений на бесконечной дистанции (имитация эффекта солнца) с направлением параллельно идущих лучей перпендикулярно к плоскости сканограммы, центрированных на область перелома голеностопного сустава. После построения костных структур выполнялось их масштабирование до нужных размеров, определенных ранее антропометрически и рентгенологически. Таким образом, получалась точная копия костей травмированного сегмента, но в виртуальном пространстве. Удобство визуализации данной трехмерной
модели возможно, благодаря абсолютной свободе вращения пространственной сцены относительно зрителя, а также вращения самой модели в сцене.
6. Виртуальное моделирование этапов репозиции. С помощью инструментов линейного, углового и ротационного перемещения дислоцировались фрагменты и крупные осколки, перспективные для репозиции. Очередность действий диктовалась соображениями наименьшей травматизации тканей при манипуляции с отломками, т.е. обеспечением наиболее благонадежного сопоставления отломков при наименьших количествах и амплитуде их перемещений. Моменты виртуальной репозиции выполнялись в следующем порядке: 1 - дистракция фрагментов, 2 - устранение углового смещения, 3 - устранение ротационного смещения, 4 - устранение смещения по ширине, 5 - компрессия. Центр вращения при этих манипуляциях выбирался с помощью функции Xform через «центр - гизмо» и для проксимальных отломков соответствовал центру проксимальнее расположенного сустава, для дистальных отломков - центру зоны перелома. Изменение координат каждого из костных трехмерных фрагментов фиксировалось в виде цифровых данных (в миллиметрах и градусах). Каждый этап репозиции записывался в памяти компьютера отдельно в виде копии изображения рабочего окна программы и содержал изображение виртуальной сцены (вместе с костными структурами) в четырех видах (спереди, сверху, сбоку, в перспективе), где перемещаемый фрагмент выделялся отдельным цветом, а координаты его перемещения указывались в отдельной строке под картинкой. Таким образом, достигалось максимально полное виртуальное сопоставление костных трехмерных отломков.
7. Протоколирование. В программе MS Office 2000 создавался шаблон протокола, где сначала указывались наименования лечебного учреждения, отделения, инициалы и возраст пациента, ниже помещались сканограммы
области перелома в 2-х проекциях, выполненные на момент травмы, их описание, заключение. После представлялся план виртуального моделирования в виде ряда иллюстраций, указанных в п. 6., отображающих ход виртуальной операции по репозиции отломков. Каждое изображение получало название соответствующего момента репозиции и сопровождалось необходимыми краткими пояснениями. Лечащий врач-травматолог имел возможность ознакомиться с данным протоколом в электронном варианте или распечатанным на бумаге уже через 2 часа (при условии наличия в памяти компьютера готовых шаблонов - заготовок костных трехмерных структур). На основании данного протокола формировался план реальной операции и оптимальная компоновка аппарата.
Второй этап проводился после реальной операции и выполнения контрольных рентгенограмм, если после выполнения внеочагового остеосинтеза и манипуляций на сегментах конечности сохранялось не устраненное смещение отломков и требовалась дополнительная коррекция. Дополнительная виртуальная репозиция выполнялась подобно методу, описанному в I этапе, но с учетом фиксации металлоконструкцией. После составления виртуального плана репозиции отломков выполнялось дополнительное устранение смещения, но с учетом фиксации аппаратом Г.А. Илизарова.
Предлагаемый способ позволяет:
1. Улучшить функциональные и анатомические результаты оперативного лечения, сократить сроки стационарного и общего лечения больных с переломами конечностей (в частности с переломами области голеностопного сустава) в среднем в 1.2-1.5 раза.
2. Повысить качество и эффективность выполняемых операций чрескостного остеосинтеза при переломах лодыжек.
3. Повышение жесткости фиксации аппарата внешней фиксации, обеспечении возможности направляющей функции по отношению к проводимой чрескостно спице.
4. Сократить время и уменьшить травматичность оперативного вмешательства (возможность демонтажа аппарата внешней фиксации в амбулаторных условиях).
Клинический пример:
Пациент И., проведено компьютерное моделирование репозиции перелома костей составляющих голеностопный сустав.
Сканограммы в 2-х проекциях: закрытый пронационный перелом типа Дюпюитрена костей правой голени. Определяется перелом внутренней лодыжки со смещением кнаружи на 1 см; косой оскольчатый перелом нижней трети малоберцовой кости и смещением наружной лодыжки кнаружи на 1 диаметр; пронационный подвывих стопы в голеностопном суставе кнаружи и на  суставной поверхности и назад на  Дистальный межберцовый синдесмоз при этом без расхождения. Рентгенограмма сканируется, производится калибровка их оптических показателей (Фиг. 1). Выстраивается трехмерная модель костных структур в области перелома в изначальном положении (вид спереди и снаружи). Пространственные центры фрагментов находятся в нулевых точках. Обозначаем контрастными метками проксимальные и дистальные участки отломков и крупных осколков костей, а именно: проксимальный фрагмент малоберцовой кости - c-d, дистальный фрагмент малоберцовой кости - e-f, проксимальный фрагмент большеберцовой кости - a-b, таранная кость - g-h. Производится масштабирование модели (Фиг. 2, начальное положение отломков). Таким образом, изначально каждый фрагмент и крупный осколок виртуальной кости получил собственную систему координат с центром в назначенной точке. Далее выстраиваем алгоритм действия, в котором соответственно этапам устранения смещения каждый фрагмент и осколок перемещают до полной виртуальной репозиции:
Фиг.3. Дистракция фрагмента единым блоком e-f+g-h на 32 мм.
Фиг. 4. Разворот фрагмента е-f+g-h единым блоком на 10,9 градусов кнутри (устранение вывиха стопы).
Фиг. 5. Медиальная дислокация фрагмента e-f+g-h на 29 мм (устранение разрыва дистального межберцового синдесмоза).
Фиг. 6. R-граммы на 1 сутки после оперативного лечения. Полное устранение смещения всех отломков. Вывих стопы и разрыв димстального межберцового синдесмоза устранен.
Фиг. 7. Сканограммы в 2-х проекциях: демонтаж аппарата Илизарова на 73 сутки после операции, хорошая консолидация без смещения.
* Примечания (условные обозначения) к фиг. 1-7.
1. Визуализация трехмерной сцены производилась двумя способами: через функцию «рендеринг», когда копируется только трехмерный объект, и посредством функции «Print Screen», когда копируется вся сцена. В первом случае надписи производились латинским шрифтом, во втором - на русском языке.
2. Anterior - вид спереди, Left side - вид слева, Right side - вид справа, Up side - вид сверху, Down side - вид снизу, Perspect. - вид в перспективе, Lateral. - латеральная дислокация, Medial. - медиальная дислокация, Rotation - ротация, Distraction - дистракция, Compression - компрессия, Dismantle - демонтаж.