Компьютерные технологии в реконструктивной хирургии средней зоны лица

Епифанов С.А., Балин В.Н., Хрыков С.С.

КОМПЬЮТЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В РЕКОНСТРУКТИВНОЙ ХИРУРГИИ СРЕДНЕЙ ЗОНЫ ЛИЦА

КОМПЬЮТЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В РЕКОНСТРУКТИВНОЙ ХИРУРГИИ СРЕДНЕЙ ЗОНЫ ЛИЦА

Епифанов С.А., Балин В.Н., Хрыков С.С. УДК: 617.52-089:681.3

Национальный медико-хирургический центр им. Н.И. Пирогова ФГБОУВПО «МГТУим. Н.Э. Баумана»

Резюме

Представлена методика компьютерного планирования оперативного вмешательства у больных с травмой средней зоны лица, позволяющая эффективно проводить хирургические манипуляции в области анатомических структур глазницы и решетчатого лабиринта.

Разработанный способ позволяет снизить травматичность оперативного вмешательства, уменьшить количество послеоперационных осложнений, сократить период реабилитации.

Ключевые слова: травма средней зоны лица, перелом медиальной стенки орбиты, переломы стенок орбиты, повреждения назоорбитоэтмои-дального комплекса, компьютерное моделирование.

DIGITAL TECHNOLOGIES IN RECONSTRUCTION SURGERY OF MIDDLE FACE

Epiphanov S.A., Balin V.N., Hrikov S.S.

The method of computer planning of surgical treatment in patients with mid-facial trauma is presented in current article. This can increase the effectiveness of operations in anatomical structures of orbit and ethmoidal complex.

The developed concept can decrease the operation morbidity, postoperational complications and rehabilitation period.

Keywords: mid-facial trauma, medial orbit wall fracture, orbital wall fracture, NOE trauma, computer imaging and modeling.

Сложность анатомического строения средней зоны лица, а, следовательно, и опасность выполняемых хирургических операций требуют максимально точных расчетов основных этапов хирургического вмешательства. Это чрезвычайно важно не только с точки зрения правильного выбора тактических решений, но и для обеспечения полноценной подготовки операций во всем их многообразии. Методологические основы топографической анатомии, заложенные в трудах Н.И. Пирогова, на столетия опередили развитие медицинской науки и предопределили путь развития технической мысли, направленной на «видение патологического очага» без разреза. Современное воплощение идей Николая Ивановича нашли свое отражение в компьютерных томографах, точнее в формате DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine, «работа с цифровыми изображениями и передача данных в медицине»), который на сегодняшний день является общепринятым стандартом для передачи медицинских данных.

Сегодня DICOM - обширный и сложный стандарт, который регулирует все сферы хранения и обработки цифровой медицинской информации. Приведем здесь основные характеристики DICOM согласно официальной спецификации:

• Томограммы могут храниться в виде файлов по принципу один слой - один файл. Обычно файлы группируются в папки - сначала по дате и номеру исследования, затем по имени пациента.

• Каждая томограмма представляет собой прямоугольную решетку из точек, т. е. является так называемым растровым изображением. Каждой точке в файле DIC-OM приписано некоторое значение величины, называемой "Intensity". Это число соответствует оптической

плотности данной точки исследуемого объекта в единицах шкалы Хаунсфилда (Ни). Действует следующее правило: -1000 Ни соответствует плотности воздуха, 0 - плотности воды. Всем другим веществам значения Ни сопоставляются на основе интерполяции или экстраполяции (например, -500 примерно соответствует легочной ткани, а 700-1300 - различным костным тканям). Благодаря этому на томограмме можно различить ткани, имеющие разную оптическую плотность. Важно понимать, что реальная световая яркость точек устанавливается только при печати или выводе снимка на экран, причем пользователь (или программа, в которой он работает) должен выбрать способ отображения шкалы Ни на шкалу яркости принтера или монитора.

Помимо собственно изображения, каждый файл DICOM содержит блок служебной информации, который включает: ФИО, возраст и пол пациента, дату и время исследования, название медицинского учреждения, марку томографа, значения технологических параметров оборудования и прочие данные. Важную роль играет фрагмент геометрической информации, с помощью которой всегда можно установить физические размеры каждого элемента на изображении или расстояние между двумя любыми точками, в том числе, если эти точки оказались на разных срезах. Дополнительно DICOM предписывает записывать информацию о том, как в момент сканирования было ориентировано тело пациента в системе координат томографа, что дает дополнительную страховку от путаницы «право-лево».

Реконструкция трехмерного изображения по данным томографического сканирования начинается с извлечения из томограмм графической информации. В

Епифанов С.А., Балин В.Н., Хрыков С.С. КОМПЬЮТЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В РЕКОНСТРУКТИВНОЙ ХИРУРГИИ СРЕДНЕЙ ЗОНЫ ЛИЦА

случае КТ-снимков это - последовательность (стопка) изображений плоских срезов, отстоящих друг от друга на определенное расстояние. Точки снимков имеют определенный цвет в диапазоне от черного до белого, соответствующий плотности определенной области сканированного объекта (рис. 1).

Томограммы загружают в программу (обычно специализированную, например, CMF iPlan Brain Lab), где производится сегментация изображений. Под сегментацией томографических изображений понимают разметку томограммы таким образом, чтобы границы попавших на изображение тканей и органов можно было достоверно идентифицировать (рис. 2).

Расширенные возможности применения компьютерных технологий открываются после реконструкции виртуальной 3D-модели пациента на базе томограммы. Сегодня существует большое количество программных средств, имеющих функцию реконструкции трехмерных поверхностей из томограммы (например, Amira, Mimics). Однако сегодня врачи зачастую рассматривают 3D-мо-дели лишь как дополнительное средство визуализации,

Рис. 1. Последовательность (стопка) томограмм верхней челюсти пациента

а не как мощный инструмент для планирования и подготовки операции. Причина этого заключается в том, что большинство коммерческих и бесплатных программ 3D-моделирования очень сложны и ориентированы на задачи в инженерно-технической сфере, а специализированные программы для медицины пока еще мало распространены в России.

В МГТУ им. Баумана совместно со специалистами Пироговского Центра разрабатывается отечественная система для подготовки и планирования хирургических операций на базе 3D-моделей. Система имеет функции загрузки и просмотра томограммы, создания на ее основе 3D-модели пациента. Главной особенностью системы является набор специализированных функций для манипуляций в пространстве модели, которыми может пользоваться сам хирург.

С помощью нашей системы можно помочь врачу восстановить геометрию поврежденных или отсутствующих анатомических структур и использовать полученную информацию для проведения лечения. Для этого врач загружает томограммы в программу и в автоматическом режиме получает трехмерную модель (рис. 3).

Затем врач отмечает интересующие его области на здоровой части лица, «прокрашивая» их инструментом, напоминающим кисть художника. Размер этой кисти можно регулировать в любой момент времени; кроме того, поддерживается создание нескольких областей выделения, имеющих различные цвета (например, для отображения различных анатомических структур).

Разметка непосредственно по трехмерной модели производится точнее и быстрее, чем сегментация обычных томографических снимков (рис. 4).

Наконец, завершив разметку, врач может «зеркально» отразить отмеченные области и получить их копию в области дефекта (рис. 5).

Точное положение отраженных элементов может быть при необходимости скорректировано. Полученную виртуальную модель с реконструированной анатомией врач может сохранить в виде файла или отправить по электронной почте (например, для печати стереолито-графической модели).

Рис. 2. Сегментация и обработка изображений в программе CMF iPlan Brain Lab

Епифанов С.А., Балин В.Н., Хрыков С.С.

КОМПЬЮТЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В РЕКОНСТРУКТИВНОЙ ХИРУРГИИ СРЕДНЕЙ ЗОНЫ ЛИЦА

Рис. 3. Трехмерная модель костных структур черепа

Рис. 5. Виртуальное построение костных структур орбиты

Возможности компьютерного моделирования позволяют более точно и менее травматично проводить операции, получать диагностические сведения в реальном времени, обрабатывать данные пациента на доопераци-онном этапе и проводить планирование сложных многоэтапных реконструктивных вмешательств (Steinbauer M., Töpel I., Verhoeven E. 2012). В компьютерной среде есть возможность устанавливать маркеры для важных образований, переводя их затем на двухмерные плоскостные изображения, выполняемые в режиме реального времени с использованием С-дуги, что особенно важно при операциях в области костных структур глазницы (Lieven M., Beelen R., 2012).

Использование технологий компьютерного планирования позволяет улучшить послеоперационные результаты при лечении сложных, комплексных переломов костей средней зоны лица, где постановка накостных

Рис. 4. Компьютерная разметка костных структур

фиксирующих конструкций требует высокой точности. При этом использование минимально-инвазивных технологий подразумевает сокращение интраоперационной травмы, что положительно сказывается на восстановлении пациентов с комплексными и сочетанными травмами (Schmal Z. et al., 2013).

Литература

1. Шевченко Ю.Л. От «Ледяной анатомии»до компьютерной томографии - Актовая речь к 150-летию со дня издания Н.И. Пироговым «Иллюстрированной топографической анатомии распилов, произведенных в трех измерениях через замороженное человеческое тело». - М., 2009.

2. Alex M. Greenberg Craniomaxillofacial Reconstructive and Corrective Bone Surgery: Principles of Internal Fixation Using AO/ASIF Technique / Edition 1 by Alex M. Greenberg, Joachim Prein, - 2002. - Springer-Verlag New York, LLC

3. Krenkel C, Hachleitner J, Thaller-Antlanger H. Experience with evacuable maxillary sinus endothesis for orbital and maxillary trauma. Dtsch Z Mund Kiefer Gesichtschir. 1989.

4. Koreaki Irie; Murayama Yuichi; Saguchi Takayuki; Ishibashi Toshihiro; Ebara Masaki; Takao Hiroyuki; Abe Toshiaki. "Dynact Soft-Tissue Visualization Using

Епифанов С.А., Балин В.Н., Хрыков С.С. КОМПЬЮТЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В РЕКОНСТРУКТИВНОЙ ХИРУРГИИ СРЕДНЕЙ ЗОНЫ ЛИЦА

An Angiographic C-Arm System: Initial Clinical Experience in the Operating Room". Neurosurgery 62 (3): 266-272. 2008.

5. Nollert, G.; Hartkens, T.; Figel, A.; Bulitta, C.; Altenbeck, F.; Gerhard, V. The Hybrid Operating Room in Cardiac Surgery / Book 2. Intechweb. 2011.

6. Lee K, Snape L. Efficacy of Transcaruncular approach to reconstruct isolated medial orbital fracture. J Maxillofac Oral Surg. 2010.

7. Liao R. Rui Liao's work on patient-specific 3-D model guidance for interventional and hybrid-operating-room applications. World J Radiol. 2011 Jun 28;3(6):159-68.

8. Park MS, Kim YJ, Kim H, Nam SH, Choi YW. Prevalence of Diplopia and Extraocular Movement Limitation according to the Location of Isolated Pure Blowout Fractures. Arch Plast Surg. 2012.

9. Quigley RL. A hybrid approach to cardiac resynchronization therapy. Ann Thorac Cardiovasc Surg. 2011;17(3):273-6

10. Steinbauer M., Töpel I., Verhoeven E. "Angiohybrid-OP - Neue Möglichkeiten, Planung, Realisierung und Effekte". Gefässchirurgie - Zeitschrift für vaskuläre und endovaskuläre Medizin (17): 346-354. 2012.

11. Schmal Z., Hauschild O., Bode G., Südkamp N.P. Arch Orthop Trauma Surg 133 (9): 1257-65. 2013.

12. Vincent L., Morphological Grayscale Reconstruction in Image Analysis. Published in the IEEE Transactions on Image Processing, Vol. 2, No. 2, pp. 176-201, April 1993.

КОНТАКТНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

105203, г. Москва, ул. Нижняя Первомайская, 70 e-mail: nmhc@mail.ru