Experience of use of the individual cutting block «5 in 1» using total knee arthroplasty

Full Text

ОБОСНОВАНИЕ

Эндопротезирование коленного сустава — наиболее прогрессивно развивающееся направление в современном ортопедическом мире. С развитием визуализирующих технологий появилось отдельное направление — компьютерная ортопедическая хирургия (англ. computer-assisted orthopaedic surgery, CAOS). CAOS — это инженерное решение, направленное на повышение точности пред-операционного планирования и выполнения мануальных техник. По сути, СAOS напоминает навигацию, так как имеет схожий функционал, а именно предоставляет информацию пространственного положения хирургических инструментов или компонентов эндопротеза относительно кости. Основной целью CAOS является повышение точности позиционирования хирургических инструментов и выполнение мануальных навыков [1–12]. Условно CAOS можно разделить на три группы:

• 1-я группа — использование индивидуальных резекционных блоков, шаблонов, направителей по данным компьютерной/магнитно-резонансной томографии (КТ/МРТ);
• 2-я группа — «роботизированная рука», при помощи которой в сочетании с высокоскоростной фрезой выполняется точная остеотомия с учётом предварительного предоперационного виртуального планирования по данным КТ. На сего-дняшний день данная технология используется в основном для одномыщелкового эндопротезирования коленного сустава и тотального эндопротезирования тазобедренного сустава, однако в литературе встречаются результаты клинической апробации тотального эндопротезирования коленного сустава [13, 14]. Несмотря на предварительные обнадёживающие результаты, самой главной проблемой остаётся высокая стоимость данного оборудования;
• 3-я группа — автоматическое роботическое выполнение остеотомии без участия оперирующего хирурга. Полностью автономная система основана на предоперационном 3D-моделировании. Однако данная автономная система, по предварительным данным, зарекомендовала себя с неблагоприятной стороны и больше не используется [15].

Наиболее актуальной и технически оправданной методикой CAOS остаётся 1-я группа — использование индивидуальных резекционных блоков, шаблонов или направителей [1, 16–18].

Однако применение существующих на сегодняшний день индивидуальных резекционных блоков по сравнению с традиционными методиками для эндопротезирования коленного сустава, согласно недавно опубликованным данным, имеет противоречивые результаты. В частности, не отмечалось снижения операционного времени, частоты переливания крови или продолжительности пребывания в стационаре [19–21].

Существующие в настоящее время индивидуальные резекционные блоки для эндопротезирования коленного сустава условно можно разделить на три класса (табл. 1).

 

Таблица 1. Индивидуальные резекционные блоки для эндопротезирования коленного сустава: условное разделение на классы

Table 1. Individual resection blocks for knee arthroplasty: approximate categorizing

I класс	II класс	III класс
Индивидуальные резекционные блоки для установки ориентирующих пинов. Примеры: Signature-Vanguard (Biomet), PSI (Zimmer) и др.	Индивидуальные резекционные блоки для установки ориентирующих пинов и выполнения дистального опила. Примеры: Trumatch (DePuy), PSI Knee (Zimmer), Visionaire (Smith & Nephew), Prophecy (Wright Medical), OTIS Knee (OtisMed Corporation)	Индивидуальные резекционные блоки для установки ориентирующих пинов и выполнения дистального, переднего и заднего опилов. Пример: My Knee (Medacta)

 

Представленные в литературе варианты индивидуальных резекционных блоков сокращают этапы оперативного лечения, однако всё равно отмечается возвращение к стандартным резекционным блокам.

Целью исследования является усовершенствование способа предоперационного планирования и выполнения эндопротезирования коленного сустава с использованием методики индивидуального 3D-моделирования и прототипирования индивидуальных резекционных блоков, основанного на совмещении данных КТ и МРТ.

МЕТОДОЛОГИЯ

Исследование проводилось на компьютерном томографе Toshiba Aquilion 64 и магнитно-резонансном томографе Magnetom Avanto 1.5T Tim I-Class по специально разработанным протоколам. Используя комплекс адаптированного нами 3D-программного обеспечения, выполнялось индивидуальное 3D-моделирование [22] и прототипирование анатомических моделей коленного сустава на 3D-принтере Picaso 250 Prо, а также прототипирование индивидуальных резекционных блоков на 3D-принтере Objet Eden 260.

В работе представлен новый индивидуальный резекционный блок (Патент № 2789960 «Индивидуальный резекционный блок для выполнения опилов бедренной кости при эндопротезировании коленного сустава/ А.В. Филиппова от 28.08.2019»). Также представлен новый направитель лезвия пилы (Патент РФ № 191192 «Направитель лезвия пилы для выполнения остеотомии трубчатых костей/ А.В. Филиппова, А.А. Карбушев от 29.07.2019»).

КЛИНИЧЕСКИЙ ПРИМЕР

Больная Т., 72 года. Диагноз: деформирующий гонартроз левого коленного сустава 3-й степени с многоплоскостной деформацией и нарушением биологической оси конечности. Жалобы на выраженные боли в области левого коленного сустава, усиливающиеся во время ходьбы, ограничение движений в суставе, нарушение качества жизни. Клиническая картина: походка изменена. Контуры левого коленного сустава сглажены, биологическая деформация оси конечности. Пальпация болезненна в проекции суставных щелей. Движения из-за боли выраженно ограничены, сгибание 74°, разгибание 165°.

При анализе КТ и МРТ выявлены следующие особенности:

• смещение большеберцовой кости кпереди;
• суставная щель значительно сужена, преимущественно в медиальном отделе;
• медиальный и латеральный бугорки межмыщелкового возвышения деформированы, с краевыми костными разрастаниями;
• в периферических отделах суставных поверхностей большеберцовой кости определяются грубые краевые разрастания;
• в структуре дистального метадиафиза бедренной кости выявляется участок неравномерного остеосклероза (обызвествление инфаркта костного мозга) (рис. 1);
• надколенник и передняя поверхность дистального эпифиза бедренной кости с грубыми краевыми разрастаниями;
• сужение суставной щели пателлофеморального сустава.

 

Рис. 1. Данные магнитно-резонансной томографии больной T.

Fig. 1. Magnetic Resonance Imaging data of patient T.

 

Расчёт основных референтных углов (MTA, mMPTA, mLDFA, ATA, PPTA, PDFA) производится на трёхмерной модели нижней конечности (табл. 2) [22] с последующим выполнением 3D-моделирования эндопротезирования коленного сустава. На основе полученных виртуальных расчётов проектируются и с помощью прототипирования создаются индивидуальные резекционные блоки для мыщелков бедренной и большеберцовой костей.

 

Таблица 2. Определение основных референтных углов на трёхмерных моделях бедренной и большеберцовой костей

Table 2. Identifying the main reference angles on three-dimensional models of the femur and tibia

Референтные углы	Показатели, °
Механический тибиофеморальный угол MTA	8,8
Механический медиальный проксимальный большеберцовый угол mMPTA	93,3
Механический латеральный дистальный бедренный угол mLDFA	88
Анатомический феморотибиальный угол ATA	10,4
Угол наклона большеберцовой кости в сагиттальной плоскости PPTA	57,7
Угол дистального опила бедренной кости в сагиттальной плоскости PDFA	92,5

 

В предоперационном периоде на прототипированной анатомической модели коленного сустава данного больного обязательно проводится отработка мануальных навыков с использованием индивидуальных резекционных блоков с последующим сопоставлением и проверкой полученных расчётов.

Затем индивидуальные резекционные блоки обрабатываются и подготавливаются к использованию во время выполнения хирургического лечения.

Во время выполнения хирургического лечения, после поднадкостничного выделения мыщелков бедренной и большеберцовой костей, устанавливается первый индивидуальный резекционный блок. Внутренняя поверхность индивидуального резекционного блока полностью повторяет костно-хрящевые анатомические особенности больного, что исключает смещение и погрешности при его фиксации к мыщелку бедренной кости. После фиксации пинами индивидуального резекционного блока в первую прорезь устанавливается запатентованный инструмент — направитель лезвия пилы — и выполняется первый дистальный опил (рис. 2).

 

Рис. 2. Выполнение дистального опила мыщелков бедренной кости.

Fig. 2. Performing a distal cut of the femoral condyles.

 

Затем первый индивидуальный резекционный блок с фиксирующими пинами удаляется, и на мыщелки большеберцовой кости устанавливается второй индивидуальный резекционный блок (рис. 3). В данном случае, чтобы сохранить минимальную конфигурацию индивидуального резекционного блока и исключить расширение границ оперативного доступа, предусмотрены только отверстия для четырёх ориентирующих пинов. Однако при более благоприятных условиях в конфигурацию второго индивидуального резекционного блока возможно добавление прорези для выполнения опила мыщелков большеберцовой кости.

 

Рис. 3. Установка второго индивидуального резекционного блока на мыщелки большеберцовой кости.

Fig. 3. Fixing the second individual resection block on the tibial condyles.

 

После установки ориентирующих пинов индивидуальный резекционный блок и два верхних пина удаляются. На оставшиеся пины устанавливается стандартный резекционный блок, и выполняется опил мыщелков большеберцовой кости. Верхние отверстия, проведённые ранее, служат ориентиром положения, ротации и размера большеберцового компонента. Затем проверяется ось, оценивается размер образованной щели между дистальными опилами бедренной и большеберцовой костей, баланс связочного аппарата и размер будущего вкладыша (рис. 4).

 

Рис. 4. Проверка оси, оценка баланса связочного аппарата и размера будущего вкладыша.

Fig. 4. Checking the axis, estimating the balance of the ligamentous apparatus and the size of the future liner.

 

После подтверждения отсутствия необходимости изменения уровня опилов на дистальный опил большеберцовой кости через заранее размеченные отверстия устанавливается предыдущий первый индивидуальный резекционный блок. Благодаря уникальной конфигурации индивидуального резекционного блока проблем с повторной установкой, смещением не наблюдалось, более того, данный дизайн позволил комфортно обозревать и контролировать процесс установки. Затем инструмент — направитель лезвия пилы — устанавливается во вторую прорезь и лезвием осцилляторной пилы выполняется передний опил (рис. 5).

 

Рис. 5. Установка инструмента — направителя лезвия пилы — в прорезь индивидуального резекционного блока для выполнения переднего опила мыщелка бедренной кости.

Fig. 5. Inserting the instrument — the guide of the saw blade — into the slot of the individual resection block to perform the anterior cut of the femoral condyle.

 

Аналогичным образом, переместив инструмент — направитель лезвия пилы — в следующую прорезь, выполняется задний опил (рис. 6).

 

Рис. 6. Выполнение заднего опила мыщелка бедренной кости.

Fig. 6. Performing a posterior cut of the femoral condyle.

 

Затем, последовательно перемещая инструмент — направитель лезвия пилы, выполняют косые опилы (рис. 7).

 

Рис. 7. Выполнение косых опилов мыщелка бедренной кости.

Fig. 7. Performing oblique cuts of the femoral condyle.

 

После чего индивидуальный резекционный блок с фиксирующими пинами удаляется (рис. 8).

 

Рис. 8. Коленный сустав после выполнения всех опилов.

Fig. 8. Knee joint after all cuts.

 

При необходимости проверки выполненных опилов на бедренной кости в отверстия, выполненные ранее через первый индивидуальный резекционный блок, можно установить классический резекционный блок и проверить себя (рис. 9). Дизайн запатентованного индивидуального блока сформирован таким образом, что при наличии сомнений или для проверки выполняемых действий себя можно всегда проверить традиционным способом, через стандартные резекционные блоки или навигационную установку. В любой последовательности, в тот момент, когда индивидуальный резекционный блок установлен или, например, уже удалён. Для этого в индивидуальном резекционном блоке предусмотрены дополнительные ориентирующие отверстия.

 

Рис. 9. Проверка качества выполненных опилов мыщелков бедренной кости.

Fig. 9. Checking the quality of the performed femoral condyles.

 

Последующие этапы, подготавливающие уже непосредственно к установке компонентов эндопротеза коленного сустава, выполняются штатно, в том числе с последующей оценкой балансировки сгибательного и разгибательного промежутков, проверкой запланированных ранее размеров на примерочных компонентах эндопротеза. Затем выполняется уже финальная установка компонентов эндопротеза коленного сустава. В данном случае размеры полностью совпали с предоперационным планом (бедренный компонент Zimmer, размер D, плато большеберцовой кости № 3) (рис. 10). Рана послойно ушита, выполнены контрольные рентгеновские снимки в прямой и боковой проекциях (рис. 11, 12).

 

Рис. 10. Установленные компоненты эндопротеза коленного сустава.

Fig. 10. Installed components of the knee endoprosthesis.

 

Рис. 11. Рентгенограммы больной Т. в прямой проекции: а — до оперативного лечения, b — после оперативного лечения.

Fig. 11. Radiographs of patient T. in frontal projection: a — before surgical treatment, b — after surgical treatment.

 

Рис. 12. Рентгенограммы больной Т. в боковой проекции: а — до оперативного лечения, b — после оперативного лечения.

Fig. 12. Radiographs of patient T. in lateral projection: a — before surgical treatment, b — after surgical treatment.

 

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Для оценки полученных результатов в конце оперативного лечения больной выполнено 3D-сканирование опиленных костно-хрящевых фрагментов мыщелков бедренной и большеберцовой кости (рис. 13). Такой способ выбран для получения наиболее быстрого значимого результата оценки качества индивидуальных резекционных блоков и результата оперативного лечения в целом, а также исключения лучевой нагрузки для больного.

 

Рис. 13. Виртуальные модели удалённых костно-хрящевых фрагментов мыщелков коленного сустава после оперативного лечения.

Fig. 13. Virtual models of the removed bone and cartilage fragments of the condyles of the knee joint after surgical treatment.

 

Полученная виртуальная модель удалённых костно-хрящевых фрагментов мыщелков коленного сустава сопоставляется с ожидаемым результатом предоперационного планирования методом автоматизированного виртуального сопоставления (рис. 14).

 

Рис. 14. Сопоставление полученных и ожидаемых результатов на примере дистального опила бедренной кости: а — результат сканирования после оперативного лечения; b — ожидаемый результат виртуального предоперационного планирования.

Fig. 14. Comparison of the actual versus expected results using the distal femoral cut: a — postoperative CT scan; b — the expected result of virtual preoperative planning.

 

Итоговые данные сравнения ожидаемых и полученных результатов представлены в табл. 3, 4.

 

Таблица 3. Сравнение ожидаемых результатов опилов мыщелков бедренной кости и результатов сканирования опилов после оперативного лечения, мм

Table 3. Comparison of the expected results of femoral condyle cuts versus the CT scans of the cuts after surgical treatment, mm

Результат	Дистальный опил	Передний опил	Задний опил		Первый косой опил		Второй косой опил
			Латеральный мыщелок	Медиальный мыщелок	Латеральный мыщелок	Медиальный мыщелок	Латеральный мыщелок	Медиальный мыщелок
Ожидаемый	9,73	12,3	8	16,48	12,1	12,3	7,7	13,3
После оперативного лечения	10	12,7	7,7	16	11,9	12	7,3	12,97

 

Таблица 4. Сравнение ожидаемых результатов опилов мыщелков большеберцовой кости и результатов сканирования опилов после оперативного лечения, мм

Table 4. Comparison of the expected results of the tibial condyle cuts versus the CT scans of the cuts after surgical treatment, mm

Результат	Опил мыщелков большеберцовой кости (от латерального мыщелка)
Ожидаемый	10,26
После оперативного лечения	10

 

Аналогично выполнен сравнительный анализ расчётов ожидаемых результатов опилов мыщелков бедренной, большеберцовой костей и результатов сканирования опилов после оперативного лечения (30 коленных суставов). Средняя разница в измерении составила 4±2 мм (p <0,05).

Данный сравнительный виртуальный анализ и саму методику сканирования опилов можно предложить в качестве альтернативы методике КТ после оперативного лечения, так как помимо временного фактора, а также лучевой нагрузки для больного после оперативного лечения на результаты КТ влияют шумы и артефакты от компонентов эндопротеза коленного сустава, что может оказать существенное воздействие на достоверность результатов при сравнительном анализе до и после оперативного лечения и сопоставления данных.

ВЫВОДЫ

Представленные авторские индивидуальные резекционные блоки существенно отличаются от существующих аналогов, а именно:

• нет необходимости в использовании стандартного инструментария для размещения стандартных резекционных блоков;
• нет необходимости в использовании стандартных резекционных блоков для выполнения всех 5 опилов мыщелков бедренной кости;
• нет необходимости во вскрытии костномозгового канала, что было особенно наглядно в данном клиническом примере;
• помимо сокращения этапов хирургического лечения снижается нагрузка на персонал в процедурах сборки и стерилизации второстепенного инструментария, то есть нет необходимости в использовании полного набора;
• ну и, конечно, сокращается время пребывания больного в операционной.

Ещё одной особенностью представленных индивидуальных резекционных блоков является то, что учитываются не только костные, но и хрящевые структуры. То есть в отличие от аналогов нет необходимости в дополнительном доступе и подготовке стыковочной поверхности. Существующие аналоги зачастую коагулятором очищают поверхность мыщелка, что связано с риском повреждения ориентирующей, стыковочной с индивидуальным резекционным блоком поверхности. В конечном итоге это может привести к смещению или недостоверной посадке индивидуального резекционного блока и, как следствие, к погрешностям выполняемых опилов и недостоверной установке компонентов эндопротеза. Поэтому выбранная стратегия КТ+МРТ, на наш взгляд, является оптимальным решением не только для грамотного предоперационного планирования этапов эндопротезирования коленного сустава, но и для проектирования индивидуальных резекционных блоков.

Ещё одним немаловажным фактором представленных индивидуальных резекционных блоков является возможность на любом этапе проверить себя или при сложных многоплоскостных деформациях изменить, например, уровень дистального опила. То есть всегда существует план Б. В разработанных индивидуальных резекционных блоках есть страховочные дополнительные отверстия, которые при наличии сомнений позволяют проверить себя с помощью навигационной системы или стандартного, привычного инструментария, что в любом случае исключает вероятность ошибки.

Разработанная конфигурация индивидуальных резекционных блоков позволяет работать в условиях узкого операционного поля, тем самым обеспечивая малоинвазивность, что снижает риск травматичности проведения операции.

Наша комбинация «индивидуальный резекционный блок+инструмент — ограничитель лезвия пилы» позволяет сохранить чистоту раны, исключая попадание инородных тел, а также деформацию материала индивидуального резекционного блока во время колебания осцилляторной пилы.

Всё вышесказанное, несомненно, помогает достичь нашей самой главной цели — повышения точности пред-операционного планирования и выполнения эндопротезирования коленного сустава.

ДОПОЛНИТЕЛЬНО

Вклад авторов. Все авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией).

Источник финансирования. Не указан.

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Информированное согласие на публикацию. Авторы получили письменное согласие пациента на публикацию медицинских данных. Дата подписания согласия — 07.09.2017.

ADDITIONAL INFO

Author contribution. All authors made a substantial contribution to the conception of the work, acquisition, analysis, interpretation of data for the work, drafting and revising the work, final approval of the version to be published and agree to be accountable for all aspects of the work.

Funding source. Not specified.

Competing interests. The authors declare that they have no competing interests.

Consent for publication. Written consent was obtained from the patient on 07.09.2017 for publication of relevant medical information and all of accompanying images within the manuscript.

About the authors

Anastasia V. Filippova

North-Western State Medical University named after I.I. Mechnikov

Author for correspondence.
Email: dr.anastasia3d@gmail.com
ORCID iD: 0000-0001-9417-9563
SPIN-code: 7419-3814

Assistant to the President of the University; Traumatologist-Orthopedist; Specialist in 3D Technologies

Russian Federation, St. Petersburg

Otari G. Khurtsilava

North-Western State Medical University named after I.I. Mechnikov

Email: rectorat@szgmu.ru
ORCID iD: 0000-0002-7199-671X

MD, Dr. Sci. (Med.), Professor, the President of the University

Russian Federation, St. Petersburg

Dmitrii A. Ptashnikov

North-Western State Medical University named after I.I. Mechnikov; Russian Scientific Research Institute of Travmatology and Orthopedics named after R.R. Vreden

Email: drptashnikov@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-5765-3158
SPIN-code: 7678-6542

MD, Dr. Sci. (Med.), Professor; Head of the Department of Traumatology, Orthopedics and Military Surgery

Russian Federation, St. Petersburg; St. Petersburg

References

Supplementary files