Potentialities of 3D-Visualization in Preoperative Planning of Primary and Revision Total Hip Arthroplasty

Full Text

Введение. Ежегодно в мире выполняется до 1,5 млн операций тотального эндопротезирования тазобедренного сустава [1, 2]. При прогрессивном росте числа подобных вмешательств неизбежно растет и частота ревизионных эндопротезирований. По данным литературы [3-5], 0,3-1% случаев первичного эндопротезирования требует повторных оперативных вмешательств с целью замещения образовавшихся по разным причинам дефектов костей таза. В подобных ситуациях необходима дополнительная диагностика, направленная на уточнение геометрии дефекта и коррекцию оперативной тактики в дооперационном периоде [6]. Результаты многочисленных исследований [7, 8] показывают, что мультиспиральная компьютерная томография (МСКТ) позволяет с высокой точностью выявить достаточно большое число анатомических и структурных особенностей вертлужной впадины, которые могут иметь значение при планировании оперативного вмешательства. Однако при планировании ревизионного эндопротезирования тазобедренного сустава, когда необходимо исследовать состояние костной ткани в присутствии ранее установленных металлических компонентов эндопротеза, ее возможности ограничены ввиду появления артефактов на изображении [8, 9], которые требуют удаления в ручном режиме с помощью специального программного обеспечения для визуализации костной ткани и установления истинных размеров дефекта. В случае первичного эндопротезирования, когда речь идет о посттравматическом дефекте костной ткани, 3D-визуализация дефекта осуществляется значительно проще в связи с отсутствием артефактов. В связи с этим основной задачей в подобных ситуациях является послойная оценка плотности костной ткани по шкале Хаунсфилда и коррекция размеров объема истинного костного дефекта на основе полученных данных. В данной работе предложен метод предоперационного планирования, названный нами как «Метод послойной визуализации области дефекта». Рентгеновский метод МСКТ использован в качестве наиболее информативного метода диагностики. Имеющийся набор современных программных средств объемного моделирования и анализа обеспечивает требуемую детализацию структурных изменений вертлужной впадины перед оперативным вмешательством. Метод послойной визуализации реализуется через три последовательных этапа, конечной целью которых является получение данных об истинной геометрии дефекта и плотности костной ткани. Полученная информация обеспечивает условия для более полного предоперационного планирования. МаТериаЛЫ и МеТодЫ Специализированное программное обеспечение включает конвертер файлов DICOM формата DICOM Viever; 3D/CAD проектировщики; специальное ПО InVesalius 3.0, позволяющее оценить плотность костной ткани по шкале Хаунсфилда; программу K-Pacs для просмотра рентгеновских изображений. Первый этап - проведение МСКТ области предполагаемого оперативного вмешательства, преобразование изображений в формате DICOM (формат, в котором получаем стандартное МСКТ) с помощью конвертера DICOM Viever в любой сеточный формат, позволяющий работать с объемными моделями, например формат STL [10, 11] (рис. 1). Второй этап - обработка полученного изображение в формате STL в CAD-проектировщике. В ходе этого этапа производится точечное удаление всех артефактов [9], определение и удаление металлоконструкций, визуализация области дефекта (рис. 2). Данный процесс, в зависимости от количества артефактов, обусловленных наличием металла, и опыта оператора может занимать достаточно продолжительное время, по нашим наблюдениям - в среднем около 16 ч [12]. Третий этап - обработка полученного изображения таза в формате STL без металлоконструкций в программе InVesalius 3.0 для определения плотности костной ткани по шкале Хаунсфилда с использованием стандартных инструментов программного обеспечения [13]. Для этого вводятся параметры, соответствующие центру костного окна костей таза (от 400 до 600 HU) [7]. На полученном изображении выделяется дефект костной ткани, оцениваются его геометрия, в пределах каких анатомических областей данный дефект расположен. Для оценки плотности костной ткани в программе последовательно изменяются параметры плотности кости по шкале Хаунсфилда. Используются следующие режимы визуализации: первый режим (от 223 до 2132 HU), второй режим - от 478 до 2132 HU и третий режим - от 647 до 2132 HU. В результате получается ряд изображений, по которым визуализируется наиболее плотная костная ткань. Очевидно, что увеличение анализируемых границ плотности напрямую связано с расширением границ дефекта. Полученные данные дают возможность прогнозировать стабильность компонентов эндопротеза и корректировать тактику замещения дефекта костей таза, опираясь на данные о плотности костной ткани и истинной геометрии дефекта путем построения объемных моделей при различных начальных условиях. Далее решается задача предоперационного обоснования расположения винтов таким образом, чтобы основная часть, обеспечивающая адекватную фиксацию, проходила в зоне опороспособной костной ткани. Описанная выше методика в период с 06.2016 по 02.2017 применена нами у 9 пациентов (4 мужчин, 5 женщин; средний возраст 60±2 года) как этап предоперационного планирования реконструктивных оперативных вмешательств на костях таза. Основной критерий включения: наличие показаний к выполнению первичного и ревизионного эндопротезирования тазобедренного сустава при костных дефектах вертлужной впадины, требующих замещения аугментами (5 пациентов с дефектами типа II A, 3 - II B, 1 -- III B по Paprosky). Критерий исключения: наличие соматической патологии, являющейся прямым противопоказанием к оперативному вмешательству. Всем пациентам выполняли рентгенографию таза в переднезадней проекции, МСКТ (толщина слоя 0,5 мм, лучевая нагрузка 2,0±0,9 мЗв, 32-срезовый аппарат PHILIPS). Проектирование и изготовление индивидуального аугмента выполнено компанией ООО «3D медицинские системы» с использованием специализированного сервиса: «АИС создания персонализированного имплантата для реконструктивных восстановительных операций и 3D-печати» методом послойной визуализации. В ходе работы мы попытались оценить погрешность результатов определения размеров дефекта вертлужной впадины, полученных при 3D-визуализации в первом режиме (от 223 до 2132 HU), в сравнении с размерами, определенными интраоперационно (см. таблицу). Мы допустили, что если интраоперационные замеры, проведенные после обработки костной ткани, будут превышать размеры дефекта, определенного при 3D-визуализации в первом режиме, то измерения, выполненные во втором режиме 3D-визуализации, будут с большей долей вероятности совпадать с размерами реального дефекта впадины, что позволит изготовить аугмент необходимого размера для максимального заполнения дефекта в пределах опорной костной ткани. Проведенные интраоперационные замеры во всех 9 случаях не совпали с размерами, определенными виртуально в первом режиме, разница достигала 16,6%. В целом средний объем дефекта, полученный при 3D-визуализации, составил 31,9 см3, а средний объем, определенный в ходе операции, - 35,3 см3 (10,7%). Из-за малого размера группы наблюдения полноценный статистический анализ не проводился. Демонстрацию применения метода предлагаем рассмотреть на конкретном клиническом примере. П а ц и е н т Е . , 54 года, поступил в плановом порядке. Диагноз при поступлении: асептический некроз головки правой бедренной кости в стадии исхода. Нарушение функции сустава 3. Исход накостного металлоостеосинтеза (2015 г.). Относительное укорочение правой нижней конечности 8 см. Синдром выраженной коксалгии слева. Посттравматический неврит малоберцового нерва. Перед операцией выполнены рентгенография в переднезадней проекции (рис. 3), МСКТ. Выявлено справа: консолидированный в порочном положении перелом шейки бедра с наличием костных дефектов (краевых и от металлоконструкции), головка бедренной кости уплощена, деформирована, располагается в вертлужной впадине; вертлужная впадина увеличена, диаметр 70 мм, глубина 30 мм (слева 58 мм и 22 мм), контуры неровные, склерозированы. Краевые костные разрастания по всей окружности правого тазобедренного сустава. По данным МСКТ получена объемная модель, верифицирован дефект (рис. 4). На основании анализа состояния костной ткани в пределах от 223 до 2132 HU (рис. 5) принято решение о замещении данного дефекта индивидуальным 3D-аугментом. Мы видим, что с изменением режима оценки плотности костной ткани увеличивается объем дефекта. Это говорит о том, что опороспособной костной ткани на самом деле меньше, чем это определяется на рентгенограмме или визуально во время оперативного вмешательства [5, 14]. Решая задачу определения оптимального аугмента, важно достичь баланса - максимально сохранить опороспособную кость и постараться насколько возможно «опереть» индивидуальный аугмент в пределах достаточно плотной костной ткани. Индивидуальный аугмент моделировался по данным, полученным при визуализации во втором режиме (от 478 до 2132 HU), что увеличило его объем на 5,2 см3 (рис. 6). Третий режим (от 647 до 2132 HU) использовался нами с целью определения участков костной ткани, наиболее подходящих для проведения винтов во время фиксации аугмента. Таким образом, после обработки поверхности дефекта фрезой удастся имплантировать индивидуальный аугмент в пределах плотной костной ткани, что придаст дополнительную стабильность конструкции. В ходе виртуального предоперационного планирования был определен диаметр тазового компонента эндопротеза (62 мм), размер фрезы для обработки внутренней поверхности дефекта (38 мм), определены длина и направление хода крепежных винтов, угол имплантации индивидуального 3Dаугмента (рис. 7). Проведено эндопротезирование правого тазобедренного сустава эндопротезом Zimmer ML Taper, чашка Continium, индивидуально изготовленный аугмент устанавливали с использованием стандартного хирургического инструментария (рис. 8). Оперативное вмешательство прошло без технических сложностей, ранний послеоперационный период без особенностей. Проводились перевязки, ЛФК, магнитотерапия, антикоагулянтная терапия. Заживление первичным натяжением. Пациент обучен ходьбе при помощи костылей. В удовлетворительном состоянии пациент выписан на 9-е сутки для амбулаторного наблюдения по месту жительства. В целом знание о состояния костной ткани в области дефекта позволило определить точки крепления аугментов, ацетабулярного компонента эндопротеза, а также скорректировать модель и размеры индивидуального аугмента в пределах опороспособной кости. При подготовке пациента к плановому ревизионному эндопротезированию тазобедренного сустава крайне важно верифицировать геометрию дефекта, а также оценить состояние окружающей его костной ткани, определить объем и тактику оперативных действий. Данные о плотности костной ткани позволяет получить денситометрия - оптимальный инструмент скрининга остеопороза. Однако ее использование становится невозможным в условиях наличия металлоконструкции в интересующей области ввиду появления «наводок», что серьезно затрудняет сравнительную оценку костной ткани [8]. Опытному хирургу не всегда достаточно стандартных методов обследования, однако при использовании объемной визуализации возникают технические проблемы, решить которые возможно только совместно с техническим специалистом. Последний должен обладать специфическими медицинскими знаниями и иметь представление об особенностях ревизионного протезирования, чтобы правильно визуализировать дефект и максимально точно определить его объем. Предложенный нами метод визуализации дефекта кости, на наш взгляд, призван стать своеобразным «мостиком» между хирургом и инженером, обеспечивающим их эффективное взаимодействие с целью достижения наилучшего результата операции. Заключение. Метод послойной визуализации дефекта костей таза с оценкой плотности костной ткани по шкале Хаунсфилда позволяет хирургу оптимизировать тактику оперативного вмешательства на тазобедренном сустава, как первичного, так и ревизионного. В случае определения необходимости имплантации индивидуального 3D-аугмента данный метод дает возможность скорректировать его геометрию с учетом плотности костной ткани, обеспечив тем самым дополнительную стабильность конструкции. Кроме того, решается задача предоперационного обоснования расположения винтов в зоне опороспособной кости.

About the authors

M. A Sadovoy

Novosibirsk scientific research institute of traumatology and orthopedics named after ya. l. Ttsivyan

Novosibirsk, Russia

Vitaliy V. Pavlov

Novosibirsk scientific research institute of traumatology and orthopedics named after ya. l. Ttsivyan

Email: pavlovdoc@mail.ru
Dr. med. sci., head of the department for total hip arthroplasty and complications, Novosibirsk Scientific Research Institute of Traumatology and Orthopedics named after Ya. L. Tsivyan Novosibirsk, Russia

V. A Bazlov

Novosibirsk scientific research institute of traumatology and orthopedics named after ya. l. Ttsivyan

Novosibirsk, Russia

T. Z Mamuladze

Novosibirsk scientific research institute of traumatology and orthopedics named after ya. l. Ttsivyan

Novosibirsk, Russia

M. V Efimenko

Novosibirsk scientific research institute of traumatology and orthopedics named after ya. l. Ttsivyan

Novosibirsk, Russia

A. M Aronov

Innovative Medico-technological center (Medical technopark)

Novosibirsk, Russia

A. A Panchenko

OOO “3d Medical systems”

Novosibirsk, Russia

References

Supplementary files