Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 10
1.1. Современные методы лечения переломов коротких трубчатых костей 11
1.1.2. Консервативные методы лечения 11
1.1.3. Оперативные методы лечения 16
1.2. Возможности чрескостного остеосинтеза при лечении переломов коротких трубчатых костей 19
1.3. Осложнения и неудовлетворительные исходы при лечении переломов коротких трубчатых костей 22
1.4. Роль и место компьютерных технологий в предоперационном планировании и повышении качества выполнения операции 24
Глава 2. Характеристика клинического материала и методы исследования 28
2.1. Клиническая характеристика больных 28
2.2.Методы исследования срастания переломов 34
2.2.1. Клинические методы исследования срастания переломов 34
2.2.2. Физические методы исследования срастания переломов 35
2.3.Методы статистической обработки полученных результатов исследований 39
Глава 3. Метод чрескостного остеосинтеза миниаппаратом при переломах коротких трубчатых костей с предоперационным компьютерным моделированием 49
Глава 4. Цифровые методы исследования оптической плотности костной ткани 72
Глава 5. Моделирование чрескостного остеосинтеза при лечении переломов ключицы 81
Глава 6. Моделирование чрескостного остеосинтеза при лечении переломов пястных костей 106
Глава 7. Моделирование чрескостного остеосинтеза при лечении переломов плюсневых костей 131
Глава 8. Результаты лечения 156
Заключение 189
Выводы 193
Практические рекомендации 193
Список литературы
- Оперативные методы лечения
- Осложнения и неудовлетворительные исходы при лечении переломов коротких трубчатых костей
- Клинические методы исследования срастания переломов
- Цифровые методы исследования оптической плотности костной ткани
Оперативные методы лечения
В настоящее время создано и используется на практике много компьютерных программ, позволяющих провести выбор оптимальной компоновки аппарата внешней фиксации, с целью устранения фиксированных угловых деформаций при лечении псевдоартрозов, деформаций различных сегментов конечностей (4, 33, 88). В РНЦ «ВТО» им. Г.А. Илизарова разработаны и широко применяются программы, позволяющие по двум стандартным проекциям рентгенограмм рассчитать и увидеть на дисплее пространственную модель деформации сегмента конечности в целом и при заданной величине ротации найти оптимальный уровень остеотомии на экране и сегменте непосредственно, создать пространственную модель кости до и после оперативной коррекции. Программа позволяет определить величину остаточной кривизны в пространстве, которая возникает при поочередном представлении каждой из заданных точек уровня остеотомии. В результате расчетов дается информация о номере и координатах точки, оптимальном уровне остеотомии, ее направлении и величине дистракции, при создании клиновидного регенерата (108, 140). Эти же цели преследует и программа «Leg Perfekt», созданная в США. С помощью нее можно выбрать оптимальный уровень остеотомии с целью исправления любых видов деформаций и дефектов костей с одновременным удлинением конечности или без такового (105, 106, 108). Этими же авторами создана интерактивная база данных для лечения больных по методу Г.А. Илизарова (131).
Также с целью оптимизации результатов чрескостного остеосинтеза создана компьютерная программа «Остеокинез» (32, 84). Программа позволяет планировать и моделировать различные варианты дозированного устранения смещения отломков, проводить коррекцию всех компонентов деформаций костей. Метод используется при лечении больных с ложными суставами и деформациями костей (32, 84). Для предоперационного компьютерно го планирования исправления посттравматических деформаций лучевой кости создана трехмерная модель деформации (в сравнении со здоровой конечностью) с определением уровня остеотомии, ее вида и направления (146) Аналогичное трехмерное моделирование операции остеосинтеза проводится для оптимальной установки компрессионного винта и некоторых других методов погружного остеосинтеза при переломах шейки бедренной кости (157, 158). Имеются сообщения об успешном использовании компьютерных программ, позволяющих оптимально производить остеотомию и устранение сложных угловых деформаций в проксимальном отделе бедренной кости и костей голени. Они позволяют в визуальном и цифровом режиме оценить как дооперационное состояние деформации, так и послеоперационное состояние сегмента (154). С целью более точного моделирования предлагается использовать компьютерную томографию (88, 103). Разработка оптимальной компоновки аппаратов для внеочагового остеосинтеза с помощью компьютерного моделирования применяется рядом авторов (92, 101).
Еще в конце 80-х годов прошлого столетия проводились работы по созданию аппаратов внешней фиксации с компьютеризированной системой автоматической репозиции отломков. Программа репонирования перемещений в трех проекциях фиксатора строилась микрокомпьютером на основании анализа первичных рентгенограмм перелома, на основании алгоритма компьютерной диагностики смещения, выполнения репозиции с этапами дист-ракции, коррекции угловых смещений и компрессии (145). Созданы компьютерные программы, управляющие тремя микромоторами, которые могут изменять геометрию аппарата в трех плоскостях. Этим достигается автоматизация процесса репозиции и сращения перелома. Для управления аппаратом и моделирования остеосинтеза создан пакет программ SERF, имеющих мощную графическую базу. Машинное моделирование для исправления сложных отклонений оси конечностей с помощью метода Г.А. Илизарова проводится как для планирования самой операции, так и для выбора оптимальной компоновки аппарата (152, 156). Цифровое моделирование применяется при репозиции и удлинении культей фаланг пальцев и пястных костей (134). Предложены компьютерные модели удлинения нижних конечностей с переменным темпом дистракции, при котором структура регенерата костей и мягких тканей приближается к структуре при естественном росте. Модели позволяют рассчитывать оптимальные сроки дистракции и оценить влияние физической нагрузки на процесс регенерации (5, 138).
Предоперационное планирование артропластических операций с помощью трехмерного моделирования реконструируемого сустава, а также и цифровой расчет биомеханических параметров выполняется до и после операции. Разработана и применяется на практике компьютерная обработка рентгеновских изображений, получаемых с ЭОП во время оперативных вмешательств (35, 93, 122, 141, 159, 161).
В 16 Центральном военном специализированном госпитале г. Шиханы разработан, апробирован и с 1993 года применяется новый метод цифровой обработки видеоинформации и программно реализуемого компьютерного моделирования операции остеосинтеза при переломах трубчатых костей конечностей (42). Однако, двухмерная визуализация моделируемых этапов операции остеосинтеза недостаточна для комплексного восприятия всего процесса, что является недостатком данного метода.
В доступной нам литературе мы не встретили информации об использовании методов трёхмерного моделирования операции чрескостного остеосинтеза при переломах коротких трубчатых костей миниаппаратами. Применение этой технологии, мы полагаем, позволит качественным образом улучшить клинические и функциональные результаты у данной категории пострадавших.
Осложнения и неудовлетворительные исходы при лечении переломов коротких трубчатых костей
Нами предложен метод компьютерного трёхмерного моделирования этапов репозиции при переломах коротких трубчатых костей, который мы реализовывали во время операции чрескостного остеосинтеза миниаппаратами.
Данный метод и принцип его применения в клинической практике основывается на виртуальном моделировании костных структур в масштабе, идентичном реальным костным структурам живого организма. При поступлении пациента с травмой в лечебное учреждение выполняются рентгенограммы повреждённого сегмента. Поскольку процесс рентгенографии стандартизирован. а размеры отдельно взятого сегмента конечности существенно не влияют на увеличение расстояния "объект-пленка" и уменьшение расстояния "фокус-объект", то геометрическое увеличение изображения костных структур на снимках принимается равным нулю (хотя на практике составляет от 0.05 до 0.15 при стандартном расстоянии "фокус-пленка"). Измеренные линейные параметры костных структур закладывались при моделировании виртуальных объектов и сопоставлялись им с точностью до 10 мм. Последняя разница не учитывалась в виду нивелирования ее особенностями строения скелета у каждого пациента индивидуально.
Моделирование виртуальных объектов производилось с помощью программы 3D Studio Мах 6.0; 7.0. Программа 3D Studio Мах относится к семейству программ трехмерной компьютерной графики или. как ее еще называют, ЗО-графики (3 Dimensional - трехмерная) и предназначена для создания отдельных изображений, имитирующих сцены из жизни реальных или вымышленных миров с фотографической детальностью и качеством, а "=І Дж тралил По Ed Took Q
Профамма трёхмерной компьютерной графики 3D Studio Мах 7.0 также последовательностей кадров таких изображений, воспроизводящих движение объектов и называемых анимациями.
В данной программе все действия происходят в виртуальном бесконечном мировом пространстве - сцене (рис. 2).
Сцена (1) является трехмерной, т.е. состоит из трех взаимно перпендикулярных плоскостей (2), относительно которых происходят все построения (3) и движения. Сцена может принимать: «перспективный вид» (4) (учитывает особенность человеческого зрения, при котором окружающее пространство начинается от наиближайшей фронтальной плоскости и сходится в одну точку на горизонте), «вид спереди» (5), «вид сбоку» (6) (можно выбрать любой), «вид сверху» (7). В каждом из окон отображается метрическая сетка (8) с шаговым интервалом в 10 мм. Всякое перемещение выделенного объекта сцены отслеживается как по данной сетке визуально, так и в виде бегущих цифровых данных в трехсекционной строке состояния (9) под главным окном, которая показывает значения координат по осям X,Y,Z.
Широкие возможности программы позволяют создавать костные структуры самой различной сложности. Не вдаваясь в многообразие методов работы с программой, следует отметить хорошую визуализацию создаваемых объектов и комфортное пространственное понимание их расположения благодаря объемному эффекту изображения. Для создания изображений сцены применялась функция рендеринга и копирования экрана в буфер обмена с помощью клавиатурной функции Print Screen. Последующая обработка полученных видов производилась с применением программ Adobe Photoshop 8.0, Microsoft Photoeditor, Corel Draw 11, ACDSee, Microsoft Word Office 2003 в среде Windows XP.
Для выполнения поставленной задачи необходим мощный компьютер (не менее Pentium IV +2500 MHz с 512 MB ОЗУ), оборудованный средствами ввода и визуализации изображения, а также программное обеспечение по обработке ввода и визуализации изображения, программное обеспечение по ЗО-графике. Цифровой анализ изображения может проводиться в любой из программ векторной графики, разработанной как стандартное приложение операционной среды Windows, но наиболее практичными оказались программы Corel Draw 11, Adobe Photoshop 8.0, Microsoft Photo Editor. Пространственное моделирование проводилось в программе трехмерной графики 3D MAX Studio 6.0, 7.0. Протоколирование изображений этапов виртуальной операции и текстовых заключений выполнялось в программе Microsoft Office 2003.
Анализ информации проводился следующим образом: 1 Выполнение стандартных рентгенограмм травмированного сегмента в двух взаимно перпендикулярных проекциях, при необходимости дополненных атипичными косыми проекциями и томограммами. 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. Проиллюстрируем на примере последовательность создания трёхмерной модели перелома костей кисти. Сканировались рентгенограммы области перелома в двух проекциях. На рис. 3 представлена скано-грамма рентгенограммы перелома пятой пястной кости правой кисти в 2-х проекциях после цифровой обработки, указанной в пп. 3,4.
Клинические методы исследования срастания переломов
Если после выполнения чрескостного остеосинтеза и манипуляций на сегментах конечности сохранялось неустраненное смещение отломков и требовалась дополнительная коррекция, то виртуальная репозиция выполнялась с учетом фиксации металлоконструкцией. После составления виртуального плана репозиции отломков выполнялось дополнительное устранение смещения в условиях миниаппарата.
Метод компьютерного трёхмерного моделирования операции чрескостного остеосинтеза миниаппаратом применён у 57 пациентов, что составило 44,9%) от всех лечившихся с переломами коротких трубчатых костей и 80,3% от всех лечившихся методом чрескостного остеосинтеза.
Таким образом, применяя цифровую обработку видеоинформации, снятой с предоперационных рентгенограмм, и составляя реальный план выполнения операции чрескостного остеосинтеза при лечении больных с переломами коротких трубчатых костей, мы добились достаточной одномоментной репозиции отломков в аппарате у 91,7% пациентов. У 8,3% пострадавших полноценная репозиция отломков получена в ближайшем послеоперационном периоде.
Оптическая плотность (ОП) видеоизображения зависит, в первую очередь, от плотности тканей, через которые проходит рентгеновский луч. Известно, что черно-белое изображение по оптической плотности (R) раскладывается на 255 тонов, в зависимости от интенсивности окраски пикселов (1 точка видеоизображения). Так, точка «О» соответствует абсолютно черному цвету. Соответственно точка «255» - абсолютно белому. Таким образом, на рентгеновском видеоизображении, после его оцифровки, с помощью гистографического исследования можно определить оптическую плотность любого пиксела, выделенной площади или всей рентгенограммы. Известно, что чем плотнее ткань, тем более светлое изображение получается на негативе и, напротив, чем меньше плотность исследуемой ткани, тем темнее изображение. Так. кортикальный слой короткой трубчатой кости выглядит на рентгенограмме практически белым, а изображение мягких тканей конечности -темным.
Исходя из этого, очевидно, что оптическая плотность места перелома (ОПМП) на рентгенограмме идентична оптической плотности мягких тканей. По мере срастания перелома ОПМП будет приближаться к оптической плотности кортикального слоя (ОПКС). Таким образом, исследуя оптическую плотность места перелома в динамике, можно проследить процесс консолидации и выразить его в цифровом виде. Однако, учитывая различные качественные характеристики рентгенограмм, достаточно трудно сравнивать получаемые гистограммы и корректно интерпретировать результаты. Для объективизации метода нами предложено оценивать сравнительную оптическую плотность (СОП) места перелома и кортикального слоя кости, исходя из того, что в динамике, в процессе консолидации ОПМП приближается к ОПКС. Соответственно, чем меньше будет показатель СОП места перелома (МП) и кортикального слоя (КС) исследуемой кости, тем о более завершенном процессе консолидации можно говорить.
Исходя из вышеизложенного, мы провели исследование оптической плотности рентгенограмм у 36 пациентов с переломами коротких трубчатых костей, которые были разделены на 2 группы. В 1-ю группу вошли 18 пациента (по 6 больных с переломами ключицы, пястных и плюсневых костей), которым выполняли чрескостный остеосинтез и цифровую обработку видеоинформации с последующим компьютерным 3D моделированием остеосинтеза (40 + 3D моделирование). Во 2-ю группу вошли также 18 больных (по 6 больных с переломами ключицы, пястных и плюсневых костей), которым выполняли чрескостный остеосинтез без цифровой обработки видеоинформации и компьютерного 3D моделирования остеосинтеза (40). Исследовали оптическую плотность места перелома (ОПМП), оптическую плотность кортикального слоя (ОПКС) и сравнительную оптическую плотность между ОПМП и ОПКС в динамике (СОП). Снятие параметров с рентгенограмм проводили трижды: на 1 и 15 сут. после травмы и на момент демонтажа миниаппарата (табл. 12).
На момент травмы (1 сут.) СОП места перелома и кортикального слоя составляла в пределах 1,92±0,32-2,25±0,52 в обеих группах. Однако уже через 15 суток СОП в исследуемых группах достоверно различалась. Так, при применении цифровой обработки видеоинформации и компьютерного моделирования операции (1 группа) она составляла 1,31±0,32; тогда как без цифровой обработки видеоинформации и компьютерного моделирования операции (2 группа) - 1,78±0,41. Таким образом, через 15 суток СОП в 1 группе была меньше, чем во 2 группе в 1,36 раза.
К моменту демонтажа аппарата, причем, в 1 группе он выполнялся к 22,36+ 3,82 сут., а во 2 группе - к 29,07+6,75 сут., СОП составила в 1 группе 1,03+0,18, тогда как во 2 группе - 1,55±0,36. Таким образом, к сроку консолидации перелома, прогнозируемого по клиническим, рентгенологическим и функциональным критериям, ОПМП в 1 группе достоверно не отличалась от ОПКС, тогда как во 2 группе этот показатель был выше, чем в 1 группе, в 1,52 раза.
Клинический пример 1. Больной М, 1969 г.р., ИБ 2748, 5.06.2000., диагноз - закрытый субкапитальный перелом пятой пястной кости со смещением отломков (рис. 18). Данному больному в предоперационном периоде не проводилось цифровой обработки видеоинформации и компьютерного 3D моделирования остеосинтеза.
Цифровые методы исследования оптической плотности костной ткани
Топографо-анатомические особенности характера смещения отломков при переломах, а также их функциональная значимость обуславливают индивидуальный подход при решении вопросов выбора лечебной тактики. Различают переломы наружной трети или акромиального конца ключицы, переломы средней трети или тела ключицы и переломы внутренней трети или стернального конца ключицы. При переломах ключицы практически на любом уровне (рис. 24) из-за нарушения физиологического равновесия мышц отломки смешаются и занимают типичное положение. Центральный отломок под действием грудино-ключично-сосцевидной мышцы смещается кверху и кзади, а периферический отломок смещается книзу, кпереди и кнутри. Причина дислокации дистального фрагмента заложена в исчезновении опоры между плечевым суставом и грудиной. Тяга дельтовидной мышцы и собственная масса конечности смещают периферический отломок книзу. Тракция большой и малой грудных мышц ротируют плечо кнутри, приближают конечность к туловищу и не только увеличивают смещение книзу, но и сдвигают фрагмент кнутри, отломки заходят один за другой. Увеличивает медиальное смещение периферического отломка сокращение подключичной мышцы.
Анатомо-хирургические особенности смещения отломков ключицы легли в основу цифровой обработки видеоинформации и трёхмерного моделирования чрескостного остеосинтеза. Функцию ввода изображения выпол няли с помощью лазерного сканера. Калибровку оптической плотности выполняли при сканировании рентгенограмм различных оптических характеристик или низкого уровня качества. Этим мы достигали приведение изображения к единому масштабу плотности. Геометрическое масштабирование выполняли с целью задания всем графическим объектам единых метрических характеристик. Коррекцию яркости и контрастности изображения выполняли при необходимости улучшить качество рентгенограммы или какого-либо выделенного участка. Далее производилось трёхмерное построение объектов.
Моделирование чрескостного остеосинтеза при переломах ключицы На рис. 25, А - поперечный перелом левой ключицы на границе средней и наружной трети со смещением отломков (Б-й М, 1973 г.р., ИБ № 2029, 7.05.2002), Б - трёхмерная модель на основе рентгенограммы.
На рис. 26 - исходное положение трёхмерной модели в миниаппарате. На рис. 27 - выполнена дистракция костного отломка А по оси X на 10 мм. Рис. 28 - устранение смещения по ширине путём дислокации костного отломка В во фронтальной плоскости по оси Y на 9 мм. Рис. 29 - компрессия костных отломков, выполнена перемещением костного отломка А по оси X на 5 мм. по направлению к костному отломку В. Рис. 30. А- остеосинтез левой ключицы миниаппаратом Б-демонтаж аппарата через 27 суток после операции. Цифровые параметры трёхмерного компьютерного моделирования репозиции костных отломков реализуются во время операции - чрескостного остео-синтеза миниаппаратом. На рис. 30 А - остеосинтез ключицы миниаппаратом (2 сутки после операции), Б - демонтаж аппарата через 25 суток после операции.
На рис. 31 больной М., (ИБ № 2029, 7.05.2002 г.), моделирование чрескостного остеосинтеза которого представлено на рис. 25-29. Рис. 31. Больной с поперечным переломом левой ключицы на фанице средней и наружной трети со смещением отломков.(А и Б - в процессе лечения. В - через 3 дня после демонтажа аппарата) A - косой перелом средней трети правой ключицы со смещением отломков Б - трёхмерная модель, выстроенная на основе рентгенограммы устранение смещения по ширине, путём дислокации костного отломка А во фронтальной плоскости по оси Y на 10 мм. На рис. 36 - устранение ротационного смещения, путём ротации костного отломка А по часовой стрелке по оси X на 4.
На рис. 37 - устранение смещения по ширине в сагиттальной плоскости путём перемещения костного отломка А по оси Y на 18 мм. На рис. 38 - компрессия костных отломков, костный отломок А перемещён по оси X на 5 мм навстречу костному отломку В. Рис. 33. Исходное положение трёхмерной модели в миниаппарате
Устранение ротационного смещения. Рис. 37. Устранение смещения по ширине в сагиттальной плоскости. Рис. 38. Компрессия Цифровые параметры трёхмерного компьютерного моделирования репозиции костных отломков реализуются во время операции - чрескостного остео-синтеза миниаппаратом (рис. 39, А).
На рис. 42 - исходное положение трёхмерной модели. Рис. 43 - дистракция костных отломков, костный отломок А дислацируется по оси X на 6 мм. На рис. 44 - устранение смещения по ширине во фронтальной плоскости, перемещение отломка А по оси Y на 9 мм. Рис. 45 - устранение смещения по ширине в сагиттальной плоскости, костный отломок В дислацируется по оси Y в сагиттальной плоскости на 10 мм. На рис. 46 - компрессия костных отломков, отломок А смещается по оси X на 6 мм навстречу отломку В.
На рис. 53 - исходное положение трёхмерной модели в миниаппарате. Рис. 54 - дистракция костных отломков, путём дислокации костного отломка А по оси Y на Змм. дистально. На рис. 55 - устранение углового смещения в сагиттальной плоскости, перемещение костного отломка А против часовой стрелки на 22 в тыльную сторону. На рис. 56 - устранение углового смещения во фронтальной плоскости, путём дислокации костного отломка А на 20 в ульнарную сторону. На рис. 57 - компрессия костных отломков, перемещение костного отломка А на 5 мм. по оси Y навстречу костному отломку В. На рис. 58 А - чрескостный остеосинтез миниаппаратом (1 сутки), Б - демонтаж аппарата на 17 сутки после операции.
На рис. 61 - исходное положение трёхмерной модели в миниаппарате. Рис. 62 - дистракция костных отломков за счёт перемещения отломка А по оси Y на 10 мм. дистально. На рис. 63 - устранение углового смещения в сагиттальной плоскости путём ротации костного отломка А на 10 в тыльную сторону. Рис. 64 - устранение углового смещения во фронтальной плоскости ротацией отломка А на 25 в ульнарную сторону. Рис. 65 - компрессия, за счёт перемещения костного отломка А по оси Y на 6 мм. проксимально.
