Планирование и коррекция деформаций длинных костей на основе использования моделей трехмерной печати (предварительное сообщение)

При планировании коррекции деформаций длинных костей используют т.н. референтные линии и углы – РЛУ [3, 4, 10]. Во всем мире принят достаточно стандартный алгоритм использования РЛУ при работе с рентгенограммами, выполненными в прямой и боковой проекциях [12, 14, 15]. Определение деформации на основе анатомических осей не гарантирует восстановления механических углов. Поэтому большинство авторов отдают предпочтение определению вершины деформации с использованием механических осей проксимального и дистального фрагментов [12, 15]. Однако в случае деформации суставного конца или/и наличия торсионного компонента точное определение механических осей невозможно. Кроме этого, даже при наличии возможности идентификации механических осей, уровни вершин деформаций на прямой и боковой рентгенограммах часто

не совпадают. При определении истинной плоскости деформации (oblique plan deformity correction – OPDC) [5, 12, 14, 15] для определения истинной вершины деформации необходимо сделать дополнительную рентгенограмму в найденной плоскости, что на практике достаточно сложно. Однако наличие торсионного компонента (в меньшей степени – трансляции) делает выполнение OPDC невозможным.

Компьютерная томография позволяет построить трехмерную модель кости, оценить величину торсионного компонента деформации. Однако определение РЛУ и планирование коррекции деформаций с использованием этой техники невозможно.

Имеется информация о возможности дистанционного планирования коррекции деформации при помощи специальных инженерных программ [17]. Однако

данный метод не позволяет планировать коррекцию деформации при укорочении сегмента, изготовляемые шаблоны предназначены только для ограниченного вида пластин и локализаций. Нами в литературе найдена единичная публикация о возможности планирования коррекции деформации длинной кости на основе модели, полученной путем трехмерной печати данных компьютерной томографии [11]. При этом доктором

выполнялась остеотомия модели поврежденной кости, одномоментная коррекция деформации, фиксация пластиной. Этот метод нам представляется весьма перспективным, что и послужило отправной точкой настоящей работы.

Целью данной работы было апробировать эффективность планирования коррекции деформации длинных костей на основе модели трехмерной печати.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Объектом исследования послужила собака с посттравматической деформацией и укорочением левого предплечья (рис. 1). Для достижения цели был выполнен следующий алгоритм действий:

• 1.    Компьютерная томография деформированного сегмента конечности.

• 2.    Компьютерная томография контралатерального (“здорового”) сегмента конечности с последующим созданием ее зеркальной копии.

• 3.    Печать трехмерных моделей.

• 4.    Планирование и моделирование коррекции деформации.

• 5.    Выполнение коррекции деформации на основе подготовленного и обоснованного плана.

• 6.    Сравнение результатов коррекции с планируемым результатом.

В результате первых трех шагов мы получили “твердые копии” деформированных костей левого предплечья и образ костей левого предплечья после коррекции деформации.

Для компьютерной томографии использовался ап-

парат КТ-00-0000 РЭ фирмы PHILIPS-ЭЛЕКТРОН. Толщина среза 0,75 мм, с наложением. Для печати трехмерных моделей использовался принтер Zprinter 650 с точностью 0,0875 мм в масштабе 1:1. Для чре-скостного остеосинтеза использовали аппарат с компьютерной навигацией Орто-СУВ [2, 13, 15], который позволяет выполнить одноэтапную коррекцию деформации в трех плоскостях и шести степенях свободы. Выбор уровней остеотомии осуществляли на основе мануального изучения компонентов деформации и определения виртуальных осей. Пластиковую модель фиксировали аппаратом Орто-СУВ, выполняли остеотомию и на основе компьютерной программы Орто-СУВ планировали и выполняли коррекцию до достижения совпадения с “образом после коррекции” (зеркальная пластиковая копия контралатерального предплечья). Для реальной коррекции использовали аппарат, аналогичный использованному на модели. По завершении коррекции выполняли рентгенограммы и сравнивали их с планируемым результатом.

Рис. 1. Предоперационные данные: а – фотография собаки с деформацией левого предплечья; b – данные КТ: 3D реконструкция деформированного сегмента; с – данные компьютерной томографии: 3D реконструкция зеркального отражения здорового сегмента; d – «твердая» копия деформированного сегмента, полученная при помощи 3D-печати, вид спереди; e – «твердая» копия деформированного сегмента, вид сбоку; f – «твердая» копия зеркального отражения здорового сегмента, полученная при помощи 3D-печати, вид спереди; f – «твердая» копия зеркального отражения здорового сегмента, вид сбоку

РЕЗУЛЬТАТЫ

Компьютерные томограммы предплечий и трехмерные модели представлены на рисунке 1. При анализе моделей было установлено, что деформация является четырехкомпонентной трехплоскостной (состоит из следующих компонентов: угловая деформация лучевой кости в двух плоскостях – в сагиттальной плоскости 25º и 35º во фронтальной; угловая деформация локтевой кости в сагиттальной плоскости 12º; укорочение 35 мм, ротация 15º). На этой основе определены уровни остеотомий каждой из костей: лучевой – на 58 мм проксимальнее линии дистального сустава лучевой кости; оптимальная линия остеотомии локтевой кости 66 мм проксимальнее линии дистального сустава локтевой кости. В соответствии с принципами коррекции деформаций костей предплечья [1, 6, 7, 8] процедура моделирования коррекции была разбита на два этапа. Первый этап – чрескостный остеосинтез аппаратом Орто-СУВ, остеотомия лучевой кости с последующей ее изолированной коррекцией для восстановления соотношений в дистальном радио-ульнарном сочленении (рис. 2). Второй этап включал проведение дополнительных чрескостных элементов в локтевую кость, ее остеотомию с последующим удлинением обеих костей предплечья на величину 25 мм (рис. 3). В результате коррекции ориентация суставов костей предплечья полностью соответствовало достигаемому образу.

10.05.2014 под интубационным наркозом выполне-

на операция наложения аппарата Орто-СУВ и остеотомии лучевой кости (рис. 4). На рис. 4, d представлено окно программы Орто-СУВ, где желтый контур – исходное положение дистального фрагмента лучевой кости, красный контур – расчетное положение фрагмента после коррекции. Коррекция начата на 5-е сутки в темпе 1 мм/сутки. Период коррекции – 10 дней. Результаты первого этапа коррекции представлены на рисунке 4, e.

Вторым этапом, на 11 сутки после завершения первого этапа, выполнены проведение чрескостных элементов, стабилизирующих локтевую кость в мобильной опоре, и остеотомия локтевой кости на заданном уровне (рис. 5, a). После этого был выполнен расчет коррекции в программе Орто-СУВ (рис. 5, b). Коррекция начата на 5-е сутки в темпе 1 мм/сутки. Время коррекции составило 25 дней. Результат представлен на рисунке 5, c. Аппарат внешней фиксации демонтирован на 44 день после завершения второго этапа коррекции (рис. 5, d). Т.о. индекс внешней фиксации составил 2,26 дн./мм. Сравнение трехмерной модели костей левого предплечья после коррекции деформации с запланированным образом показало, что коррекция полностью соответствовала запланированной предоперационно. Осложнением коррекции явилось формирование межкостных синостозов, что мы связываем с особенностями дистракционного остеогенеза у собак.

Рис. 2. Первый этап коррекции деформации модели (наложен аппарат Орто-СУВ и выполнена остеотомия лучевой кости): a – до коррекции деформации (вид спереди); b – до коррекции деформации (вид сбоку); с – после коррекции деформации (вид спереди); d – после коррекции деформации (вид сбоку)

Рис. 3. Второй этап коррекции деформации модели (выполнена остеотомия локтевой кости): a – до коррекции деформации (вид спереди); b – до коррекции деформации (вид сбоку); с – после коррекции деформации (вид спереди); d – после коррекции деформации (вид сбоку)

Рис. 4. Первый этап коррекции деформации (выполнена остеотомия лучевой кости, наложен аппарат Орто-СУВ): a – лапа собаки в аппарате Орто-СУВ (вид спереди); b – лапа собаки в аппарате Орто-СУВ (вид сбоку); с - рентгенограммы после операции; d – расчет коррекции деформации в окне программы Орто-СУВ (желтый контур – начальное положение костного фрагмента, красный контур – конечное положение); e – рентгенограммы после окончания первого этапа коррекции (устранена деформация лучевой кости, восстановлены правильные взаимоотношения в дистальном радио-ульнарном сочленении)

Рис. 5. Второй этап коррекции деформации (выполнена остеотомия локтевой кости, проведены дополнительные чрескостные элементы): a – рентгенограммы после операции; b – расчет коррекции деформации в окне программы Орто-СУВ (желтый контур – начальное положение костного фрагмента, красный контур – конечное положение); c – рентгенограммы после окончания второго этапа; d – рентгенограммы после демонтажа аппарата; e – внешний вид собаки после окончания лечения

ОБСУЖДЕНИЕ

В настоящее время в челюстно-лицевой хирургии и в вертебрологии при лечении новообразований активно используются технологии трехмерного моделирования и трехмерной печати, т.н. CAD (computer-aided design) и CAM (computer-aided manufacturing) [9, 16]. По данным КТ и полимерным 3D-моделям выполняют планирование объема резекции опухоли, изготовление индивидуальных металлоконструкций (пластин, кейджей, металлических сеток) с целью дальнейшего, идеально точного восстановления анатомии сегмента при пластике пострезекционного дефекта ауто- или аллокостью, биокомпозитными материалами.

Единичные публикации о применении данных технологий в ортопедии свидетельствуют о ряде ограничений, связанных с их применением на практике. Так, планирование коррекции деформации по 3D-модели, полученной путем распечатки данных КТ на 3D принтере, с ее остеотомией и фиксацией пластиной [11] ограничено тем, что большинство деформаций сопровождаются укорочением, т.е. имеются ограничения к одномоментной коррекции и внутренней фиксации. Кроме этого, неиспользование образа неповрежденного сегмента не позволяет считать данное моделирование коррекции «совершенным».

На настоящее время в практику входит метод виртуального планирования коррекций деформаций по виртуальной 3D-модели, в результате которого изго-

тавливают стерео-литографический шаблон-направитель для выполнения остеотомии и фиксации пластины [17]. Метод выглядит весьма прогрессивными и призван облегчать труд хирурга. Однако практика предполагает значительное повышение трудозатрат. Ортопед должен отослать результаты КТ-исследования электронной почтой в офис соответствующей компании. Здесь они обрабатываются инженером с последующим созданием индивидуального шаблона-направителя. Последний отправляется доктору почтой. Однако установка направителя на кости в «правильном» месте выглядит весьма непростым занятием, т.к. не существует маркеров должного положения направителя. Кроме этого, как указывалось, указанные шаблоны предназначены только для определенных видов пластин и, соответственно, локализаций.

Предлагаемый нами метод планирования коррекции деформаций исключает ограничения описанных современных вариантов планирования. Так, чрескост-ный аппарат Орто-СУВ, работающий на основе компьютерной навигации, дает все необходимые опции для коррекции любого вида деформации на модели и позволяет воспроизвести его непосредственно на деформированной конечности. «Твердая» модель зеркальной копии здорового сегмента позволяет дать «образ» для сравнительной оценки с модели с выполненной коррекцией деформации со «здоровой» моделью.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Сочетание методик CAD/CAM и чрескостного аппарата Орто-СУВ, работающего на основе компьютерной навигации, позволило оптимизировать планирование коррекции сложной многоплоскостной деформации, сопровождающейся укорочением и торсионной деформацией сегмента. Точное воспроизведение планируемой

коррекции деформации в клинике при помощи аппарата Орто-СУВ явилось, по нашему мнению, основой хорошего результата коррекции деформации. Мы полагаем, что данное исследование является предпосылкой для более широкого использования указанных способов при коррекции деформаций длинных костей.