Травматологія і Фармакологія

Використання 3d-моделювання з виготовленням пластикового прототипу у передопераційній підготовці хворих із переломами таза (клінічні приклади)

Гайко Г. В., Галузинський О. А., Бурбурська С. В. - ДУ “Інститут травматології та ортопедії НАМН України”, м. Київ


Електронна версія фахових видань

Український науково-практичний журнал
"Вісник ортопедії, травматології та протезування"
№ 4 (99) 2018

З люб'язної згоди головного редактора журналу "Вісник ортопедії, травматології та протезування" Директора ДУ “Інститут травматології та ортопедії НАМН України”, Заслуженого діяча науки і техніки, Лауреата Державної премії України, академіка НАМН України, професора Гайко Г. В. та засновників видання
ВГО “УКРАЇНСЬКА АСОЦІАЦІЯ ОРТОПЕДІВ-ТРАВМАТОЛОГІВ”, ВГО “УКРАЇНСЬКА АСОЦІАЦІЯ СПОРТИВНОЇ ТРАВМАТОЛОГІЇ, ХІРУРГІЇ КОЛІНА ТА АРТРОСКОПІЇ”, ДУ “ІНСТИТУТ ТРАВМАТОЛОГІЇ ТА ОРТОПЕДІЇ НАМН УКРАЇНИ”

УДК [616.718.16-089.843:: 616-089.1934]-004.94

ВИКОРИСТАННЯ 3D-МОДЕЛЮВАННЯ З ВИГОТОВЛЕННЯМ ПЛАСТИКОВОГО ПРОТОТИПУ У ПЕРЕДОПЕРАЦІЙНІЙ ПІДГОТОВЦІ ХВОРИХ ІЗ ПЕРЕЛОМАМИ ТАЗА (КЛІНІЧНІ ПРИКЛАДИ)
Гайко Г. В., Галузинський О. А., Бурбурська С. В.
ДУ “Інститут травматології та ортопедії НАМН України”, м. Київ

Резюме. Методика 3D-моделювання з виготовленням пластикового прототипу може бути рекомендована до впровадження в центри, які займаються остеосинтезом при складних переломах таза. Мета. Визначити діагностичну цінність використання адитивних технологій у передопераційній підготовці хворих із переломами таза.

Методи. Представлено повідомлення про результати оперативного лікування 10 хворих зі складними переломами таза. У передопераційний період для діагностики та визначення тактики оперативного втручання використовували пластиковий прототип таза, виготовлений за допомогою ЗD-технології. Ефективність оперативного лікування оцінювали за клінічною класифікацією Harris W.H., наявністю консолідації переломів та відновлення опорної здатності ураженої кінцівки.

Результати. Використання сучасних адитивних технологій дозволило в 100% (10 випадків) добитися консолідації переломів із відновленням опорної здатності та функції ураженого сегмента. У післяопераційний період показники бальної оцінки за Harris W.H. у 8 пацієнтів – відмінні, у 2 – хороші.

Висновки. Проведене дослідження визначило високу діагностичну цінність використання адитивних технологій у передопераційній підготовці хворих із складними переломами таза. Пластиковий прототип дозволяє максимально точно оцінити характер перелому, ідеально підібрати фіксатори, що значно скорочує час оперативного втручання та зменшує кількість можливих ускладнень. Дана технологія може бути рекомендована до впровадження в центри, які займаються остеосинтезом при складних переломах таза.

Ключові слова: переломи таза, передоопераційна підготовка, ЗD-технології, пластиковий прототип, ефективність оперативного лікування.

Вступ

Пошкодження кісток таза належать до категорії найскладніших у практиці травматологів-ортопедів. Постраждалі з пошкодженням кісток таза складають від 7 до 10% всіх травматологічних хворих, більшість із них – чоловіки активного віку. Частота тимчасової або постійної непрацездатності серед постраждалих з ушкодженнями таза і кульшових суглобів становить близько 18,5% [4]. Основними причинами пошкоджень тазового кільця, які в останні десятиліття мають тенденцію до зростання, є ДТП (40-70%), кататравми, інші виробничі травми, нещасні випадки в побуті тощо [5, 15]. Абсолютно нестабільні ушкодження спостерігаються у 40% постраждалих, а пошкодження з синдромом вертикальної нестабільності в передньому напівкільці у 45% [9, 11]. Консервативні та оперативні методи лікування таких травм не виключають незадовільні результати, навіть у спеціалізованих стаціонарах [6, 7]. З осіб, які перенесли поєднану травму таза, велике число стає інвалідами, а супутня їм профнепридатність і ускладнена соціальна адаптація утруднюють перебування в суспільстві [2].

При цьому особливе значення має точна діагностика даних ушкоджень, так як від цього принципово залежить тактика подальшого їх лікування. Основою дослідження хворих із підозрою на пошкодження кісток таза є стандартизована рентгенографія в передньо-задній проекції і проекціях за Judet [1, 13]. Однак просторова анатомія таза робить складним її сприйняття, що може створювати певні складності в діагностиці пошкоджень на підставі традиційної рентгенографії і, як наслідок, призводити до тактичних і лікувальних помилок [10]. Так, окремі переломи кульшової западини не діагностуються рентгенологічно в 20% випадків, а при розривах зчленувань таза розбіжність діагнозу досягає майже 55% [4].

У даний час 3D-технології активно впроваджуються в повсякденну медичну практику. 3D-моделювання та прототипування застосовуються в різних галузях хірургії при плануванні і виконанні оперативних втручань. В ортопедії дана технологія з’явилася в 1990 р., коли при ендопротезуванні колінного суглоба був використаний виготовлений методом 3D-друку індивідуальний шаблон з орієнтирами для проведення гвинтів [8]. З того часу в зарубіжній літературі дедалі частіше згадується про застосування індивідуальних шаблонів для навігації при хірургічних втручаннях на різних кістках скелета [12, 16]. У лабораторії 3D-друку ДУ “Інститут травматології та ортопедії НАМН України” широко використовують технологію виготовлення пластикових прототипів при переломах таза, які використовувались у передопераційному плануванні в клініках інституту та м. Києва. Вважаємо цікавим проаналізувати досвід роботи даної лабораторії з визначенням діагностичної цінності використання адитивних технологій у передопераційній підготовці хворих зі складними переломами таза.

Мета роботи – визначити діагностичну цінність використання адитивних технологій у передопераційній підготовці хворих із переломами таза.

Матеріали і методи

Протягом 2018 р. у лабораторії медичного 3D-друку ДУ “Інститут травматології та ортопедії НАМН України” виконано 3D-моделювання та виготовлення пластикових прототипів у 10 пацієнтів. Розподіл хворих із переломами кісток таза та кульшової западини згідно з класифікацією АО (Tile M., 1988, Мюллер М.Е., Алльговер М. та ін., 1996) [3, 14], де були застосовані адитивні технології, представлений на рис. 1. Найчастіше 3D-моделювання використовували у випадках переломів таза типу С1(50,0%) – 5 випадків. Усім категоріям хворих у передопераційний період було виконано стандартні рентгенограми та комп’ютерну томографію уражених сегментів із метою побудови тривимірної моделі та пластикового прототипу ураженого сегмента.

Першим етапом для створення фізичної 3D-моделі є обробка двовимірних зображень КТ та МРТ сканування (рис. 2). Аналіз, очищення артефактів відбувається на кожному зрізі та в трьох площинах конкретного дослідження, отриманого за допомогою променевої діагностики, що зумовлює додатковий аналіз кожного зрізу (спеціалістом ортопедом-травматологом) та високу точність у побудові тривимірного зображення. Для забезпечення високої точності кінцевого прототипу необхідно мати якісні вхідні дані КТ та МРТ зображень.

Для обробки двовимірних зображень використовується спеціалізоване програмне забезпечення. Найбільш поширеним форматом введення даних для цих програм є DICOM, але також підтримуються інші формати зображень, такі як: TIFF, JPEG, BMP і RAW. Оброблене зображення зберігається в будь-якому з наступних форматів вихідних файлів залежно від подальшого застосування: STL, VRML, PLY і DXF. Основний формат файлів для тривимірного друку (далі 3D-друк) – STL (рис. 3).

 Рис. 1. Розподіл хворих із переломами кісток таза та кульшової западини згідно з класифікацією АО (Tile M., 1988, Мюллер М.Е., Алльговер М. та ін., 1996)

Рис. 1. Розподіл хворих із переломами кісток таза та кульшової западини згідно з класифікацією АО (Tile M., 1988, Мюллер М.Е., Алльговер М. та ін., 1996)

Другим етапом є експорт збереженого файлу в форматі STL у програму Autodesk NetFabb (рис. 4), в якій проводиться автоматичне і ручне виправлення та редагування 3D-моделі. Поверхня об’єктів у цьому форматі являє собою сукупність полігонів (Polygon mesh). Інтелектуальні скрипти можуть автоматично аналізувати поверхні, виправляти помилки сіток, покращувати точність моделей шляхом повторної тріангуляції, усувати просторові колізії та інші помилки. Програма дає можливість спрогнозувати можливі спотворення, що виникають у виробі в ході 3D-друку безпосередньо до запуску у виробництво. На підставі цього інженер може скорегувати вихідний дизайн таким чином, щоб уникнути помилок під час 3D-друку.

 Рис. 2. Вигляд зображення комп’ютерної томографії лівого кульшового суглоба після обробки на першому етапі

Рис. 2. Вигляд зображення комп’ютерної томографії лівого кульшового суглоба після обробки на першому етапі

Третім етапом є переведення готової 3D-моделі в програму “слайсер”, яка безпосередньо підходить до самого 3D-принтера, в нашому випадку Flash Print. Flash Print – це програма для перетворення тривимірної моделі у зрозумілий принтеру набір команд, званий g-code. На цьому етапі встановлюються кінцеві дані для 3D-друку, а саме: задається положення деталі під час друку, розраховується тип та кількість підтримок, задається щільність заповнення моделі, обирається оптимальна швидкість та температура для друку.

Принтер друкує пластиковий прототип кістки в натуральну величину. Процес триває від кількох годин до однієї доби. Даний вид пластику легко обробляється фрезами та іншими хірургічними інструментами, що дає змогу примірити вибрану імплантаційну систему.

Друк прототипу виконувався на 3D-принтері Flash Forge Guider II з ABS-пластику (рис. 5).

З метою визначення ефективності виконання оперативних втручань у хворих зі складними переломами таза, яким перед оперативним втручанням виконувалось 3D-моделювання та друк пластикового прототипу, пацієнти були обстежені в передопераційний та ранній післяопераційний період клінічно за класифікацією Harris W.H. [10].

У всіх пацієнтів даної категорії відмічали негативний результат цієї оцінки (діапазон 50-62 бали) у передопераційний період. Також до ознак ефективності хірургічного лікування у хворих зі складними переломами таза зараховують наявність консолідації переломів та відновлення опорної здатності уражених кінцівок.

Рис. 3. Вигляд 3D-моделі лівого кульшового суглоба в форматі STL

Рис. 3. Вигляд 3D-моделі лівого кульшового суглоба в форматі STL

Рис. 4. Вигляд 3D-моделі лівого кульшового суглоба в програмі Autodesk NetFabb

Рис. 4. Вигляд 3D-моделі лівого кульшового суглоба в програмі Autodesk NetFabb

Рис. 5. Процес 3D-друку кісток таза

Рис. 5. Процес 3D-друку кісток таза

Результати та їх обговорення

Визначено, що використання сучасних адитивних технологій дозволило в 100% (10 випадків) добитися консолідації переломів із відновленням опорної здатності та функції ураженого сегмента. У післяопераційний період показники бальної оцінки за Harris W.H. [10] у 8 пацієнтів – відмінні, у 2 – хороші. Термін спостереження склав 6-9 місяців. Пластиковий прототип дозволяє максимально точно оцінити характер перелому та спланувати оперативне втручання. Пластик добре піддається обробці інструментами. Хірург може ідеально підібрати фіксатори, вигнути їх, ніби виконати “операцію до операції”. Це значно скорочує час оперативного втручання та зменшує кількість можливих ускладнень.

Таким чином, проведене дослідження доводить високу діагностичну цінність 3D-моделювання та прототипування у період підготовки хворих із переломами таза до операції. Використання адитивних технологій дозволило досягти хороших і відмінних функціональних результатів у всіх 10 обстежених хворих у ранній післяопераційний період, що доводить їх високу ефективність та може бути рекомендовано як незамінний метод при передопераційній підготовці даних складних оперативних втручань.

Клінічні приклади

1. Хворий Л., 46 років. Діагноз: застарілий перелом

бокової маси крижової кістки, переломи лобкової та сідничної кісток справа, тип перелому С1 [14]. Комп’ютерна томографія, 3D-реконструкція та пластикова модель з індивідуальною навігаційною системою для остеосинтезу крижової кістки гвинтами представлені на рис. 6а, б та в.

Рис. 6. а) комп’ютерна томографія та б) 3D-реконструкція застарілого перелому бокової маси крижової кістки, переломів лобкової та сідничної кісток (тип С1) х-го Л.;

а) б)

Рис. 6. в) пластиковий прототип з індивідуальною навігаційною системою для остеосинтезу крижової кістки гвинтами

в)

Рис. 6. а) комп’ютерна томографія та б) 3D-реконструкція застарілого перелому бокової маси крижової кістки, переломів лобкової та сідничної кісток (тип С1) х-го Л.; в) пластиковий прототип з індивідуальною навігаційною системою для остеосинтезу крижової кістки гвинтами

Виконано оперативне втручання: МОС бокової маси крижової кістки гвинтами, лобкової кістки пластиною з гвинтами (рис. 7).

Рис. 7. Рентгенографія х-го Л. після оперативного втручання

Рис. 7. Рентгенографія х-го Л. після оперативного втручання

2. Хворий Т., 34 років. Діагноз: уламковий перелом крила та тіла правої здухвинної кістки, розрив лобкового симфіза, тип перелому С1 [14]. Рентгенографія до операції, 3D-реконструкція та пластикова модель представлені на рис. 8а, б та в.

Рис. 8. а) рентгенографія, б) 3D-реконструкція та в) пластиковий прототип уламкового перелому крила і тіла правої здухвинної к

,Рис. 8. а) рентгенографія, б) 3D-реконструкція та в) пластиковий прототип уламкового перелому крила і тіла правої здухвинної к

в)

Рис. 8. а) рентгенографія, б) 3D-реконструкція та в) пластиковий прототип уламкового перелому крила і тіла правої здухвинної кістки, розриву лобкового симфіза (тип С1) х-го Т.

Виконано оперативне втручання: МОС лобкового симфіза, правої здухвинної кістки справа пластинами з гвинтами (рис. 9).

Рис. 9. Рентгенографія х-го Т. після оперативного втручання

Рис. 9. Рентгенографія х-го Т. після оперативного втручання

3. Хвора П., 35 років. Діагноз: перелом передньої та задньої колони правої кульшової западини зі зміщенням відламків, перелом сідничної кістки справа, тип перелому С1 [3], 3D-реконструкція та пластикова модель представлені на рис. 10а та б.

Рис. 10. а) 3D-реконструкція та б) пластиковий прототип перелому передньої та задньої колони правої кульшової западини зі зміщенням відламків, перелому сідничної кістки справа (тип С1) хв. П.

Рис. 10. а) 3D-реконструкція та б) пластиковий прототип перелому передньої та задньої колони правої кульшової западини зі зміщенням відламків, перелому сідничної кістки справа (тип С1) хв. П.

Виконано оперативне втручання: МОС обох колон правої кульшової западини пластинами з гвинтами (рис. 11).

Рис. 11. Рентгенографія хв. П. після оперативного втручання

Рис. 11. Рентгенографія хв. П. після оперативного втручання

Висновки

1. Проведене дослідження визначило високу діагностичну цінність використання адитивних технологій у передопераційній підготовці хворих зі складними переломами таза.

2. Пластиковий прототип дозволяє максимально точно оцінити характер перелому, ідеально підібрати фіксатори, що значно скорочує час оперативного втручання та зменшує кількість можливих ускладнень.

3. Дана технологія може бути рекомендована до впровадження в центри, які займаються остеосинтезом при складних переломах таза.

Конфлікт інтересів. Автори заявляють про відсутність конфлікту інтересів під час підготовки статті.

Література

1. Балицкая Н.В. Лучевая диагностика травм таза. Часть II. Мультиспиральная компьютерная томография / Н.В. Балицкая // Радиология-практика. – 2012. – С. 30–36.

2. Дробязко Б.П. Реабилитация больных с относительностабильными и нестабильными повреждениями таза в условиях региона с малой плотностью населения / Б.П. Дробязко, И.В. Борозда // Новые технологии в травматологии и ортопедии : материалы науч.-практ. конф. травматологов-ортопедов Приамурья. – Благовещенск, 2009. – С. 133–138.

3. Руководство по внутреннему остеосинтезу / М.Е. Мюллер, М. Алльговер, Р. Шнайдер, Х.М. Вилленгер. – Спрингер- Верлаг, 1996. – 750 с.

4. Современные подходы к лечению пострадавших с нестабильными повреждениями тазового кольца / Е.К. Гуманенко, В.М. Шаповалов, А.К. Дулаев [и др.] // Воен.-мед. журн. – 2003. – № 4. – С. 17–19.

5. Черкес-Заде Д.И. Лечение повреждений таза и их последствий : рук. для врачей / Д.И. Черкес-Заде. – М. : Медицина, 2006. – 192 с.

6. Шлыков И.Л. Показатели работы технологической системы оказания помощи жителям Свердловской области с травмой таза / И.Л. Шлыков, Н.Л. Кузнецова, М.И. Мильштейн // Вестн. Урал. НИИ травматологии и ортопедии им. В.Д. Чаклина. – 2009. – № 1. – С. 13–15.

7. Barzilay Y. Pelvic fractures in level I trauma center: a test case for the efficacy of the evolving trauma system in Israel / Y. Barzilay, M. Liebergalli, O. Safran // Isr. Med: Asso. – 2005. – Vol. 10, № 7. – P. 619–622.

8. Docquier P.L. Surgical navigation in paediatric orthopaedics / P.L. Docquier, L. Paul, V. Tran Duy // EFORT Open Rev. 2016. – № 1. – P. 152–159.

9. Gardner M.J. Stabilization of unstable pelvic fractures with supra acetabular compression external fixation / M.J. Gardner, S. Nork // J. Orthop. Trauma. – 2007. – Vol. 21, № 4. – P. 269–273.

10. Harris W.H. Traumatic artthritis of the hip after dislocation and acetabular fractures treatment by mold artroplasty. An end result study using a new method of ressult evalution / W.H. Harris // J. Bone Jt Surg. – 1969. – Vol. 51-A. – P. 737–743.

11. Thannheimer A. The unstable patient with pelvic fracture / A. Thannheimer, A. Woltmann, J. Vastmans // Zentralbl. Chir. – 2004. – Vol. 129, № 1. – P. 37–42.

12. The current status and future prospects of computer-assisted hip surgery / Y. Inaba, N. Kobayashi, H. Ike [et al.]// Journal of Orthopaedic Science. – 2016. – Vol. 21, № 2. – P. 107–115.

13. Interobserver agreement for Letournel acetabular fracture classification with multidetector CT: are standard Judet radiographs necessary / K.El. Ohashi, G.Y. Khoury, K.W. Abu

Zahra, K.S. Berbaum // Radiology. – 2006. – Vol. 241, № 2. – P. 386–391.

14. Tile M. Fractures of the pelvis and acetabulum / M. Tile. – Williams & Wilkins, 1995. – 480 p.

15. Totterman A. Pelvic trauma with displaced sacral fractures: functional outcome at one year / A. Totterman, T. Glott, H.I. Soberg // Spine. – 2007. – Vol. 32, № 13. – P. 1437–1443.

16. Userguided 3D active contour segmentation of anatomical structures: significantly improved efficiency and reliability / P.A. Yushkevich, J. Piven, H.C. Hazlett [et al.] // Neuroimage. – 2006. – Vol. 31, № 31. – P. 116–1117.


Інші матеріали

Партнери проекту

Клініки, відділення, лабораторії, санаторно-курортні комплекси, що беруть активну участь у проекті і є нашими партнерами

Відділ Діагностики ДУ «ІТО НАМНУ»
Діагностика

Сучасне обладнання. Європейська якість. Щорічно проходять обстеження більше 10000 пацієнтів, виконується більше 15000 досліджень.

Відділення захворювань суглобів у дорослих ДУ «ІТО НАМНУ»
Лікування травм і захворювань суглобів

Артроскопія, ендопротезування, остеосинтез

Клініка реабілітації ДУ «ІТО НАМНУ»
Реабілітація

Консервативне лікування ортопедичних захворювань та повний комплекс фізичної реабілітації

ChM – ХМ Київ
ChM – Ваш надійний партнер

Поставка виробів медичного призначення, інструментів та імплантів для Ортопедії, Травматології, Нейрохірургії, Хірургії

Відділення реабілітації хворих після травм та операцій опорно-рухового апарату КС «Жовтень»
Профільний санаторій

Реабілітація хворих після операцій опорно-рухового апарату

SPINEX
Центр сучасної хірургії

клініка повного циклу, створена з урахуванням успішного досвіду світової медицини