Результат интеллектуальной деятельности: Способ планирования и выполнения коррекции деформаций длинных костей

Изобретение относится к области медицины и ветеринарии, а именно к травматологии и ортопедии, и предназначено для планирования и выполнения коррекции деформаций длинных костей человека и животных.

Известен способ планирования коррекции деформаций по рентгенограммам деформированной конечности, выполненным в передне-задней и боковой проекциях. По рентгенограммам находят вершину деформации, для чего используют референтные линии и углы (РЛУ) [Paley D., Principles of deformity correction. / D. Paley. - New York: Springer-Verlag, 2005. - 806 p.; Определение референтных линий и углов длинных трубчатых костей: пособие для врачей / РНИИТО им. Р.Р. Вредена; Сост.: Л.Н. Соломин, E.А. Щепкина, П.Н. Кулеш, К.Л. Корчагин, А.А. Лоздовский, П.В. Скоморошко. - СПб, 2010. - 48 с.]. К референтным линиям относятся анатомическая, механическая оси и линии суставов. К референтным углам относятся углы, образованные пересечением анатомической и/или механической оси сегмента с суставными линиями. Для определения вершины деформации выполняют построение оси (анатомической и/или механической) проксимального фрагмента и оси (анатомической и/или механической) дистального фрагмента. Пересечение построенных осей является вершиной деформации. Определение деформации на основе анатомических осей не гарантирует восстановления механических углов, что более важно для биомеханики конечности. Поэтому большинство авторов отдают предпочтение определению вершины деформации с использованием механических осей проксимального и дистального фрагментов [Paley D. Deformity planning for frontal and sagittal plane corrective osteotomies / D. Paley, J.E. Herzenberg, K. Tetsworth, J. McKie, A. Bhave // Orthop Clin North Am 25:425-465; Solomin LN (2012) The basic principles of external skeletal fixation using the Ilizarov and other devices - 2nd Edition. Springer-Verlag, Milan Heidelberg, New-York, 1593 р.]. Уровень вершины деформации является оптимальным уровнем для выполнения остеотомии. После планирования уровня остеотомии определяют все компоненты деформации (ангуляция, трансляция, осевое смещение, торсия) и планируют этапы их коррекции [Paley D. Principles of deformity correction / D. Paley. - New York: Springer-Verlag, 2005. - 806 p.; Соломин Л.Н. (ред.) Основы чрескостного остеосинтеза. Частные вопросы - 2. М.: БИНОМ, 2015. - Т. 3. - 2-е изд., перераб. и дополн. - 560 с.].

Недостатками данного способа являются:

- при наличии деформации суставного конца и (или) торсионного компонента деформации точное определение механических осей невозможно;

- в большинстве случаев вершина деформации, определенная по передне-заднему снимку, не совпадает с вершиной деформации, определенному по боковой рентгенограмме. Это затрудняет определение оптимального уровня остеотомии и планирование коррекции всех компонентов деформации.

Для устранения последнего недостатка был разработан «способ планирования коррекции деформации в истинной плоскости» (oblique plan deformity correction) [Paley D. Principles of deformity correction / D. Paley. - New York: Springer-Verlag, 2005. - 806 р.]. Согласно данному способу выполняют определение угла деформации во фронтальной плоскости и сагиттальной плоскости. Затем графически, на миллиметровой бумаге, выстраивают оси абсцисс и ординат. Ось абсцисс соответствует фронтальной плоскости, ось ординат - сагиттальной. За единицу измерения принят градус деформации. На оси абсцисс отмеряют величину угла деформации и трансляции во фронтальной плоскости (при графических построениях за 1 градус принимают 1 мм). На оси ординат отмеряют величину угла деформации и трансляции в сагиттальной плоскости. Находят координаты точки, полученной пересечением перпендикуляров к данным значениям. К этой точке от начала координат (точки 0) строят вектор. Угол, образованный вектором и осью абсцисс, является «истинной плоскостью» деформации.

Однако рассмотренный «способ планирования коррекции деформации в истинной плоскости» позволяет лишь достаточно точно определить истинную плоскость (между фронтальной и сагиттальной) углового и трансляционного компонентов деформации. А при наличии торсионного компонента деформации эффективность данного способа планирования резко снижается; расчет необходимой величины удлинения в данном способе также не предусмотрен.

Наиболее близким по технической сущности и решаемой задаче и выбранным в качестве прототипа является «способ планирования и выполнения коррекции деформации длинных костей на основе 3D-печати, выполненной по компьютерной томографии (KT)» [Victor J, Premanathan А. Virtual 3D planning and patient specific surgical guides for osteotomies around the knee: a feasibility and proof-of-concept study // Bone Joint J. 2013 Nov; 95-B(11 Suppl A): 153-8]. При помощи специальной программы инженер по заказу хирурга-ортопеда выполняет планирование на виртуальной 3D-модели, полученной в результате 3D-реконструкции срезов КТ. Виртуальную 3D-модель деформированного сегмента пересекают (выполняют «остеотомию») на уровне ориентировочно определенной вершины деформации и виртуально выполняют коррекцию деформации. К виртуально корригированной кости «подгоняют» виртуальный «слепок-трафарет» с отверстиями под стандартную пластину и прорезью для введения остеотома. Этот трафарет распечатывают на 3D-принтере. В ходе операции по коррекции деформации ортопед, выполнив доступ к кости, устанавливает трафарет на кость (при этом анатомические изгибы кости соответствуют выемкам в шаблоне, что исключает его некорректную установку), по трафарету сверлом выполняет отверстия в кости и выполняет остеотомию. Установка стандартной пластины с введением винтов в заранее просверленные отверстия приводит к автоматической одномоментной коррекции деформации.

Недостатки данного способа:

- способ «планирования и выполнения коррекции деформации длинных костей на основе 3D-печати», выполненной по компьютерной томографии, не позволяет планировать коррекцию деформации при наличии укороченного сегмента конечности;

- изготовляемые трафареты предназначены только для ограниченного вида пластин для накостного остеосинтеза и локализаций;

- данный способ «планирования и выполнения коррекции деформации длинных костей на основе 3D-печати», выполненной по компьютерной томографии, не является точным, т.к. отсутствует контроль соответствия РЛУ нормам при планировании. Визуально сегмент может «казаться» корригированным, а анализ РЛУ по рентгенограммам после коррекции может выявить грубые отклонения РЛУ от нормальных значений.

Задача изобретения состоит в повышении точности планирования и коррекции деформаций длинных костей человека и животных.

Технический результат поставленной задачи достигается тем, что в способе планирования и выполнения коррекции деформаций длинных костей, включающем: выполнение компьютерной томографии деформированного сегмента конечности, компьютерной томографии контралатерального ("здорового") сегмента конечности с последующим созданием его зеркальной копии, печать трехмерной модели («твердой копии») деформированной кости и принятой за эталон трехмерной модели зеркального отображения контралатерального сегмента, определение вершины деформации на основе референтных линий и углов под визуальным контролем, выполнение остеотомии модели деформированной кости и коррекции деформации, предлагается при планировании коррекции деформации, содержащей торсионный компонент выполнить последовательное расположение проксимального и дистального суставных концов деформированной модели строго во фронтальной и сагиттальной плоскостях, что позволит точно определить вершину деформации. Затем нужно зафиксировать модель деформированной кости в чрескостном аппарате и с его помощью устранить все компоненты деформации до полного совпадения с «эталоном», после этого точно повторить все действия, устраняя деформацию в клинике.

Способ планирования и выполнения коррекции деформаций длинных костей на примере собаки (аналогичные действия могут быть выполнены при лечении человека) иллюстрируется прилагаемыми чертежами, где

на Фиг. 1 - фотография собаки с посттравматической деформацией костей левого предплечья до операции;

на Фиг. 2 - фотография данных КТ: 3D-реконструкция деформированного сегмента;

на Фиг. 3 - фотография данных КТ: 3D-реконструкция зеркального отображения контралатерального (здорового) сегмента;

на Фиг. 4 - фотография «твердой» копии деформированного сегмента, полученная при помощи 3D-печати;

на Фиг. 5 - фотография «твердой» копии зеркального отображения здорового сегмента, полученная при помощи 3D-печати;

на Фиг. 6 - фотография «твердой» копии деформированного сегмента с обозначенными оптимальными уровнями для выполнения остеотомий, где

поз. 1 - обозначение уровня остеотомии лучевой кости;

поз. 2 - обозначение уровня остеотомии локтевой кости.

на Фиг. 7 - фотография первого этапа коррекции деформации модели до коррекции деформации, где

поз. 3 - аппарат на базе компьютерной навигации - гексапод;

на Фиг. 8 - фотография модели в конце первого этапа коррекции деформации, где

поз. 4 указаны восстановленные соотношения в дистальном радио-ульнарном сочленении;

на Фиг. 9 - фотография второго этапа коррекции деформации модели до коррекции деформации, где

поз. 5 указаны стержни-шурупы и спицы, проведенные в локтевую кость модели;

поз. 6 указана остеотомия локтевой кости;

на Фиг. 10 - фотография второго этапа после коррекции деформации модели, где

поз. 7 указана устраненная деформация модели костей предплечья, кости удлинены на 25 мм;

на Фиг. 11 - фотография левого предплечья собаки на первом этапе лечения: наложен гексапод, выполнена остеотомия лучевой кости;

на Фиг. 12 - фоторентгенограммы деформированного предплечья собаки на первом этапе лечения, где

поз. 8 - остеотомия лучевой кости;

на Фиг. 13 - окно компьютерной программы, прилагаемой к гексаподу, на шаге планирования коррекции, где

поз. 9 - желтый контур, обозначающий начальное положение дистального костного фрагмента (до коррекции);

поз. 10 - красный контур, обозначающий ожидаемое после коррекции положение дистального костного фрагмента;

на Фиг. 14 - фоторентгенограммы левого предплечья собаки после первого этапа лечения, где

поз. 11 указаны восстановленные соотношения в дистальном радио-ульнарном сочленении собаки;

на Фиг. 15 - фоторентгенограммы левого предплечья собаки на втором этапе лечения до коррекции деформации локтевой кости, где

поз. 12 указаны стержни-шурупы и спицы, проведенные в левую локтевую кость собаки;

поз. 13 указана остеотомия локтевой кости;

на Фиг. 16 - окно компьютерной программы, прилагаемой к гексаподу, на шаге планирования коррекции деформации на втором этапе лечения, где

поз. 14 - желтый контур, обозначающий начальное положение дистального костного фрагмента (до коррекции);

поз. 15 - красный контур, обозначающий ожидаемое после коррекции положение дистального костного фрагмента;

на Фиг. 17 - фоторентгенограммы левого предплечья собаки после второго этапа лечения: деформация и укорочение устранены;

на Фиг. 18 - фоторентгенограммы левого предплечья собаки после демонтажа аппарата внешней фиксации;

на Фиг. 19 - фотография собаки: результат лечения.

Способ планирования и выполнения коррекции деформаций длинных костей реализуется на примере собаки (аналогичные действия могут быть выполнены при лечении человека) следующим образом.

На фиг. 1 представлена собака с посттравматической деформацией костей левого предплечья. Сначала выполняется КТ больного и здорового предплечий. В программном приложении компьютерного томографа выполняется 3D-реконструкция деформированного сегмента - левого предплечья (фиг. 2), 3D-реконструкция здорового сегмента - правого предплечья и зеркального отображения (фиг. 3). Затем с помощью 3D-принтера выполняется трехмерная печать деформированного сегмента (фиг. 4) и зеркального отображения здорового сегмента (фиг. 5) для получения их «твердых» копий - пластиковых моделей.

Полученные модели деформированного сегмента анализируются с целью визуального определения компонентов и плоскостей деформации. Для этого выполняется последовательное расположение проксимального и дистального суставных концов деформированной модели строго во фронтальной и сагиттальной плоскостях, что позволяет точно определить анатомические и механические оси каждого из фрагментов и, соответственно, определить вершину деформации. По результатам анализа полученных моделей приведенного примера определяются уровни остеотомий каждой из костей: лучевой - на 58 мм проксимальнее линии дистального сустава лучевой кости (фиг. 6, поз. 1); оптимальная линия остеотомии локтевой кости - на 66 мм проксимальнее линии дистального сустава локтевой кости (фиг. 6, поз. 2). В соответствии с принципами коррекции деформаций костей предплечья процедура моделирования коррекции разбивается на два этапа. Первый этап - чрескостный остеосинтез аппаратом на базе компьютерной навигации, т.н. гексаподом (фиг. 7, поз. 3), остеотомия лучевой кости с последующей ее изолированной коррекцией для восстановления соотношений в дистальном радио-ульнарном сочленении (фиг. 8, поз. 4). При этом коррекция выполняется по расчетам, выполненным в программе компьютерной навигации, прилагаемой к гексаподу. Вторым этапом выполняется проведение спиц и стержней-шурупов в локтевую кость модели (фиг. 9, поз. 5), ее остеотомия (фиг. 9, поз. 6) с последующим удлинением обеих костей предплечья на величину, в приведенном примере -25 мм (фиг. 10, поз. 7), которая осуществляется в том же гексаподе, по новому расчету. В результате коррекции ориентация суставов костей предплечья полностью соответствовала достигаемому образу - трехмерной модели зеркального отображения контралатерального сегмента, принятой за эталон.

После этого под интубационным наркозом собаке выполняется операция наложения аппарата внешней фиксации (гексапода) (фиг. 11, поз. 3) и остеотомии лучевой кости (фиг. 12, поз. 8). В компьютерной программе, прилагаемой к гексаподу, выполняется расчет коррекции, при этом инструменты программы позволяли визуализировать начальное положение перемещаемого костного фрагмента в виде желтого контура (фиг. 13, поз. 9) и расчетное положение перемещаемого фрагмента после коррекции в виде красного контура (фиг. 13, поз. 10). Коррекция начинается на 5 сутки в темпе 1 мм/сутки путем изменения длины страт (соединительных телескопических стоек гексапода) по общепринятой технологии. Период коррекции для приведенного примера составил 10 дней. В результате первого этапа устраняется деформация лучевой кости, восстанавливаются правильные взаимоотношения в лучезапястном суставе (фиг. 14, поз. 11).

Вторым этапом, на 11 сутки для приведенного примера, после завершения первого этапа, выполняется проведение спиц и стержней-шурупов в локтевую кость (фиг. 15, поз. 12) для ее фиксации к мобильной опоре и остеотомия локтевой кости на заданном уровне (фиг. 15, поз. 13). После этого выполняется расчет коррекции в программе, прилагаемой к гексаподу (фиг. 16, поз. 14, 15). Коррекция начинается на 5 сутки в темпе коррекции 1 мм/сутки. Время коррекции в приведенном примере - 25 дней. В результате восстанавливается длина предплечья (фиг. 17). Аппарат внешней фиксации в приведенном примере демонтирован на 44 день после завершения второго этапа коррекции (фиг. 18). Сравнение трехмерной модели костей левого предплечья после коррекции деформации с запланированным образом показало, что коррекция полностью соответствовала запланированной предоперационно. Длина и функция оперированной лапы собаки, приведенной в качестве примера, восстановлены, деформация устранена (фиг. 19).

Положительным результатом изобретения является возможность точного планирования коррекции деформации длинной трубчатой кости любой степени сложности, в том числе содержащей торсионный компонент и укорочение; возможности предварительного точного воспроизведения коррекции деформации на модели, являющейся «твердой» копией деформированного сегмента; возможности контроля соответствия референтных линий и углов модели после коррекции деформации нормальным значениям; возможности визуального сравнения ожидаемого результата коррекции с «эталоном» - твердой копией зеркального отображения здорового контралатерального сегмента; возможности точной коррекции деформации сегмента при помощи чрескостного аппарата путем воспроизведения в клинике манипуляций, выполненных ранее для достижения коррекции деформации модели. При лечении людей с деформированными конечностями предлагаемое изобретение будет способствовать скорейшему возврату пациента в общество в качестве полноценного трудоспособного индивидуума.