ArthroPlanner: Rozwiązanie do planowania chirurgicznego akromioplastyki

Wprowadzenie Kolizja podbarkowa pierścienia rotatorów pomiędzy przednim [1] lub bocznym wyrostkiem barkowym [2] a górną głową kości ramiennej jest częstym schorzeniem. Ten stan pojawia się, gdy wysokość przestrzeni podbarkowej jest zbyt wąska podczas aktywnego unoszenia lub pochylania ramienia powyżej poziomu barku z powodu nieprawidłowego haczykowatego kształtu lub dużego bocznego wyprostu wyrostka barkowego.

W ciężkich przypadkach zespołu ciasnoty zwykle wykonuje się artroskopową akromioplastykę w celu wycięcia innego obszaru barku, powodując uszkodzenie struktur podbarkowych. Dokładna lokalizacja i ilość kości, która ma zostać usunięta, jest zazwyczaj pozostawiona wyjątkowej ocenie chirurga ortopedy podczas operacji. Aby poprawić precyzję tej resekcji, chirurdzy mogliby znacznie skorzystać z rozwiązania do planowania operacji, które ma na celu dostarczenie dokładnych informacji na temat zabiegu chirurgicznego. Ponadto, ponieważ uderzenia podbarkowe są wynikiem dynamicznego mechanizmu, skuteczne rozwiązanie planistyczne powinno uwzględniać zarówno struktury morfologiczne stawu, jak i jego dynamiczne zachowanie podczas ruchów barku, aby w pełni zrozumieć stan stawu pacjenta.

Obecnie dostępne jest wspomagane komputerowo rozwiązanie do planowania „ArthroPlanner” do akromioplastyki. Rozwiązanie pozwala na wykonywanie standardowych pomiarów morfologicznych kości, a także symulacji 3D stawu pacjenta podczas codziennych czynności barku. Oprogramowanie oblicza precyzyjną resekcję kości (lokalizację i ilość) na podstawie wykrytych uderzeń podbarkowych podczas ruchu.

Celem tego badania było zatem porównanie klinicznych i radiologicznych wyników naprawy pierścienia rotatorów górnych z planowaniem wspomaganym komputerowo lub bez niego. Hipoteza była taka, że ​​przedoperacyjne planowanie akromioplastyki pozwoliłoby na dokładniejszą resekcję kości, zmniejszyłoby pooperacyjne uderzenia, aw konsekwencji poprawiło pooperacyjny zakres ruchu i gojenie ścięgien.

Metody

Rekonstruujemy kości stawu barkowego pacjenta (łopatka i kość ramienna od głowy kości ramiennej do trzonu środkowego) z obrazu CT przy użyciu oprogramowania Mimics (Materialise NV, Leuven, Belgia). Następnie kości są importowane do oprogramowania ArthroPlanner i wykonywane są następujące czynności:

Po pierwsze, tworzone są ogólne modele kości przy użyciu metody dopasowania szablonu, która deformuje szablon kości o zoptymalizowanej topologii (jeden dla łopatki i jeden dla kości ramiennej) do zrekonstruowanej kości. To pozwala nam w kolejnych krokach wykorzystać anatomiczne odpowiedniki i zautomatyzować wybór punktów orientacyjnych i punktów na siatce.

Po drugie, parametry biomechaniczne są obliczane w celu umożliwienia opisu ruchu stawu ramienno-ramiennego. Środek stawu ramienno-ramiennego jest automatycznie obliczany za pomocą techniki dopasowywania sfery [3], która dopasowuje kulę do głowy kości ramiennej za pomocą punktów modelu bliższej kości ramiennej. Ustalono układy współrzędnych kości dla łopatki i kości ramiennej. w oparciu o definicje zaproponowane przez International Society of Biomechanics [4] z wykorzystaniem anatomicznych punktów orientacyjnych określonych na modelach kości. Brakujące punkty orientacyjne, takie jak nadkłykcie boczne i przyśrodkowe, są widoczne na obrazie TK.

Po trzecie, wykonywane są pomiary morfologiczne w celu analizy indywidualnej anatomii barku. Krytyczny kąt barku [5] i kąt β [6] są obliczane, ponieważ są to kryteria związane z rozdarciem stożka rotatorów. Kąty są obliczane w 3D na podstawie kostnych punktów orientacyjnych i mogą być, w razie potrzeby, interaktywnie dostosowywane przez użytkownika, manipulując uchwytami 3D w przeglądarce.

Po czwarte, ruch jest stosowany w każdym kroku czasowym do modelu kości ramiennej z oceną uderzenia w czasie rzeczywistym. Mierzy się minimalną odległość ramienno-barkową, która jest zwykle stosowana do oceny ciasnoty podbarkowej [7]. Odległość ta jest obliczana w milimetrach na podstawie symulowanych pozycji modeli kości. Skala kolorów jest również używana do mapowania zmian odległości na powierzchni łopatki (kolor czerwony = minimalna odległość, inne kolory = obszary zwiększonej odległości). Biorąc pod uwagę grubość potencjalnie uszkodzonych tkanek, uderzenie podbarkowe jest rozważane, gdy obliczona odległość ramieniowo-barkowa wynosi < 6 mm, jak sugerowano w piśmiennictwie [7]. Aby przetestować szeroką zmienność realistycznych ruchów, oprócz standardowych sekwencji kinematycznych (np. podnoszenie, podnoszenie) używana jest baza danych ruchu codziennych czynności (np. krzyżowanie ramion, czesanie włosów).

Ostatecznie plan resekcji barku barkowego jest określany na podstawie wyników symulacji 3D. Mapa kolorów jest używana do przedstawienia obszarów, w których wystąpiły uderzenia między akromionem a kością ramienną (ryc. 1D). Kolor czerwony oznacza obszar o najmniejszej odległości ramienno-barkowej obliczonej na podstawie różnych symulacji ruchu.

Wyniki na każdym etapie procedury planowania są dokładnie sprawdzane przez użytkownika przed przejściem do kolejnych. Na koniec planowania generowany jest raport w formacie PDF zawierający informacje o pacjencie i wykonane pomiary. Kości i dane symulacji są również eksportowane do wykorzystania w prostej przeglądarce 3D (ryc. 2) przeznaczonej dla chirurga. Dzięki tej przeglądarce chirurg może odtwarzać wszystkie symulacje, dynamicznie obserwować uderzenia i przeglądać plan resekcji.