ArthroPlanner: решение для хирургического планирования акромиопластики

Введение Субакромиальное сдавление вращательной манжеты плеча между передним [1] или латеральным акромионом [2] и верхней головкой плечевой кости является распространенным заболеванием. Это состояние возникает, когда высота субакромиального пространства слишком узкая во время активного подъема или отведения руки выше уровня плеча из-за аномальной крючкообразной формы или большого латерального расширения акромиона.

В тяжелых случаях импинджмент-синдрома обычно проводят артроскопическую операцию по акромиопластике для резекции различных участков акромиона, что приводит к повреждению субакромиальных структур. Точное местоположение и количество кости, подлежащей резекции, обычно остается на усмотрение хирурга-ортопеда во время операции. Чтобы повысить точность этой резекции, хирурги могут извлечь большую пользу из решения хирургического планирования, направленного на предоставление точной информации о хирургической процедуре. Более того, поскольку субакромиальные импинджменты являются результатом динамического механизма, эффективное решение по планированию должно анализировать как морфологические структуры сустава, так и его динамическое поведение во время движений плеча, чтобы полностью понять состояние сустава пациента.

В настоящее время доступно компьютерное решение для планирования акромиопластики "ArthroPlanner". Решение позволяет выполнять стандартные морфологические измерения костей, а также 3D-моделирование сустава пациента во время повседневной активности плеча. Программное обеспечение вычисляет точную резекцию кости (местоположение и объем) на основе обнаруженных субакромиальных импинджментов во время движения.

Таким образом, целью данного исследования было сравнить клинические и радиологические результаты восстановления верхней вращательной манжеты плеча с компьютерным планированием или без него. Гипотеза заключалась в том, что предоперационное планирование акромиопластики позволит более точно выполнить резекцию кости, уменьшит послеоперационные импинджменты и, следовательно, улучшит послеоперационный диапазон движений и заживление сухожилий.

Методы

Мы реконструируем кости плечевого сустава пациента (лопатка и плечевая кость от головки плечевой кости до середины диафиза) по КТ-изображению с использованием программного обеспечения Mimics (Materialise NV, Левен, Бельгия). Затем кости импортируются в программу ArthroPlanner, после чего выполняются следующие шаги:

Во-первых, общие модели костей создаются с использованием подхода к подгонке шаблона, при котором костный шаблон с оптимизированной топологией (один для лопатки и один для плечевой кости) деформируется в соответствии с реконструированной костью. Это позволяет нам на следующих этапах использовать анатомические соответствия и автоматизировать выбор ориентиров и точек на сетке.

Во-вторых, рассчитываются биомеханические параметры, позволяющие описать движение плечелопаточного сустава. Центр плечевого сустава автоматически рассчитывается с помощью метода подгонки сферы [3], который подгоняет сферу к головке плечевой кости, используя точки модели проксимального отдела плечевой кости. Системы координат костей установлены для лопатки и плечевой кости. на основе определений, предложенных Международным обществом биомеханики [4] с использованием анатомических ориентиров, определенных на моделях костей. Отсутствующие ориентиры, такие как латеральный и медиальный надмыщелки, идентифицируются на КТ-изображении.

В-третьих, морфологические измерения выполняются для анализа индивидуальной анатомии плеча. Критический плечевой угол [5] и угол β [6] рассчитываются, поскольку они являются критериями, связанными с разрывами вращательной манжеты плеча. Углы вычисляются в 3D на основе костных ориентиров и могут, при необходимости, интерактивно корректироваться пользователем, манипулируя 3D-манипуляторами в средстве просмотра.

В-четвертых, движение применяется на каждом временном шаге к модели плечевой кости с оценкой импинджмента в реальном времени. Измеряют минимальное плече-акромиальное расстояние, которое обычно используется для оценки субакромиального импинджмента [7]. Это расстояние рассчитывается в миллиметрах на основе позиций смоделированных моделей костей. Цветовая шкала также используется для отображения изменений расстояния на поверхности лопатки (красный цвет = минимальное расстояние, другие цвета = области увеличенного расстояния). Учитывая толщину потенциально ущемленных тканей, субакромиальное ущемление считается, когда рассчитанное плече-акромиальное расстояние < 6 мм, как предлагается в литературе [7]. Чтобы протестировать широкий спектр реалистичных движений, в дополнение к стандартным кинематическим последовательностям (например, поднятие вверх, прыжки) используется база данных ежедневных движений (например, скрещивание рук, расчесывание волос).

Наконец, план акромиальной резекции определяется на основе результатов трехмерного моделирования. Цветная карта используется для представления областей, где произошли столкновения между акромионом и плечевой костью (рис. 1D). Красным цветом обозначена область с наименьшим плече-акромиальным расстоянием, рассчитанным для различных симуляций движения.

Результаты на каждом этапе процедуры планирования тщательно проверяются пользователем перед переходом к следующим. В конце планирования создается отчет в формате PDF, содержащий информацию о пациенте и выполненных измерениях. Кости и данные моделирования также экспортируются для использования в простой программе 3D-просмотра (рис. 2), предназначенной для хирурга. С помощью этого средства просмотра хирург может воспроизводить все симуляции, динамически наблюдать импинджменты и просматривать план резекции.