A preoperative planning method for long tubular bone osteosynthesis

Cover Page

Abstract


Objectives – the development of a preoperative planning method for long tubular bone osteosynthesis using the contralateral healthy bone.

Material and methods. To justify the usage of the opposite limb’s intact segment model in order to reconstruct the damaged one, their matching in shape and size was analyzed. We built three-dimensional models of the right and left segments of the upper limbs of 20 people and compared them using the Hausdorff distance calculation algorithm. For treatment of a 24-year-old patient with a closed humerus fracture, an individual stereolithographic surgical template with fracture lines was created with the help of computed tomography data of the healthy humerus bone processed by AUTOPLAN EXPERT software. This template was used for pre-bending the plate for osteosynthesis. The plate positioning on the template defined the surgical approach, taking into account the anatomical structures located in the projection of the fracture line and the plate. The technique of "reverse bone reposition" on the prepared plate was applied.

Results. With the help of the created 3D models we revealed the size differences of the symmetrical segments of upper limbs. The greatest difference in the limits was registered in the area of the epiphyses (heads of the humeri) – up to 6.8 mm, and the smallest – throughout the entire diaphysis, less than 1.5 mm. Due to preoperative planning there were no intraoperative and postoperative complications, the installation of the plate and osteosynthesis was convenient. The fracture consolidation took place in 3 months.

Conclusion. The proposed method has a number of advantages. It is possible to make a stereolithographic template even for a seriously damaged bone with a copied fracture line. This allows the surgeon to plan the details of osteosynthesis, to model the plate according to the template, to determine the required length and shape of the surgical approach, thus reducing the surgical risks and injury for the patient.


Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Накостный остеосинтез является разновидностью погружного остеосинтеза. Он обеспечивает стабильную фиксацию без внешней иммобилизации и позволяет осуществлять ранние реабилитационные мероприятия. В этой технологии основными этапами являются репозиция отломков с последующей их фиксацией металлофиксатором. Накостные пластины к настоящему времени прошли длинный эволюционный путь, поэтому диапазон выбора импланта у хирурга достаточно широк [1].

При репозиции важнейшей целью является обес-печение восстановления длины, ротации и оси кости. Для того чтобы обеспечить хорошую репозицию, правильно подобрать и смоделировать пластину, необходимо предоперационное планирование операции. Это не всегда удается сделать с использованием обычных рентгенограмм, особенно при сложных переломах. Попытка подобрать и смоделировать пластину интра-операционно после репозиции отломков увеличивает время операции [2].

За последние годы в иностранной литературе появились работы, посвященные трехмерному предоперационному планированию и интраоперационным навигационным системам при лечении переломов [3].

Самой распространенной технологией является попытка выполнить компьютеризированную репозицию трехмерных моделей отломков по ключевым точкам линии излома с последующей 3D-печатью отрепонированной кости, которая затем используется для планирования доступа, выбора пластины [4]. Однако многие исследователи указывают на ряд недостатков такого способа [5]. Во-первых, недостаточно ясна методика выбора ключевых точек репозиции, чаще используются точки «на глаз», пока полученная на экране репозиция не устроит хирурга. Это, в свою очередь, увеличивает количество ошибок и неточностей результата репозиции. Во-вторых, неавтоматизированная репозиция может занять продолжительное время и требует непосредственного участия хирурга.

Лукун Сан с соавторами [6] провел ретроспективное исследование аддитивной технологии малоинвазивного мостовидного остеосинтеза при переломах бедренной кости. Использовалась автоматическая симуляция репозиции отломков 3D-модели бедренных костей при помощи софта Mimics Research 18.0. После выбора модели пластины из базы данных и ее позиционирования на модели кости в соответствии с выбранной позицией винтов на 3D-принтере создаются «поддерживающие колонны» на общей платформе, играющие роль втулок для проведения винтов на пластине во время операции. Основным недостатком этого способа, по словам самих авторов, является неспособность программы выполнять трехмерную реконструкцию сложных многооскольчатых переломов.

Другим направлением в предоперационном планировании является печать самих накостных пластин на основе компьютерных томограмм. Так, Матев Томаджевич [7] провел исследование, в котором создавались полиамидные пластины по форме костей искусственного полимерного таза. Анатомичность этих пластин сравнивалась с изогнутыми по форме таза несколькими реконструктивными пластинами. Недостатком технологии является дороговизна и длительность печати (до 5 дней) пластин из титановых сплавов для применения в хирургической практике.

 ЦЕЛЬ

Разработка способа предоперационного планирования накостного остеосинтеза длинных трубчатых костей на основе контралатеральной здоровой кости.

 МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ

Для обоснования использования модели противоположного неповрежденного сегмента конечности в целях реконструкции поврежденного мы проанализировали их анатомические несоответствия по форме и размерам (поскольку в современной зарубежной и отечественной литературе подобных данных найдено не было). Анализ

Рисунок 1. Совмещенные взаимно левая и зеркальная копия правой плечевые кости. Цветное картирование обозначает расстояние между одинаковыми локациями на костях. Красный цвет маркирует разницу не более 0,1 мм, желтый цвет – не более 1,5 мм, зеленый – от 1,5 до 5 мм, синий – более 5 мм.

Figure 1. Mated humeri left and right (in mirror copy). Color mapping indicates the distance between the identical locations on the bones. Red color marks a difference of no more than 0.1 mm, yellow – no more than 1.5 mm, green – from 1.5 to 5 mm, blue – more than 5 mm.

Рисунок 2. Рентгенограмма левой плечевой кости. Закрытый перелом левой плечевой кости на границе средней и нижней третей со смещением отломков.

Figure 2. X-ray of the left humerus. Closed fracture of the left humerus at the border of the middle and lower thirds with displacement of fragments.

проводился на базе программного обеспечения AUTOPLAN EXPERT (система обработки изображений стандарта DICOM с расширенными возможностями реконструкции, построения персонифицированных 3D-моделей с целью планирования хирургических вмешательств и дополнительной диагностической визуализации, с автоматизированной сегментацией костных структур, легких, печени и сосудов).

Были отобраны 20 здоровых исследуемых. Им была выполнена компьютерная томография верхних конечностей, и на ее основе сформированы объемные модели плечевых костей. Зеркально отраженная копия правой кости спроецирована на левую, после чего использован алгоритм дистанции Хаусдорфа [8]. Алгоритм вычисляет дистанцию между одинаковыми точками спроецированных друг на друга костей. Для лучшего понимания результат визуализирован в виде модели с цветным картированием (рисунок 1).

В итоге выяснено, что расхождение между костями в диафизарном сегменте у всех исследуемых не превышает толщины кортикального слоя. Такое расхождение позволяет считать обоснованным применение моделей неповрежденных одноименных сегментов конечностей для реконструкции поврежденных.

Далее исследование проводилось с использованием способа предоперационного планирования накостного остеосинтеза длинных трубчатых костей [9].

Выполняется компьютерная томография аналогичной неповрежденной кости противоположной конечности. С помощью программного обеспечения AUTOPLAN EXPERT обрабатываются данные, создаются трехмерные модели интактной кости и отломков поврежденной кости. С помощью программного обеспечения Meshlab создается зеркальная модель интактной кости. Ее последовательно совмещают с моделями отломков поврежденной кости, сопоставляя их между собой и нанося на зеркальную модель интактной кости контур линии перелома. На основе полученной модели на 3D-принтере изготавливается полноразмерный стереолитографический шаблон, соответствующий поврежденной кости, с нанесенными на него линиями перелома в виде борозд.

До операции моделируют пластину по стереолитографическому шаблону и планируют оперативный доступ, учитывая расположение линии перелома.

Благодаря предварительному персонифицированному моделированию на шаблоне, при открытом остеосинтезе предлагается использовать пластину своеобразной матрицей для выполнения обратной репозиции костных фрагментов, которые фактически «собираются» на ней, тем самым обеспечивая полное анатомическое восстановление целостности кости.

Предложенный способ предоперационного планирования остеосинтеза длинных трубчатых костей иллюстрируется клиническим примером.

 КЛИНИЧЕСКИЙ ПРИМЕР

Пациент О., 24 лет, обратился в травматологическое отделение с жалобами на боли в средней трети левой плечевой кости после падения на улице. При осмотре больному был поставлен следующий диагноз: «закрытый перелом левой плечевой кости на границе средней и нижней третей со смещением отломков». Рентгенограмма плечевой кости пациента представлена на рисунке 2. Выполнено предоперационное планирование по указанной выше методике.

Рисунок 3. Индивидуальный стереолитографический шаблон левой плечевой кости пациента. Стрелкой указана нанесенная на шаблон линия перелома левой плечевой кости.

Figure 3. Individual stereolithographic template of the patient's left humerus. The arrow indicates the fracture line of the left humerus copied to the template.

Рисунок 4. Накостная пластина, отмоделированная по индивидуальному стереолитографическому шаблону.

Figure 4. A bone plate modeled on the individual stereolithographic template.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Выявлено несовпадение границ трехмерных моделей симметричных сегментов верхних конечностей: наибольшее (до 6,8 мм) – в зоне эпифизов (головок плечевых костей), наименьшее (не более 1,5 мм) – на протяжении всего диафизарного отдела.

На основе предлагаемого способа, обработки данных компьютерной томографии поврежденной и интактной плечевых костей был создан индивидуальный стереолитографический шаблон (рисунок 3) с нанесенной на него линией перелома в виде борозды.

По этому шаблону с учетом хода линии перелома было выбрано оптимальное расположение пластины. Последняя была отмоделирована по шаблону (рисунок 4).

С учетом расположения пластины на шаблоне был запланирован оперативный доступ определенной формы и длины с учетом расположенных в проекции линии перелома и пластины анатомических образований. Интраоперационно никаких осложнений, травм анатомических структур, сложностей с установкой пластины и остеосинтезом костных отломков не возникло.

Рисунок 5а. Интраоперационный вид после остеосинтеза левой плечевой кости предоперационно моделированной пластиной.

Figure 5a. Intraoperative view after osteosynthesis of the left humerus with a preoperatively modeled plate.

Рисунок 5б. Послеоперационная рентгенография левой плечевой кости.

Figure 5b. Postoperative radiography of the left humerus.

Целостность кости была восстановлена, что подтвердила и контрольная рентгенограмма плечевой кости в послеоперационном периоде (рисунок 5). Пациента осматривали в динамике. Спустя 3 месяца после операции отмечали консолидацию перелома.

 ОБСУЖДЕНИЕ

Предложенный способ обладает рядом преимуществ. Есть возможность изготовления стереолитографического шаблона даже серьезно поврежденной кости с нанесенной на него линией перелома. Это позволяет наглядно определиться с характером перелома, возможными особенностями остеосинтеза, непосредственно отмоделировать пластину по шаблону, заметив особенности расположения и ее, и винтов. Зная локализацию расположения пластины на шаблоне, можно планировать длину и форму оптимального оперативного доступа, что снижает риски и травматичность операции.

Кроме того, «обратная» репозиция отломков на пластине субъективно значительно облегчает процесс для хирурга. Время оперативного вмешательства при этом уменьшается в среднем на 20–25 минут по сравнению с обычным остеосинтезом плечевой кости, при этом не повреждаются ткани в зоне перелома, уменьшается травмирование надкостницы, что снижает интенсивность репаративного остеогенеза.

 ВЫВОДЫ

Предложенный способ предоперационного планирования остеосинтеза длинных трубчатых костей обеспечивает точное персонализированное моделирование металлофиксатора по шаблону и планирование оперативного доступа с учетом линии перелома и расположения пластины. Это снижает трудоемкость, инвазивность, время оперативного вмешательства, а также повышает его эффективность. Способ может широко применяться в травматолого-ортопедических стационарах. 

About the authors

A. S. Pankratov

Samara State Medical University

Author for correspondence.
Email: pas76@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-6031-4824

Russian Federation, Samara

PhD, Associate Professor of the Department of Traumatology, orthopaedics and emergency surgery n.a. academician of RAS Krasnov AF

Yu. V. Lartsev

Samara State Medical University

Email: pas76@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-4450-2486

Russian Federation, Samara

PhD, Professor of the Department of Traumatology, orthopaedics and emergency surgery n.a. academician of RAS Krasnov AF

J. G. Alayo

Regional Hospital “Las Mercedes”

Email: pas76@mail.ru

Peru, Chiclayo

the Head of the Department of Traumatology and orthopedics, Regional Hospital "Las Mercedes"

S. V. Ardatov

Samara State Medical University

Email: pas76@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-2644-5353

Russian Federation, Samara

PhD, Associate Professor of the Department of Traumatology, orthopaedics and emergency surgery n.a. academician of RAS Krasnov AF

D. A. Ogurtsov

Samara State Medical University

Email: pas76@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-3830-2998

Russian Federation, Samara

PhD, Associate Professor of the Department of Traumatology, orthopaedics and emergency surgery n.a. academician of RAS Krasnov AF

A. A. Rubtsov

Samara State Medical University

Email: pas76@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-9004-7018

Russian Federation, Samara

resident of the Department of Traumatology, orthopaedics and emergency surgery n.a. academician of RAS Krasnov AF

References

Supplementary files

Supplementary Files Action
1.
Figure 1. Mated humeri left and right (in mirror copy). Color mapping indicates the distance between the identical locations on the bones. Red color marks a difference of no more than 0.1 mm, yellow – no more than 1.5 mm, green – from 1.5 to 5 mm, blue – more than 5 mm.

Download (16KB) Indexing metadata
2.
Figure 2. X-ray of the left humerus. Closed fracture of the left humerus at the border of the middle and lower thirds with displacement of fragments.

Download (21KB) Indexing metadata
3.
Figure 3. Individual stereolithographic template of the patient's left humerus. The arrow indicates the fracture line of the left humerus copied to the template.

Download (38KB) Indexing metadata
4.
Figure 4. A bone plate modeled on the individual stereolithographic template.

Download (39KB) Indexing metadata
5.
Figure 5a. Intraoperative view after osteosynthesis of the left humerus with a preoperatively modeled plate.

Download (288KB) Indexing metadata
6.
Figure 5b. Postoperative radiography of the left humerus

Download (18KB) Indexing metadata

Statistics

Views

Abstract - 52

PDF (Russian) - 15

Cited-By


Article Metrics

Metrics Loading ...

PlumX

Dimensions

Refbacks

  • There are currently no refbacks.

Copyright (c) 2020 Pankratov A.S., Lartsev Y.V., Alayo J.G., Ardatov S.V., Ogurtsov D.A., Rubtsov A.A.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies