Малышева Ксения &quot

Конкурс творческих работ
"ИнТраизобретатель"
Исследовательская работа
Моделирование металлоконструкций
при планировании стабилизирующих операций на позвоночнике
Автор:
Малышева Ксения Алексеевна.
Общеобразовательный лицей
Тюменского государственного
нефтегазового университета, 11 класс.
Научные руководители:
Лебедева Джинна Ивановна
зам. главного врача
Областной клинической
больницы восстановительного лечения,
главный невролог департамента
здравоохранения ТО
к.м.н., заслуженный врач РФ
Жданович Валентина Владиленовна,
преподаватель химии и биологии лицея
Тюменского государственного
нефтегазового университета;
учитель высшей категории
2009
2
МОДЕЛИРОВАНИЕ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ ПРИ ПЛАНИРОВАНИИ
СТАБИЛИЗИРУЮЩИХ ОПЕРАЦИЙ НА ПОЗВОНОЧНИКЕ
Малышева Ксения Алексеевна
Россия, Тюменская область, г. Тюмень,
общеобразовательный лицей Тюменского государственного нефтегазового университета
11 класс
Темой
моего исследования
стало оперативное лечение больных со
спондилолистезом с использованием металлических имплантатов. Объектом
исследования
-
патологический
сегмент
(ты)
позвоночника
при
спондилолистезе. Предметом - стабилизирующие металлоконструкции,
модель фиксации имплантатом замыкательных сегментов позвоночника
Хирургическое лечение больных с патологией позвоночника представляет
трудную и серьезную задачу для врача травматолога и нейрохирурга.
Улучшение результатов лечения является важной и актуальной социальной
проблемой, успешное решение которой позволит избавить пациента от боли
и вернуть к трудовой деятельности существенный контингент больных.
Выполнение стабилизирующих операций при смещении позвонков связано с
целым рядом технических трудностей, требующих точного
выполнения
определенных стандартов при установке имплантатов по отношению к
структурам позвонков конкретного больного. Поэтому возникает проблема
разработки индивидуальной модели стабилизирующей конструкции на
дооперационном этапе для каждого пациента. Но противоречие в том, что в
условиях операционной это не всегда возможно и связано с увеличением
времени и травматичности операции. Тем самым, целью моего исследования
стала возможность разработать предоперационную модель стабилизирующей
металлоконструкции в патологическом сегменте позвоночника.
Мною выдвинута гипотеза: если на дооперационном этапе можно создать
индивидуальную модель металлоконструкции для конкретного пациента с
использованием трёхмерной визуализации, то в отличие от эмпирического
выбора установки имплантата это позволит сократить время оперативного
3
вмешательства, уменьшить кровопотерю, и, следовательно, травматичность
операции, предупредить технические ошибки и связанные с ними
осложнения.
В ходе работы мной были поставлены следующие задачи:
1. Изучить соответствующую литературу.
2. Собрать и систематизировать данные историй болезней, протоколов
операций, данные рентгеновской компьютерной томографии пациентов
со спондилолистезом.
3. Определить параметры для линейных изменений и расчета элементов
стабилизирующей системы.
4. Создать
компьютерную
модель, в которой будут совмещены
металлоконструкция и позвоночные сегменты.
Описание работы
Для того чтобы понимать причины и механизмы заболеваний позвоночника,
а также принципы хирургического лечения необходимо изучить основы
анатомии и физиологии позвоночного столба и спинного мозга.
Позвоночник является главной опорной структурой нашего тела. Важной его
функцией является защита спинного мозга.
Позвоночник состоит из 33-34 позвонков, из которых 24 (шейные, грудные,
поясничные) соединены подвижно и 9-10 (крестцовые, копчиковые) –
неподвижно (рис.1). Крестец с копчиком соединен подвижно.
В
подвижной
части
межпозвонковыми
позвонки
дисками,
соединены
основной
эластичными
функцией
хрящевыми
которых
является
амортизация нагрузок.
Между дугами позвонков
имеются дугоотростчатые
суставы, благодаря
которым возможны движения между позвонками (рис.2).
Комплекс, состоящий из межпозвонкового диска, прилежащих к нему двух
позвонков с суставами и связками, назван Шморлем и Юнгхансом (1932)
позвоночным сегментом. (рис.3). Позвоночно-двигательный сегмент является
4
звеном сложной кинематической цепи. Нормальная функция позвоночника
возможна только при правильной работе многих позвоночных сегментов [2].
Передняя часть позвонка имеет цилиндрическую форму и носит название
тела позвонка (рис.4). Оно несет основную опорную нагрузку. Сзади от тела
позвонка в виде полукольца располагается дуга позвонка с семью отростками
(рис.5). Тело и дуга позвонка образуют позвонковое отверстие. В
позвоночном столбе позвонковые отверстия расположены друг над другом,
формируя позвоночный канал. В позвоночном канале расположен спинной
мозг, кровеносные сосуды, нервные корешки, жировая клетчатка.
Дуга позвонка прикрепляется к телу позвонка при помощи ножки [2].
Патология позвоночника.
Спондилолистез (spondylolisthesis, греч. spondylos позвонок + olysthēsis
скольжение) — смещение вышележащего позвонка по отношению к
нижележащему вперед или назад. При смещении вперед развивается
передний спондилолистез, а при смещении назад - задний спондилолистез.
Чаще к развитию спондилолистеза приводит спондилолиз (дефект дуги
позвонка) (рис.6).
Впервые спондилолистез, обусловленный дефектом дуги
позвонка, был
описан в конце XVIII века. Сам термин «спондилолистез» предложил
венский
врач-акушер
Kilian.
Дефект
дуги
изменяет
биомеханику
позвоночника. При наличии нагрузки, развития дистрофических изменений,
сопровождающихся снижением высоты диска, при отсутствии надежного
крепления с дугой тело позвонка начинает соскальзывать кпереди, вплоть до
полного перемещения в малый таз. При этом происходит сужение
позвоночного канала, корешковых каналов, сдавление спинного мозга, что в
свою очередь приводит к выраженному болевому синдрому, снижению или
потере чувствительности, затруднению движений, нарушению функции
тазовых органов.
Чаще всего спондилолиз развивается в пятом поясничном позвонке. При
спондилолизе задняя часть позвонка (ножка, фасеточный сустав и дуга
5
позвонка) соединена с телом позвонка только рубцовой тканью. В
большинстве случаев, спондилолиз является не врожденной патологией, а
приобретенным заболеванием.
Различают 4 степени смещения позвонка, определяемых по рентгенограмме в
боковой проекции.
При I степени - задний край тела сместившегося позвонка сдвинут до 1/4 по
отношению к нижележащему позвонку,
при II степени — до 1/2,
при III степени — до 3/4,
при IV степени — от 3/4 до полного смещения позвонка.
Юнге (Н. Junge) и Кюль (P. Kuhl) ввели V степень — полное смещение тела
позвонка кпереди от нижележащего (так называемый спондилоптоз).
Методы исследования.
Первоначальная оценка поражения позвоночника начинается с традиционной
рентгенографии (рис.7)
Спондилограммы дают общую картину и позволяют выявить аномалии,
которые важны для установления уровня хирургического вмешательства.
Магнитно-резонанстная томография (МРТ).
Достоинствами МРТ являются широкое поле изображения, возможность
получения срезов любой плоскости. МРТ дает ценную информацию
о
состоянии костного мозга позвонков, о межпозвонковых дисках и связочном
аппарате, спинном мозге, корешковых каналах (рис.8).
Рентгеновская компьютерная томография (РКТ).
Обеспечивает отличную визуализацию
в поперечной плоскости с более
полным представлением о степени сужения позвоночного канала, состоянии
корешковых каналов, околопозвоночной области (рис. 9).
Способы и устройства, применяемые для оперативной стабилизации
позвоночника.
6
Стабилизация - это операция, которая заключается в прочном постоянном
соединении двух или более позвонков в единый конгломерат.
Стабилизирующие системы.
Стабилизирующие операции на позвоночнике выполняются в течение
многих десятилетий. В течение последних двадцати лет произошла
настоящая революция в технике стабилизирующих операций. Это связано с
разработкой и внедрением в клиническую практику стабилизирующих
систем нового поколения, изготовленных из очень прочных материалов. В
большинстве случаев детали стабилизирующей системы изготовлены из
пористого или литого сплава на основе никелида титана. Они успешно
применяются в качестве костно-замещающих материалов благодаря ряду
уникальных свойств: сверхупругость, сверхэластичность, биологическая
инертность, эффект памяти формы, наличие сквозных пор и их заданные
размеры [7].
При помощи этих стабилизирующих устройств во время операции
проводится прочная долговременная фиксация двух или нескольких
позвонков в правильной позиции. В настоящее время наибольшую
популярность
при
операциях
позвоночника
приобрела
на
грудном
транспедикулярная
и
поясничном
стабилизация.
отделах
При
этой
технике, фиксирующие винты проводятся через ножки позвонков в тело
позвонка. Винты с каждой стороны соединяются прочными балками,
которые соединяют позвонки в единый комплекс [6]. Эти стабилизирующие
системы отличаются большой надежностью, что позволяет проводить
активизацию пациента уже с первых дней после операции.
Виды стабилизирующих металлоконструкций:
-имплантаты для межостистого спондилодеза;
-транспедикулярные фиксаторы (рис.10);
-межтеловые имплантаты – кейджи (рис.11).
В качестве транспедикулярных фиксаторов используются как авторские
устройства из литого никелида титана, так лицензионные [7].
7
Способы стабилизирующих операций:
- передний межтеловой спондилодез;
- задний спондилодез с использованием имплантатов из никелида титана;
- транспедикулярный остеосинтез.
В настоящее время наибольшую популярность завоевали металлические
конструкции, смонтированные на основе винтов (рис.12), введенных
транспедикулярно [6].
Диаметр транспедикулярно введенных винтов должен соответствовать
размерам ножек дуг, которые различаются в зависимости от отделов
позвоночного столба.
Техника проведения винтов транспедикулярно [6].
После выделения задних отделов позвонков соответствующего отдела
позвоночного столба, включая поперечные отростки, выбирают точки
введения стержней. Как правило, это условное пересечение линий середины
поперечного и верхнего суставного отростков.
При этой технике, фиксирующие винты Шанца проводят в тела позвонков
строго через его ножки, параллельно верхней замыкательной пластинке,
расположение межтеловых имплантатов должно соответствовать центру
поперечного сечения тела позвонка (рис.13).
Винты с каждой стороны соединяются прочными балками, которые связывают
позвонки в единый комплекс.
Целью оперативного лечения спондилолистеза является восстановление
нормальных анатомических взаимоотношений на уровне поражения и
надежная стабилизация оперированного сегмента с целью обеспечения
возможности
функционального
лечения
и
ускоренной
реабилитации
пациента
В
таблице
1
представлено
распределение
больных,
оперированных
различными методами фиксации по данным протоколов
операций,
проведенных на базе Тюменской областной клинической больницы.
8
Таблица 1.
Виды оперативного вмешательства
Количество
оперированных
больных
12
4
7
Транспедикулярный спондилодез
Задний межтеловой спондилодез
Задний межтеловой и транспедикулярный
спондилодез
Передний межтеловой спондилодез
Передний
межтеловой
и
3
транспедикулярный спондилодез
Наружный транспедикулярный остеосинтез
2
ИТОГО:
28
По данным таблицы – большинство операций 24 (86%) проведено с
применением транспедикулярной фиксации.
В таблице 2 представлены характеристики операций заднего и переднего
межтелового
спондилодеза,
транспедикулярного
спондилодеза,
комбинированного (транспедикулярного и межтелового) спондилодезов.
Таблица 2.
Виды оперативного
вмешательства
Задний
спондилодез
Показатели
Средняя
Кровопотеря Анестезия
продолжительность,
мин.
межтеловой
40
120
Местная
анестезия
или
наркоз
межтеловой
140
350
Наркоз
Передний
спондилодез
Транспедикулярный
спондилодез
Межтеловой
транспедикулярный
спондилодез
и
135
380
Наркоз
250
850
Наркоз
9
По данным различных авторов в среднем
при оперативном лечении
спондилолистеза частота неудовлетворительных результатов колеблется от
20% до 40% случаев.
Виды осложнений, вызванных техническими ошибками по данным анализа
22 протоколов
операций с транспедикулярной стабилизацией при
спондилолистезах, проведенных в отделении нейрохирургии Тюменской
областной клинической больницы представлены в таблице 3.
Таблица 3.
Количество
больных
2
9%
1
4,5%
3
13,6%
1
4,5%
Вид осложнения
Травма корешка спинного мозга
Латеральное расположение винтов с повторным
ревизионным вмешательством и перепроведением винтов
Ранняя несостоятельность фиксирующей системы с
ремонтажем
Травма твердой мозговой оболочки, ликворрея
ИТОГО:
7
31,6%
Таким образом, 7 (31,6 %) осложнений обусловлены техническими ошибками
при установке стабилизирующей системы.
Точно выполнить требования методики «на глаз» представляет трудную задачу
для хирурга. Во время операции необходимо несколько раз выполнять
линейные замеры для правильного выбора
размеров винта, приходится
поэтапно углублять и расширять диаметр канала. На каждом этапе необходим
рентгенологический контроль, тем самым пациент получает дополнительные
дозы лучевой нагрузки, увеличивается время оперативного вмешательства и
возрастает травматичность. В среднем во время операции на это уходит от 4075 минут (30-40%) в зависимости от вида оперативного вмешательства.
Графики планируемого сокращения средней продолжительности операций
представлены на рис.14.
10
При неправильном проведении имплантата возникает риск повреждения
спинного мозга, сосудов, спинномозговых нервов (рис.15) и несостоятельность
стабилизации в послеоперационном периоде.
Расчеты для моделирования металлоконструкции.
По данным рентгеновской компьютерной томографии 28 пациентов со
спондилолистезами различной степени выраженности
были определены
параметры для линейных измерений и расчеты для моделирования
металлоконструкции.
Компьютерная
томография
проводилась
на
томографах: спиральном HiSpeed DX/i, фирмы General Electric, США и
мультисрезовом Somatom Emotion 6, фирмы Siemens, Германия.
В формате Dicom на рабочей станции или с помощью программы для
обработки медицинских изображений eFilmLT, совместимой с персональным
компьютером, проводилось измерение следующих величин (рис.16):
 толщина ножки дуги с обеих сторон;
 высота ножки дуги с обеих сторон;
 величина аксиальных углов наклона для каждого винта;
 величина сагиттальных углов наклона для каждого винта;
 рассчитывается диаметр винта с каждой стороны;
 рассчитывается длина стержня каждого винта;
 рассчитывается длина соединительных стержней;
После обработки всех необходимых изображений данные вносили в таблицу
5 и, в соответствии с полученными параметрами, по каталогу имплантатов
(рис.17)
выбирали
металлоконструкции.
подходящий
элемент
стабилизирующей
11
Таблица 5. Линейные изменения для расчета модели имплантатов.
Параметры для изменений
элементов
металлоконструкции
Толщина ножки дуги
Высота ножки дуги
Величина аксиальных углов
наклона
Величина боковых углов
наклона
Длина стержня каждого
винта
Длина
стержня
Справа
L4
Слева
L5
0,9 см
1,0 см
270
1,1 см
1,0 см
25
100
39
5,0 см
5,4 см
Справа
3,6 см
соединительного
L4
L5
0,8 см
1,0 см
270
1,0 см
1,2 см
26
140
42
5,0 см
5,7 см
Слева
3,3 см
Полученные аксиальные томограммы обрабатывали на рабочей станции с
помощью
алгоритмов
объемной
и
мультипланарной
реконструкции,
получали объемные и многоплоскостные изображения. С помощью Adobe
Photoshop
CS-3
совмещали
модель
металлоконструкции
с
данными
компьютерной томографии (рис.18).
Заключение
В процессе работы я изучила литературу, систематизировала данные по теме,
присутствовала на операциях с
применением металлоконструкций
и
убедилась, что оперативное лечение больных со спондилолистезом остается
сложной проблемой вертебральной хирургии, требующей индивидуального
подхода к каждому пациенту, а разнообразие и
противоречивость
применяемых методик лечения подтверждают актуальность выбранной мною
проблемы.
При
оперативном
лечении
спондилолистеза
техническими ошибками: из-за
ряд
неудач
вызванных
неправильно подобранных
размеров
металлоконструкции, неадекватного введения имплантата (Рис.15) можно
избежать,
используя метод предоперационного моделирования системы
12
«позвонки – металлоконструкция».
Планируется снижение количества
осложнений, вызванных неправильной установкой имплантатов.
Этот
метод
поможет
травматологам,
нейрохирургам
комплектацию, размеры, форму, расположение
рассчитать
имплантата. Кроме того,
объективное пространственное представление модели металлоконструкции
предполагает корректное введение винтов через дуги позвонков, исключая
риск
возможного
продолжительность
«перепроведения»,
что
позволит
сократить
операций на 30-40% и, следовательно, снизить
травматичность, избежать осложнений в послеоперационном периоде.
Во время дальнейшей исследовательской деятельности мне хотелось бы
разработать компьютерную программу для моделирования, с возможностью
не только монтажа фиксирующей системы в позвонки, но и оценки степени
адекватного перемещения смещенного позвонка до оптимально возможного
восстановления нормальных соотношений позвонков в сегменте.
В ходе работы оформлена заявка на изобретение «Способ моделирования
стабилизирующих металлоконструкций при операциях на позвоночнике» №
2009100178 РФ от 11.01.2009.
Результаты работы используются в лечебном процессе
отделения
нейрохирургии ГЛПУ Тюменская областная клиническая больница и на
практических занятиях и лекциях курса рентгенологии кафедры хирургии
ФПК и ППС Тюменской государственной медицинской академии (готовится
«Акт о внедрении результатов научно-исследовательской работы»).
Список используемой литературы
1. Бисюков Д.А., Дуров М.Ф. Применение титановых конструкций и
пористых никелид-титановых имплантатов в хирургии позвоночного столба//
Материалы VI съезда травматологов и ортопедов России. – Нижний
Новгород, 1997. – с .705.
2. Лагунова И.Г. Рентгенанатомия скелета.М.: Медицина, 1981. - 341с.
13
3. Малышева Т.Ю., Сергеев К.С. Значение компьютерной томографии при
проведении декомпрессивно – стабилизирующих операций на позвоночнике
// Материалы XXXVII Всероссийской научной конференции молодых
ученых «Актуальные проблемы теоретической, экспериментальной и
клинической медицины». Тюмень, 2003. – с.134.
4. Общее руководство по радиологии / под. ред. Х. Петерсон. Германия.:
Мондрук, 1996 – т.1, 668с.
5. Пахоменко Г.С. Стабилизация позвоночника конструкциями из сплавов на
основе никелида титана // Имплантаты с памятью формы. – 1992. №4. – с.8-9.
6. Радченко В.А., Корж Н.А. Практикум по стабилизации грудного и
поясничного отделов позвоночника. – Харьков: ПРАПОР, 2005.-142с.
7.Сергеев К.С., Дуров М.Ф., Кучерюк В.И. и соавт. Хирургическая
стабилизация переломов нижних грудных и поясничных позвонков. Тюмень:
Принтмастер, 2005 – 194 с.