Мобильная версия

Журнал «Травма» Том 20, №2, 2019

Дослідження конструкції заднього спондилодезу при втраті опороздатності переднього комплексу грудного й поперекового відділів хребта

Авторы: Куценко В.О.(1), Тимченко І.Б.(1), Попов А.І.(1), Корж М.О.(1), Радченко В.О.(1), Гаращенко Я.М.(2), Лисак М.В.(2)
(1) — ДУ «Інститут патології хребта та суглобів ім. проф. М.І. Ситенка НАМН України», м. Харків, Україна
(2) — Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», м. Харків, Україна

Рубрики: Травматология и ортопедия

Разделы: Клинические исследования

Актуальність. Основними причинами нестабільності хребтового стовпа в пацієнтів із пухлинами хребта є патологічні переломи й міжтіловий дефект після резекції пухлини. При цьому хірургічна стабілізація рекомендується, якщо колапс хребта перевищує 50 % його висоти, при ураженні понад 50 % хребта, резорбції ніжки дуги або залученні всіх задніх елементів. Використання транспедикулярних пристроїв забезпечує стабільну фіксацію й стабільність сегментів хребта навіть при руйнуванні всіх трьох колон. Мета: на основі математичного моделювання визначити оптимальні варіанти заднього спондилодезу при втраті опороздатності переднього відділу хребта. Матеріали та методи. Математичне моделювання методом кінцевих елементів варіантів конструкції заднього спондилодезу при втраті опороздатності переднього комплексу додатково включає візуалізацію томограм, виділення тканин заданої щільності, створення тріангуляційної моделі з використанням програмного пакета 3D Slicer. Висвітлено задачі обробки хмари точок і отримання твердотільної моделі. Результати. Виконано розрахунок міцності для різних варіантів закріплення системи фіксації хребта при резекції хребців L1, L2, Th12, а також проведено аналіз результатів розрахунку. Розрахунки показали, що максимальне напруження в положенні нахилу назад виникає при повній резекції трьох хребців із закріпленням в одне суміжне тіло, воно становить 415 МПа, що значно перевищує міцність як кортикальної кістки, так і титану. Мінімальні значення внутрішніх напружень за критерієм Мізеса спостерігаються при повній резекції одного хребця й закріпленні в трьох суміжних хребцях. Напруження не перевищували 24 МПа, що дає понад 10-кратний запас міцності. Висновки. За результатами розрахунків визначено, що при резекції одного хребця достатньо проводити закріплення в одне тіло, при резекції двох хребців бажаною є фіксація в трьох тілах, але можливим є й закріплення у двох хребцях із трикратним запасом міцності. При вертебректомії трьох хребців можлива фіксація тільки в трьох або більше суміжних тілах. Фізичні моделі хребців людини дозволяють хірургу попередньо виготовляти конструкції під індивідуальну форму хребця пацієнта, планувати свої дії перед операцією, що значно скорочує час операції й втрати крові. Також це скорочує час на підготовку й навчання молодих хірургів, знижує ймовірність помилок під час операцій і, відповідно, зменшує кількість невдалих операцій. Це особливо важливо в унікальних випадках перебігу хвороби в пацієнта.

Актуальность. Основными причинами нестабильности позвоночного столба у пациентов с опухолями позвоночника являются патологические переломы и межтеловой дефект после резекции опухоли. При этом хирургическая стабилизация рекомендуется, если коллапс позвоночника превышает 50 % его высоты, при поражении более 50 % позвоночника, резорбции ножки дуги или вовлечении всех задних элементов. Использование транспедикулярных устройств обеспечивает стабильную фиксацию и стабильность сегментов позвоночника даже при разрушении всех трех колонн. Цель: на основе математического моделирования определить оптимальные варианты заднего спондилодеза при потере опороспособности переднего отдела позвоночника. Материалы и методы. Математическое моделирование методом конечных элементов вариантов конструкции заднего спондилодеза при потере опороспособности переднего комплекса дополнительно включает визуализацию томограмм, выделение тканей заданной плотности, создание триангуляционной модели с использованием программного пакета 3D Slicer. Освещены задачи обработки облака точек и получения твердотельной модели. Результаты. Выполнен расчет прочности для различных вариантов закрепления системы фиксации позвоночника при резекции позвонков L1, L2, Th12, а также проведен анализ результатов расчета. Расчеты показали, что максимальное напряжение в положении наклона назад возникает при полной резекции трех позвонков с закреплением в одно смежное тело и составляет 415 МПа, что значительно превышает прочность как кортикальной кости, так и титана. Минимальные значения внутренних напряжений по критерию Мизеса наблюдаются при полной резекции одного позвонка и закреплении в трех смежных позвонках. Напряжения не превышали 24 МПа, что дает более чем 10-кратный запас прочности. Выводы. По результатам расчетов определено, что при резекции одного позвонка достаточно проводить закрепление в одно тело, при резекции двух позвонков желательна фиксация в трех телах, но возможно и закрепление в двух позвонках с трехкратным запасом прочности. При вертебрэктомии трех позвонков возможна фиксация только в трех или более смежных телах. Физические модели позвонков человека позволяют хирургу предварительно изготавливать конструкции под индивидуальную форму позвонка пациента, планировать свои действия перед операцией, что значительно сокращает время операции и потери крови. Также это сокращает время на подготовку и обучение молодых хирургов, снижает вероятность ошибок во время операций и, соответственно, уменьшает количество неудачных операций. Это особенно важно в уникальных случаях протекания болезни у пациента.

Background. The main causes of instability of the spinal column in patients with spinal tumors are pathological fractures and intervertebral defects after tumor resection. In this case, surgical stabilization is recommended by the authors, if the spine collapse exceeds 50 % of its height, if more than 50 % of the spine is affected, if there is a resorption of the pedicle of vertebral arch or an involvement of all the rear elements. The use of transpedicular devices ensures stable fixation and stability of the spine segments even with the destruction of all three columns. The purpose of the study: based on the mathematical modeling, to determine the optimal variants of posterior spondylodesis in the loss of the support ability of the anterior spine. Materials and methods. Mathematical modeling using finite element method of the variants of posterior spondylodesis design in case of the loss of the support ability of the anterior spine additionally includes tomograms, allocation of tissues of given density, creation of a triangulation model using the software package 3D Slicer. The problem of processing point clouds and obtaining a solid state model are covered. Results. The calculation of strength for various variants of attaching the spine fixation system during resection of L1, L2, and Th12 vertebras has been made, and the analysis of the calculation results has been carried out. Calculations have shown that the maximum tension in the tilt back position occurs in the complete resection of the three vertebrae with attachment to one adjacent body and accounts for 415 MPa, which significantly exceeds the strength of both cortical bone and the titanium. Minimum values of internal stresses by von Mises are observed in complete resection of one vertebra and fixing in three adjacent vertebrae. The stress did not exceed 24 MPa, which provides more than 10-fold safety factor. Conclusions. Results of the calculations showed that during resection of one vertebrae it is enough to fix one body, if two vertebrae are resected, fixation in three bodies is desirable, but it is possible to fix in two vertebrae with a threefold safety factor. In vertebrectomy of three vertebrae it is possible to fix only in three or more adjacent bodies. Physical models of human vertebras allow a surgeon to pre-make structures under the individual form of the patient’s vertebra, to plan their actions before surgery, which greatly reduces the time of surgery and blood loss. It also reduces the time required for the training of young surgeons, decreases the likelihood of errors during operations, and, accordingly, reduces the number of unsuccessful surgeries. This is especially important in the unique cases of the disease.

Ключевые слова

хребет; спондилодез; патологічний перелом; математичне моделювання

позвоночник; спондилодез; патологический перелом; математическое моделирование

spine; spondylodesis; pathological fracture; mathematical modeling

doi: http://dx.doi.org/10.22141/1608-1706.2.20.2019.168024

Вступ

Паліативні резекції хребця — циторедуктивні операції, що виконуються тоді, коли видалити пухлину абластично неможливо або немає сенсу. Ці операції проводяться строго за показаннями, оскільки при частковій резекції злоякісної пухлини можливий її рецидив із бурхливим вторинним ростом.

Основними причинами нестабільності хребтового стовпа в пацієнтів із пухлинами хребта є патологічні переломи й міжтіловий дефект після резекції пухлини. При цьому хірургічна стабілізація рекомендується, якщо колапс хребта перевищує 50 % його висоти, при ураженні понад 50 % хребта, резорбції ніжки дуги або залученні всіх задніх елементів [1].

Використання цього способу на ранніх стадіях розвитку пухлинного процесу дозволяє зменшити больовий синдром у понад 90 % випадків [2, 3].

У більшості випадків застосування додаткової внутрішньої фіксації за допомогою металевих імплантатів значно покращує результати лікування й скорочує строки реабілітації пацієнтів за рахунок стабілізації хребта в ранньому післяопераційному періоді й забезпечення оптимальних умов для формування кісткового блоку між автотрансплантатом і його ложем. З огляду на концепцію трьох колон стабільності хребта стабілізуючі операції можна розподілити на передні — зі стабілізацією вентральних опорних колон і задні — зі стабілізацією задніх опорних колон [4]. Вибір способу стабілізації частіше за все залежить від здійснюваного доступу. При вентральних доступах можлива стабілізація передньої й центральної опорних колон [5]. При задніх — вибір фіксуючого пристрою багато в чому визначає ступінь подальшої стабільності хребта.

Використання транспедикулярних пристроїв забезпечує стабільну фіксацію й стабільність сегментів хребта навіть при руйнуванні всіх трьох колон (тобто при максимальному ступені його нестабільності) [6].

Тому важлива не тільки обґрунтованість виконання операції, але й її обсяг.

Мета дослідження: на основі математичного моделювання визначити оптимальні варіанти заднього спондилодезу при втраті опороздатності переднього відділу хребта.

Матеріали та методи

Математичне моделювання методом кінцевих елементів варіантів конструкції заднього спондилодезу при втраті опороздатності переднього комплексу додатково включає візуалізацію томограм, виділення тканин заданої щільності, створення тріангуляційної моделі з використанням програмного пакета 3D Slicer. Висвітлено задачі обробки хмари точок і отримання твердотільної моделі. 3D Slicer — це гнучка модульна програмна платформа для аналізу зображень і візуалізації. 3D Slicer може бути легко розширений для інтерактивних і пакетних інструментів обробки зображень. Він забезпечує реєстрацію зображень, обробку DTI (дифузійна фрактографія).

Інтерактивні можливості візуалізації 3D Slicer включають можливість відображення вільно орієнтованих фрагментів зображення, створення поверхні, 3D-мо-делей і високу продуктивність візуалізації об’єму.

Програма має великі можливості постобробки медичних зображень, інструментарій аналізу DICOM-файлів, об’ємного рендерингу, конфігурування видів, відображення зображень у 4D.

У рамках роботи було створено 3D-моделі окремих хребців грудопоперекового відділу хребта людини, а також у зборі з імплантованим ендопротезом і встановленою транспедикулярною системою з різноманітними варіантами закріплення. 3D-моделі хребців розроблялися в навчальних цілях для віртуального планування й проведення операцій. Це надає хірургові широкі можливості планування й підготовки операції з урахуванням індивідуальних особливостей пацієнта після попереднього створення моделей хребців грудного й поперекового відділів хребта за даними комп’ютерної томографії.

Виготовлення фізичних моделей (макетів) хребців людини виконували за допомогою технологій 3D Printing (Additive technology) на технологічній базі. Комп’ютерна й магнітно-резонансна томографії дозволяють отримати цифрові зображення, у тому числі кольорове відображення магнітного резонансу. Побудова тривимірних моделей різних органів людського тіла виконується на основі отриманих комп’ютерних і магнітно-резонансних томограм із малим кроком (0,5–2 мм). Достатньо малий крок дозволяє створити текстурну сегментацію й тривимірну реконструкцію органів. Для створення 3D-моделі на основі комплекту томограм виконують такі дії:

— сканування пацієнта на комп’ютерному томографі;

— отримання аксіальних зрізів (томограм) у форматі DICOM;

— виконання попередньої обробки томограм (редагування для виділення робочої ділянки побудови моделі);

— побудова за томограмами комп’ютерної 3D-моделі.

Для побудови 3D-моделі грудного й поперекового відділів хребта було взято комплект томограм пацієнта з архіву медичного центру ТОВ «МДЦ-LUX» (м. Харків). Комплект томограм складався з 643 файлів зображень у форматі DICOM, зроблених із кроком 1 мм.

Файли томограм завантажувались у спеціалізоване програмне забезпечення 3D Slicer. Зображення, що містить окремо кісткові тканини, одержували, використовуючи настройки контрастності та яскравості. Ці функції дозволяють налаштувати зображення таким чином, щоб на ньому відображалися лише тканини, щільність яких дорівнює заданій або перевищує її. У програмі наявний широкий спектр функцій і налаштувань, що дозволяють отримати достатньо якісну тріангуляційну модель. Для цього із загальної маси тканин за допомогою інструмента Threshold Effect виділяються кістки й міжтілові диски з подальшим експортом у *STL-формат (рис. 1).

Остаточна доробка, видалення зайвих елементів і отримання робочої твердотільної моделі виконувалося у CAD-системі PowerShape. Із тріангуляційної моделі грудного й поперекового відділу хребта почергово були вилучені фрагменти хребців і міжхребцевих дисків. У системі PowerShape за допомогою функцій роботи з тріангуляційними моделями були виправлені помилки тріангуляції (зашиті розриви поверхні й створені елементи хребця, яких бракувало). На рис. 2 подана готова 3D-модель хребця.

Результати та обговорення

Виконано розрахунок міцності для різних варіантів закріплення системи фіксації хребта при резекції хребців L1, L2, Th12, а також проведено аналіз результатів розрахунку.

Для більш точного моделювання напружено-деформуючого стану створювалась максимально наближена модель грудопоперекового відділу. Для цього на етапі виймання окремих хребців і дисків строго витримувались координати розташування тіл відносно єдиної системи координат (рис. 3).

Збирання хребтового стовпа виконувалась шляхом почергового імпорту окремих моделей хребців і дисків (рис. 4).

У сучасному світі найбільшу популярність завоювали титанові конструкції, введені транспедикулярно.

Ці системи мають забезпечувати компресію по заданому контуру хребтового стовпа й запобігати, протидіяти зсувним навантаженням.

З урахуванням відношень передніх і задніх відділів хребтового стовпа стабілізуючі імпланти мають доповнювати один одного й функціонувати в тісній взаємодії.

При цьому треба враховувати розподіл навантаження на передні й задні відділи хребтового стовпа (рис. 5).

Наприклад, при неспроможності передніх відділів металічний імплантат буде змушений приймати близько 90 % аксіального навантаження в украй невигідному для нього положенні.

При реконструкції передніх і задніх відділів навантаження розподіляється відповідно до біомеханічних законів: 80 % — на передні і 20 % — на задні відділи, що робить можливим адекватне його сприйняття імплантатами відповідно до їх механічних властивостей.

У 3D-модель хребця було транспедикулярно встановлено гвинти в конкретні місця і під правильними кутами (рис. 5), що забезпечило адекватність цифрової моделі для проведення статистичного аналізу внутрішніх напружень. З метою уникнення помилок при побудові сітки кінцевих елементів були попередньо видалені інтерференції контактуючих поверхонь (рис. 6).

Оперативне втручання завжди супроводжується втратами крові й тривалим процесом відновлення, що прямо залежить від масштабу хірургічного втручання. Для скорочення часу проведення операції й зони доступу до пошкоджених ділянок проведено міцнісний розрахунок системи фіксації хребця з різноманітними варіантами закріплення при резекції одного, двох і трьох хребців. Для кожної ситуації в PowerShape створено відповідну 3D-модель (рис. 7) і експортовано в формат *parasolid для подальшого аналізу.

Тестування транспедикулярної системи в зборі з моделями хребців відбувалося за допомогою програмного пакету SolidWorks Simulation.

Вихідні дані для розрахунків:

— матеріал тіла хребця — кортикальна кісткова тканина (модуль Юнга — 10 ГПа; коефіцієнт Пуассона — 0,3; модуль зсуву — 3,84 ГПа; модуль об’ємної пружності — 8,33 ГПа);

— сила, прикладена до верхнього хребця, — 500 Н;

— середній розмір сітки кінцевих елементів — 1,5 мм;

— співвідношення граней трикутників — 1/5.

Розрахунки показали, що максимальне напруження в положенні нахилу назад виникає при повній резекції трьох хребців із закріпленням в одне суміжне тіло, воно становить 415 МПа, що значно перевищує міцність як кортикальної кістки, так і міцність титану. Мінімальні значення внутрішніх напружень за критерієм Мізеса спостерігаються при повній резекції одного хребця й закріпленні в трьох суміжних хребцях. Напруження не перевищували 24 МПа, що дає понад 10-кратний запас міцності (рис. 9).

Результати розрахунків зведено в діаграму (рис. 9).

Також були визначені зони концентрації напружень. В усіх випадках це поверхні контакту гвинта й тіла хребця, а також гвинта й моста (рис. 10).

Спостерігалась незначна концентрація напружень у місці контакту тіла хребця й протеза (рис. 11).

Висновки

За результатами розрахунків визначено, що при резекції одного хребця достатньо проводити закріплення в одне тіло, при резекції двох хребців бажаною є фіксація в трьох тілах, але можливим є й закріплення у двох хребцях із трикратним запасом міцності. При вертебректомії трьох хребців можлива фіксація тільки в трьох або більше суміжних тілах.

Фізичні моделі (макети) хребців людини дозволяють хірургу попередньо виготовляти конструкції під індивідуальну форму хребця пацієнта, планувати свої дії перед операцією, що значно скорочує час операції й зменшує втрати крові. Також це скорочує час на підготовку й навчання молодих хірургів, знижує ймовірність помилок під час операцій і, відповідно, зменшує кількість невдалих операцій. Це особливо важливо в унікальних випадках перебігу хвороби в пацієнта.

Конфлікт інтересів. Автори заявляють про відсутність конфлікту інтересів при підготовці даної статті.

Список литературы

1. Lee C.S., Jung C.H. Metastatic spinal tumor // Asian Spine J. — 2012. — № 6.

2. Percutaneous vertebroplasty and interventional tumor removal for malignant vertebral compression fractures and/or spinal metastatic tumor with epidural involvement: a prospective pilot study / Yi-Feng Gu, Qing-Hua Tian, Yong-Dong Li, Chun-Gen Wu, Yan Su, Hong-Mei Song, Cheng-Jian He, Dong Chen // J. Pain Res. — 2017. — 10. — 211-218. Published online 2017 Jan 20. doi: 10.2147/JPR.S122211. PMCID: PMC5271398. PMID: 28176970.

3. Enneking W.F. A system of staging musculoskeletal neoplasm / W.F Enneking // CORR. — 1986. — Vol. 204. — P. 9-24.

4. Denis F. The three column spine and its significance in the classification of acute thoracolumbar spinal injоures / F. Denis // Spine. — 1983. — Vol. 8, № 8. — P. 817.

5. Stability of spinal bone metastases in breast cancer after radiotherapy: a retrospective analysis of 157 cases / Schlampp I., Rie–ken S., Habermehl D., Bruckner T., Förster R., Debus J., Rief H. // Strahlenther Onkol. — 2014 Sep. — 190(9). — 792-7. doi: 10.1007/s00066-014-0651-z. Epub 2014 Apr 1. PMID: 24687563.

6. Prognosis of Single Spinal Metastatic Tumors: Predictive Value of the Spinal Instability Neoplastic Score System for Spinal Adverse Events / Sam Yeol Chang, Jae Hong Ha, Sang Gyo Seo, Bong-Soon Chang, Choon-Ki Lee, Hyoungmin Kim // Asian Spine J. — 2018 Oct. — 12(5). — 919-926. Published online 2018 Sep 10. doi: 10.31616/asj.2018.12.5.919. PMID: 30213176.

7. Радченко В.А., Попсуйшапка К.А., Тесленко С.А. Аналіз функционального стану хребта за умов хірургічного лікування вибухових переломів грудного та поперекового відділів // Ортопедия, травматология и протезирование. — 2018. — № 2. — С. 5-12.