Способ предоперационного планирования установки транспедикулярных винтов при идиопатическом сколиозе Российский патент 2023 года по МПК A61B8/13 

Изобретение относится к медицине, в частности к травматологии, ортопедии и нейрохирургии, и может быть использовано при планировании оперативного лечения деформаций позвоночника на фоне идиопатического сколиоза с использованием транспедикулярной фиксации.

Задняя инструментальная фиксация является наиболее распространенным вариантом хирургического лечения идиопатического сколиоза. У позвонков, вовлеченных в сколиотические дуги, изменяются морфометрические показатели (Liljenqvist, Ulf R. Et al., 2000). Тела позвонков принимают клиновидную форму и ротируются, деформируются суставные и поперечные отростки, ширина корней дуг варьируется в зависимости от направления сколиотической дуги. Определение точки входа в позвонок и траектории установки транспедикулярного винта по стандартным анатомическим ориентирам может привести к пенетрации кортикальных стенок корней дуг и тел позвонков и повреждению прилежащих нервных структур, кровеносных сосудов и внутренних органов. Из этого следует, что предоперационное планирование установки винтов при идиопатическом сколиозе должно включать индивидуальный подход к каждому позвонку.

Известен способ определения направления транспедикулярных винтов у пациентов с избыточной массой тела (патент RU2321349C1). В данном способе направление введения винта в сагиттальной плоскости рассчитывается по спондилограмме в боковой проекции, направление введения винта в аксиальной плоскости рассчитывается по срезу компьютерной томографии в аксиальной плоскости. Недостатком способа является недостаточная точность указанных измерений. Так на спондилограмме в боковой проекции из-за наличия дуг искривлений позвонки могут быть наклонены или ротированы, вследствие чего, они будут располагаться не в сагиттальной плоскости и измерения будут ошибочны. Кроме того, возможно проекционное наложение костных структур друг на друга, что создаст дополнительные сложности и ошибки при измерениях. Неточности измерений в аксиальной плоскости связаны с тем, что срезы при проведении компьютерной томографии проходят перпендикулярно телу пациента и невозможно вывести тела всех позвонков строго в аксиальной плоскости срезов вследствие физиологических изгибов позвоночника и наличия деформации. В то же время, проведение срезов в различных плоскостях в зависимости от разного расположения позвонков в каждой из дуг деформации может увеличить лучевую нагрузку на пациента в несколько раз. Эти ограничения можно преодолеть с помощью постобработки изображений с программным построением многоплоскостных реконструкций - MPR (multiplanar reconstruction).

Известен способ установки винтов для транспедикулярной фиксации позвоночника (патент RU2620355C1). В данном способе на основе проведенной компьютерной томографии создаются мультипланарные реконструкции, на основе которых делают карту разметки и проводят необходимые измерения, определяющие длину винта и траекторию его введения. Полученную карту разметки распечатывают на бумаге в черно-белом изображении. Интраоперационно угол отклонения в аксиальной плоскости определяют по расстоянию от вершины остистого отростка с помощью разметочного циркуля. Угол отклонения в сагиттальной плоскости определяют и контролируют по боковому рентгеновскому снимку, фиксируя направление установкой дополнительной спицы. Траекторию введения винта авторы определяют по мультипланарным реконструкциям, при этом, для повышения точности, изображения формируются не только в плоскости установки винта, но и выше, и ниже с интервалом 2 мм. Таким образом, подготовка к операции требует временных затрат, сформированная карта разметки имеет большие размеры (только для одного позвонка формируется более 10 изображений), что затрудняет использование ее непосредственно во время операции и может приводить к увеличению времени операции. Также недостатком способа является необходимость интраоперационного проведения рентгенографии позвоночника в боковой проекции, так как карта разметки не предусматривает определение траектории введения винта в сагиттальной плоскости. Следует отметить, что в предлагаемом способе отсутствует точные указания, на патологические состояния, при которых данный способ осуществим. В клинических примерах указаны операции при гнойном спондилодисците и спондилолизном спондилолистезе 2 ст.При данных патологиях, как правило, нет выраженного изменения формы и положения позвонков, что значительно затрудняло бы установку винтов по стандартным анатомическим ориентирам.

В качестве прототипа выбран способ предоперационного планирования при идиопатическом сколиозе, предложенный Peigiang Su et. al (Peiqiang Su; Wentong Zhang; Yan Peng; Anjing Liang; Kaili Du; Dongsheng Huang (2012). Use of computed tomographic reconstruction to establish the ideal entry point for pedicle screws in idiopathic scoliosis. Eur. Spine J., 21(1), 23-30.) Авторы, учитывая изменения позвонков при сколиотических деформациях, предлагают определение оптимальной точки входа в позвонок на основании сформированной 3D-модели позвоночника. В предложенном способе положение винтов в аксиальной и сагиттальной плоскостях определяются по мультипланарным реконструкциям, одновременно определяются оптимальные размеры винтов. Пересечение линий, определяющих положение винтов в указанных плоскостях проецируют на 3D-модель интересующего позвонка с дорзальной стороны. Далее, для облегчения визуального нахождения точки входа интраоперационно на скелетированном позвоночнике, на 3D-изображение позвонка накладывается сетка с ориентиром на анатомические структуры. Таким образом, точка входа оказывается в одном из квадратов сетки. К недостаткам способа относится необходимость формирования и мультипланарных, и 3D-реконструкций, что затрудняет и увеличивает время подготовки к операции. Применение способа ограничивает то, что большинство компьютерных программ не поддерживают функцию автоматического переноса измерений с мультипланарных реконструкций на 3D-модель и измерения должны проводиться непосредственно в кабинете компьютерной томографии. Еще одним недостатком способа является то, что авторы не указывают, каким образом осуществляется позиционирование винтов в сагиттальной плоскости.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка простого, эффективного и наглядного способа предоперационного планирования установки транспедикулярных винтов, устраняющего недостатки прототипа.

Техническим результатом, проявляющимся при осуществлении предлагаемого изобретения, является упрощение способа предоперационного планирования установки транспедикулярных винтов, сокращение времени подготовки к оперативному вмешательству, сокращение времени оперативного вмешательства, возможность максимально точно определить необходимый диаметр винта, его оптимальную длину и траекторию введения, а также нахождение точки входа винта в позвонок на основании созданных срезов цифровой 3D-модели позвоночника. При этом хирургу во время операции доступна цветная цифровая 3D-модель позвоночника и каждого позвонка, либо напечатанная на бумажном носителе, либо отображаемая на экране монитора, что облегчает сопоставление реальной анатомии и модели для упрощения определения точки входа и направления винта.

Технический результат достигается за счет того, что на основе мультиспиральной компьютерной томографии создают 3D-модель позвоночника, определяют оптимальные размеры винта и траектории его введения путем осуществления срезов позвонков в аксиальной плоскости, при этом траектория введения винта и его длина определяются линией, проходящей от точки входа у основания поперечного отростка в тело через ножку дуги позвонка без соприкосновения с медиальной кортикальной стенкой до передней кортикальной пластинки тела позвонка, причем она не должна пересекать центральную линию, делящую позвонок на две равные части, траекторию введения винта в сагиттальной плоскости контролируют визуально путем верификации целостности нижней кортикальной поверхности корня дуги после формирования среза.

Сущность предлагаемого способа поясняется графическим материалом, где:

Фиг. 1 - пример разметки для обрезки изображения во фронтальной плоскости. Вид сзади;

Фиг. 2 - пример разметки для обрезки изображения в сагиттальной плоскости;

Фиг. 3 - пример разметки для обрезки изображения во фронтальной плоскости. Вид спереди.

Фиг. 4 - срез позвонка во фронтальной плоскости;

Фиг. 5 - пример разлиновки изображения позвонка в аксиальной плоскости, где А - центральная линия, разделяющая позвонок на 2 равные части; В - ширина ножки позвонка; С - точка входа винта в позвонок; D - траектория введения винта; Е - расстояние от точки остистого отростка до точки входа; F - расстояние от вершины поперечного отростка до точки входа;

Фиг 6 - пример компоновки изображений: а - разлиновка позвонка Th5 в аксиальной плоскости; 6 - срез позвонка Th5 во фронтальной плоскости; в - разлиновка позвонка Th6 в аксиальной плоскости; г - срез позвонка Th6 во фронтальной плоскости.

Способ осуществляется следующим образом.

В процессе подготовки к оперативному лечению пациенту проводится мультиспиральная компьютерная томография позвоночного столба на планируемом уровне вмешательства. Результат записывается в формате DICOM и в компьютерной программе «RadiAnt» создается 3D-модель позвоночника. Поворачивая изображение вокруг своей оси с помощью инструмента «Scalpel» обрезаются грудина, ключицы, лопатки и большая часть ребер. Отредактированная таким образом 3D-модель позвоночника позиционируется во фронтальной плоскости в задне-переднем направлении. Находится краниальный позвонок, являющийся верхним в зоне планируемой инструментальной фиксации. Вся 3D-модель поворачивается таким образом, чтобы верхняя замыкательная пластинка тела выбранного позвонка располагалась горизонтально, основание остистого отростка позвонка находилось строго посередине, основания верхних суставных отростков позвонка располагались в горизонтальной плоскости на одном уровне. Далее на 3D-модели с помощью инструмента «Scalpel» последовательно для каждого позвонка «срезается» верхняя замыкательная пластинка тела и верхние кортикальные стенки корней дуг, «обнажая» губчатую кость тела и каналов в корнях дуг, что позволяет создать оптимальные траектории введения транспедикулярных винтов (Фиг. 1-5). Получившийся срез во фронтальной плоскости (Фиг. 4) поворачивается в аксиальную плоскость и проводятся следующие измерения. На Фиг. 5 изображен позвонок в аксиальной плоскости. Предварительно позвонок делится на 2 равные части линией, проходящей через центр передней кортикальной пластинки тела позвонка и середину основания остистого отростка - линия А. Для измерения ширины каждой ножки дуги данного позвонка находится самая узкая ее часть, затем от внутренней кортикальной пластинки проводится перпендикуляр до наружной кортикальной пластики - линия В. Определяют оптимальную траекторию введения винта. Для этого от точки входа у основания поперечного отростка (точка С) проводится линия, проходящая в тело через ножку дуги позвонка, соблюдая следующие правила - линия должна обеспечить максимально возможную длину винта в пределах тела позвонка - до передней кортикальной пластинки тела позвонка, она не должна пересекать линию А и должна проходить через ножку дуги без соприкосновения с медиальной кортикальной стенкой - линия D. После определения траектории введения винта и его размеров, проводим дополнительные линии, облегчающие визуализацию точки входа винта во время операции: расстояние от вершины остистого отростка до точки входа - линия Е; расстояние от вершины поперечного отростка до точки входа - линия F. При необходимости измерения проводятся и на противоположной стороне представленного позвонка. Так как срез изображения 3D-модели позвонка проводится ниже верхней границы корня дуги, траектория введения винта в сагиттальной плоскости контролируется путем верификации того факта, что нижняя кортикальная стенка корня дуги целостна после формирования среза.

Полученное изображение каждого позвонка во фронтальной и аксиальной плоскостях сохраняются с помощью функции PrintScreen, редактируются в графическом редакторе, сохраняются в формате *.jpg и, либо распечатываются, либо выводятся на экран монитора в операционной в цветном виде. Пример компоновки изображений представлен на Фиг. 6.

Клинический пример

Пациент А., 17 лет. Диагноз юношеский идиопатический сколиоз грудопоясничного отдела позвоночника 4 степени с основной правосторонней грудной сколиотической дугой 90 град. по Cobb.

По результатам проведенной рентгенографии позвоночника стоя в двух проекциях и с функциональными пробами определены уровни фиксации от 4 грудного позвонка до 3 поясничного позвонка. Выполнена мультиспиральная КТ грудопоясничного отдела позвоночника. Создана 3D-модель позвоночного столба. Последовательно сделаны срезы всех позвонков в аксиальной плоскости от 4 грудного до 3 поясничного позвонка. Произведены расчеты траектории введения и размеров винтов для каждого позвонка. Интраоперационно проводился контроль введения и положения винтов визуально по сформированным изображениям, а также измерение расстояния от точки входа до вершин остистого и поперечного отростков. Всего установлено 18 винтов. По результатам контрольной рентгенографии грудопоясничного отдела позвоночника в послеоперационном периоде достигнута желаемая коррекция сколиотической деформации. По результатам проведенной мультиспиральной компьютерной томографии, сделано заключение об удовлетворительном положении винтов в телах позвонков. По истечении одного года после оперативного лечения выполнена контрольная мультиспиральная компьютерная томография: положение транспедикулярных винтов удовлетворительное: винты располагаются в костной массе без пенетрации кортикальных стенок корней дуг и тел позвонков.

Всего с использованием указанного способа предоперационного планирования было выполнено 60 операций у детей и подростков при идиопатическом сколиозе. Мультиспиральная компьютерная томография выполнялась в течение первой недели после проведенного оперативного лечения и спустя один год. Во всех случаях было зарегистрировано удовлетворительное положение транспедикулярных винтов.

Положительный эффект от использования заявляемого изобретения заключается в сокращении времени и упрощении подготовки к операции, сокращении времени операции путем интраоперационного ориентирования на компактные и информативные изображения позвонков в нужных плоскостях, что обеспечивает точность установки транспедикулярных винтов, исключает риски повреждения кортикальных пластинок корней дуг и тел позвонков и, следовательно, повреждения прилегающих нервных структур, кровеносных сосудов и внутренних органов. Важным является тот факт, что при планировании операции хирург работает с цветной 3D-моделью позвоночника, максимально приближенной к реальному виду анатомических образований, а не с плоскостными срезами, тем самым, фактически осуществляет симуляционную операцию по установке винтов, что увеличивает его уверенность и скорость во время хирургической процедуры.

Список литературы.

Liljenqvist, Ulf R.; Link, Thomas M.; Halm, Henry F.H. (2000). Morphometric Analysis of Thoracic and Lumbar Vertebrae in Idiopathic Scoliosis. Spine, 25(10), 1247-1253. doi: 10.1097/00007632-200005150-00008.

Peiqiang Su; Wentong Zhang; Yan Peng; Anjing Liang; Kaili Du; Dongsheng Huang (2012). Use of computed tomographic reconstruction to establish the ideal entry point for pedicle screws in idiopathic scoliosis. Eur. Spine J., 21(1), 23-30.doi: 10.1007/s00586-011-1962-8 Патент РФ №2321349. Способ определения направления введения транспедикулярных винтов у пациентов с избыточной массой тела.

Патент РФ №2620355. Способ установки винтов для транспедикулярной стабилизации позвоночника.

Изобретение относится к медицине, а именно к травматологии, ортопедии и нейрохирургии, и может быть использовано при планировании оперативного лечения деформаций позвоночника на фоне идиопатического сколиоза. Способ включает проведение мультиспиральной компьютерной томографии позвоночника, создание на ее основе 3D-модели позвоночника, определение оптимальных размеров винта и траектории его введения путем проведения расчетов на изображении срезов позвонков в аксиальной плоскости данного позвонка. Траектория введения винта и его длина определяются линией, проходящей от точки входа у основания поперечного отростка в тело через ножку дуги позвонка на максимально возможном удалении от медиальной кортикальной стенки до передней кортикальной пластинки тела позвонка, при этом она не должна пересекать центральную линию, делящую позвонок на две равные части. Способ обеспечивает точность установки транспедикулярных винтов в анатомически измененные позвонки, вследствие сколиотической деформации, а также снижение риска повреждения медиальной кортикальной стенки ножки дуги позвонка за счет использования модели максимально приближенной к реальному виду анатомических образований. 6 ил., 1 пр.

Способ предоперационного планирования установки транспедикулярных винтов при идиопатическом сколиозе, включающий проведение компьютерной томографии, отличающийся тем, что после создания на основе спиральной компьютерной томографии 3D-модели позвоночника определяют оптимальные размеры винта и траектории его введения за счет осуществления срезов позвонков в аксиальной плоскости, при этом траекторию введения винта и его длину определяют линией, проходящей от точки входа у основания поперечного отростка в тело через ножку дуги позвонка без соприкосновения с медиальной кортикальной стенкой до передней кортикальной пластинки тела позвонка, причем без ее пересечения центральной линии, которая делит позвонок на две равные части, траекторию введения винта в сагиттальной плоскости контролируют визуально путем верификации целостности нижней кортикальной поверхности корня дуги после формирования среза.