Создание имитационной модели имплантата для лечения переломов шейки бедренной кости с использованием CAD-системы PowerSHAPE
В данной статье описывается проект по созданию имитационной модели имплантата для лечения переломов шейки бедренной кости с использованием CAD-системы PowerShape, выполненный студентами Одесского национального политехнического университета Арсением Бецем и Анной Мамонтовой. Эта работа стала одним из призеров ежегодного международного конкурса студенческих работ 2013 года, проводимого компанией Delcam среди российских и украинских университетов. Одесский национальный политехнический университет начал сотрудничество с компанией Delcam в 2008 году, и с тех пор на различных его кафедрах ведется обучение работе студентов в ПО семейства Power Solution. Студенты университета ежегодно принимают участие в проводимом Delcam конкурсе студенческих работ и уже несколько лет подряд становятся его призерами.
Данный проект появился в результате сотрудничества кафедры информационных технологий проектирования в машиностроении Одесского национального политехнического университета с врачамиортопедами Ортопедотравматологического отделения Одесской областной клинической больницы. Перед студентами была поставлена задача смоделировать на компьютере процесс установки имплантата конкретному пациенту. Решение данной задачи позволяет индивидуально подобрать размеры имплантата, а также спланировать его положение в головке бедренной кости и, как следствие, снизить динамическую нагрузку на металлоконструкцию. Это, в свою очередь, приведет к уменьшению вероятности послеоперационных осложнений, сокращению сроков сращения и значительному улучшению качества последующей жизни пациентов любого возраста. Для создания 3Dмодели имплантата и имитации его установки в бедренную кость использовалась CADсистема PowerSHAPE.
Проблемы переломов длинных трубчатых костей
Внесуставные переломы проксимального отдела бедренной кости (ППБК) являются частой, тяжелой и сложной в лечении патологией, которая встречается преимущественно у людей пожилого возраста и поэтому неразрывно связана с проблемами клинической гериартрии.
Внедрение в клиническую практику закрытого интрамедуллярного остеосинтеза с блокированием позволило значительно улучшить результаты лечения переломов длинных трубчатых костей и снизить его инвазивность. Сегодня этот метод в большинстве развитых стран считается стандартом лечения диафизарных переломов бедра и голени. Статистика показывает, что летальность до 6 месяцев после операции составляет порядка 5%, а после консервативного лечения — 32%. Данный метод обеспечивает малотравматичную фиксацию переломов и допускает более раннюю нагрузку конечности массой тела.
В настоящее время при переломах трубчатых костей у взрослых наиболее распространен интрамедуллярный остеосинтез с блокированием. Введение блокирующих винтов позволяет обеспечить достаточную стабильность системы «кость — имплантат» в отношении смещений по длине и ширине, а также ротационных смещений. Это дает возможность отказаться от дополнительной внешней иммобилизации. У детей возможно применение техники ESIN (elasticstable intramedullary nailing) с интрамедуллярным введением нескольких тонких стержней.
Существует большое количество систем для интрамедуллярного блокируемого остеосинтеза, в зависимости от производителя и зоны применения имплантата (плечо, большеберцовая кость, проксимальный/дистальный отделы бедренной кости и др.). Каждая система имеет отличительные конструктивные особенности, определяющие спектр показаний к применению и детали хирургической техники.
В работе была рассмотрена современная система Gammaгвоздь, предназначенная для лечения переломов проксимального отдела бедра. Отметим тот факт, что эти травмы составляют от 9 до 45% в структуре всех переломов скелета у больных старших возрастных групп. Он состоит из блокированного интрамедуллярного гвоздя и шеечного винта и вводится с помощью специального направляющего устройства (рис. 1). Выпускается также удлиненный вариант гвоздя для остеосинтеза сегментарных переломов бедра (на уровне диафиза и подвертельной области) — LGN (long gamma nail).
Рис. 1. Принципы внутренней фиксации Gamma-гвоздя
Трехмерное проектирование имплантата в CADсистеме PowerSHAPE
Для создания параметрической трехмерной модели имплантата использовались макросы, которые были записаны в CADсистеме PowerSHAPE и отредактированы в текстовом редакторе.
В работе было подробно рассмотрено создание макросов для всех элементов системы Gammaгвоздя. При выполнении макроса сначала создаются основные сечения вертельного стержня, а затем — поверхности, которые образуют сам вертельный стержень, и внутренние поверхности для установки других элементов системы. В итоге получается 3Dмодель вертельного стержня.
Макросы были разработаны для создания всех элементов системы Gammaгвоздя, в том числе: блокирующего винта М5, фиксационного канюлированного винта Ø11, слепого винта М8 и слепого винта М12, фиксационного канюлированного винта Ø6,5 (антиротационного винта), компрессионного винта.
Также рассмотрены и разработаны макросы для выбора типа фиксации вертельного стержня в кости: компрессионного и антиротационного. Их различие заключается в том, что в первом случае фиксация достигается путем давления компрессионного винта на большой фиксационный канюлированный винт, а во втором — путем введения в тазобедренный сустав дополнительного антиротационного винта.
После построения все детали имплантата помещаются в параметрическую сборку системы Gammaгвоздя (рис. 2).
Рис. 2. Gamma-гвоздь в собранном виде
Создание трехмерной модели бедренной кости
Для создания модели бедренной кости конкретного пациента использовалась специальная программа для работы со снимками магнитнорезонансной и компьютерной томографии MIMICS 8.1 (рис. 3).
Система MIMICS позволяет экспортировать трехмерную модель в виде облака точек. Затем текстовый файл, содержащий координаты точек, можно импортировать в CADсистему PowerShape (рис. 4).
По полученному облаку точек в PowerShape генерируется относительно грубая триангулированная поверхность кости с малым количеством треугольников (рис. 5). При необходимости исходное облако точек можно скрыть или удалить. Сгенерированную поверхность можно сгладить, чтобы придать ей более натуральную форму (рис. 6).
Рис. 3. Трехмерная модель бедренной кости
Рис. 4. Облако точек в PowerShape
Рис. 5. Полученная сетка
Рис. 6. Сглаженная сетка
Имитация установки имплантанта в бедренную кость пациента
Данный этап работы предусмотрен для визуализации предстоящей установки имплантата в бедренную кость конкретного пациента и имитации результата предстоящей операции.
Для сопоставления 3Dмоделей Gammaгвоздя и бедренной кости они были помещены в одну сборку, после чего вручную было выполнено их взаимное позиционирование. Вертельный стержень был размещен так, чтобы его основание лежало в центральной части кости, а отверстия под фиксационные винты были направлены в центр чашечки сустава. После того как вертельный стержень принял необходимую позицию, были позиционированы блокирующий и фиксационные винты. Блокирующий винт перемещается внутрь кости, пока его головка не окажется на одном уровне с поверхностью костной ткани, в которую он входит.
Фиксационный канюлированный и антиротационный винты также позиционируются вручную. Они перемещаются в костную ткань тазобедренного сустава, пока не погрузятся в нее полностью. Так как тазобедренный сустав имеет сложную форму, важно следить, чтоб эти винты не подходили к внешней поверхности кости слишком близко. В противном случае необходимо корректировать положение модели вертельного стержня либо перестраивать модель Gammaгвоздя с другими параметрами наклона винтов и их длины.
Для просмотра положения деталей имплантата в головке тазобедренного сустава можно использовать операцию динамического сечения (рис. 7).
После позиционирования Gammaгвоздя в бедренной кости моделирование операции по протезированию бедренной кости можно считать завершенным (рис. 8).
Рис. 7. Сечение чашечки тазобедренного сустава
Рис. 8. Трехмерный вид бедренной кости
с имплантированным Gamma-гвоздем
Установка имплантата пациенту
Смоделировав установку имплантата системы Gammaгвоздя на компьютере, ортопедытравматологи Ортопедотравматологического отделения Одесской областной клинической больницы провели операцию по имплантации выбранного Gammaгвоздя пациенту. Результат установки Gammaгвоздя виден на рентгеновском снимке тазобедренного сустава (рис. 9).
Рис. 9. Рентгеновский снимок после имплантации Gamma-гвоздя
Выводы и перспективы развития
В работе были успешно выполнены задачи по проектированию 3Dмодели имплантата на основе данных 3Dтомографии, написанию макросов для создания параметрической модели Gammaгвоздя, а также разработаны процедуры создания имитационной модели бедренной кости для моделирования хода предстоящей операции. Для создания параметрических моделей были использованы стандартизованные параметры имплантата Gammaгвоздя. Созданные макросы позволили автоматизировать построение имплантатов.
Авторы статьи выражают особую благодарность заведующему Ортопедотравматологического отделения Одесской областной клинической больницы доктору медицинских наук
Поливоде Александру Николаевичу. Материалы данной работы предоставлены в отделение больницы для их дальнейшего практического использования.
