Computed Tomography vs Computer Modeling for Comparison and Evaluation of Anatomical Features of the Radial Head



Cite item

Full Text

Abstract

Background. The generally accepted method of treating comminuted fractures of the radial head is endoprosthetics. At the present stage, various designs of prostheses are used, in the production of which statistically averaged morphometric parameters are used, without taking into account the constitutional anthropometric features of patients.

Aim of the study - to compare the morphometric parameters of the human radius obtained using computed tomography and computer modeling.

Methods. The study material was a database of DICOM-format computer tomograms of the right and left elbow joints of 137 people (66 male, 71 female), whose age ranged from 40 to 70 years, without signs of musculoskeletal pathology. Computer tomograms were analyzed using the RadiAnt DICOM Viewer program. Computer modeling was carried out using the ITK-SNAP program (GNU General Public License version 3.0 (GPLv3)) (open-source software), with further processing of the computer model using the developed software method.

Results. When comparing the numerical values ​​obtained from patients' CT scans with similar indicators from a computer model created using the new software product, the parameters turned out to be virtually identical.

Conclusion. The presented software product for the “automated determination of morphometric parameters of bone” will in the future allow modeling of a radial head prosthesis based on computer tomogram data, taking into account the individual structural features of the patient’s radial bone.

Full Text

Сравнительная анатомия лучевой кости человека по результатам компьютерной томографии и компьютерного моделирования.

Введение.

Головка лучевой кости (ГЛК) играет важную роль в биомеханике локтевого сустава, действуя как важный стабилизатор, противодействующий вальгусной нагрузке [1]. Переломы ГЛК у взрослых составляют около 30% всех травм в области локтевого сустава [2]. Общепринятым методом лечения многооскольчатых переломов ГЛК, особенно с сопутствующими разрывами связочного аппарата или повреждениями других костей, образующих локтевой сустав, а также осложнений после остеосинтеза, является ее эндопротезирование [3-8]. По данным литературы данный метод показывает удовлетворительные клинические результаты и является приоритетным выбором в лечении многооскольчатых переломов [9, 10]. Чтобы избежать послеоперационных осложнений, таких как, дегенеративные изменения кости и потеря движения в локтевом суставе, размер импланта должен имитировать естественную анатомию ГЛК [11, 12]. Для этого, в практике травматологов-ортопедов используются различные конструкции протезов, различающихся по диаметру и высоте ГЛК [13, 14]. При их производстве используются статистически усредненные морфометрические параметры, полученные путем метасопоставления и суммирования результатов исследований без учета конституциональных антропометрических особенностей пациентов. Анализ существующих на сегодняшний день имплантов показывает, что все протезы ГЛК обладают ограниченным набором размеров, что, в свою очередь, исключает возможность их персонализированного подбора [15].

Исходя из этого, в настоящее время вопрос моделирования и изготовления индивидуальных протезов ГЛК с учетом антропометрических показателей конкретного пациента является весьма актуальным и своевременным. Кроме того, практически все известные протезы изготавливаются зарубежными производителями, что делает задачу проектирования и производства их российских аналогов еще более актуальной.

Цель исследования – сравнить морфометрические параметры лучевой кости человека, полученные при помощи компьютерной томограммы и компьютерного моделирования.

Материалы и методы. Дизайн исследования.

Материалом исследования послужила база компьютерных томограмм формата DICOM правых и левых локтевых суставов 137 человек (66 мужских, 71 женских).

Критерии включения в исследование: возраст пациентов — от 40 до 70 лет.

Критерии невключения: компьютерные томограммы с признаками патологии опорно-двигательного аппарата.

Тип исследования — ретроспективное когортное исследование.

Компьютерные томограммы анализировались с помощью программы RadiAnt DICOM Viewer. Компьютерное моделирование проводилось с помощью программы ITK-SNAP (GNU General Public License version 3.0 (GPLv3)) (open-source-открытое программное обеспечение), с дальнейшей обработкой компьютерной модели при помощи разработанного программного метода с условным названием «автоматизированное определение морфометрических параметров кости» [16].

Статистический анализ. Статистическая обработка результатов исследования проводилась при помощи пакета прикладных программ «Statistica 13 for Windows». Для статистической характеристики параметров использовали значение среднего и его стандартного отклонения (M±σ).

Результаты.

Для получения значений диаметров головки лучевой кости использовалось расстояние между наиболее удаленными точками головки во фронтальной и сагиттальной плоскостях, ориентированных относительно бугристости лучевой кости. При антропометрии с использованием классической компьютерной томографии у мужчин выбранные параметры составили 26,52±0,41мм во фронтальной плоскости, 26,15±0,34мм в сагиттальной плоскости, соответственно. Использование разработанной программы компьютерного моделирования показало идентичность изучаемых показателей модели головки лучевой кости, которые составили - 25,49±0,63мм и 26,68±0,64мм, соответственно. У женщин средние показатели диаметра ГЛК во фронтальной плоскости, измеренные на томограммах, равнялись 21,67±0,23мм, а при компьютерном моделировании - 21,96±0,54мм. Соответствующий показатель в сагиттальной плоскости составлял 21,96±0,23мм и 22,56±0,3мм, соответственно.

Высоту головки лучевой кости определяли как расстояние между наименьшим и наибольшим основанием ГЛК в четырех взаимно перпендикулярных точках во фронтальной (Ф1; Ф2) и сагиттальной (С1; С2) плоскостях, ориентированных относительно бугристости лучевой кости. Обращают на себя внимание различия высоты головки в изученных плоскостях, что подтверждает данные о том, что головка не является идеальным цилиндром, а имеет форму усеченного конуса с достаточно вариабельными и зачастую элипсовидными основаниями, что предопределяет необходимость учета данных параметров при моделировании. Результаты, полученные при помощи компьютерной томографии, так же практически совпадают с результатами, полученными при компьютерном моделировании.

Изученные морфометрические параметры и их значения представлены в таблице №1

Таблица №1

Морфометрические параметры лучевой кости человека

Морфометрический параметр

Компьютерная томография (мм)

Компьютерное моделирование (мм)

Мужчины

Женщины

Мужчины

Женщины

Диаметр головки лучевой кости в фронтальной плоскости

26,52±0,41

21,67±0,23

25,49±0,63

21,96±0,54

Диаметр головки лучевой кости в сагиттальной плоскости

26,15±0,34

21,96±0,23

26,68±0,64

22,56±0,3

Высота головки лучевой кости в фронтальной плоскости

Ф1

11,57±0,40

9,52±0,28*

11,99±0,54

10,21±0,25

Ф2

9,99±0,34

7,99±0,19

10,32±0,14

7,32±0,89

Высота головки лучевой кости в сагиттальной плоскости

С1

9,52±0,24

7,99±0,2

9,98±0,14

7,56±0,6

С2

10,19±0,29

8,26±0,22

10,56±0,89

8,16±0,12

Глубина суставной ямки

3,47±0,15

2,85±0,08*

3,21±0,23

2,95±0,23

Длина бугристости лучевой кости

25,15±0,45

23,13±0,63

25,46±0,69

23,23±0,93

Ширина бугристости лучевой кости

14,43±0,52

12,11±0,31

14,63±0,78

12,05±0,56

Примечание: * - достоверные отличия между группами «мужчины» и «женщины» (p<0,05).

Таким образом, морфометрия ГЛК на компьютерных томограммах продемонстрировала достоверные гендерные отличия изученных показателей. Морфометрические параметры у мужчин оказались больше в 1,1-1,3 раза, чем у женщин. Числовые значения, измеренные на компьютерных томограммах пациентов при помощи программы RadiAnt DICOM Viewer, с аналогичными показателями компьютерной модели, созданной при помощи нового программного продукта, оказались практически идентичными.

Обсуждение.

Проксимальный отдел лучевой кости имеет сложную форму и размеры, которые невозможно точно определить с помощью стандартной рентгенограммы.  Swiezszkowskia W. et al. [17] изучили 17 правых и левых локтевых суставах, полученных при аутопсии трупов людей. Авторы провели морфологическое исследование головки лучевой кости с использованием координатно-измерительной машины, интегрированной с системой автоматизированного проектирования. Однако, предложенная методика моделирования подразумевает использование изолированной кости и не может быть применена in vivo. Позднее Mahaisavariya B. et al. [18] представили метод, с помощью которого изображения компьютерной томографии объединяются с технологией обратного инжиниринга для получения и анализа трехмерной внутренней и внешней геометрии проксимального отдела лучевой кости. Трехмерные модели были спроектированы по компьютерным изображениям контрлатеральных конечностей 20 трупов и аппроксимированы двух- и трехмерными алгоритмами подгонки. Авторы сравнили морфометрические параметры 40 правых и левых лучевых костей и не выявили достоверных различий ни по одному из изученных показателей. По их мнению, преимуществом метода обратного проектирования: является возможность оценить параметры лучевой кости и костномозгового канала без оперативного вмешательства и допускает использование контрлатеральной здоровой стороны для моделирования протеза при сложных переломах [18]. Однако, данное исследование проводилось на трупном материале и требует дальнейшего изучения. В нашем исследовании в качестве начального источника строения кости было выбрано компьютерно-томографическое исследование пациентов, как достаточно распространенный и точный способ получения данных о строении кости. Результатом обработки данных компьютерной программы является список значимых для проектирования параметров. Для достижения максимальной эффективности и точности весь процесс моделирования практически автоматизирован.

С помощью компьютерно-томографического сканера были изучены изображения компьютерных томограмм 50 верхних конечностей трупов людей (34 мужчины, 16 женщин). Авторы сравнили полученную модель головки лучевой кости с имеющимися имплантами и вычислили общее несоответствие поверхностей [19]. Был сделан вывод, что несоответствие размеров кости и используемых протезов может быть уменьшено с помощью методов обратного инжиниринга. 

Заключение.

Был спроектирован новый программный продукт автоматизированного измерения морфометрических параметров лучевой кости человека по ее компьютерно-томографическому изображению. При сравнении показателей, полученных при морфометрии компьютерных томограмм с использованием стандартной программы RadiAnt DICOM Viewer, с результатами разработанного программного метода, результаты практически совпадают. Представленный программный продукт «автоматизированного определения морфометрических параметров кости» в дальнейшем позволит моделировать протез головки лучевой кости, опираясь на показатели компьютерных томограмм с учетом индивидуальных особенностей строения лучевой кости пациента.

×

About the authors

Anna Samokhina

ФГАОУ ВО Российский национальный исследовательский медицинский университет имени Н.И. Пирогова Минздрава России

Author for correspondence.
Email: kafedra.anatomii@bk.ru
ORCID iD: 0000-0002-2000-7360

Cтарший преподаватель кафедры анатомии человека 

Россия

Sergey Evgen'evich Shemyakov

Pirogov Russian National Research Medical University, Moscow, Russia

Email: shemy-akov@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-6272-3026
SPIN-code: 1612-5929

Doctor of Medical Sciences, Professor, Head of the Department of Human Anatomy

Россия, 1, Ostrovityanova st., Moscow, 117997, Russia

Andrey P. Ratiev

Pirogov Russian National Research Medical University

Email: ap@ratiev.ru
ORCID iD: 0000-0002-6559-4263
SPIN-code: 7524-7078

Dr. Sci. (Med.)

Россия, Moscow

Karen A. Egiazaryan

Pirogov Russian National Research Medical University

Email: egkar@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-6680-9334
SPIN-code: 5488-5307

Dr. Sci. (Med.), Professor

Россия, Moscow

References

  1. Bryce C.D., Armstrong A.D. Anatomy and biomechanics of the elbow. Orthop Clin North Am. 2008; 39(2):141-154.
  2. Itamura J., Roidis N., Mirzayan R., Vaishnav S., Learch T., Shean C. Radial head fractures: MRI evaluation of associated injuries. J Shoulder Elbow Surg 2005;14:421-4.
  3. Ashwood N., Bain G.I., Unni R. Management of Mason type-III radial head fractures with a titanium prosthesis, ligament repair, and early mobilization. J Bone Joint Surg Am. 2004; 86(2):274-280.
  4. Brinkman J.M., Rahusen F.T., de Vos M.J., Eygendaal D. Treatment of sequelae of radial head fractures with a bipolar radial head prosthesis: good outcome after 1-4 years follow-up in 11 patients. Acta Orthop. 2005; 76(6):867-872.
  5. Bryce C.D., Armstrong A.D. Anatomy and biomechanics of the elbow. Orthop Clin North Am. 2008; 39(2):141-154.
  6. Chapman C.B., Su B.W., Sinicropi S.M., Bruno R., Strauch R.J., Rosenwasser M.P. Vitallium radial head prosthesis for acute and chronic elbow fractures and fracture-dislocations involving the radial head. J Shoulder Elbow Surg. 2006; 15(4):463-473.
  7. Chien H.Y., Chen A.C., Huang J.W., Cheng C.Y., Hsu K.Y. Short- to medium-term outcomes of radial head replacement arthroplasty in posttraumatic unstable elbows: 20 to 70 months follow-up. Chang Gung Med J. 2010; 33(6):668-678.
  8. Doornberg J.N., Parisien R., van Duijn P.J., Ring D. Radial head arthroplasty with a modular metal spacer to treat acute traumatic elbow instability. J Bone Joint Surg Am. 2007; 89(5):1075-1080.
  9. Ring D. Open reduction and internal fixation of fractures of the radial head. Hand Clin. 2004;20:415-27.
  10. Roidis N., Stevanovic M., Martirosian A., Abbott D.D., McPherson E.J., Itamura J.M. A radiographic study of proximal radius anatomy with implications in radial head replacement. J Shoulder Elbow Surg. 2003;12:380-4.
  11. Athwal G.S., Frank S.G., Grewal R et al. Determination of correct implant size in radial head arthroplasty to avoid overlengthening: surgical technique. J Bone Jt Surg Ser A. 2010; 92:250–257. https://doi.org/10.2106/JBJS.J.00356
  12. Van Riet R.P., Sanchez-Sotelo J., Morrey B.F. Failure of metal radial head replacement. J Bone Jt Surg Br. 2010;92:661–667. https:// doi.org/10.1302/0301-620X.92B5.23067
  13. Mahaisavariya B., Saekee B., Sitthiseripratip K., Oris P., Tongdee T., Bohez E.L.J., Sloten V. Morphology of the radial head: a reverse engineering based evaluation using three-dimensional anatomical data of radial bone. Proc Inst Mech Eng H. 2004;218(1):79-84. https://doi.org/10.1243/095441104322807785
  14. Popovic N., Djekic J., Lemaire R., Gillet P. A comparative study between proximal radial morphology and the floating radial head prosthesis. J Shoulder Elbow Surg 2005;14:433-40.
  15. Acevedo D.C., Paxton E.S., Kukelyansky I., Abboud J., Ramsey M. Radial head arthroplasty: state of the art. J Am Acad Orthop Surg. 2014;22(10):633-42. doi: 10.5435/JAAOS-22-10-633.
  16. Samokhina A.O., Shemyakov S.E., Semchuk I.P., Samorodov A.V., Chevzhik Yu.V. Avtomatizirovannoe opredelenie morfometricheskih parametrov luchevoj kosti cheloveka po rezul'tatam ejo komp'juternoj tomografii. Bjulleten' jeksperimental'noj biologii i mediciny. 2023;176(12):801-804 (in Russian) doi: 10.47056/0365-9615-2023-176-12-801-804
  17. Swiezszkowskia W., Skalskia K., Pomianowskib S., Kezdzior K. The anatomic features of the radial head and their implicationfor prosthesis design. Clin Biomech (Bristol, Avon).2001;16(10):880-7. doi: 10.1016/s0268-0033(01)00075-4.
  18. Mahaisavariya B., Saekee B., Sitthiseripratip K., Oris P., Tongdee T., Bohez E., Vander S.J. Morphology of the radial head: a reverse engineering based evaluation using three-dimensional anatomical data of radial bone. Proc Inst Mech Eng H. 2004;218(1):79-84. doi: 10.1243/095441104322807785.
  19. Lalone E., Deluce S., Shannon H., King G., Johnson J. Design of Anatomical Population-Based and Patient-Specific Radial Head Implants. J Hand Surg Am. 2017;42(11):924. doi: 10.1016/j.jhsa.2017.05.028.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) Eco-Vector

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.
СМИ зарегистрировано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор).
Регистрационный номер и дата принятия решения о регистрации СМИ: серия ПИ № ФС 77 - 82474 от 10.12.2021.


This website uses cookies

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

About Cookies