Сравнение и оценка анатомических особенностей строения головки лучевой кости человека при компьютерной томографии и компьютерном моделировании

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ

Переломы головки лучевой кости (ГЛК) составляют от 30 до 50% всех повреждений локтевого сустава у взрослых и часто сопровождаются разрывом связок и вальгусной нестабильностью в локтевом суставе [1, 2, 3]. Проведение тотального эндопротезирования локтевого сустава с использованием металлических и пироуглеродных имплантатов ГЛК стало обычным хирургическим вмешательством в современной ортопедической практике [4, 5, 6]. Целью эндопротезирования локтевого сустава является уменьшение болевого синдрома и восстановление движений в суставе [7, 8]. По данным литературы, данный метод показывает удовлетворительные клинические результаты и является приоритетным выбором в лечении многооскольчатых переломов [9, 10, 11]. Чтобы избежать послеоперационных осложнений, таких как дегенеративные изменения кости и потеря движения в локтевом суставе, размер имплантата должен имитировать естественную анатомию ГЛК [10, 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 имплантатов показывает, что все протезы ГЛК обладают ограниченной линейкой 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, в настоящее время приоритетной задачей является проектирование и производство именно отечественных протезов ГЛК.

Цель исследования — сравнить морфометрические показатели проксимального отдела лучевой кости человека, полученные при помощи компьютерной томографии и компьютерного моделирования.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ

Дизайн исследования

Тип исследования — ретроспективное когортное.

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

В исследование вошли пациенты в возрасте от 40 до 70 лет без признаков патологии опорно-двигательного аппарата.

Компьютерные томограммы анализировали с помощью программы RadiAnt DICOM Viewer, так как это универсальная и наиболее часто используемая программа, находящаяся в общем доступе. При загрузке КТ в программу и переходе в режим Multiplanar Recontructions программа визуализирует исследование в трех плоскостях, после этого измеряется каждый параметр вручную по одному.

При компьютерном моделировании первым этапом выполняется выделение фрагментов (фрагментация) кости на КТ-снимке и преобразование его в более удобный трехмерный формат. Для этого использовали открытое программное обеспечение ITK-SNAP (GNU General Public License version 3.0 — GPLv3). После открытия файла программа показывает изображение в трех плоскостях. Процесс фрагментации состоит из следующих этапов:

1) выделение области фрагментации — на этом этапе необходимо выбрать область снимка, в которой будет происходить сегментация;

2) настройка параметров фрагментации — на этом этапе наиболее важным является выделение силуэтов костей путем изменения параметров цветового фильтра, которое необходимо для точной фрагментации кости;

3) установка “bubbles” («пузырьков») — на этом этапе необходимо отметить начальные точки фрагментации, которые затем будут распространяться на весь объем кости (чем больше «пузырьков», тем точнее будет разметка);

4) запуск алгоритма сегментации — на этом этапе программа начинает автоматическую сегментацию, результат которой можно наблюдать в реальном времени. Результат сегментации — готовая модель. Далее готовую модель нужно экспортировать в формат 3D-моделирования и графики vtk (Visualization Toolkit) (рис. 1).

 

Рис. 1. Экспорт готовой модели головки лучевой кости в формат vtk

Figure 1. Export of radial head 3D model into vtk format

 

Дальнейшая обработка компьютерной модели лучевой кости происходила при помощи разработанного нами программного метода с условным названием «Автоматизированное определение морфометрических параметров кости».

После запуска программы открывается окно с изображением модели кости (рис. 2). Модель кости можно вращать, перемещая мышку с зажатой левой кнопкой, с зажатой клавишей shift можно перемещать модель параллельно экрану, колесико используется для масштабирования.

 

Рис. 2. Внешний вид окна программы «Автоматизированное определение морфометрических параметров кости»

Figure 2. The appearance of the program window “Automated determination of bone morphometric parameters”

 

На компьютерной модели автоматически появляются реперные точки, которые при необходимости могут быть скорректированы вручную. После выбора всех необходимых точек морфометрические параметры будут выведены в консоль, а пользователю будет дана возможность сохранить параметры в файл.

Статистический анализ

Статистическая обработка результатов исследования проводилась при помощи пакета прикладных программ Microsoft Excel и Statistica 13 for Windows. Для проверки на нормальность распределения использовался критерий Лиллиефорса. Учитывали среднее арифметическое и стандартное отклонение (M±ó), а также минимум и максимум во всех группах. О достоверности различий судили по t-критерию для независимых переменных. Различия считались статистически значимыми при p<0,05. Для оценки статистически значимого отличия между средними значениями между группами мужчин и женщин использовали доверительный интервал (ДИ) разницы средних значений.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Для получения значений диаметров ГЛК 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 26,81±1,58 мм во фронтальной плоскости, 26,4±1,30 мм в сагиттальной плоскости. Использование разработанной программы компьютерного моделирования показало идентичность изучаемых показателей модели головки лучевой кости, которые составили 26,78±1,61 и 26,44±1,3 мм соответственно. У женщин средние показатели диаметра ГЛК во фронтальной плоскости, измеренные на томограммах, равнялись 21,62±1,46 мм, а при компьютерном моделировании — 21,68±1,43 мм. Соответствующий показатель в сагиттальной плоскости составлял 21,92±1,38 и 21,96±1,4 мм соответственно.

Высоту ГЛК 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 свидетельствует о том, что ГЛК не является идеальным цилиндром, а имеет форму усеченного конуса с достаточно вариабельными и зачастую эллипсовидными основаниями. Это предопределяет необходимость учета данных параметров при моделировании. Результаты, полученные при помощи компьютерной томографии, также практически совпадают с результатами, полученными при компьютерном моделировании.

Изученные морфометрические параметры и их значения представлены в таблицах 1–3.

 

Таблица 1. Морфометрические параметры лучевой кости у мужчин, мм

Параметр		Компьютерная томография			Компьютерное моделирование			p
		M±ó	max	min	M±ó	max	min
Диаметр головки лучевой кости во фронтальной плоскости		26,81±1,58	30,00	22,80	26,78±1,61	30,00	22,80	0,94
Диаметр головки лучевой кости в сагиттальной плоскости		26,4±1,30	28,60	24,10	26,44±1,30	28,70	24,20	0,90
Высота головки лучевой кости во фронтальной плоскости	Ф1	11,75±2,04	16,20	6,71	11,79±2,05	16,50	6,71	0,94
	Ф2	10,04±1,88	15,30	7,77	10,05±1,87	15,10	7,77	0,98
Высота головки лучевой кости в сагиттальной плоскости	С1	9,56±1,33	12,00	7,17	9,58±1,36	12,00	7,27	0,96
	С2	10,23±1,58	14,10	7,78	10,30±1,61	14,30	7,78	0,86
Глубина суставной ямки		3,52±0,82	5,63	2,21	3,54±0,80	5,63	2,31	0,93
Длина бугристости лучевой кости		25,16±2,49	30,80	21,20	25,16±2,49	30,90	21,30	1,00
Ширина бугристости лучевой кости		14,47±2,91	21,20	9,40	14,45±2,92	21,10	9,30	0,98

Значения p указывают на отсутствие статистически значимых отличий между группами «компьютерная томография» и «компьютерное моделирование» (p>0,05).

 

Таблица 2. Морфометрические параметры лучевой кости у женщин, мм

Параметр		Компьютерная томография			Компьютерное моделирование			p
		M±ó	max	min	M±ó	max	min
Диаметр головки лучевой кости во фронтальной плоскости		21,62±1,46	25,10	18,40	21,68±1,43	25,2	18,30	0,99
Диаметр головки лучевой кости в сагиттальной плоскости		21,92±1,38	25,10	18,60	21,96±1,40	25,2	18,40	0,95
Высота головки лучевой кости во фронтальной плоскости	Ф1	9,46±1,71	15,00	6,37	9,59±1,63	15,00	6,38	0,99
	Ф2	8,04±1,16	9,65	5,71	8,05±1,11	9,75	5,81	0,99
Высота головки лучевой кости в сагиттальной плоскости	С1	7,85±1,06	11,00	5,93	8,03±1,18	11,00	5,95	0,87
	С2	8,41±1,23	11,00	5,77	8,26±1,27	11,00	5,67	0,82
Глубина суставной ямки		2,84±0,45	4,06	2,03	2,90±0,45	4,06	2,13	0,89
Длина бугристости лучевой кости		23,26±3,86	31,30	15,4	23,03±3,72	31,20	15,30	0,99
Ширина бугристости лучевой кости		11,97±1,93	15,70	8,3	12,13±1,89	15,80	8,20	0,64

Значения p указывают на отсутствие статистически значимых отличий между группами «компьютерная томография» и «компьютерное моделирование» (p>0,05).

 

Таблица 3. Доверительный интервал разницы средних значений между мужчинами и женщинами

Параметр		Доверительный интервал разницы средних значений
		Компьютерная томография	Компьютерное моделирование
Диаметр головки лучевой кости во фронтальной плоскости		[4, 41; 5, 87]	[0, 57; 3, 69]
Диаметр головки лучевой кости в сагиттальной плоскости		[3, 77; 5, 11]	[1, 16; 3, 48]
Высота головки лучевой кости во фронтальной плоскости	Ф1 Ф2	[1, 33; 3, 13] [1, 32; 2, 78]	[3, 81; 5, 15] [4, 35; 5, 85]
Высота головки лучевой кости в сагиттальной плоскости	С1 С2	[0, 95; 2, 19] [1, 26; 2, 68]	[1, 29; 3, 11] [1, 27; 2, 73]
Глубина суставной ямки		[0, 36; 0, 98]	[0, 92; 2, 18]
Длина бугристости лучевой кости		[0, 56; 3, 68]	[1, 42; 2, 68]
Ширина бугристости лучевой кости		[1, 70; 3, 02]	[0, 01; 1, 27]

 

С вероятностью 95% истинная разница средних по всем параметрам между группами мужчин и женщин находится в интервале, не содержащим 0, что говорит о статистически значимом отличии между средними значениями.

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

ОБСУЖДЕНИЕ

B. Pasli с соавторами изучили размеры головки, шейки и бугристости 80 лучевых костей. Были проанализированы параметры, важные для конструкции протеза, и изучены их взаимозависимости. Авторы обнаружили, что форма головки лучевой кости в 36% случаев овальная и в 64% — круглая. Средняя высота головки лучевой кости, по данным авторов, с передней, задней, медиальной и латеральной сторон составила 8,52±1,32; 9,02±1,23; 9,20±1,59 и 8,05±1,13 мм соответственно. Средняя глубина суставной ямки составила 1,85 ± 0,37 мм [16]. Эти данные отличаются от полученных нами результатов. В нашем исследовании данные параметры составили у мужчин 11,75±2,04; 10,04±1,88; 9,56±1,33; 10,23±1,58 мм, а у женщин — 9,46±1,71; 8,04±1,16; 7,85±1,06; 8,41±1,23 мм соответственно. Вероятно, разница в результатах связана с тем, что исследование проводилось без учета гендерных отличий. Авторы не выявили высокой степени корреляции между изученными параметрами, влияющими на конструкцию протеза. По их мнению, частота осложнений после протезирования ГЛК зависит от развивающегося с возрастом остеопороза, причиной которого зачастую является несоответствие размеров протеза и истинной ГЛК [16].

Е.A. Lalone с соавторами изучили компьютерные томограммы 50 верхних конечностей трупов 34 мужчин и 16 женщин и сравнили их морфометрические параметры с доступными протезами ГЛК. Общая конструкция трех различных типов протезов была количественно сопоставлена с ГЛК. Авторы отметили, что есть несоответствие между показателями ГЛК на КТ-изображении и параметрами существующих коммерчески доступных имплантатов — в среднем на (0,4±0,2)–(0,5±0,1) мм. Был сделан вывод, что несоответствие поверхностей ГЛК и имплантата может быть уменьшено с помощью методов обратного проектирования для определения требуемых параметров для индивидуального протезирования [17]. В нашем исследовании мы сравнивали показатели, полученные при морфометрии КТ с числовыми значениями ГЛК, смоделированной при помощи разработанного программного метода. Статистический анализ результатов подтвердил совпадение сравниваемых показателей.

У метода компьютерного моделирования есть несколько недостатков. Во-первых, процесс создания и экспорта модели лучевой кости должен контролировать врач, чтобы при фрагментации и сегментации была выделена только кость без окружающих тканей. Во-вторых, необходимо время на формирование и коррекцию модели (приблизительно около 1 ч.). В-третьих, данный метод требует определенных навыков использования оборудования и программного обеспечения.

Преимущество данного метода заключается в том, что, помимо списка остеометрических параметров и их результатов, итогом исследования является создание компьютерной модели лучевой кости, что невозможно при использовании стандартного программного обеспечения компьютерного томографа.

В перспективе разработанный метод может обеспечить подбор протеза из существующих готовых имплантатов для пациентов с патологией локтевого сустава на основе компьютерной морфометрии и моделирования контралатеральной лучевой кости. Компьютерная модель проксимального отдела лучевой кости также может стать основой для персонализированного изготовления протеза головки лучевой кости.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Сравнение морфометрических показателей головки лучевой кости, полученных при помощи разработанной программы компьютерного моделирования, и параметров морфометрии стандартной компьютерной томограммы показало их тождественность, что подтвердилось при статистической обработке сравниваемых показателей. Преимущество метода компьютерного моделирования заключается в создании 3D-модели кости за короткое время с минимальными погрешностями. Кроме того, разработка данного компьютерного метода в дальнейшем может позволить моделировать протез головки лучевой кости по показателям компьютерной томографии с учетом индивидуальных особенностей строения лучевой кости конкретного пациента.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Заявленный вклад авторов

Самохина А.О. — концепция и дизайн исследования, сбор и статистический анализ данных, анализ литературы, написание текста рукописи.

Шемяков С.Е. — сбор данных, редактирование текста рукописи.

Ратьев А.П. — концепция и дизайн исследования, редактирование текста рукописи.

Егиазарян К.А. — научное руководство, редактирование текста рукописи.

Все авторы прочли и одобрили финальную версию рукописи статьи. Все авторы согласны нести ответственность за все аспекты работы, чтобы обеспечить надлежащее рассмотрение и решение всех возможных вопросов, связанных с корректностью и надежностью любой части работы.

Источник финансирования. Авторы заявляют об отсутствии внешнего финансирования при проведении исследования.

Возможный конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Этическая экспертиза. Не применима.

Информированное согласие на публикацию. Авторы получили письменное согласие пациентов на участие в исследовании и публикацию результатов.

DISCLAIMERS

Author contribution

Samokhina A.O. — study concept and design, data acquisition, statistical data processing, literature search and review, drafting the manuscript.

Shemyakov S.E. — data acquisition, editing the manuscript.

Ratiev A.P. — study concept and design, editing the manuscript.

Egiazaryan K.A. — scientific guidance, editing the manuscript.

All authors have read and approved the final version of the manuscript of the article. All authors agree to bear responsibility for all aspects of the study to ensure proper consideration and resolution of all possible issues related to the correctness and reliability of any part of the work.

Funding source. This study was not supported by any external sources of funding.

Disclosure competing interests. The authors declare that they have no competing interests.

Ethics approval. Not applicable.

Consent for publication. The authors obtained written consent from patients to participate in the study and publish the results.

Об авторах

Анна Олеговна Самохина

ФГАОУ ВО «Российский национальный исследовательский медицинский университет им. Н.И. Пирогова» Минздрава России

Автор, ответственный за переписку.
Email: kafedra.anatomii@bk.ru
ORCID iD: 0000-0002-2000-7360
Россия, Москва

Сергей Евгеньевич Шемяков

ФГАОУ ВО «Российский национальный исследовательский медицинский университет им. Н.И. Пирогова» Минздрава России

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

д-р мед. наук, профессор

Россия, Москва

Андрей Петрович Ратьев

ФГАОУ ВО «Российский национальный исследовательский медицинский университет им. Н.И. Пирогова» Минздрава России

Email: ap@ratiev.ru
ORCID iD: 0000-0002-6559-4263

д-р мед. наук

Россия, Москва

Карен Альбертович Егиазарян

ФГАОУ ВО «Российский национальный исследовательский медицинский университет им. Н.И. Пирогова» Минздрава России

Email: egkar@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-6680-9334

д-р мед. наук, профессор

Россия, Москва

Список литературы

Дополнительные файлы