ВИКОРИСТАННЯ АДИТИВНИХ ТЕХНОЛОГІЙ ПРИ ЛІКУВАННІ ХВОРИХ ІЗ ДЕФЕКТАМИ КУЛЬШОВОЇ ЗАПАДИНИ

Тотальне ендопротезування слід вважати найбільш ефективним оперативним втручанням при тяжких ураженнях кульшового суглоба. Зменшення больового синдрому, відновлення об'єму рухів та функції нижньої кінцівки в цілому робить цю операцію лідером у сучасній хірургії. На сьогодні у світі виконується близько 1 млрд 500 млн ендопротезувань кульшового суглоба на рік. Збільшується кількість і складних методів ендопротезування: у 20-34% випадків артропластика виконується у хворих, які раніше були оперовані з приводу травм та захворювань даного суглоба. При ендопротезуванні в умовах наявного в анамнезі оперативного втручання в ділянці кульшового суглоба хірург стикається з наступними проблемами: складність хірургічного доступу через рубцевозмінені м'які тканини, наявність металофіксаторів, що були встановлені раніше, порушення анатомічних взаємовідносин та дефекти елементів кульшового суглоба. Лікування дефектів кісткової тканини в ділянці кульшової западини є найбільш складною проблемою у даної категорії хворих. До 34% ревізій виконуються з приводу невдалого встановлення ацетабулярного компонента при неадекватності кісткового ложа. Основні причини дефектів – травматичне пошкодження кульшової западини та остеоліз – втрата кісткової тканини на фоні інфекції або асептичного розхитування компонентів ендопротезів. Інколи ці причини комбінуються.
Техніка реконструкції кульшової западини полягає у створенні необхідного для імплантації кісткового ложа: заповнення дефектів у стінках западини, створення стінок при їх відсутності. Усе це необхідно для досягнення цілей оперативного втручання: відновити центр ротації, правильно орієнтувати ацетабулярний компонент, забезпечити надійну фіксацію. Тому успіх оперативного втручання залежить у першу чергу від ретельного передопераційного планування, для якого часто недостатньо стандартних рентгенограм кульшового суглоба чи виконання комп'ютерної томографії.

Оптимально оцінити об'єм кісткових дефектів, підібрати тип та розмір системи, що найкраще підходить
для імплантації, вибрати напрямок введення гвинтів стало можливим завдяки використанню у медицині адитивних технології: 3D-моделювання із подальшим виготовленням пластикового прототипу.

Мета роботи – покращити діагностику дефектів кульшової западини за допомогою 3D-моделювання з виготовленням ацетабулярного пластикового прототипу.

Матеріали і методи

Наведено результати ендопротезування 6 хворих із дефектами кульшової западини, яким було проведено оперативне втручання у клініці ортопедії та травматології дорослих ІТО НАМН України. У 4 хворих причиною дефектів була асептична нестабільність ацетабулярного компонента ендопротеза. Ще у 2 хворих причиною остеолізу була септична нестабільність компонентів ендопротеза, ці пацієнти були госпіталізовані на ревізійне ендопротезування після вилучення спейсера кульшового суглоба. Хворі обстежені клінічно за системою оцінки стану W.H. Harris, у всіх пацієнтів відмічали негативний результат цієї оцінки (діапазон 46-56 балів). Усім хворим у передопераційний період було виконано стандартні рентгенограми та комп'ютерну томографію кульшових суглобів із метою побудови тривимірної моделі та пластикового прототипу ураженої кульшової западини. На першому етапі побудови тривимірної моделі (далі 3D-модель) ми обробляли двовимірні зображення комп'ютерної томографії (КТ) із використанням програми MIMICS (Materialises Interactive Medical Image Control System) – інтерактивного програмного пакету для візуалізації і сегментації зображень.
Рис. 1. Вигляд зображення комп'ютерної
томографії правого кульшового суглоба після
обробки з використанням програми MIMICS
Найбільш поширеним форматом введення для MIMICS є DICOM, але також підтримуються інші
формати зображень, такі як: TIFF, JPEG, BMP і RAW. Інструментарій програми дозволяє обробляти данні КТ та МРТ пошарово та в різних площинах, що зумовлює додатковий аналіз кожного зрізу (спеціалістом ортопедом-травматологом) та високу точність побудови тривимірного зображення. Оброблене зображення зберігається в будь-якому з наступних форматів вихідних файлів залежно від
подальшого застосування: STL, VRML, PLY і DXF. Основний формат файлів для тривимірного друку
(3D-друк) – STL.
Рис. 2. Вигляд 3D-моделі правого кульшового суглоба в форматі STL
Другим етапом є експорт збереженого файлу в форматі STL у програму Autodesk NetFabb, в якій проводиться автоматичне і ручне виправлення та редагування 3D-моделі. Поверхня об'єктів у цьому форматі являє собою сукупність полігонів (Polygon mesh). Програма дає можливість спрогнозувати можливі спотворення, що виникають у виробі в ході 3D-друку безпосередньо до запуску у виробництво. На підставі цього інженер може скорегувати вихідний дизайн таким чином, щоб уникнути помилок під час 3D-друку.

Третім етапом є переведення готової 3D-моделі в програму "слайсер", яка безпосередньо підходить
до самого 3D-принтера, в нашому випадку Flash Pint. Flash Pint – це програма для перетворення тривимірної моделі в зрозумілий принтеру набір команд, званий g-code. На цьому етапі встановлюються кінцеві дані для 3D-друку, а саме: задають положення деталі під час друку, розраховується тип та кількість підтримок, обирають оптимальну швидкість та температуру для друку.
Друк прототипу виконувався на 3D-принтері Flash Forge Guider II з ABS-пластику. Даний вид пластику легко обробляється фрезами та іншими хірургічними інструментами, що дає змогу зробити примірку вибраної імплантаційної системи.

Результати та їх обговорення
Використання з метою визначення характеристик (локалізація, величина) дефектів кульшової западини та можливість примірки імплантаційної системи в передопераційний період ревізійного ендопротезування ацетабулярного пластикового прототипу дозволило зменшити час оперативного втручання, інтраопераційну крововтрату та добитися хороших функціональних результатів. У післяопераційний період показники бальної оцінки за W.H. Harris у 2 пацієнтів – відмінні, у 4 – хороші. Строк спостереження склав 1 рік.

Таким чином, використання пластикових прототипів на основі 3D-моделі з метою діагностики дефектів кульшової западини та підготовки до виконання ревізійного ендопротезування з приводу нестабільності ацетабулярного компонента ендопротеза показало свою високу ефективність та може бути рекомендовано для впровадження у центрах, які займаються цією тяжкою ортопедичною патологією.
Рис. 3. Рентгенограма правого кульшового суглоба хворого Ш.: а) до оперативного втручання; б) пластиковий прототип кульшової западини: виявлено дефекти ІІ В за W.G. Paprosky
Клінічні приклади

Хворий Ш., 75 років. Діагноз: правосторонній коксартроз IV ст., стан після ТЕП правого кульшового суглоба (2002 р.). Асептична нестабільність ацетабулярного компонента ендопротеза. Рентгенограма до оперативного втручання та пластикова модель кульшової западини представлені на рис. 3а та 3б.
Рис. 4. Рентгенограма кульшового суглоба хворого Ш. після виконання ревізійного оперативного втручання
Виконано оперативне втручання: ревізійне ендо-
протезування правого кульшового суглоба: заміна нестабільної западини на безцементну западину "Biomet" із кістковою алопластикою (рис. 4).
Рис. 5. Рентгенограма правого кульшового суглоба хворої В.: а) до оперативного втручання; б) пластиковий прототип кульшової западини:
виявлено дефекти ІІ В за W.G. Paprosky
2. Хвора В., 78 років. Діагноз: правосторонній коксартроз IV ст., стан після ТЕП правого кульшового суглоба (2004 р.). Асептична нестабільність ацетабулярного компонента ендопротеза. Рентгенограма до оперативного втручання та пластикова модель кульшової западини представлені на рис. 5а та б.
Рис. 6. Рентгенограма кульшового суглоба хворої В. після виконання ревізійного оперативного втручання
Виконано оперативне втручання: ревізійне ендо-
протезування правого кульшового суглоба: заміна нестабільної западини на безцементну западину "Biomet" із кістковою алопластикою (рис. 6).
Рис. 7. Рентген ограма правого кульшового суглоба хворої Б.: а) до оперативного втручання; б) пластиковий прототип кульшової западини:
виявлено масивні кісткові дефекти ІІІ А за W.G. Paprosky
3. Хвора Б., 56 років. Діагноз: ревматоїдний поліартрит, стан після ТЕП правого кульшового суглоба (1996 р.). Асептична нестабільність ацетабулярного компонента ендопротеза. Рентгенограма до оперативного втручання та пластикова модель кульшової западини представлені на рис. 7а та б.
Рис. 8. Рентгенограма кульшового суглоба хворої Б. після виконання
ревізійного оперативного втручання
Проведене передопераційне планування дозволило виконати оперативне втручання: ревізійне ендопротезування правого кульшового суглоба: заміна нестабільної западини на ревізійну систему "Bеznoska" з кістковою алопластикою (рис. 8).
Рис. 9. Рентгенограма лівого кульшового суглоба хво-
рої М.: а) до оперативного втручання; б) пластиковий прототип кульшової западини: виявлено кісткові дефекти ІІ B за W.G. Paprosky
4. Хвора М., 54 роки. Діагноз: лівосторонній коксартроз, стан після ТЕП лівого кульшового суглоба (2001 р.). Асептична нестабільність ацетабулярного компонента ендопротеза. Рентгенограма до оперативного втручання та пластикова модель кульшової западини представлені на рис. 9а та б.
Рис. 10. Рентгенограма кульшового суглоба хворої М. після виконання ревізійного оперативного втручання
Проведене передопераційне планування дозволило виконати оперативне втручання: ревізійне ендопротезування лівого кульшового суглоба: заміна нестабільної западини на безцементну западину Smith & Nephew із кістковою алопластикою (рис. 10).
Рис. 11. Рентгенограма правого кульшового суглоба хворої Ф.: а) до оперативного втручання; б) пластиковий прототип кульшової западини:
виявлено кісткові дефекти ІІ B за W.G. Paprosky
5. Хвора Ф., 40 років. Діагноз: дефект головки та
шийки правої стегнової кістки
, стан після операції ФНЕ, видалення компонентів ендопротеза правого кульшового суглоба. Рентгенограма до оперативного втручання та пластиковий прототип кульшової западини представлені на рис. 11а та б.
Рис. 12. Рентгенограма кульшового суглоба хворої Ф. після виконання ревізійного оперативного втручання
Проведене передопераційне планування дозволило виконати оперативне втручання: вкорочувальна підвертлюгова остеотомія правої стегнової кістки, ревізійне ендопротезування правого кульшового суглоба: безцементна западина Zimmer тантал з аугментом, ніжка Wagner Con (рис. 12).
Рис. 13. Рентгенограма правого кульшового суглоба хворої Л.: а) до оперативного втручання; б) пластиковий прототип кульшової западини:
виявлено кісткові дефекти ІІI B за W.G. Paprosky
6. Хвора Л., 58 років. Діагноз: дефект головки та шийки правої стегнової кістки, стан після операції ФНЕ, видалення компонентів ендопротеза правого кульшового суглоба, консолідований перелом проксимального відділу стегнової кістки. Рентгенограма до оперативного втручання та пластиковий прототип кульшової запади представлені на рис. 13а та б.
Рис. 14. Рентгенограма кульшового суглоба хворої Л. після виконання ревізійного оперативного втручання
Проведене передопераційне планування дозво-
лило виконати оперативне втручання: ревізійне ендопротезування правого кульшового суглоба: ацетабулярна ревізійна система Zimmer Burch-Schneider, ніжка Wagner (рис. 14).


Висновки
1. Адитивні технології є найбільш ефективним методом візуалізації складних кісткових дефектів та деформацій кісток.
2. 3D-моделювання та виготовлення прототипу з ABS-пластику дозволяє підібрати оптимальну конструкцію імплантатів та визначити їх правильне просторове розташування у передопераційний період під час підготовки до ревізійного ендопротезування кульшового суглоба.
3. Використання 3D-технологій дозволяє скоротити час оперативного втручання, зменшити кількість післяопераційних ускладнень та збільшити їх ефектив-
ність та може бути рекомендоване до впровадження в центри, які займаються ревізійним та складним ендопротезуванням.
Посилання на публікацію
Гайко, Г.В. Використання 3D-моделювання з виготовленням пластикового прототипу в травматології та ортопедії (клінічні приклади) / Г.В. Гайко, О.А. Галузинський, Р.А. Козак, В.М. Підгоєцький, С.В. Бурбурська // Вісник ортопедії, травматології та протезування – 2018. – №3(98). – С.4 – 10.
Література