Способ стереологической оценки дистракционного остеогенеза, узел соединения опор аппарата, используемый при его осуществлении

 

Изобретение относится к медицине, в частности к ортопедии и травматологии, а именно к методам исследования дистракционного остеосинтеза в процессе осуществления дистракции костных фрагментов с помощью аппарата для чрескостного остеосинтеза и получения компьютерных томограмм для осуществления способа стереологической оценки. Способ стереологической оценки дистракционного остеогенеза включает исследование двумерных эквивалентов дистракционного регенерата в процессе удлинения конечности аппаратом для чрескостного остеосинтеза. В качестве двумерных эквивалентов дистракционного регенерата используют его компьютерные томограммы и обзорные рентгенограммы, в них выделяют зоны, содержащие структуры, характерные для этапов остеогенеза, замеряют площади каждой из выделенных зон, а также площади регенерата и диастаза между торцами костных фрагментов и по их соотношениям стереологически оценивают дистракционный остеогенез. На время компьютерной томографии рентгенконтрастные узлы соединения опор аппарата последовательно заменяют рентгенпрозрачными. Изобретение позволяет получить информацию о дистракционном регенерате как о трехмерном объекте с определением объемных долей входящих в его состав структур и его объемных отношений с диастазом с целью составить полное представление о процессе дистракционного остеогенеза во времени и трехмерном пространстве, что необходимо для объективной оценки адекватности используемого режима удлинения. 2 с. и 6 з.п.ф-лы, 9 ил.

Изобретение относится к области медицины, в частности к ортопедии и травматологии, а именно к методам исследования дистракционного регенерата в процессе удлинения конечностей аппаратом для чрескостного остеосинтеза.

Известен способ количественной денсито- и планиметрической характеристики дистракционного регенерата по его обзорным рентгенограммам (1).

Однако этот способ не позволяет получать информацию об объемных отношениях объекта, так как не предусматривает использование поправочных коэффициентов для корректного определения доли рентгенконтрастных структур, тени которых перекрывают рентгенпрозрачные участки.

Известен способ исследования дистракционного регенерата с помощью компьютерного томографа (2).

Однако он применим только после снятия аппарата для чрескостного остеосинтеза и не может быть использован на этапах дистракции и фиксации, так как металлические конструкции аппарата неизбежно искажают изображение.

Известен способ стереологической оценки дистракционного остеогенеза, включающий исследование двумерных эквивалентов дистракционного регенерата - гистологических срезов биоптатов, прижизненно иссеченных у больных из разных зон регенерата в процессе удлинения конечности аппаратом для чрескостного остеосинтеза (3).

Однако этот способ из-за ограниченного объема биоптатов не позволяет получить стереологическую характеристику всего регенерата, а манипуляция взятия материала для исследования - биопсия - не является безвредной для пациента.

Известен аппарат Г.А. Илизарова для чрескостного остеосинтеза, в котором использованы рентгенконтрастные узлы соединения опор (4).

Однако использование в известном аппарате рентгенконтрастных узлов соединения опор не позволяет получать компьютерные томограммы дистракционного регенерата, так как металлические конструкции аппарата неизбежно искажают изображение.

Задачей изобретения является получение информации о дистракционном регенерате как о трехмерном объекте с определением объемных долей входящих в его состав структур и его объемных отношений с диастазом с целью составить полное представление о процессе дистракционного остеогенеза во времени и трехмерном пространстве, что необходимо для объективной оценки адекватности используемого режима удлинения и, если нужно, обоснования его коррекции, расчета длительности этапов остеосинтеза, прогноза конечного результата и вероятности осложнений.

Поставленная задача решается тем, что в способе стереологической оценки дистракционного остеогенеза, включающем исследование двумерных эквивалентов из разных зон дистракционного регенерата в процессе удлинения конечности аппаратом для чрескостного остеосинтеза, в качестве двумерных эквивалентов дистракционного регенерата используют его компьютерные томограммы и обзорные рентгенограммы, в них выделяют зоны, содержащие структуры, характерные для этапов остеогенеза, замеряют площади каждой из выделенных зон, а также площади регенерата и диастаза между торцами костных фрагментов и по их соотношениям стереологически оценивают дистракционный остеогенез, при этом на время получения компьютерных томограмм рентгенконтрастные узлы соединения опор аппарата для чрескостного остеосинтеза последовательно заменяют узлами, стержни которых выполнены из рентгенпрозрачного материала. Предусматривается, что в ходе исследования: - рассчитывают поправочный коэффициент, сопоставляя результаты обмеров одинаковых структур на компьютерных томограммах и обзорных рентгенограммах; - определяют индекс ориентации структур дистракционного регенерата по их теням в рентгеновских изображениях.

Для выполнения исследований на этапах удлинения конечности аппаратом для чрескостного остеосинтеза предложен узел соединения опор аппарата, содержащий стержень, выполненный из рентгенпрозрачного материала и снабженный на концах элементами фиксации.

При этом: - стержень выполнен из углепластика, а элементы фиксации выполнены в виде глухих резьбовых отверстий со стороны торцов стержня; - каждый элемент фиксации выполнен в виде втулки; - втулка снабжена боковым отверстием под стопорный болт, ось которого перпендикулярна продольной оси втулки; - втулка снабжена боковым отверстием, выполненным с эксцентриситетом к оси втулки, и пальцем, имеющим резьбовой конец и дугообразный паз на цилиндрической части.

Предлагаемое изобретение поясняют подробным описанием выполнения способа и использования узлов соединения опор аппарата для чрескостного остеосинтеза, конкретным примером выполнения, прилагаемыми графическими и иллюстративными материалами, согласно изобретению, на которых: Фиг. 1 изображает стержень, выполненный из углепластика, с элементами фиксации на торцах в виде глухих резьбовых отверстий.

Фиг. 2 изображает стержень, выполненный из рентгенпрозрачного материала и снабженный элементами фиксации в виде втулок с резьбовыми внутренними отверстиями и боковым отверстием под стопорный болт.

Фиг. 3 изображает стержень, снабженный элементами фиксации, выполненными в виде втулок с резьбовыми внутренними отверстиями.

Фиг. 4 изображает втулку, снабженную боковым отверстием, выполненным с эксцентриситетом к оси втулки, и пальцем, имеющим резьбовой конец и дугообразный паз на цилиндрической части.

Фиг. 5 изображает тазовую конечность собаки в конце периода удлинения голени аппаратом для чрескостного остеосинтеза, опоры которого на время томографического исследования соединены узлами со стержнями из рентгенпрозрачного материала.

Фиг. 6 изображает зону дистракционного регенерата с линиями на уровнях сканирования.

Фиг. 7 изображает поперечную томограмму дистракционного регенерата в конце периода удлинения.

Фиг. 8 изображает продольную томограмму дистракционного регенерата в конце периода удлинения.

Фиг. 9 (а, b, с, d) иллюстрирует расчет коэффициента ориентации структур дистракционного регенерата по обзорной рентгенограмме, а - обзорная рентгенограмма бедра в аппарате, стрелками обозначен узел соединения опор, снабженный рентгенпрозрачным стержнем, прямоугольником оконтурена часть изображения с костным регенератом, представленная на b при большем увеличении; с - на изображение нанесены ось кости (жирная белая линия) и "скелетные" линии структур регенерата (тонкие серые линии); d - с изображением совмещена тестовая решетка, подсчитаны точки пересечения ее линий с осью кости (ее коэффициент ориентации - белые цифры) и "скелетными" линиями (черные цифры).

Узел соединения опор аппарата для чрескостного остеосинтеза содержит стержень 1 (фиг. 1), выполненный из углепластика, с элементами фиксации 2, 3 в виде глухих резьбовых отверстий на торцах.

Кроме того, при выполнении стерня из других рентгенпрозрачных материалов элементы фиксации могут быть выполнены в виде втулок 4 и 5 (фиг. 2) с эксцентрично расположенным внутренним резьбовым отверстием 6 и боковым резьбовым отверстием 7, в котором установлен стопорный болт 8. При этом ось бокового отверстия должна быть перпендикулярна оси втулки.

Вариантом выполнения каждого элемента фиксации может быть втулка 4а (5а) (фиг. 3) с центрально расположенными внутренними резьбовыми отверстиями; наружная поверхность втулки может быть выполнена с гранями.

Целесообразно ось 9 внутреннего отверстия в каждой втулке 4(5) (фиг. 4) выполнять с эксцентриситетом относительно ее продольной оси, а палец 10 должен быть выполнен с дуговым пазом 11 на цилиндрической части и резьбовым концом 12.

Способ стереологической оценки дистракционного остеогенеза с использованием узлов соединения опор со стержнями 1 из рентгенпрозрачных материалов для получения компьютерных томограмм регенерата на этапах дистракции и фиксации в аппарате для чрескостного остеосинтеза осуществляют следующим образом.

При необходимости стереологической оценки дистракционного остеогенеза на этапах удлинения или фиксации, когда на конечности установлен аппарат для чрескостного остеосинтеза и его рентгенконтрастные детали перекрывают зону регенерата, перед проведением компьютерной томографии осуществляют последовательную замену рентгенконтрастных узлов соединения опор аппарата узлами, стержни 1 которых выполнены из рентгенпрозрачных материалов (фиг. 5, белые стрелки) и снабжены на концах (фиг. 5, двойные белые стрелки) одним из вариантов элементов фиксации, изображенных на фигурах 1-4. В результате, как это изображено на фигуре 5, зона дистракционного регенерата (обозначена белым прямоугольником) оказывается свободной от теней рентгенконтрастных деталей аппарата и может быть исследована с помощью компьютерного томографа. При этом заранее устанавливают ориентацию (перпендикулярно направлению дистракции) и уровни сканирования (фиг. 6), позволяющие получить достаточное для стереологического анализа количество поперечных (фиг. 7) и продольных (фиг. 8) томограмм. После завершения томографии проводят обратную манипуляцию, последовательно заменяя обычными узлы соединения опор аппарата. Одновременно с компьютерной томографией осуществляют стандартную обзорную рентгенографию того же сегмента конечности в двух проекциях.

Получив таким образом необходимые рентгенологические изображения дистракционного регенерата, приступают к их стереологическому исследованию.

Для этого на крайних поперечных томограммах, плоскости сканирования которых проходили через торцы проксимального и дистального фрагментов кости, измеряют площади поперечного сечения последних, что позволяет вычислить объем диастаза между торцами костных фрагментов, так как высота диастаза известна - это величина дистракционного удлинения, достигнутого на момент исследования.

На всех остальных поперечных томограммах, плоскости сканирования которых прошли через дистракционный регенерат, оконтуривают наружную границу последнего и замеряют площадь его поперечного сечения, что дает возможность вычислить объем дистракционного регенерата, так как высота каждого скана известна и устанавливается перед началом томографического исследования. На этих же томограммах на поперечных сечениях регенерата очерчивают границы и замеряют площади зон, в которых располагаются тени (следы) структур, характерных для определенных стадий дистракционного остеогенеза. Количество таких зон и их содержание различно и зависит от этапа удлинения в момент исследования.

Так, если исследование проводят на этапе дистракции, то выделяют две основные зоны: соединительно-тканной прослойки и костно- остеоидных структур; в составе последних могут быть выделены субдиректории остеоидных и минерализованных структур. На этапе фиксации также можно выделить две, но уже другие по содержанию, основные зоны: новообразованной костной ткани и резорбционных полостей, причем в составе первой из них к концу периода фиксации целесообразно выделять подзону корковой пластинки с измерением в ней, помимо площади, также максимальной и минимальной толщины, а если она еще не замкнута, то количества и угловых размеров дефектов.

Измерять площади можно как в абсолютных величинах, например, с помощью планиметра, так и в относительных, используя ручные методы точко-счетной объемометрии или реализованные на их принципе автоматические анализаторы изображений. В любом случае полученные результаты позволяют, на основе принципа Делессе, от двумерных величин (площадей) перейти к объемным отношениям с вычислением ряда высокоинформативных параметров.

Для периода дистракции такими параметрами являются: 1. Объемная доля дистракционн регенерата в объеме диастаза, выраженная в процентах и характеризующая соответствие скорости роста дистракционного регенерата и скорости дистракции. Используя стереологическую символику, этот параметр обозначают "Vv_reg" и вычисляют по формуле Vv_reg = V_reg : V_d □ 100 (1)
где V_reg - объем регенерата, a
V_d - объем диастаза;
2. Объемная доля соединительнотканной прослойки в объеме регенерата (Vv_zon выраженная в процентах и характеризующая степень динамического равновесия между тремя сопряженными в пространстве и времени процессами - дистракцией, ростом соединительнотканной прослойки и дистракционным остеогенезом. Этот параметр вычисляют по формуле
Vv_zon = A_zon : A_reg · 100 (2)
где A_zon - сумма площадей прослойки, и
A_reg - сумма площадей регенерата во всех томограммах;
3. Объемная доля остеоидных структур в объеме регенерата (Vv_oid), выраженная в процентах и характеризующая активность соответствующей фазы дистракционного остеогенеза. Этот параметр вычисляют по формуле
Vv_oid = A_oid : A_reg·100 (3)
где A_oid - сумма площадей остеоидных структур во всех томограммах;
4. Объемная доля минерализованной новообразованной костной ткани в объеме регенерата (Vv_min), выраженная в процентах и характеризующая активность процесса минерализации в ходе дистракционного остеогенеза. Этот параметр вычисляют по формуле
Vv_min=A_min:A_reg · 100 (4)
где A_min - сумма площадей минерализованных структур новообразованной костной ткани во всех томограммах.

Аналогичным образом и по аналогичным формулам вычисляют остальные ранее названные, равно как дополнительно вводимые в соответствии с этапом удлинения и целями исследования, параметры. Отметим только, что для оценки новообразующейся в составе регенерата корковой пластинки на стадии, когда она уже замкнута по периметру регенерата, целесообразно сопоставлять ее среднюю площадь во всех томограммах со средней площадью корковой пластинки материнской кости, измеренной в крайних томограммах серии.

В отличие от компьютерных томограмм, которые являются изображением срезов толщиной □ 1 мм, обзорные рентгенограммы представляют собой интегральное изображение рентгенологической тени трехмерного объекта, толщина которого измеряется сантиметрами для кости и десятками сантиметров для конечности в целом. Это служит причиной того, что в обзорных рентгенограммах тени плотных структур накладываются на тени более прозрачных участков, так что площадь последних на рентгенограмме оказывается существенно заниженной, а доля плотных структур - неоправданно завышенной (эффект Холмса) по сравнению с их реальными объемными отношениями в объекте. Коррекция результатов, полученных при измерении структур на обзорных рентгенограммах, позволяет использовать их для оценки объемных отношений. С этой целью путем сопоставления результатов измерений и расчетов аналогичных объемных параметров на обзорных рентгенограммах и компьютерных томограммах вычисляют поправочный коэффициент. Его определение для, например, неминерализованных структур возможно путем деления значения объемной доли последних, рассчитанной по томограммам (Vv_{немин-томо}), на аналогичный показатель, рассчитанный по рентгенограммам (Vv_{немин-рент}), т.е.

K=Vv_{немин-томо} : Vv_{немин-рент} (5)
Для оценки однонаправленности дистракционных перемещений и стабильности фиксации костных фрагментов в аппарате на этапах удлинения рассчитывают индекс ориентации структур дистракционного регенерата по расположению их теней в обзорных рентгенограммах и продольных компьютерных томограммах. Для этого, например, на рентгеновское изображение (фиг. 9) накладывают квадратную тестовую решетку так, чтобы одни ее линии были бы параллельны направлению дистракции, а другие - перпендикулярны ему. Последующий подсчет количества пересечений теней структур раздельно с теми и другими линиями решетки и сопоставление полученных чисел позволяет вычислить значения индекса ориентации, которые могут находиться в интервале от 0 до 1.

K_ориент = n_прод : n_{поперечн.} (6)
где К_ориент - коэффициент ориентации;
n_прод - количество пересечений теней структур регенерата с продольными линиями тестовой решетки;
n_{поперечн} - количество пересечений теней структур регенерата с поперечными линиями тестовой решетки.

Практическое применение предлагаемого способа иллюстрирует следующее экспериментальное наблюдение (протокол N 2115). У взрослой беспородной собаки после открытой чреснадкостничной поперечной остеотомии в средней 1/3 правого бедра проведен чрескостный остеосинтез спице-стержневым аппаратом. Через 9 дней начата дистракция по 0,25 мм трижды в рабочие дни и однократно - в выходные. Спустя еще 13 дней (9 рабочих + 4 выходных, расчетная высота диастаза 7,75 мм) произведен перемонтаж аппарата, вместо обычных установлены узлы соединения опор, стержни которых выполнены из рентгенопрозрачного материала. Произведены обзорная рентгенография удлиняемого бедра в прямой и боковой проекциях и спиральная поперечная компьютерная томография (шаг и толщина сканов 1,0 мм) зоны, свободной от металла. На рентгенограммах в диастазе определяются тени проксимального и дистального костно-остеоидных регенератов, разделенные нечетко выраженным просветлением - соединительно-тканной прослойкой.

Методом точко-счетной объемометрии обзорных рентгенограмм измерены объемные доли названных структур в регенерате:
соединительно-тканная прослойка (неминерализована) - Vv_zon = 26% и
костно-остеоидные структуры (минерализованы в разной степени) - Vv_min = 74%,
в том числе остеоид - 39%.

Для этих же компонентов дистракционного регенерата по результатам точко-счетной объемометрии томограмм были получены следующие данные: Vv_zon = 59%, Vv_min = 41%, в том числе остеоида - 10%. Рассчитан поправочный коэффициент К на эффект Холмса для неминерализованных структур: К = 59/26 = 2,27.

На крайних поперечных томограммах, плоскости сканирования которых прошли через торцы проксимального и дистального фрагментов кости, измерены площади поперечного сечения последних (A_prox= 452,16 мм²; A_dist=415,27 мм²). При известной высоте диастаза между торцами костных фрагментов = 7,75 мм это позволило вычислить его объем (V_диаст= (A_prox + A_dist)/2 □ H_dist = 3361,33 мм³).

На всех остальных поперечных томограммах, плоскости сканирования которых прошли через дистракционный регенерат, оконтурили наружную границу последнего и замерили площадь его поперечного сечения, что дало возможность вычислить объем дистракционного регенерата, так как высота каждого скана известна и = 1,0 мм:
объем регенерата V_reg = 4331,07 мм³.

Таким образом, полученные данные позволили охарактеризовать дистракционный остеогенез в эксперименте N 2115 как достаточно активный процесс (объем регенерата составляет 128,85% от объема диастаза). Вместе с тем, при анализе объемных отношений компонентов дистракционного регенерата по обзорным рентгенограммам четко проявился эффект Холмса, для коррекции которого послужили результаты точко-счетной объемометрии серии поперечных компьютерных томограмм, выявившие существенное преобладание в регенерате объемной доли соединительно-тканной прослойки (59%), что свидетельствовало об отставании скорости минерализации новообразованных структур от скорости их объемного роста.

В результате было принято решение о коррекции режима дистракции: в течение следующих двух недель удлинение в рабочие дни велось с суточной скоростью 0,5 мм (0,25 мм дважды в день).

Предлагаемые способ стереологической оценки дистракционного остеогенеза и узел соединения опор аппарата для чрескостного остеосинтеза применяются в экспериментальных и клинических научных подразделениях РНЦ "ВТО" имени академика Г.А. Илизарова и позволяют получать информацию о дистракционном регенерате как о трехмерном объекте с определением объемных долей входящих в его состав структур и его объемных отношений с диастазом с целью составить объективное представление о процессе дистракционного остеогенеза во времени и трехмерном пространстве, что дает возможность оценивать адекватность используемого режима удлинения и, если нужно, обосновывать его коррекцию, рассчитывать длительность этапов остеосинтеза, прогнозировать конечный результат и вероятность осложнений и принимать меры по их профилактике.

Источники информации
1. А. А. Ларионов, А.Ю. Чевардин, О.Б. Устюжанина. Рентгеноденсито-планиметрическая оценка кости при комбинировании свободной костной пластики и билокального компрессионно-дистракционного остеосинтеза. // Гений ортопедии. - 1995. - N 2. - С. 46-49.

2. Jan Swiatkowski, Wlodzimierz Chmielewski, Jaroslaw Macias, Slawomir Zarek. Zastosowanie tomografii komputerowej w ocenie przebudowy kostnej regeneratu po wydiuzeniu konczyn metoda Ilizarowa. // CHIR. NARZ. RUCHU ORTOP. POL. - 1994, - LIX, SUPL. 1, - P. 186-190.

3. P.Lascombes, H.Membre, J.Prevot, E.Barrat. Histomorphometrie du regenerat osseux dans les allongements des membres selon la technique d'Ilizarov. // Rev. Chir. Orthop. - 1991,- 77, - 141-150.

4. A. C. 1055499, СССР, МКИ3 A 61 В 17/18. Аппарат Г.А. Илизарова для чрескостного остеосинтеза. Опубл. 23.11.83 г. Бюл. 43.

Формула изобретения

1. Способ стереологической оценки дистракционного остеогенеза, включающий исследование двумерных эквивалентов из разных зон дистракционного регенерата в процессе удлинения конечности аппаратом для чрескостного остеосинтеза, отличающийся тем, что в качестве двумерных эквивалентов дистракционного регенерата используют его компьютерные томограммы и обзорные рентгенограммы, в них выделяют зоны, содержащие структуры, характерные для этапов остеогенеза, замеряют площади каждой из выделенных зон, а также площади регенерата и диастаза между торцами костных фрагментов, и по их соотношениям стереологически оценивают дистракционной остеогенез, при этом на время получения компьютерных томограмм рентгеноконтрастные узлы соединения опор аппарата для чрескостного остеосинтеза последовательно заменяют узлами, стержни которых выполнены из рентгенопрозрачного материала.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что рассчитывают поправочный коэффициент, сопоставляя результаты обмеров одинаковых структур на компьютерных томограммах и обзорных рентгенограммах.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что определяют индекс ориентации структур дистракционного регенерата по их теням в рентгеновских изображениях.

4. Узел соединения опор аппарата для чрескостного остеосинтеза, содержащий стержень, отличающийся тем, что стержень выполнен из рентгенопрозрачного материала и на концах снабжен элементами фиксации.

5. Узел по п.4, отличающийся тем, что стержень выполнен из углепластика, а элементы фиксации выполнены в виде глухих резьбовых отверстий со стороны торцов стержня.

6. Узел по п.4, отличающийся тем, что каждый элемент фиксации выполнен в виде втулки.

7. Узел по п.6, отличающийся тем, что втулка снабжена боковым отверстием под стопорный болт, ось которого перпендикулярна продольной оси втулки.

8. Узел по п.6, отличающийся тем, что втулка снабжена боковым отверстием, выполненным с эксцентриситетом к оси втулки, и пальцем, имеющим резьбовой конец и дугообразный паз на цилиндрической части.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9