программно реализуемый цифровой способ моделирования операции внеочагового остеосинтеза при переломах костей

Формула изобретения

1. Программно реализуемый цифровой способ моделирования операции внеочагового остеосинтеза при переломах костей, основанный на использовании компьютера, оборудованного средствами ввода и визуализации изображения, и включающий выполнение ввода изображения рентгенограмм места, перелома, калибровку оптической плотности рентгенограмм, геометрическое масштабирование, коррекцию яркости и контрастности изображения, обозначение контрастными метками проксимальных и дистальных участков отломков и крупных осколков костей с получением каждой из них своего геометрического адреса, редактирование изображения с помощью группы инструментов выделения и транслокации, для чего виртуально перемещают каждый отломок с сохранением в памяти каждого эпизода, выполняют функции виртуальной дистракции, компрессии, медиального и латерального смещения, ротационного и углового перемещения отломков, полную виртуальную репозицию отломков и составляют реальный план операции.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что ввод изображения рентгенограмм выполняют с помощью сканера либо видеокамеры.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что виртуальная репозиция проводится с учетом фиксации в аппарате Г.А. Илизарова.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области лечения травм опорно-двигательного аппарата с помощью программно реализуемых и моделируемых способов операции внеочагового остеосинтеза.

Известен способ автоматизированной коррекции, который заключается в определении расположения плоскостного шарнирного соединения с целью последующего устранения всех компонентов деформации по оптимальной методике. Для оптимизации чрескостного остеосинтеза использовалась программа "Остеокинез" и методика его клинического применения (М.Ф. Егоров, О.Г. Тетерин "Использование компьютерной программы "Остеокинез" и чрескостном остеосинтезе". - Анналы травматологии и ортопедии, 1998, 2-3, с.88-96).

Известен способ коррекции многоплоскостных деформаций, который осуществляется с помощью программы, позволяющей по фронтальной и сагитальной проекциям рассчитать и увидеть на дисплее пространственную модель деформации в целом и с заданной величиной ротации в 5, 10 и 15 градусов, найти оптимальный уровень остеотомии па экране, создать пространственную модель кости до и после коррекции. Метод использован для лечения сложной ортопедической патологии (ложные суставы, неправильно сросшиеся и несросшиеся переломы и др.), сопровождающиеся деформациями костей конечностей (А.В. Скляр, В.А. Немков, А. М. Черкашин "Использование ЭВМ при планировании операционной коррекции многоплоскостных полисегментарных деформаций нижних конечностей" - в сб. докладов международной конференции "Метод Г.А. Илизарова - перспективы и достижения", посвященной памяти академика Г.А. Илизарова // Курган, 1993, с. 104-176). Этот способ взят в качестве ближайшего аналога.

Оба приведенных аналога рассчитаны на применение при сложной ортопедической патологии (см. выше). Рассчитываются уровни остеотомии, компоновки аппарата Илизарова, места и уровни расположения шарниров с целью постепенного, дозированного исправления всех имеющихся деформаций. Предлагаемый способ - для лечения переломов костей конечностей, т.е. острой травмы (это разные нозологические формы). Все виды деформаций устраняются одномоментно или сразу после операции, а не постепенно и дозировано, как в приводимых аналогах.

Задачей изобретения является разработка способа цифровой обработки видеоинформации с помощью методов растровой графики и компьютерного моделирования для операции внеочагового остеосинтеза при переломах костей.

Для выполнения поставленной задачи необходим достаточно мощный компьютер (желательно не менее Pentium 200 с 32 MB ОЗУ), оборудованный средствами ввода и визуализации изображения, а также программное обеспечение по обработке ввода и визуализации изображения. Цифровой анализ изображения может проводиться в любой из программ векторной графики, разработанной как стандартное приложение операционной среды Windows, однако, на наш взгляд, наиболее оптимальной и корректной для выполнения поставленной задачи является программа Рhotoshop 4.0 или 5.0.

Анализ видеоинформации проводится в два этапа.

I этап

1. Ввод изображения. В 1 группе (п=18) функция ввода изображения выполнялась с помощью полупрофессиональной видеокамеры "Panasonic NV-RX 70 EN, VHS-С" подключенной к ЭВМ. Во 2-й группе (п=80) применялся лазерный сканер "Mastek - Paragon 1200 СР" с разрешающей способностью 1200 dpi. Ввод изображения с помощью сканера мы считаем более удобным и комфортным, а, главное, наиболее качественным. Сканировались рентгенораммы места перелома в 2-х проекциях.

2. Калибровка оптической плотности. Учитывая, что сканировались рентгенограммы различных оптических характеристик, а иногда низкого уровня качества, проводилась их оптическая калибровка. Этим достигалось приведение изображения к единому масштабу плотности. Измерение оптических параметров проводилось в условных единицах от 0 (min R плотности) до 255 (max R плотности). Проведение операции оптической калибровки рентгенограмм позволяет скорректировать их возможные различия, обусловленные разными условиями получения снимка.

3. Геометрическое масштабирование. Эта операция выполнялась также с целью задания всем графическим объектам единых метрических характеристик. Единый масштаб анализируемых объектов позволяет сравнивать их между собой, получая при этом сопоставимые результаты.

4. Коррекция яркости и контрастности изображения. Выполнялась при необходимости улучшить качество рентгенограммы или какого-либо выделенного участка.

5. Измерение геометрических характеристик объектов. Контрастными метками обозначались проксимальные и дистальные участки обломков, а также все свободно лежащие крупные осколки, перспективные для репозиции. Каждая метка с помощью инструмента "инфо" получала свой геометрический "адрес" на анализируемой "картинке" в системе х, у.

6. Редактирование изображения. С помощью группы инструментов выделения и транслокации мы виртуально перемещали каждый отломок с сохранением в памяти каждого эпизода. Выполнялись функции виртуальной дистракции, компрессии, медиального и латерального смещения, углового и ротационного перемещения отломков. В окончательном варианте получалось новое изображение места перелома, состоящее из 7-20 слоев. Изменение координат каждой точки при перемещениях (в мм и град) фиксировалась в памяти. Таким образом, мы добивались максимально полной виртуальной репозиции отломков костей и составляли уже реальный план операции, а также оптимальную компоновку аппарата.

II этап.

Второй этап проводился после операции и выполнения контрольных рентгенограмм, если после выполнения внеочагового остеосинтеза и манипуляций на сегментах оставались неустраненные смещения отломков и требовалась дополнительная коррекция. Виртуальная репозиция выполнялась аналогичным образом (см. I этап), но уже с учетом фиксации в аппарате. После составления плана устранения смещения отломков он реализовывался уже с помощью аппарата Г.А. Илизарова.

На графике и таблице фиг.12 показана продолжительность внешней фиксации у больных с переломами костей, лечившихся с применением внеочагового остеосинтеза традиционными методами (группа 1, п=74), и у больных, которым проводилась цифровая обработка рентгенограмм с помощью методов векторной графики (группа 2, п= 98). Анализируя их, видно, что во 2-й группе при всех видах переломов наблюдается сокращение сроков фиксации. Так, при переломах плечевой кости она уменьшилась на 25,2%, при переломах костей предплечья на 29,3%, при переломах бедренной кости на 15,7% и при переломах костей голени на 20,1%. В среднем сращение переломов во 2-й группе протекало быстрее на 22,4% по сравнению с контрольной группой.

Предлагаемый способ позволяет:

1. Улучшить анатомические и функциональные результаты операции, а также сократить сроки стационарного и общего лечения больных с переломами длинных костей в 1,2-1,4 раза.

2. Повысить качество и эффективность выполнения операций чрескостного остеосинтеза при переломах костей.

3. Сократить время и уменьшить травматичность оперативного вмешательства.

Клинические примеры:

Фигура 1

Позиция А. Перелом обеих костей предплечья на уровне средней трети со смещением отломков. Рентгенограммы сканируются, производится калибровка оптической плотности, геометрическое масштабирование, коррекция яркости и контрастности.

Позиция А1. Установка контрастных меток (точки а, b, с, d, e, f, g, h, i, j, k, 1, m, n, о, р) и назначение им геометрических адресов (в системе х и у).

Позиция А2. Дистракция отломков кости, обозначенных точками а-b + с-d + i-j + k-1 единым блоком на 26 мм.

Позиция А3. Устранение угловых смещений отломков. Фрагменты кости, обозначенные т. а-b, перемещаются по часовой стрелке на 7,1^o; обозначенные т. i-j перемещаются против часовой стрелки на 8^o; обозначенные т. k-1 перемещаются по часовой стрелке на 7^o.

Фигура 2

Позиция А4. Устранение смещения отломков по ширине. Фрагменты кости, обозначенные т. а-b, перемещаются медиально (в сторону лучевой кости) на 5 мм; обозначенные т. i-j перемещаются снизу вверх на 4 мм; обозначенные т. k-1 перемещаются снизу вверх на 9 мм.

Позиция А5. Компрессия отломков кости, обозначенных точками а-b+с-d+i-j+k-1 единым блоком на 20 мм.

Позиция В. Операция - ВЧКДО по Г.А. Илизарову на 1 сут после поступления.

Позиция С. Демонтаж аппарата Г.А. Илизарова на 37 сут после операции.

Фигура 3

Позиция А. Перелом плечевой кости на уровне средней трети со смещением отломков. Рентгенограммы сканируются, производится калибровка оптической плотности, геометрическое масштабирование, коррекция яркости и контрастности.

Позиция А1. Установка контрастных меток (точки а, b, с, d, e, f, g, h) и назначение им геометрических адресов (в системе х и у).

Позиция А2. Дистракция отломков кости, обозначенных точками c-d+g-h на 36 мм.

Позиция А3. Устранение угловых смещений отломков. Фрагмены кости, обозначенные т. c-d, перемещаются по часовой стрелке на 12,8^o; обозначенные т. g-h перемещаются по часовой стрелке на 27,8^o.

Фигура 4

Позиция А4. Устранение смещения отломков по ширине. Фрагменты кости, обозначенные т. c-d, перемещаются медиально на 6 мм; обозначенные т. g-h перемещаются кпереди на 34 мм.

Позиция А5. Компрессия отломков кости, обозначенных точками c-d + g-h на 23 мм.

Позиция В. Операция - ВЧКДО по Г.А. Илизарову на 3 сут после поступления.

Позиция С. Демонтаж аппарата Г.А. Илизарова на 72 сут после операции.

Фигура 5

Позиция А. Перелом бедренной кости на уровне средней трети со смещением отломков. Рентгенограммы сканируются, производится калибровка оптической плотности, геометрическое масштабирование, коррекция яркости и контрастности.

Позиция А1. Установка контрастных меток (точки а, b, с, d, e, f, g, h) и назначение им геометрических адресов (в системе х и у).

Позиция А2. Дистракция отломков кости, обозначенных точками c-d+g-h на 23 мм.

Позиция А3. Устранение смещения отломков по ширине. Фрагмент кости, обозначенный т. c-d, перемещается латерально на 27 мм; обозначенный т. g-h перемещается снизу вверх на 10 мм.

Фигура 6

Позиция А4. Компрессия отломков кости, обозначенных точками c-d + g-h, на 25 мм.

Позиция В. Операция - ВЧКДО по Г.А. Илизарову на 2 сут после поступления. Остается неустраненное смещение отломков по ширине и угловое.

Позиция В1. Установка контрастных меток (точки а, b, с, d, e, f, g, h) и назначение им геометрических адресов (в системе х и у).

Позиция В2. Устранение углового смещения отломков. Фрагмент кости, обозначенный т. c-d, перемещается против часовой стрелки на 7,6^o. Устранение смещения отломков по ширине. Фрагмент кости, обозначенный т. g-h, перемещается сверху вниз на 15 мм.

Фигура 7

Позиция В3. Компрессия отломков кости, обозначенных точками c-d + g-h, на 8 мм.

Позиция С. Рентгенограммы бедренной кости на 179 сут после операции (демонтаж аппарата Г.А. Илизарова на 72 сут после операции).

Фигура 8

Позиция А. Перелом наружной и внутренней лодыжек левой голени со смещением отломков, разрывом дистального межберцового синдесмоза и подвывихом стопы кнаружи. Рентгенограммы сканируются, производится калибровка оптической плотности, геометрическое масштабирование, коррекция яркости и контрастности.

Позиция А1. Установка контрастных меток (точки а, b, с, d, e, f, g, h, i, j, k, 1, m, n, о, р) и назначение им геометрических адресов (в системе х и у).

Позиция А2. Устранение смещения по ширине. Фрагмент кости, обозначенный точками е - f, перемещается медиально на 15 мм.

Позиция А3. Устранение смещения по длине. Фрагмент кости, обозначенный т. e-f, компрессируется на 7 мм.

Фигура 9

Позиция А4. Устранение смещения отломков по ширине и угловых. Фрагменты кости, обозначенные т. i-j, перемещаются против часовой стрелки на 5,3^o, затем медиально - на 19 мм.

Позиция А5. Устранение смещения отломков по ширине. Фрагмент кости, обозначенный g-h, перемещается медиально на 12 мм.

Позиция А6. Устранение смещения отломков по ширине. Встречная (медиально-латеральная) компрессия фрагментов кости, обозначенных точками а-b+e-f+i-j на 7 мм.

Позиция В. Операция - ВЧКДО по Г.А. Илизарову на 2 сут после поступления.

Позиция С. Демонтаж аппарата Г.А. Илизарова на 56 сут после операции.

Фигура 10

Позиция А. Кососпиральный перелом большеберцовой кости на уровне средней трети со смещением отломков. Рентгенограммы сканируются, производится калибровка оптической плотности, геометрическое масштабирование, коррекция яркости и контрастности.

Позиция А1. Установка контрастных меток (точки а, b, с, d, е, f, g, h) и назначение им геометрических адресов (в системе х и у).

Позиция А2. Дистракция отломков кости, обозначенных точками c-d+g-h, на 37 мм.

Позиция А3. Устранение угловых смещений отломков. Фрагменты кости, обозначенные т. g-h, перемещаются по часовой стрелке на 3,2^o.

Фигура 11

Позиция А4. Устранение смещения отломков по ширине. Фрагменты кости, обозначенные т. g-h, перемещаются кзади на 20 мм.

Позиция А5. Компрессия отломков кости, обозначенных точками c-d + g-h, на 27 мм.

Позиция В. Операция - ВЧКДО по Г.А. Илизарову на 2 сут после поступления.

Позиция С. Демонтаж аппарата Г.А. Илизарова на 87 сут после операции, рентгенограммы голени на 295 сут после травмы.

Пояснения к фиг.1-11:

1. В графических редакторах Abode Photoshop 4.0, 5.0 нет русского текста. Поэтому все надписи сделаны на английском языке.

2. Distraxion - дистракция; compression - компрессия; lateral. dislocation - латеральное перемещение; medial. dislocation - медиальное перемещение; lateral. compression - латеральная компрессия; medial. compression - медиальная компрессия; forwards dislocation - перемещение кпереди; back dislocation - перемещение кзади; dislocation from below-up - перемещение снизу вверх; dislocation from above-downwards - перемещение сверху вниз; ++ screv - поворот по часовой стрелке; -- screv - поворот против часовой стрелки; position - позиция; dismantle - демонтаж; in the block - в одном блоке.