MODELOWANIE INśYNIERSKIE ISSN 1896-771X 36, s. 295-300, Gliwice 2008 PRZEDOPERACYJNE I POOPERACYJNE PLANOWANIE ZABIEGU

ORTOPEDYCZNEGO STAWU KOLANOWEGO I JEGO REHABILITACJA

ZBIGNIEW TRZECIAK1, KONSTANTY SKALSKI

2, TOMASZ SOWIŃSKI3,

KRYSTYNA KAŁUśYŃSKA1, PIOTR BORKOWSKI

2

1Specjalistyczny Szpital Wojewódzki, Ciechanów,

2Zakład Konstrukcji Maszyn i InŜynierii Biomedycznej Instytutu Mechaniki i Konstrukcji Politechnika

Warszawska, Warszawa, 3Wojskowy Instytut Medyczny, Warszawa

Streszczenie. W pracy zaprezentowano metodykę planowania zabiegu operacyjnego oraz jego symulację komputerową dla dwóch przypadków klinicznych: traumatologicznego i patologicznego. Po przedstawieniu metodyki badań omówiono ideę planowania zabiegu operacyjnego z uwzględnieniem współczesnego wspomagania tego procesu poprzez techniki komputerowe CT/CAD/CAE. Po przybliŜeniu roli tych współczesnych technik podano przykłady ich zastosowań klinicznych. Przedstawioną metodykę zamyka program rehabilitacji pacjenta.

1. WSTĘP

Problem leczenia złamań, zwichnięć, zwyrodnień i patologii stawu kolanowego jest

istotnym zagadnieniem nie tylko klinicznym, ale równieŜ społecznym, z uwagi na częstość występowania. Z większości statystyk medycznych wynika, Ŝe co najmniej w jednym przypadku na dziesięć dochodzi do powikłań w leczeniu. Tak wysoki odsetek powikłań spowodowany jest warunkami anatomicznymi stawu kolanowego. Jednym ze sposobów leczenia niesprawności ruchowych jest leczenie operacyjne polegające na odtworzeniu prawidłowego stanu anatomicznego poprzez rekonstrukcję uszkodzonej części narządu ruchu i wczesnym przywróceniu sprawności chorego po operacji. Do rekonstrukcji wykorzystuje się wszczepy sztuczne, allogenne i autogenne. Dalszego rozwoju ortopedii naleŜy upatrywać w doskonaleniu jakości sztucznych wszczepów, opracowaniu mało inwazyjnych metod operacyjnych oraz w perfekcyjnej realizacji technik operacyjnych.

Stosowane nowe metody obrazowania uszkodzeń w narządzie ruchu, moŜliwe do oceny w badaniach rezonansem magnetycznym jądrowym i tomografią komputerową (CT) [1], umoŜliwiły szczegółowe rozpoznawanie i dokładne planowanie przedoperacyjne. W planowaniu przedoperacyjnym ocenia się charakter uszkodzenia, patologię i ustala sposób zespolenia odłamów, dlatego teŜ niebagatelne znaczenie ma tutaj obrazowanie medyczne oraz przestrzenne modelowanie stawu [2] z wykorzystaniem odpowiednio systemów MIMICS czy SOLIDWORKS.

296 Z. TRZECIAK, K. SKALSKI, T. SOWIŃSKI, K. KAŁUśYŃSKA, P. BORKOWSKI

Celem opracowania jest przedstawienie moŜliwości trójwymiarowego modelowania geometrycznego w planowaniu przed i pooperacyjnym na przykładzie repozycji złamania nasady bliŜszej kości piszczelowej oraz bocznego zwichnięcia rzepki z wykorzystaniem róŜnych technik osteosyntezy kości. 2. METODYKA BADAŃ

W planowaniu przedoperacyjnym waŜnym elementem jest prawidłowa diagnostyka przedoperacyjna, która obejmuje dokładny wywiad (okoliczności doznanego urazu, inne dolegliwości, dotychczasowy przebieg choroby) oraz badanie ortopedyczne, w którym oceniamy: oś kończyny, zakres ruchomości stawu, stabilność stawu, objawy łąkotkowe, zborność stawu rzepkowo-udowego. Uzupełnieniem badania lekarskiego jest wykonanie zdjęć rentgenowskich stawu kolanowego [7], a w wybranych przypadkach tomografia komputerowa [8]. Na podstawie pozyskanych detekcji obrazów w badaniu CT wykonuje się przestrzenny model geometryczny stawu kolanowego (w systemie projektowania CAD) [3] Korzystając z modelu, przeprowadza się wirtualny zabieg uwzględniający kilka sposobów operacji ze wskazaniem najbardziej optymalnego rozwiązania mającego na celu usunięcie patologii w stawie kolanowym. Przeprowadzanie zabiegu operacyjnego [4] oraz badanie radiologiczne pooperacyjne sprawdzające prawidłowość zastosowanej metody to ostatni etap przed realizacją programu rehabilitacyjnego zaplanowanego po zabiegu, który stanowi waŜny element w procesie usprawniania pacjenta. Jako przykład kliniczny wykorzystano przypadek nawykowego bocznego zwichnięcia rzepki (rys.1a) oraz złamania nasady bliŜszej kości piszczelowej (rys.1b). Wykonano obrazy radiologiczne oraz projekcje tomograficzne dla rozwaŜanych przypadków. W badaniu CT uzyskano płaskie przekroje poprzeczne badanych struktur ciała ludzkiego o róŜnym stopniu szarości, z których uwidocznione są kości i stawy oraz zmiany urazowe, ich przebieg i kierunek przemieszczeń. Najistotniejszą rolę w ocenie zborności stawu rzepkowo-udowego odgrywa zakres jego ruchomości, który mieści się między 00 a 300 oraz umoŜliwia wykonywanie badań dynamicznych. To na tej podstawie planuje się leczenie operacyjne. Anatomiczne ukształtowanie stawu kolanowego określają kąty i wskaźniki. Kształt rzepki oceniany jest wskaźnikiem głębokości rzepki i pomiarem kąta Wiberga. Głębokość rzepki zawiera się w zakresie od 3.6 do 4.2. Kąt Wiberga to kąt tworzony przez powierzchnie stawowe boczną i przyśrodkową rzepki i dla rzepek prawidłowych zawiera się w przedziale od 120 do 140 stopni.

Rys. 1. Obrazy radiologiczne: a) boczne zwichnięcie rzepki, b) złamanie nasady bliŜszej kości

piszczelowej

a) b)

PRZEDOPERACYJNE I POOPERACYJNE PLANOWANIE ZABIEGU ORTOPEDYCZNEGO STAWU…297

Natomiast dla złamania nasady bliŜszej kości piszczelowej odtworzenie zarówno kształtu nasady bliŜszej piszczeli jak i powierzchni stawowej. Nie bez znaczenia jest stabilna osteosynteza pozwalająca na szybkie usprawnienie ruchowe. W analizowanych strukturach silniej osłabiające promieniowanie (hiperdensyjne) ujawnia się na obrazie jako pole jasne, natomiast bardziej przenikliwe dla promieni X (hipotensyjne) jako pole ciemne (rys. 2). Pozwala to na dokonanie oceny zmian urazowych i patologicznych kości i stawów.

Rys. 2. Detekcje konturów: a) w obrazie przednio-tylnym, b) w obrazie bocznym,

c) w obrazie porzecznym, d) okno opisowe

Po transmisji danych pacjenta moŜliwe jest odtworzenie trójwymiarowego (3D) (rys. 3a,b) kształtu kości przy wykorzystaniu płaskich przekrojów kości, które są efektem projekcji na poszczególnych warstwach. Kolejnym krokiem jest utworzenie modelu dyskretnego na bazie uprzednio odtworzonego obiektu 3D. W tym celu model zbudowany z płatów trójkątnych jest transformowany do oprogramowania inŜynierskiego typu CAE, gdzie następuje przetworzenie modelu powierzchniowego na bryłowy oraz utworzenie tzw. siatki tetrahedralnej (elementów czworościennych).

Rys. 3. Trójwymiarowy model geometryczny rekonstruowanego stawu kolanowego:

a) z nawykowym bocznym zwichnięciem rzepki, b) ze złamaniem rozszczepiennym kłykcia bocznego kości piszczelowej.

a) d)

b)

c)

a) b)

298 Z. TRZECIAK, K. SKALSKI, T. SOWIŃSKI, K. KAŁUśYŃSKA, P. BORKOWSKI

Po wirtualnym przeniesieniu przyczepu dystalnego więzadła (rys. 4a) rzepki ocenia się funkcję dynamiczną, koncentrując się na zborności stawu rzepkowo-udowego (stopień dopasowania powierzchni stawowych) i prawidłowym napięciu bocznych i przyśrodkowych stabilizatorów rzepki. Natomiast w przypadku złamania nasady bliŜszej kości piszczelowej ocenia się kształt nasady bliŜszej piszczeli i powierzchnię stawową (rys. 4b).

Rys. 4. Wirtualne planowanie zabiegu ortopedycznego: a) optymalizacja pod względem

zbieŜności parametrów charakterystycznych z modelem uogólnionym, b) osteosyntezy złamania kości piszczelowej śrubami stawu kolanowego po zabiegu operacyjnym.

Następnym etapem jest przygotowanie do operacji, polegające na zachowaniu zaleceń

i ustaleń indywidualnych z lekarzem. W wybranych przypadkach naleŜy zaopatrzyć się w kule łokciowe lub stabilizator stawu. Wszystkie operacje wymagają stosowania profilaktyki przeciwzakrzepowej w postaci iniekcji heparyny niskocząsteczkowej. Czas operacji stawu kolanowego zaleŜy od rodzaju schorzenia i zakresu operacji, waha się od 30 minut do 1,5 godziny. 3. PROGRAM REHABILITACJI

Po operacji stawu kolanowego ustala się indywidualny program rehabilitacji. Program ten

zaleŜy od przyczyny dolegliwości oraz zastosowanego leczenia operacyjnego. Program obejmuje stosowanie unieruchomienia (np. orteza) z jednoczesnym wykonywaniem ćwiczeń. Program wyznacza cele, jakie mają być osiągnięte w kolejnych tygodniach po operacji. Ćwiczenia obejmują takŜe pozostałe kończyny, co przyspiesza powrót sprawności. Większość ćwiczeń moŜna wykonać w warunkach domowych pacjenta, w określonych przypadkach wymagana jest pomoc fizykoterapeuty. Ćwiczenia kończyny dolnej wspomagają takŜe krąŜenie i mają równieŜ działanie zapobiegające powikłaniom naczyniowym [5].

Rehabilitacja po leczeniu operacyjnym złamań nasady bliŜszej goleni. NiemoŜliwe jest zaplanowanie okresu przedoperacyjnego, gdyŜ uraz jest zdarzeniem losowym. W krótkim okresie naleŜy poinstruować pacjenta i zachęcić do ćwiczeń moŜliwych do wykonania w łóŜku ( ćwiczenia izometryczne, oddechowe, ćwiczenia wzmacniające siłę kończyn górnych oraz nieuszkodzonej kończyny dolnej) [9]. Do oceny klinicznej pacjentów zastosowano dwie skale ocen: a) skala Visual Analogue Scale (VAS), która oparta jest na 100 mm linii, (modelu stworzonym przez Kućera) [6], oznaczonej z jednej strony jako „nie mam bólu” a z drugiej „mój ból nie moŜe być większy” (rys. 5).

a)

b)

PRZEDOPERACYJNE I POOPERACYJNE PLANOWANIE ZABIEGU ORTOPEDYCZNEGO STAWU…299

Rys. 5. Wzór VAS zastosowany w badaniach

W trakcie badania pacjent oznacza (zaznaczając pionową kreską) miejsce, w którym według niego lokalizowało się w danej chwili poczucie dolegliwości bólowych. Odległość pomiędzy początkiem skali i punktem zaznaczonym przez pacjenta na linii mierzona była w centymetrach i nanoszona do tabeli wyników pacjenta. W analizie wyników (w skali VAS) oceniono stopień poprawy lub pogorszenia stanu zdrowia pacjenta. Na potrzeby analizy przyjęto interpretację poziomu bólu: 0-1 - bez dolegliwości bólowych, 1-3 - ból łagodny, 3-5 - ból średni, 5-7 - ból powaŜny, 7-9 - ból silny, 9-10 - najgorszy ból. Następnie kwalifikowano pacjentów do grupy poziomu bólu przed i po zabiegu i oceniano poprawę lub pogorszenie dolegliwości bólowych, jeŜeli ona nastąpiła. b) skala jakości Ŝycia Short Form Health Survey (SF-36) [10]. Do oceny ilościowej wypełnionego arkusza uŜyto kalkulatora zliczającego poszczególne odpowiedzi i grupującego wyniki w 8 kategoriach ujętych w poniŜszej tabeli. Do oceny kategorii skali SF-36 słuŜą pytania ze sfery zdrowia.

Tabela 1. Strefy zdrowia zawarte w kwestionariuszu SF-36 (http://www.medalreg.com/)

Sfera zdrowia Ilość pytań opisująca

sferę Opis sfery

Sprawność fizyczna (PF - Physical Function)

10 Wykonywanie czynności wymagających

wysiłku o róŜnej intensywności Ograniczenie czynności

codziennych oraz wykonywanych w pracy z

powodu zdrowia fizycznego (RP-Role – Physical)

4 Wpływ zdrowia fizycznego na codzienną

aktywność i wykonywaną pracę

Ból (BP-Bolidy Pain) 2 Obecność bólu, jego natęŜenie oraz wpływ na

codzienną pracę Ogólny stan zdrowia

(GH - General Heath) 5

Ocena własnego stanu zdrowia w porównaniu do innych osób i do stanu sprzed roku

śywotność (V - Vitality)

4 Uczucie pełności Ŝycia i energii oraz

wyczerpania i zmęczenia Funkcjonowanie socjalne (SF - Social Functioning)

2 Wpływ stanu zdrowia fizycznego i

emocjonalnego na kontakty z otoczeniem Ograniczenie czynności oraz

wykonywanych w pracy z powodu problemów

emocjonalnych (RE - Role – Emotional)

3 Wpływ problemów emocjonalnych na

wykonywanie codziennych czynności i pracy

Stan psychiczny (MH - Mental Heath)

5 Uczucie zdenerwowania, przygnębienia,

smutku W kaŜdej kategorii liczba pytań moŜliwych do uzyskania punktów wynosi od 0 do 100.

Wynikiem skali SF-36 jest iloraz uzyskanych punktów przez pacjenta do maksymalnej

Nie ma bólu Mój ból nie moŜe być większy

300 Z. TRZECIAK, K. SKALSKI, T. SOWIŃSKI, K. KAŁUśYŃSKA, P. BORKOWSKI

moŜliwej ilości punktów w teście. Analiza wyników poszczególnych pacjentów polega na zliczaniu róŜnicy w punktacji przed i po zabiegu. Na tej podstawie stwierdzamy poprawę lub pogorszenie stanu zdrowia pacjenta. 4. WNIOSKI KOŃCOWE I UWAGI

Współczesna technika obrazowania daje moŜliwości uŜytecznego i nieinwazyjnego przedstawienia trójwymiarowego modelu geometrycznego stawu. Prawidłowo przygotowany model moŜe stanowić podstawę do dalszych badań z zastosowaniem oprogramowania CAE.

Metodyka planowania i realizacji operacji klinicznej pokazuje moŜliwość współpracy lekarza z inŜynierem w opracowaniu techniki planowania zabiegów operacyjnych przy uŜyciu zastosowanej metody i pozwoli na zbliŜone do anatomicznego odtworzenia geometrii stawu kolanowego.

Zastosowana metoda pozwoliła na wcześniejszy dobór prawidłowej metody operacji, co ma niewątpliwy wpływ na końcowy efekt kliniczny.

Prawidłowo przygotowana ścieŜka rehabilitacji pacjentów po wykonanym zabiegu operacyjnym znacznie wpływa na poprawę jakości Ŝycia i przyspiesza powrót do sprawności chorego po operacji.

LITERATURA

1. Berman A.T., McGovern K.M., Paret R.S. Yanicko D.R.: The use of preoperative computed tomography.

“Clin. Orthop.” 1987, No 222, 190. 2. Caruntu DI., Hefzy MS.: 3-D anatomically based dynamic modeling of the human knee to include tibio-

femoral and patello-femoral joints. “J Biomech Eng.” 2004 Feb;126(1, p.44-53. 3. Domański J., Skalski K.: Detection method of bone tissue edges in tomography imaging and their

reconstruction for the need of orthopaedics engineerin. Przegląd Lekarski” 2004, nr 61,s. 36-39. 4. Kalewski A., Kwiatkowski K., Piekarczyk P., Bartoszewski D., Dąbrowski M.: Operacyjne leczenie

zmiaŜdŜeniowych, stawowych złamań kłykcia bocznego kości piszczelowej. „Kwart. Ortop.”, 1999, 3, s. 229-244

5. Kowalski I.M., Mrozkowiak M.: Rehabilitacja pourazowa stawu kolanowego.„ Ortopedia Traumatologia Rehabilitacja”, 2000, nr 3.

6. Kućer Z.: The objective measurement of pain in orofacial surgery. “Acta Stomatologia” 2003, (19), s. 41 7. Laurin CA., Dussault R., Levesque HP.: The tangenital X-ray investigation of the patellofemoral joint: X-

ray technique, diagnostic criteria and their interpretation. “Clin Orthop.’ 1974, 144, s. 16-26. 8. Martinez S., Korobkin M., Fondera FB. et all.: Diagnosis of patellofemoral malalignment by computed

tomography. “J Comput Assist Tomogr”. 1983, 7, p.1050-1053. 9. Odyński B., Usprawnianie stanów pooperacyjnych w obrębie stawu kolanowego. Warszawa:PZW, 1978. 10. Ware J.E., Sherbourne C.D.: The MOS 36-item short-form health survey (SF-36) 1: conceptual framework

and item selection. “Med Care” 199, 30 p.. 473-483

PRE- AND AFTER-OPERATION PLANNING OF THE SURGERY OF ORTHOPEDIC KNEE JOINT AND ITS

REHABILITATION Summary. The methodology of operation planning and computer simulation for

both traumatological and pathological case is shown in the paper. After brief description of the methodology an idea of operation planning is presented. The operation planning comprises contemporary computer aided techniques, i.e. CT/CAD/CAE. The role of those techniques are presented as well as examples of their clinical applications. Rehabilitation of patient is the final step of the methodology.