3D визуализация повышает точность диагностики и хирургии опорно-двигательного аппарата

Недавний прогресс в визуализации 3D-технологий позволили радиологам и хирургам-ортопедам все чаще работать вместе для более качественного лечения пациентов с различными костно- мышечными состояниями.

Многочисленные достижения, в первую очередь в области компьютерной томографии и магнитно-резонансной томографии, позволили создать 3D-изображения и 3D-печатные модели, которые помогают в планировании и проведении операций на коленном, тазобедренном суставах, а также на позвоночнике.

«Вероятно, наиболее значительным достижением, которое позволило осуществить переход от 2D- визуализации к 3D-визуализации, является технология, позволяющая достичь максимально тонкой толщины среза на компьютерном томографе», — сказала доктор Нэнси М. Мейджор, профессор радиологии и диагностики Медицинского факультета Университета Колорадо в Аншутце.

Хотя КТ была основным типом ортопедической 3D-визуализации, МРТ начала становиться еще одним важным методом визуализации в этой специальности. По словам доктора Холлис Г. Поттер, руководителя отделения радиологии и визуализации и заведующей кафедрой МРТ-исследований в Hospital for Special Surgery в Нью-Йорке, МРТ 3D-визуализация стала особенно актуальной благодаря включению параллельной визуализации, что сократило время сканирования.

«Сейчас мы работаем над такими вещами, как алгоритмы подавления шума, которые используют искусственный интеллект, чтобы убрать часть шума с МРТ-изображений и еще больше сократить время сканирования», — сказала Поттер Orthopaedics Today.

Поскольку технология 3D визуализации продолжает развиваться, радиологи и ортопеды, опрошенные для этого интервью, обсудили схему сложного, но интуитивно понятного технологического курса для планирования и выполнения различных хирургических процедур, связанных с опорно-двигательными аппаратом и травмами.

Переход от 2D к 3D изображениям

Что касается трехмерной визуализации с помощью компьютерного томографа, Мейджор отметила эволюцию от продолжительного исследования, которое включало полный срез ткани, к тому, которое выполняется с более тонкими срезами и столом, который движется по спирали.

«Эта технология изменила способ выполнения компьютерной томографии и, следовательно, очень помогает клиницистам с преобразованиями в сагиттальной и корональной проекциях, а также в создании реконструкций 3D-изображений», — сказала Мейджор.

По словам доктора Эндрю Т. Пеннока, хирурга детской и спортивной медицины из Rady Children’s Hospital-San Diego, трехмерная компьютерная томография — это основной метод, который он видел в клинических условиях, особенно при планировании операций. Тем не менее, он сказал, что применение 3D-МРТ улучшается и, скорее всего, скоро найдет дополнительное применение.

«Большинство этих технологий требуют какой-либо обработки после получения, которая может занять много времени и может повлечь за собой некоторые сопутствующие расходы», — сказал Пеннок. «Вот почему мы использовали его в основном для исследовательских целей».

По словам доктора Брэда Л. Пененберга, руководителя отделения эндопротезирования тазобедренного и коленного суставов в Cedars-Sinai Medical Center в Лос-Анджелесе, «использование трехмерной визуализации, будь то КТ или МРТ, в сочетании с ортопедическими операциями обеспечило значительные преимущества по сравнению с использованием только двухмерной визуализации».

«Эта новая технология позволяет преобразовывать стандартный цифровой двумерный рентгеновский снимок в трехмерную модель, которую затем можно просматривать в предпочтительном положении, даже если рентгеновский луч был неправильно позиционирован. Это крупный прорыв в области возможностей интраоперационной визуализации», — сказал он. «Это позволяет хирургу во время операции с пациентом под анестезией, когда время критично, делать 2D-изображение по существу, а затем преобразовывать в 3D-модели. Затем эта 3D-модель становится свободно перемещаемой и может быть расположена там, где в желаемых ориентациях можно провести все необходимые измерения».

В сообщениях также отмечается, что трехмерное изображение позволило глубже понять анатомию позвоночника.

«Методика позволяет вам визуализировать весь позвоночник, чтобы понять, что происходит, и дает хирургам лучшую визуализацию всех необходимых срезов и плоскостей, которые вы видите на 3D-изображениях», — отметил доктор Шей Бесс, директор по хирургическому качеству и использованию ресурсов для лечения позвоночника в Presbyterian/St. Luke’s Medical Center в Колорадо.

Помимо КТ и МРТ, другие методы сканирования также включают трехмерную визуализацию, например систему фотографирования всей поверхности тела, созданную 3dMD, которая, по словам Поттер, особенно эффективна для пациентов со сколиозом. По ее словам, фотографическая система отслеживает изменения кривизны позвоночника без использования рентгеновского излучения и дает возможность снизить нагрузку ионизирующего излучения, что особенно важно для детей.

Лечение пациентов

Согласно источникам, 3D визуализация полезна при использовании при определенных скелетно- мышечных состояниях, таких как детская и взрослая деформация позвоночника.

«Это очень полезно в контексте деформаций позвоночника, в том числе больших деформаций или врожденных аномалий, когда позвонки деформированы и / или отсутствуют и врожденно сливаются или отсутствуют какие-то части позвоночника», — сказал Бесс. «Это также полезно для пациентов, у которых была предшествующая операция или операции, где анатомия искажена из- за предыдущих операций, связанных со спондилодезом».

Однако Бесс отметил, что при обычном недеформированном позвоночнике трехмерная визуализация может быть менее необходимой, хотя она все же может быть полезной, особенно если для установки имплантатов используется система навигации по изображению.

По словам Бесс, технология 3D-печати позволяет хирургам создавать имплантаты, действительно подходящие для каждого пациента.

«Трехмерное изображение можно использовать как в пространстве между позвонками, так и с помощью винтов и других имплантатов, которые мы используем для фиксации и спондилодеза», — сказал он. «Созданные для конкретного пациента 3D-имплантаты — это шаг в будущее по сравнению с имплантатами, не специфичными для пациента. Я считаю, что область имплантатов, созданных для конкретных пациентов, будет заметно расширяться».

Согласно Мейджор, «использование 3D реконструкций улучшило общее предоперационное хирургическое планирование со стороны рентгенолога, особенно что связано с опухолями опорно-двигательного аппарата и для некоторых новых методов визуализации тазобедренного сустава, которые позволяют хирургам видеть, сколько кости может потребоваться удалить во время операции».

«При эндопротезировании тазобедренного сустава нет очевидных недостатков в возможности создания трехмерной работоспособной модели, поэтому мы можем регулировать ориентацию таза или бедра, чтобы проводить точные измерения и избегать повторного использования рентгеновских лучей», — сказал Пененберг.

По словам Пеннока, недостатки компьютерной томографии, особенно среди молодых пациентов, связаны с радиационным воздействием.

«Я стараюсь не выбирать КТ в качестве метода визуализации первой линии, поэтому МРТ, безусловно, имеет преимущества, потому что мы обычно делаем МРТ в любом случае, чтобы подтвердить разрыв передней крестообразной связки, а также любые связанные с ней травмы и патологические состояния», — сказал он. «Мы можем обрабатывать МРТ-изображения в формате 3D, что дает хорошее трехмерное представление об анатомии».

Вдобавок, особенно для сложной морфологии блоковидных суставов, создание трехмерных МР- изображений может занять много времени и трудозатрат. «Это не так практично в нынешнем формате, поэтому я научился использовать 2D-изображения для хирургического планирования».

3D-визуализация тазобедренных суставов, коленных суставов и позвоночника

Согласно источникам, 3D-изображения стали играть роль в оценке и лечении соединения таза и позвоночника, особенно в определении правильной ориентации таза. По словам Пененберга, у пациентов с прогрессирующим остеохондрозом с ригидностью поясничного отдела позвоночника или у тех, кто ранее перенес операцию на позвоночнике, будет наблюдаться ограничение движения только в поясничном отделе позвоночника, либо пояснично-крестцовый переход может быть иммобилизован или иметь значительно ограниченную подвижность.

«Исторически мы делали рентгеновские снимки таза в заданной ориентации, когда пациент находился в положении лежа на спине, но за последние несколько лет мы узнали, что люди с заболеваниями позвоночника могут иметь совершенно другую ориентацию таза, когда они стоят, или когда переходят из положения сидя в положение стоя», — сказал он. «Между позвоночником и тазом может быть или не быть гибкости, поэтому это осознание привело к пониманию того, что, когда мы измеряем положение ацетабулярной чашки, функциональная ориентация теперь для большинства людей считается рентгеновским снимком таза стоя, а не традиционный рентгеновский снимок лежа на спине».

Используя это изображение в качестве ориентира, хирурги-ортопеды могут продолжить эндопротезирование тазобедренного сустава, используя электронные или роботизированные методы наведения. По словам Пененберга, хирурги могут сделать 2D-рентген, а затем спроецировать его в предварительно сформированную 3D-сетку на основе предоперационной МРТ или компьютерной томографии пациента с помощью алгоритма, содержащегося в недавно разработанном программном обеспечении, процесса, который переориентирует 2D-рентген изображение, соответствующее предоперационной контрольной рентгенограмме.

Использование в хирургическом планировании

Для предоперационного планирования операций на позвоночнике трехмерная визуализация позволяет получить более детальные детали позвоночника.

«Трехмерная модель представляет собой подробную структуру, на основе которой хирурги могут затем спланировать не только место установки имплантатов или транспедикулярных винтов, но также определить, какие области нуждаются в остеотомии или, возможно, ранее подвергались декомпрессии», — сказал Бесс. «Помимо дальнейшего повышения точности хирургического планирования, это заставляет хирургов планировать операции, что является лишь половиной дела. Если мы потратим время на планирование, даже если план может быть изменен, акт хирургического планирования продвинет хирургов намного дальше и подготовит хирурга и пациента к операции».

Трехмерная визуализация для предоперационного планирования эндопротезирования тазобедренного сустава является относительно новой возможностью, и ее можно использовать с помощью нового программного обеспечения, которое может использовать трехмерную визуализацию для планирования положения ацетабулярной чашки и обеспечения большей точности требований к размеру компонентов. По словам Пененберга, у хирургов теперь есть возможность взглянуть на компьютерную томографию или МРТ с помощью программного обеспечения для трехмерной визуализации и выбрать подходящие имплантаты с правильным размером и размещением. Однако хирурги также должны учитывать другие факторы, такие как корректировка длины конечности и корректировка смещения, в зависимости от стадии имеющегося заболевания тазобедренного сустава.

«Когда мы делаем шаблон, мы делаем оценку на стандартных рентгеновских снимках, и мы можем проводить измерения неравенства длины конечностей, потери костной массы и смещения центра бедра от нормального положения», — сказал Пененберг. «Затем мы можем использовать предварительный 3D-шаблон для достижения точности с точки зрения информации о размерах, а затем использовать эту информацию о размерах во время операции, чтобы оставаться в безопасности и ускорить принятие решений во время операции».

Для эндопротезирования коленного сустава интраоперационная 3D-визуализация используется в основном в контексте робототехники, которая, как отметил Пененберг, развивалась значительно быстрее, чем робототехника для тазобедренного сустава. По его словам, хирурги-ортопеды обычно применяют робототехнику для коленного сустава с большей готовностью, чем для тазобедренных суставов. Используют они ее на нескольких фронтах: подготовка кости и установка имплантата, что необходимо учитывать для коленного сустава и использования трехмерной визуализации.

«Визуальная информация, которую мы получаем во время эндопротезирования коленного сустава, теперь связана с использованием робототехники и роботизированного управления, но замена тазобедренного сустава пока не получила широкого распространения в этом направлении», — сказал Пененберг. «Стоимость для использования робототехники при эндопротезировании тазобедренного сустава остается значительной».

3D-визуализация в онкологической ортопедии

В контексте ортопедической онкологической хирургии определение размера опухолевой массы может быть столь же важным, как и определение того, на какие структуры и ткани она может воздействовать. В качестве примера Поттер упомянула хирурга, которому нужно знать, может ли опухоль бедра прилегать к седалищному нерву.

«Приступая к операции, хирург хочет точно знать, с чем он или она столкнется, когда откроют пациента, поэтому 3D-изображения могут быть полезны при оценке воздействия опухоли на жизненно важные нервно-сосудистые структуры или мышцы», — сказала она.

Онколог-ортопед часто использует МРТ для оценки структур мягких тканей, что, по словам Мейджор, полезно, если поражение существует внутри мягких тканей. Однако, если поражение возникло в кости, МРТ помогает показать степень поражения, а 3D-реконструкции для КТ могут помочь показать путь сосуда над поражением.

По ее словам, 3D-изображения могут помочь онкологам в решении важных хирургических вопросов.

«Как выглядит кость?» — сказала Мэйджор. «Какая часть кости будет удалена? Можем ли мы разместить там оборудование для спасения конечности? В условиях ортопедической онкологии полезно иметь как можно больше этой информации перед тем, как отправиться в операционную, поэтому обычно это сочетание исследований, которое помогает принять важные решения».

Дополнительные шаги, рекомендации по обучению

Согласно источникам, 3D визуализация, которая помогает хирургически лечить опорно- двигательный аппарат, сопровождается несколькими дополнительными шагами или дополнительными тренировками со стороны радиологов и ортопедов.

«После того, как вы проанализируете трехмерное изображение, большинство хирургов-ортопедов смогут с ним справиться, будь то МРТ или любой другой метод, потому что это стало обычным явлением, особенно для компьютерной томографии», — сказал Пеннок. «Это, кажется, большинство хирургов-ортопедов и врачей, связанных с опорно-двигательным аппаратом, довольны таким подходом»

Обучение радиологов во время ординатуры достаточно для интерпретации любого трехмерного обследования, которое сопровождает исследование, что означает, что они «вырастают» с инструментами для интерпретации этого изображения, по словам Мейджор.

Однако, по словам Поттер, радиологи могут получить еще большую выгоду от участия в стажировке по ортопедической визуализации.

По словам Мейджор, в радиологическом комплексе не требуется никакого дополнительного оборудования для 3D-визуализации, при этом базовым требованием для его использования является компьютерный томограф, который может производить достаточно тонкие срезы.

Дополнительные расходы

Однако использование технологии 3D-изображения может повлечь дополнительные затраты. Это может варьироваться в зависимости от учреждения.

«Большинство страховых компаний, с которыми мы сталкиваемся в нашем учреждении, не возмещали расходы на 3D-изображения, так что это затраты, которые мы либо принимаем, либо закладываем в наши бюджеты на исследования», — сказал Пеннок.

Он отметил, что основное оборудование, необходимое для получения трехмерных изображений, используемых во время операции, — это iPad или компьютерный монитор, подключенный к процессору, а также программное обеспечение для трехмерного изображения, которое может стоить от 80 000 до 90 000 долларов. Он сказал, что это дешевле, чем роботизированное хирургическое оборудование, и имеет такую же точность.

Что касается конкретного программного обеспечения, Пененберг работал с Radlink Inc. над разработкой технологии 2D в 3D в рамках собственного пакета программного обеспечения.

«Он проводит хирурга через весь процесс, делая все необходимые измерения, поэтому в конце он точно знает, что у него есть, и, если есть корректировки, которые необходимо внести, их можно

сделать в ходе операции. Мы больше не зависим от послеоперационного рентгеновского снимка, чтобы определить точность нашей операции, когда, вероятно, слишком поздно и высок риск внести определенные коррективы», — сказал он.

Другие специальные технологии трехмерной визуализации включают рентгеновскую систему EOS, которую Пеннок использовал для оценки вращательных аномалий нижних конечностей. Он описывает это как «перспективную технику».

Пакет программного обеспечения для постобработки 3D от Potter Sectra, Ortho Tool.

«Система хорошо работает при оценке травм, таких как переломы таза или вертлужной впадины, а также сложные переломы верхних конечностей», — сказал он. «Это также позволяет нам создавать 3D-модели состояний, которые требуют высокоточной резекции кости, например, при импиджмент-синдроме тазобедренного сустава».

Будущая эра визуализации, инноваций

Пеннок сказал, что трехмерное ультразвуковое исследование в реальном времени может открыть новую эру инноваций в ортопедической хирургии.

«В нашем учреждении мы заинтересованы в более глубоком понимании морфологии блока у новорожденных детей, а 2D-УЗИ не отражает сложной анатомии коленного сустава», — сказал он. «3D-УЗИ не требует излучения, обладает минимальной стоимостью и позволяет нам увидеть суставной хрящ. Я предполагаю, что мы движемся в правильном направлении».

По словам Поттер, такие методы, как предоперационная виртуальная артроскопия и предоперационное планирование операции, могут избавить от многих неизвестных об операции.

«Концепция использования координатных меток в операционной, потенциально с использованием роботизированной хирургии, упростит работу и сократит время анестезии, сократит время операции и в целом улучшит оперативное восстановление и результат операции», — сказала Поттер.

Бесс подчеркнул важность дополнительных исследований в области формирования и улучшения приложений трехмерной визуализации.

«Я не думаю, что можно ставить технологии выше исследований, — сказал Бесс. «Я думаю, у вас должны быть исследования, подтверждающие эту технологию. У нас есть эта технология, и теперь нам нужно применить ее к тому, что мы находим и, надеюсь, что улучшаем для наших пациентов. Только исследования могут дать все ответы».

Источник: https://www.healio.com/news/orthopedics/20201015/evolving-3d-imaging- technologies-have-changed-the-surgical-landscape-in-spine-tja-oncology