Воронкообразная грудная клетка — это распространенная деформация грудной клетки, которая клинически проявляется как аномальное искривление назад и впадина нижней средней части грудины и ребер по обе стороны передней грудной стенки, напоминающая воронку. Патогенез воронкообразной грудной клетки различен: развитие грудины и реберных хрящей, аномальное развитие диафрагмы, обструкция дыхательных путей и генетические факторы. Традиционные методы включают в себя разворот грудины по Ваде и подъем грудины по Равичу, но они постепенно заменяются малоинвазивным подъемом грудины с имплантацией пластины (процедура Нусса) из-за высокой травматичности, кровотечения и плохих результатов после операции. После постоянных доработок и усовершенствований процедура Нусса стала общепринятой хирургической процедурой для лечения воронкообразной груди. Однако по мере того, как эта процедура становилась все более распространенной, а процесс обучения приобретал все большую популярность, все чаще стали появляться сообщения об осложнениях, связанных с процедурой Нусса. Серьезные осложнения, такие как перфорация сердца, могут даже представлять угрозу для жизни пациента. Как оценить тяжесть воронкообразной грудной клетки до операции, более точно сформировать опорную пластину, уменьшить послеоперационное смещение пластины и боль, а также научно оценить послеоперационный ортопедический исход — все эти вопросы встали перед клиницистами. Быстрое развитие компьютерных технологий, технологий обработки изображений, медицинской физики и оптики обеспечило мощную поддержку медицинской диагностики и лечения, а развитие технологии компьютерного моделирования на этой основе предоставило клиницистам полезный способ сократить время обучения и уменьшить осложнения операции Нусса. В этой статье мы обсуждаем потенциальное применение технологии компьютерного моделирования в лечении воронкообразной груди в контексте нашего собственного опыта клинической практики.
1. материалы и методы
1.1 Клинические данные
Семьдесят шесть пациентов с подробными клиническими данными и результатами наблюдения за воронкообразной грудной клеткой были собраны с апреля 2007 года по август 2010 года, все они перенесли операцию Нусса и получали регулярное послеоперационное наблюдение. Среди них было 55 мужчин и 21 женщина со средним возрастом 9,4 года.
1.2 Метод анализа
Для оценки степени воронкообразной деформации грудной клетки использовался индекс Холлера, послеоперационная боль оценивалась с помощью визуальной аналоговой шкалы VAS, а также оценивалось, сместились ли пластины по данным фронтальной и боковой грудной пленки на момент последующего наблюдения.
2. Результаты
Всем пациентам была проведена компьютерная томография для оценки степени деформации, а индекс Холлера варьировался от 4,2 до 25,6. 18 пациентам во время операции были установлены двойные пластины. В дополнение к визуальной оценке ортопедического результата, во время последующего наблюдения также проводилась объективная оценка с помощью рентгенографии грудной клетки или компьютерной томографии. В четырех случаях семья отказалась от пересмотра снимков и последующего наблюдения из-за страха перед возможным радиологическим ущербом. При оценке послеоперационной боли все пациенты испытывали боль различной степени выраженности, причем у 82,7% из них боль была сильной. В трех случаях наблюдалось смещение пластины после операции, сколиоза не было.
3. Обсуждение
За последние три года автор выполнил около 80 операций по методу Нусса и его модификаций, используя КТ 3D визуализацию для предоперационной оценки степени воронкообразования, и разработал лучшую систему оценки с точки зрения длины, количества пластин и пластичности. Однако до сих пор существуют недостатки в оценке боли пациента и прогнозировании ортопедического вида, и в Китае нет соответствующих исследований или отчетов. Технология компьютерного моделирования является безопасной, воспроизводимой и высокоточной, и в данной статье мы обсудим ее применение в лечении воронкообразной груди со следующих аспектов.
3.1 Система объективной оценки воронкообразной грудной клетки
Диагноз воронкообразной грудной клетки может быть поставлен сразу на основании визуального осмотра грудной клетки, однако степень деформации грудной стенки и ее послеоперационный исход требуют объективных показателей для оценки. От первоначального измерения штангенциркулем переднего/заднего/латерального диаметра грудной клетки и измерения воронкообразного выпота перешли к расчету расстояния между грудными клетками, индекса воронкообразной грудной клетки и индекса Холлера после рентгенографии и компьютерной томографии, и вышеуказанные показатели могут быть использованы для оценки степени деформации большинства воронкообразных грудных клеток. В клинической практике автор в основном использует индекс Холлера как объективный показатель для оценки степени деформации. Однако предоперационное определение формы и положения ортопедической пластины и прогнозирование послеоперационной коррекции внешнего вида, особенно в случае асимметричной и сложной воронкообразной грудной клетки, тесно связано с клиническим опытом хирурга, а форма и положение пластины часто субъективны и неопределенны. Поэтому часто приходится неоднократно менять схему формирования и переставлять пластины из-за неудовлетворительных ортопедических результатов. Если мы хотим избежать субъективной предвзятости при коррекции воронкообразной груди и свести к минимуму кривую обучения, нам необходимо создать стандартную систему объективной оценки. Конечные элементы, один из распространенных методов численных расчетов, широко используются в инженерной обработке изображений и алгоритмах визуализации. Его интеграция в медицинскую сферу является недавно разработанной и развивающейся междисциплинарной областью исследований. Создание сетки конечных элементов является важнейшим этапом численного моделирования и напрямую влияет на точность последующего численного анализа. В целом, увеличение количества сеток повышает точность расчета, но в то же время увеличивается и размер расчета, поэтому при определении количества сеток следует учитывать оба фактора.
Оптический бесконтактный метод трехмерного измерения формы — это высокоточный, эффективный и бесконтактный высокоскоростной метод контроля, основанный на алгоритмах конечных элементов. Глинковски и др. спроектировали и разработали оптическую измерительную систему с цифровой проекцией полос специально для определения степени воронкообразной деформации грудной клетки. Система использует проектор в качестве активного источника проекции, а схема, период и фазовый сдвиг полос структурированного света проектируются в компьютере до получения сигнала. Рисунок полос проецируется проектором на тело пациента, и полоса изгибается в зависимости от высоты воронкообразной поверхности груди, представляя степень деформации воронки в трех измерениях. CCD-камера, окружающая пациента, снимает профиль грудной клетки человека в состоянии покоя и получает плотное облако данных. Затем данные поступают в компьютер через цифровой преобразователь для упорядочивания, объединения и трехмерной реконструкции, в результате чего создается трехмерная цифровая модель грудной клетки воронки. Полосатая решетка управляется синусоидальными сигналами и двоичным кодированием Грея, и интенсивность полосатой решетки не так легко зависит от окружающей среды. Система может собирать до 4 миллионов облаков точек с точностью 0,2-0,4 мм и временем сбора данных 0,7 с, что делает ее преимуществом для детей с плохим контролем. Еще одной отличительной особенностью является то, что система полностью свободна от радиоактивного всасывания, что снижает вероятность радиологического повреждения и облегчает непрерывную, многократную оценку послеоперационной коррекции при последующем наблюдении. Этот оптический метод трехмерного измерения позволяет получить индекс для оценки степени фуникулярной деформации, I3ds, который рассчитывается как отношение кратчайшего расстояния между передней и задней грудными стенками на уровне наибольшей фуникулярной депрессии к ширине грудной стенки на этом уровне, и положительно коррелирует с индексом Холлера, что подтверждается одновременными измерениями КТ. 1.2775 (X=I3ds, Y=Индекс Халлера).
3.2. Оценка послеоперационной боли
Послеоперационная боль является одним из наиболее распространенных осложнений после операции Nuss, и если не проводить агрессивное лечение, у пациентов часто развиваются вторичные респираторные осложнения и потенциальная возможность смещения пластины и приобретенного сколиоза. В настоящее время боль купируется клинически с помощью различных способов обезболивания, но активных защитных стратегий уменьшения боли не существует. В исследовании, проведенном с использованием программы анализа конечных элементов ANSYS для оценки влияния количества ортопедических пластин на послеоперационную боль после операции Nuss, Nagasao et al [8] использовали 6, 18 и 36 балочных блоков для построения трехмерных моделей ребра, грудины и тела позвонка, соответственно, и реберного хряща в соответствии с его морфологическими особенностями. Сложность реберного хряща была построена из 3-10 балочных единиц. Результаты этого анализа показали, что частота эпидуральной контролируемой анальгезии (PCEA), необходимой для обезболивания, была значительно выше в первой группе по сравнению со второй, а время возвращения к активности после операции было больше, чем в группе с двойной пластиной. При анализе производства стресса по отдельным участкам между двумя группами не было выявлено существенных различий, за исключением четвертого и пятого ребер, которые статистически различались (одинарных пластин было больше, чем двойных). Причина различных уровней боли, связанных с разным количеством пластин, может быть связана с тем, что двойная пластина рассеивает нисходящие нагрузки, возникающие при подъеме грудины, и уменьшает торсионные силы, возникающие при потенциальном вращении пластины, что приводит к меньшей боли в целом в группе с двойной пластиной, чем в группе с одинарной пластиной. Если будут проведены дальнейшие рандомизированные контролируемые исследования, стратегия двойной пластины может быть использована не только для коррекции сложных воронкообразных грудных костей, но и в качестве меры по уменьшению послеоперационной боли.
3.3 Анализ нагрузки на пластину и грудную клетку
Большинство пластин, используемых в настоящее время в процедуре Nuss, импортируются из-за рубежа, но считается, что аналогичные отечественные альтернативы рано или поздно появятся в клинике. Это неизбежно приведет к различиям в ортопедических результатах из-за разных материалов и производственных процессов. Краузе и др. исследовали силы, действующие на пластины из различных материалов, разной длины и толщины после ортопедической операции, используя анализ методом конечных элементов и принцип модуля Юнга. Результаты показывают, что при увеличении толщины стальной пластины из титанового сплава с 2,5 мм до 3,5 мм расстояние, необходимое для выпрямления центральной области пластины, значительно уменьшается, но местное давление существенно не изменяется. Как и стальная пластина из титанового сплава толщиной 3,5 мм, стальная пластина из хромоникельмолибденового сплава толщиной 3,5 мм также имеет свойство требовать меньше формообразования, но предельное давление в месте контакта этих двух материалов с грудиной не должно превышать 895 МПа и 690 МПа соответственно, иначе превышение предела растяжения материала легко приведет к деформации опорной пластины и потере долгосрочного формообразующего эффекта. Чанг и др. из Университета Чанг Гунг, Тайвань, использовали анализ методом конечных элементов в сочетании с программным обеспечением системы 3D визуализации AMIRA для сбора данных трех детей с симметричной воронкообразной грудной клеткой с помощью 16-рядной компьютерной томографии и провели исследование для моделирования напряжений в различных частях грудной клетки после операции Нусса. Результаты показали, что хрящи третьего-седьмого ребер подвергаются большим нагрузкам вместе с грудиной и ребрами, но давление на третье-седьмое ребро было наиболее выражено в дорсальной области около позвоночника, где среднее значение локального максимального давления достигало 35,5 МПа. Авторы объясняют возможный послеоперационный сколиоз Нусса аномальными нагрузками. Эта математическая геометрическая модель, основанная на КТ-сканах, использовалась для конечно-элементного анализа и оценки процедуры Nuss, предоставляя клиницисту предоперационную числовую информацию, такую как форма опорной пластины, размещение реберного пространства, измерение напряжения, количество пластин и т.д. С другой стороны, система имеет недостатки, связанные с невозможностью достижения максимального соответствия из-за таких факторов, как пиксели КТ-изображения и толщина скана. Однако с развитием технологии компьютерной томографии эта система получила потенциальное клиническое применение.
3,4. хирургическая симуляция
Nagasao et al. использовали алгоритмы конечных элементов и программное обеспечение компьютерной визуализации для моделирования процедуры Nuss у 18 пациентов с воронкообразной грудной клеткой, включая 10 детей и 8 взрослых. Nuss и спрогнозировали их послеоперационную механику напряжения для каждого ребра в связи с изменением профиля грудной клетки. Исследователь использовал шесть точек на модели, включая середину грудины, глабеллу и реберные хрящи ребер, пересекающие опорную пластину с обеих сторон, в качестве точек оценки для моделирования до и после моделирования по методу Нусса. Средний коэффициент корреляции достигал 0,997, а в одном случае смоделированный результат даже совпал с реальной ситуацией. При исследовании прогнозируемых значений напряжения в 12 ребрах после процедуры Нусса авторы обнаружили, что у взрослой группы ребра подвергались большему напряжению, чем у детей, причем у первых напряжение возникало в основном в третьем-седьмом ребрах, а у вторых — только в опорных ребрах пластины (в основном в пятом ребре). Этот результат совпал с клиническим временем возвращения к активности: 2,3±1,2 дня в детской группе по сравнению с 5,1±1,6 днями во взрослой группе, что говорит о том, что взрослая группа испытывала более сильную боль после процедуры Nuss. Это явление можно объяснить большей эластичностью реберного хряща у детей, который поглощает большую часть напряжения, вызванного подъемом грудины, в то время как у взрослых жесткость реберного хряща увеличилась, поскольку он окостенел и не способен поглощать напряжение, вызванное подъемом грудины, и передавать его на соседние ребра. В этом исследовании авторы также рассчитали напряжения в кортикальной кости, отменной кости и хряще в результате растяжения, которое происходит после ортопедических операций, используя принцип модуля Юнга. Причины различной степени боли у детей и взрослых из-за разной плотности костной ткани после операции Нусса объясняются с точки зрения механики материалов.
С ростом использования компьютерного моделирования в клинической практике, клиницисты могут использовать результаты моделирования для формирования ортопедической пластины перед Nuss, для оценки целесообразности количества и расположения пластин, для прогнозирования степени потенциальных осложнений, таких как боль, и для снижения риска клинической неопытности. Это также позволяет пациентам и их семьям иметь хорошее представление о степени тяжести воронкообразной грудной клетки и предварительный просмотр послеоперационного ортопедического вида до операции, что повышает их уверенность в способности к выздоровлению. Создание большего количества систем оценки без приема радиоактивных веществ позволит лучше оценить результат процедуры и последующее наблюдение.