Zastosowanie tomografii komputerowej do opracowania protezy Codubix® na indywidualne zamówienie pacjenta

Krzysztof Karbowski 1, Marek Moskała2, Jarosław Polak2, Witold Sujka3, Andrzej Urbanik4

1Politechnika Krakowska, Katedra Inżynierii Procesów Produkcyjnych

Kierownik Katedry: prof. dr hab. inż. Józef Gawlik

2Uniwersytet Jagielloński, Collegium Medicum, Klinika Neurochirurgii i Neurotraumatologii

Kierownik Kliniki: prof. UJ dr hab. med. Marek Moskała

3Tricomed S.A

4 Uniwersytet Jagielloński, Collegium Medicum, Katedra Radiologii

Kierownik Katedry: prof. dr hab. med. Andrzej Urbanik

 

Summary

Traditional cranioplasty involves preparation of the shape of skull bone during the surgery. To assure the proper shape of the graft and to eliminate intraoperative shaping of its edges and attempt to establish a procedure enabling to prepare a graft individually adjusted to the shape of a patient’s head was made. The ground for preparing a graft is image data analysis obtained during CT scan procedure with special software that identifies the location of skull bones. The result of using this software is a spatial point cloud which is transferred do the computer modelling system. In this system skull and graft modelling is made and a processing program is generated for the milling centre which helps to prepare the graft matrix.

Material and methods. Image analysis obtained from CT scans and computer modelling enabled to prepare a matrix for shaping Codubix® skull bone grafts.

Results. Implantation of individually prepared Codubix® grafts improves surgeon’s comfort of work,  reduces surgery time, blood loss, influencing patient’s safety and costs of anaesthesia.

Conclusions. The use of computer modelling enabled to prepare a skull bone graft individually adjusted to the shape of a patient’s head.

Key words: cranioplasty, image analysis, computer modelling

Streszczenie

Wstęp. Tradycyjnie przeprowadzany zabieg kranioplastyki wymaga przygotowania kształtu protezy czaszkowej w trakcie operacji. Aby zapewnić odpowiedni kształt protezy oraz wyeliminować konieczność śródoperacyjnego kształtowania jej krawędzi podjęto próbę opracowania procedury, polegającą na przygotowaniu protezy indywidualnie dopasowanej do kształtu głowy pacjenta. Podstawą do przygotowania protezy jest analiza danych obrazowych uzyskanych w badaniu tomografem komputerowym (TK), dokonywana przez specjalnie do tego celu opracowane oprogramowanie, które identyfikuje położenie krawędzi kości czaszki. Wynikiem pracy programu jest przestrzenna chmura punktów, która przesyłana jest do systemu modelowania komputerowego. W systemie tym wykonywane jest modelowanie czaszki i protezy oraz generowany jest program obróbkowy dla centrum frezarskiego, za pomocą którego zostanie wykonana matryca protezy.

Materiał i metody. Analiza obrazów uzyskanych metodami tomografii komputerowej oraz modelowanie komputerowe pozwoliły na przygotowanie matrycy do kształtowania protezy czaszkowej Codubix®.

Wyniki. Implantacja indywidulanie przygotowanego Codubix®-u  poprawia komfort pracy

chirurga, redukuje czas operacji, utratę krwi, wpływając na bezpieczeństwo chorego i koszty znieczulenia. Jednocześnie zapewnia optymalny efekt kosmetyczny.

Wnioski. Zastosowanie modelowania komputerowego pozwoliło na przygotowanie protezy czaszkowej indywidualnie dopasowanej do kształtu głowy pacjenta.

Słowa kluczowe: kranioplastyka, analiza obrazu, modelowanie komputerowe

Wstęp

Konieczność usunięcia płata kostnego w zabiegach neurochirurgicznych jest powszechnie akceptowanym sposobem postępowania w wielu sytuacjach klinicznych. W grupie chorych urazowych, onkologicznych – usuwania guzów mózgu, zarówno pierwotnych jak i wtórnych, operacjach malformacji naczyniowych, śródoperacyjnie stwierdzane powiększenie objętości mózgu zmusza do tak radykalnej decyzji. Rzadziej, wykonanie rozległego zabiegu odbarczenia kostno-oponowego jest celem lub jednym z etapów operacji [1, 2]. Wraz z postępem farmakologii i anestezjologii zwiększają się możliwości ingerencji w śródczaszkową równowagę objętościowo-ciśnieniową. Jednak w praktyce klinicznej oporne na leczenie zachowawcze nadciśnienie sródczaszkowe jest wiodącą przyczyną śmierci u chorych z urazowym uszkodzeniem mózgu. Stąd wytyczne europejskie (European Brain Injury Consortium) jak i amerykańskie (Brain Trauma Foundation) zalecają odbarczenie kostno-oponowe jako tzw. second tier therapy w leczeniu nadciśnienia śródczaszkowego [3]. Coraz więcej doniesień wskazuje na skuteczność odbarczenia w wybranych grupach pacjentów z zawałem w zakresie nie-dominującej półkuli mózgu [4].

Przywrócenie naturalnego kształtu głowy i ochrona przed urazami mechanicznymi, w opinii wielu chorych z ubytkiem kości, jest ważnym psychologicznie czynnikiem. Zabieg ten zamyka dla chorego pewien etap leczenia, po którym może on zogniskować uwagę na rehabilitacji i powrocie do normalnej aktywności społecznej. Zabieg wypełnienia ubytku czaszki – przeszczep autogenny (własna kość chorego) lub wszczepienie protezy (siatki tytanowe, polipropylenowo-poliestrowe, pochodne syntetycznego hydroxyapatytu-Cal0(PO4)6(OH)) wykonywany jest w różnych ośrodkach w czasie od 2 tygodni do 6 miesięcy od pierwszego zabiegu. W Polsce ze względu na swe walory biokompatybilności i niskiej ceny najbardziej rozpowszechniony jest Codubix®. W przypadku tej sztywnej dzianiny polipropylenowo-poliestrowej, dostarczanej dotychczas jedynie w kilku rozmiarach i z góry narzuconą krzywizną, o dobrym efekcie kosmetycznym decyduje optymalne dobranie krzywizny i docięcie pasujące do stwierdzanego śródoperacyjnie ubytku [5].

W artykule opisano metodę przygotowywania protez Codubix® na indywidualne zamówienie pacjenta, co pozwala na jej lepsze dopasowanie do kształtu głowy w stosunku do typowych protez.

Materiał i metody

Badanie TK

Pierwszym etapem opracowanej procedury jest wykonanie badania TK czaszki.

W przedstawionej pracy użyto spiralnego, wielorzędowego aparatu TK Somatom Sensation 16. Stosowano następujące parametry:

Warunki prądowe – 120 kV, 74 mA, 100 mAs; Czas rotacji – 0,75 s; Grubość warstwy – 0,75 mm; Konfiguracja detektorów – 16 x 0,75 mm; Pitch – 0,55; Zakładka rekonstrukcji – 0,5 mm; Kernel – H60s; Okno kostne.

Analiza obrazów i modelowanie

Podstawowym problemem podczas budowy modelu na podstawie analizy danych obrazowych jest określenie krawędzi obiektów. Specyfika tomografii komputerowej powoduje, że krawędzie obiektów (w rozważanym przypadku krawędzie kości czaszki) mogą być nieostre co powoduje występowanie tzw. zjawiska częściowej objętości. Wykres jasności punktów (luminancji) wzdłuż linii prostopadłej do krawędzi pokazuje, że zmiana jasności następuje na długości kilku punktów. A zatem nie ma możliwości jednoznacznego określenia położenia krawędzi – wszystkie metody wyznaczania krawędzi są metodami przybliżonymi.

Najczęściej wykorzystywane metody znajdowania krawędzi bazują na metodach segmentacji z wykorzystaniem binaryzacji, która polega na arbitralnym przyjęciu progu luminancji (przedziału jednostek Hounsfielda – w przypadku obrazów uzyskanych metodami tomografii komputerowej) i transformacji obrazu o wielu odcieniach jasności na obraz binarny (czarno-biały), który jest podstawą do znalezienia krawędzi obiektu za pomocą przekształcenia nazywanego „ścienianiem” [6].

Dla potrzeb opisywanej procedury opracowano metodę detekcji krawędzi wykorzystującą metody widzenia maszynowego i polegającą na analizie luminancji wzdłuż linii normalnych do krawędzi [7,8,9,10]. Skonstruowano specjalne oprogramowanie analizujące obrazy tomograficzne i generujące chmurę punktów krawędzi obiektu (ryc.1).

 

Ryc.1. Wykrywanie krawędzi metodą analizy luminancji

Ryc.1. Wykrywanie krawędzi metodą analizy luminancji

Chmura punktów przesyłana jest do systemu modelowania komputerowego, w którym jest tworzony wirtualny model czaszki, a następnie projektowana jest proteza (ryc.2) oraz matryca do jej przygotowania. Matryca wykonywana jest ze stopu aluminium metodą 3-osiowego frezowania (ryc.3).

 

 Modele czaszki oraz wypełnienia ubytku protezą  Modele czaszki oraz wypełnienia ubytku protezą

Ryc.2. Modele czaszki oraz wypełnienia ubytku protezą

 

Proteza Codubix®

Protezy Codubix® stosowane w kranioplastyce łączą ze sobą wszystkie najlepsze cechy biomateriałów stosowanych do uzupełniania ubytków kości czaszki, przy eliminacji ich cech negatywnych, zwiększających ryzyko zabiegu. Codubix® jest wyrobem medycznym trzeciej klasy zgodnie z regułą 8 Dyrektywy Europejskiej 93/42 EEC. Charakteryzują się one wysoką biokompatybilnością, dzięki połączeniu technologii wykorzystywanych do wytwarzania innych, sprawdzonych biomateriałów. Wykonane są z nieresorbowalnej przędzy poliestrowej i polipropylenowej (plecionki poliestrowo (110 DTEX F33)– polipropylenowej (TORLEN 56 DTEX F24 ) do celów medycznych) metodą dziania. Nieresorbowalna przędza poliestrowa odpowiada za wytrzymałość, zarówno na zginanie jak i na ucisk, oraz porowatość. Przędza polipropylenowa charakteryzująca się niskim ciężarem właściwym oraz niską temperaturą topnienia umożliwia nadanie protezie odpowiedniej sztywności i twardości.

Posiadają one doskonałą charakterystykę immunologiczną, niską wagę, podobne do kości przewodnictwo cieplne, porowatość, gęstość oraz zerową absorpcję cieczy hydrofilnych (wody, krwi, itp.). Pod wpływem działania sił zewnętrznych nie ulegają uszkodzeniom mechanicznym (wysoka odporność na siły uginające) dzięki zdolności do odkształcania. Są chemicznie nieaktywne, odporne na działanie niskiej oraz wysokiej temperatury. Mimo wysokiej porowatości są odporne na infekcję, relatywnie łatwo poddają się modelowaniu w czasie implantacji i umożliwiają diagnostykę nie dając artefaktów.

 

Parametr

Jednostka

Wartość

Masa powierzchniowa

[g/m2]

1900

Siła ugięcia (wytrzymałość na ściskanie)

[daN]

6 – 10

Tab. 1. Parametry fizyczne protez Codubix®

Codubix® jest materiałem bardzo dobrym w przypadku rekonstrukcji regularnych ubytków sklepienia czaszki. Jeżeli ubytek jest w miejscu bardziej skomplikowanym np. w części łuków brwiowych to pojawiają się problemy – niemożliwe jest takie dopasowanie aby uzyskać dobry efekt kosmetyczny. Dlatego w ofercie firmy Tricomed pojawiła się proteza Codubix® na indywidualne zamówienie (R-O). W indywidualnych przypadkach, gdzie ubytki kości czaszki są umiejscowione w niestandardowym miejscu, gdzie nie ma typowych konfekcjonowanych rozmiarów protez Codubix® stosuje się specjalną technikę polegającą na wcześniejszym przygotowaniu formy do wykonania protezy.

Przeciwwskazania:

Nie zaleca się wszczepiania protez Codubix® dzieciom oraz tam gdzie proces fizjologicznego wzrostu ogranicza ich stosowanie.

Najważniejsze zalety protez Codubix®:

  • wysoka wytrzymałość;
  • niski ciężar właściwy;
  • hydrofobowość przyczyniająca się do braku absorpcji cieczy oraz płynów fizjologicznych;
  • nietoksyczność;
  • brak aktywności chemicznej;
  • dobry stopień wgajania powoduje, że protezę Codubix® można identyfikować pod względem właściwości fizycznych z naturalną kością czaszki;
  • poddaje się modelowaniu w czasie implantacji;
  • umożliwia diagnostykę nie dającą artefaktów;
  • niska cena.

Zwieńczeniem prac prowadzonych nad protezą Codubix® było uzyskanie nagrody dla najbardziej innowacyjnego produktu w Polsce w 2010 r. przyznawanej przez Instytut Nauk Ekonomicznych PAN.

 

Ryc.3. Matryca wraz z przygotowaną protezą

Ryc.3. Matryca wraz z przygotowaną protezą

Wyniki

Protezę przygotowano dla 32 letniego chorego, który doznał ciężkiego urazu czaszkowo-mózgowego w wypadku komunikacyjnym. Przyjęty wówczas do Kliniki w stanie ciężkim, zaintubowany, sztucznie wentylowany, z nierównością źrenic, ze słabą reakcją zgięciową na bodźce bólowe. Wykonana tomografia komputerowa głowy wykazała obecność ostrego krwiaka podtwardówkowego, powodującego przemieszczenie struktur wewnątrzczaszkowych. Chorego operowano w trybie pilnym – zgodnie z aktualnymi zaleceniami wykonano rozległe, płatowe otwarcie czaszki. Kraniotomia obejmowała kości czołową, ciemieniową i skroniową. Szczególną uwagę zwrócono na usunięcie łuski kości skroniowej i częściowo czołowej do podstawy czaszki, dla odbarczenia struktur mózgowia, których obrzęk mógłby spowodować ucisk na górną część pnia mózgu. Podobnie szeroko otwarto oponę twardą. Po usunięciu krwiaka, zabezpieczeniu miejsca krwawienia, pozostawiono rozwartą oponę, tworząc dodatkową przestrzeń dla mózgowia, którego reakcja obrzękowa na uraz zazwyczaj opóźniona jest do kilku dni. Po zabiegu, po okresie leczenia w Oddziale Intensywnej Terapii wypisano chorego do Rejonowego Oddziału Neurologii. Kontrolne badanie w Poradni Przyklinicznej 3 miesiące po leczeniu operacyjnym wykazało duże postępy w rehabilitacji chorego. Chory był samodzielny, kontakt słowny był utrudniony przez zaburzenia mowy o charakterze afazji z przewagą komponenty ruchowej, miał niewielkiego stopnia spastyczny niedowład kończyn prawych, z przewagą w kończynie górnej. Stan psychiczny chorego wskazywał na silną motywację do dalszej pracy nad sobą. Miejscowo rana na głowie była zagojona przez rychłozrost, a odbarczenie miękkie, zapadnięte, w znacznym stopniu deformowało kształt czaszki (ryc.4) . Po przygotowaniu protezy zabieg bez powikłań, 6 miesięcy po urazie wykonano śladem poprzedniego cięcia. Odpreparowanie okostnej pozwoliło na umieszczenie Codubix®-u w miejscu ubytku bez żadnych dodatkowych korekt. Płytkę umocowano na 4 craniofixach. W przebiegu pooperacyjnym nie zaobserwowano powikłań. Szwy usunięto w dobie 7. Kontrola w Poradni 3 tygodnie po zabiegu, po ustąpieniu obrzęku tkanek miękkich głowy wykazała idealny, symetryczny kształt głowy.

Ryc.4. Wizualizacja głowy pacjenta przed zabiegiem kranioplastyki

Ryc.4. Wizualizacja głowy pacjenta przed zabiegiem kranioplastyki

Dyskusja

Kwalifikacja chorego do zabiegu implantacji protezy kości czaszki odbyła się zgodnie z ogólnymi zasadami przyjętymi dla zabiegów planowych. Chory musi spełniać wymogi zapewniające bezpieczny przebieg zabiegu w znieczuleniu ogólnym. Szczególną uwagę zwracamy na stan miejscowy tj. sposób zagojenia rany, stan skóry głowy, owłosienie, stopień uwypuklenia czy zapadnięcia mózgowia. Podejrzenie zmian zapalnych okolicy operowanej dyskwalifikuje chorego od działalności chirurgicznej. W przypadkach wątpliwych celowe wydaje się wykonanie zdjęć przeglądowych czaszki, oceniających strukturę kości. Wykonanie kontrolnej tomografii komputerowej głowy w okresie poprzedzającym zabieg jest bezwzględnie konieczne. Ocena miejsca odbarczenia, struktur bezpośrednio przylegających do niego ma znaczenie praktyczne, np.: stwierdzenie nadmiernego gromadzenia płynu mózgowo-rdzeniowego pod płatem skórno-czepcowym, czy bezpośrednie przyleganie jamy porencefalicznej do brzegu kostnego zmusza do szczególnej ostrożności przy preparowaniu tkanek danej okolicy, aby zapobiec późniejszym powikłaniom w postaci płynotoku w ranie.

Cięcie zazwyczaj prowadzimy śladem pierwotnego zabiegu. Unikamy przebiegu blizny ponad Codubix®-em. Preparujemy płat skórno-czepcowy, oddzielając na ostro i tępo od okostnej. Oddzielenie okostnej, choć daje możliwość pokrycia Codubix®-u dodatkową warstwą, naraża chorego na uszkodzenie pajęczynówki szczególnie w przypadkach rozległych odbarczeń kostno-oponowych, w miejscach gdzie mózgowia nie chroni warstwa opony twardej. W okolicy skroniowej dodatkowym problemem jest staranne i delikatne oddzielenie mięśnia skroniowego, który umożliwi pokrycie przypodstawnej części Codubix®-u w przypadkach trudnych do odpowiedniego zamocowania tej części protezy. Mocowanie do kości odbywało się dotychczas przy pomocy szwów kostnych, co wymagało wiercenia otworów w brzegu kostnym. Manewr ten czasami trudny do wykonania (szczególnie blisko podstawy czaszki) został częściowo wyeliminowanym poprzez użycie craniofixów. Ilość ich w zależności od naprężeń materiału powstałych przy dopasowaniu protezy waha się od 3 do 5. Mocowanie Codubix®-u wykonuje się po uzyskaniu absolutnej hemostazy z powierzchni opony twardej, okostnej, czy przestrzeni nadtwardówkowej. Nagromadzenie krwi pod Codubix®-em może spowodować konieczność jego natychmiastowego usunięcia. Ranę zamyka się dwuwarstwowo z pozostawieniem drenu do ssania czynnego pod płatem skórno-czepcowym do 24 godzin po operacji (ryc.5).

Ryc.5. Implantacja przygotowanej protezy

Ryc.5. Implantacja przygotowanej protezy 

Wnioski

Zastosowana metoda analizy danych obrazowych pozwoliła na wykonanie modeli ubytków czaszkowych z dokładnością wystarczającą do zaprojektowania i wykonania protezy.

Używane w praktyce aparaty TK są wystarczającym narzędziem do generowania danych obrazowych umożliwiających, przy zastosowaniu specjalistycznej analizy danych obrazowych, wykonanie modelu ubytku kostnego czaszki w systemie modelowania komputerowego. Uzyskany w ten sposób model pozwala z wystarczającą dokładnością dokonać dopasowania protezy do konkretnego ubytku.

Znaczne skrócenie czasu zabiegu, przy braku konieczności śródoperacyjnego dobierania i docinania Codubix®-u, wpływa na zmniejszenie ryzyka zakażenia i powikłań wynikających z czasu znieczulenia ogólnego. Dobranie komputerowe krzywizny i dostarczenie protezy w kształcie ostatecznym poprawia końcowy efekt kosmetyczny, co jest szczególnie istotne i zauważalne w okolicy czołowej i czołowo-jarzmowo-skroniowej.

Piśmiennictwo

  1. Ucar T, Akyuz M, Kazan S, Tuncer R. Role of decompressive surgery in the management of severe head injuries: prognostic factors and patient selection. J Neurotrauma. 2005 Nov;22(11):1311-8
  2. Piek J.: Decompressive surgery in the treatment of traumatic brain injury. Curr Opin Crit Care. 2002 Apr; 8(2):134-8
  3. Maas AI, Dearden M, Teasdale GM, et al..: EBIC-guidelines for management of severe head injury in adults. European Brain Injury Consortium.Acta Neurochir (Wien). 1997;139(4):286-94.
  4. Leonhardt G, Wilhelm H, Doerfler A, Ehrenfeld CE, et al.: Clinical outcome and neuropsychological deficits after right decompressive hemicraniectomy in MCA infarction. J Neurol. 2002 Oct;249(10):1433-40.
  5. Chrzan R., Urbanik A., Karbowski K., Moskała M., Polak J., Pyrich M.: Wytwarzanie modeli medycznych dla potrzeb zabiegu kranioplastyki. IV Krakowskie Warsztaty Inżynierii Medycznej. Kraków 17-18.05.2007. s.11.
  6. Karbowski K., Urbanik A., Chrzan R.: Measuring methods of objects in CT images. Pol J Radiol, 2009, 74(4), 64-68.
  7. Karbowski K.: Podstawy rekonstrukcji elementów maszyn i innych obiektów w procesach wytwarzania. Monografia 367, Seria Mechanika. Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej. Kraków 2008.
  8. Chrzan R., Urbanik A., Karbowski K., Moskała M., Polak J., Pyrich M.: Reverse engineering technology in cranioplasty prosthesis manufacturing. European Congress of Radiology, Wiedeń 2009, European Radiology 2009; 19(Suppl.1): C-677
  9. Chrzan R., Urbanik A., Karbowski K., Moskała M, Polak J., Pyrich M.: Technologia „reverse engineering” w planowaniu protez do kranioplastyki na podstawie badania TK. Reverse engineering technology in planning of cranioplasty prostheses based on CT examination. 39. Zjazd Polskiego Lekarskiego Towarzystwa Radiologicznego, Szczecin 2010, Polish Journal of Radiology 2010; 75 (suppl. 1): 220
  10. Karbowski K.: Edge detection in reverse engineering system. Advances in manufacturing science and technology, Vol. 34, No. 4, 2010 , Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej – Rzeszów, ISSN 0137-4478, s.63-72
© Copyright 2013 Tricomed