Автореферат и диссертация по медицине (14.00.02) на тему:Анатомическое строение голени живого человека свете новых информационных технологий

Актуальность исследования

Научные исследования, посвященные развитию и внедрению новых информационных технологий в различных отраслях знаний, в том числе и в медицине в настоящее время занимают приоритетное положение в развитие науки и техники [Приказ Президента Российской Федерации от 21 мая 2006 года (Пр-843 и ПР-842), Распоряжение Президиума РАМН №14-09/40 от 27.07.06.]

Несмотря на то, что анатомия голени изучена достаточно хорошо, развитие ортопедии требует от клиницистов точных индивидуализированных знаний о строении голени. Знание анатомии голени также важно для антропологических исследований, так как имеются выраженные возрастно-половые и индивидуальные особенности строения. [Б. А. Никитюк, 1983] До недавнего времени компьютерные программы, применяемые в изучении анатомии, и реже - в хирургии, использовали плоские изображения различных анатомических областей и структур. Качество таких изображений является недостаточным для понимания сложных пространственных взаимоотношений анатомических структур. Существуют программы также позволяющие производить морфометрические исследования ( Plastic Designer, производитель Nausoft LLC; Image-Pro Plus, производитель Media Cybernetics; MetaVision, производитель MetaVision), однако они либо узко специализированы, либо не имеют возможности визуализации объемных реконструкций. Удобным инструментом, позволяющим проводить измерения и планировать операции, является система бесконтактных измерений и построения трехмерной модели поверхности тела пациента [Knyaz V.A., Sibiryakov А.V., 1998; Knyaz V.A., Zheltov S.U., 2000; H.A. Адамская, Г.Г. Кармазановский, В.А. Князь, И.А. Косова. 2005]. Вместе с тем данный метод не отображает топографо-анатомических взаимоотношений.

С другой стороны для решения задач биологии и медицины разработано множество компьютерных пакетов, содержащих изображения внутренних органов, сосудов и нервов, других анатомических структур. [Ackerman MJ, Banvard RA. 2000]. Компьютерные модели, используемые в пакетах, как правило, двухмерные, но встречаются и трехмерные реконструкции. Трехмерные реконструкции содержат такие программы как, 3D-Body Adventure (США), Advantage Windows (США), ADAM (Великобритания), Corps Human (Франция). Наиболее известная программа Body Voyage (США) [Amirrezvani А., 1997], созданная в рамках исследования Visible Human Project (США), была построена по данным 1800 одномиллиметровых поперечных срезов человеческого тела. Точечная трехмерная модель одного тела человека потребовала 15 гигабайт компьютерной памяти. В основе большинства указанных программ лежит использование как художественных графических пакетов с записью всех точек всех поверхностей в пространстве так и данных Visible Human Project [Bushyhead AL, Bouvier M, Benson AN., 1995; Beylot P, Gingins P, Kalra P, Thalmann NM, Maurel W, Thalmann D, Fasel J., 1996]. Данные продукты не отображают индивидуальных особенностей тела пациента и являются, по сути, анатомическими атласами, созданными на основе одного масштабного исследования.

Трехмерная модель анатомических структур - это математическое описание формы и взаиморасположения анатомических образований в пространстве, которое не может быть выполнено иными способами [А.А. Лойт, 2004].

В то же время благодаря активному внедрению в клиническую практику методов РКТ и МРТ стало возможным определение целого ряда патологий человека. Вместе с тем в чистом виде эти методы не совсем удобны для научных анатомических исследований живого человека. Необходимость модификации современных методов исследования диктуется запросами практикующих специалистов. С помощью индивидуального компьютерного моделирования можно достаточно точно выявить и оценить индивидуальные особенности анатомического строения тела живого человека, четко провести предоперационную подготовку пациента, дать рекомендации оперирующему хирургу и избежать возможных ошибок во время операции, связанных, прежде всего, с индивидуальными особенностями анатомического строения пациента.

Описана методика виртуального предоперационного планирования с использованием данных компьютерной томографии заключавшаяся во внесении изменений в каждый скан при помощи программы NIH Image 1.62 и последующей визуализацией на автономной рабочей станции в виде трехмерной реконструкции [Stamm Т., Meyer U., Meier N., Ehmer U., Joos U., 2002], следует отметить, что подобные методики требуют тесного сотрудничества рентгенолога и хирурга

В настоящее время требуется создание индивидуальных компьютерных моделей, позволяющих осуществлять в виртуальной среде анализ анатомических структур на любом уровне и имитировать ход хирургической операции с максимальной анатомической достоверностью. Существует необходимость наглядного индивидуального прогнозирования возможного объема хирургического вмешательства. С точки зрения собственно анатомических исследований трехмерная виртуальная среда дает возможность накопления не только результатов, но и самого субстрата исследования, что при исследовании прижизненной анатомии невозможно достичь никакими другими способами. В настоящий момент публикаций об оборудовании и программном обеспечении, обладающими такими возможностями в специализированной литературе не встречено. Следует отметить, что прижизненное исследование утомительно для пациента, а это затрудняет его повторение и может привести к артефактам измерений. При исследовании прижизненной анатомии это условие возможно обеспечить только наличием достаточно крупного электронного архива индивидуальных анатомических моделей. Публикаций подтверждающих существование подобных архивов в специализированной печати нами не встречено.

Внедрение современных технологий диагностики и лечения предъявляет дополнительные требования к уровню подготовки медицинских специалистов. Поскольку знание нормальной анатомии и топографической анатомии невозможно без освоения рентгенанатомического аспекта и большое значение играет умение специалиста распознать зрительный образ, создание электронных обучающих и исследовательских баз радиологических изображений является насущной потребностью времени. Примером обучающей базы изображений в Интернет может послужить ресурс EURORAD, созданный под патронажем Европейской Ассоциации Радиологов. Коммерчески доступна обширная база радиологических изображений фирмы MEDIOL и другие.

Таким образом, электронные базы радиологических изображений могут быть использованы не только как источник современных знаний, но и как материал для научных исследований.

Соответствиедиссертационногоисследованияшифру специальности

Данная тема соответствует П. 8 Паспорта специальностей научных работников «Исследование строения живого человека с применением разнообразных клинических и инструментальных факторов» по шифру 14.00.02 - анатомия человека от 1 июля 2002 года,

Цель исследования:

Получить новые данные по строению голени живого человека с помощью разработанного метода индивидуального компьютерного моделирования и дать рекомендации по использованию полученных анатомических данных в клинической практике.

Задачи исследования:

1. Разработать метод индивидуального компьютерного моделирования голени живого человека на основе модификации программного обеспечения обработки данных рентгеновской компьютерной томографии и магнитно-резонансной томографии.

2. Создать индивидуализированный архив морфометрических данных голени живого человека и определить возможности разработанного метода для использования в научных и клинических целях.

3. Определить достоверность результатов индивидуального компьютерного моделирования в сравнении с данными, полученными при классических анатомических исследованиях голени.

4. Дать рекомендации по использованию метода индивидуального компьютерного моделирования голени живого человека в клинической практике, в частности в ортопедии.

Научная новизна:

Впервые разработан метод индивидуального компьютерного моделирования голени живого человека на основе модификации программного обеспечения обработки данных рентгеновской компьютерной томографии и магнитно-резонансной томографии, позволяющий проводить прижизненные антропометрические исследования, а также предоперационную диагностику и планирование хирургических вмешательств на области голени.

Впервые создан индивидуализированный морфометрический электронный архив голени живого человека и определены возможности разработанного метода индивидуального компьютерного моделирования голени в научных и клинических целях.

У лиц женского и мужского пола впервые рассчитаны основные морфометрические коэффициенты анатомических структур голени: А/В

А - длина большеберцовой кости, В - длина малоберцовой кости;

C/D - С - ширина большеберцовой кости на уровне верхнего метафиза, D ширина малобер-цовой кости на уровне верхнего метафиза;

E/F - Е - ширина большеберцовой кости на уровне диафиза, F - ширина малоберцовой кости на уровне диафиза;

G/II - G - ширина большеберцовой кости на уровне нижнего метафиза, Н ширина малобер-цовой кости на уровне нижнего метафиза;

I/J - I площадь мягкотканых структур на уровне верхнего метафиза, J площадь костных структур на уровне верхнего метафиза;

K/L - К - площадь мягкотканых структур на уровне диафиза, L - площадь костных структур на уровне диафиза;

M/N - М - площадь мягкотканых структур на уровне нижнего метафиза, N - площадь костных структур на уровне нижнего метафиза; Р/О - О - толщина компактного вещества большеберцовой кости на уровне верхнего мета-физа, Р - толщина губчатого вещества болыиеберцовой кости на уровне верхнего метафиза; R/Q - Q - толщина компактного вещества болыиеберцовой кости на уровне диафиза, R -толщина губчатого вещества болыиеберцовой кости на уровне диафиза; T/S - S - толщина компактного вещества болыиеберцовой кости на уровне нижнего метафиза, Т - толщина губчатого вещества болыиеберцовой кости на уровне нижнего метафиза;

V/U - U - толщина компактного вещества малоберцовой кости на уровне верхнего метафиза, V - толщина губчатого вещества малоберцовой кости на уровне верхнего метафиза

X/W — W - толщина компактного вещества малоберцовой кости на уровне диафиза, X - толщина губчатого вещества малоберцовой кости на уровне диафиза

Z/Y — Y - толщина компактного вещества малоберцовой кости на уровне нижнего метафиза, Z - толщина губчатого вещества малоберцовой кости на уровне нижнего метафиза a/b - а - расстояние между наружными поверхностями костей голени на уровне верхнего метафиза, b - расстояние между внутренними поверхностями костей голени на уровне верхнего метафиза c/d — с - расстояние между наружными поверхностями костей голени на уровне диафиза, d - расстояние между внутренними поверхностями костей голени на уровне диафиза e/f - е - расстояние между наружными поверхностями костей голени на уровне нижнего метафиза, f - расстояние между внутренними поверхностями костей голени на уровне нижнего метафиза. Впервые изучена прижизненная топография сосудисто-нервных пучков с помощью разработанного устройства для определения проекции анатомических образований конечностей на кожу и определены наиболее безопасные сектора для хирургических вмешательств.

Впервые определена достоверность результатов индивидуального компьютерного моделирования в сравнении с данными, полученными при классических анатомических исследованиях голени.

Научно-практическая значимость:

Разработана и внедрена в клиническую практику карта-схема сосудисто-нервных пучков голени и устройство для определения проекции анатомических образований конечностей на кожу.

Разработан алгоритм "прижизненное анатомическое исследование — планирование хирургической операции — оперативное вмешательство с учетом знания сложных анатомических структур — оценка результатов и определены основные антропометрические коэффициенты, являющиеся важной составляющей вариантной анатомии, которые должны учитываться в практической хирургии при оперативных вмешательствах на нижних конечностях. Положения, выносимые на защиту:

1. Метод индивидуального компьютерного моделирования голени живого человека является эффективным способом исследования анатомии с использованием рентгеновской компьютерной томографии и магнитно-резонансной томографии.

2. Созданный индивидуализированный архив морфометрических данных голени живого человека содержит новые данные по анатомическому строению голени, которые можно использовать в научных и клинических целях.

3. Результаты индивидуального компьютерного моделирования голени живого человека достоверны в сравнении с данными, полученными при классических анатомических исследованиях голени

4. Метод индивидуального компьютерного моделирования голени живого человека целесообразен для использования в практике ортопедии

Апробация работы и публикации:

Основные положения диссертационной работы докладывались на X Региональной конференции молодых исследователей Волгоградской области, Волгоград 2005, на Всероссийской конференции с международным участием «Новые информационные технологии в медицине», Волгоград 2006, на Всероссийской научной конференции, посвященной столетию со дня рождения профессора А.Н. Максименкова «Анатомо-физиологические аспекты современных хирургических технологий», Санкт-Петербург 2006.

По результатам выполненных исследований опубликовано 11 научных статей, из которых, согласно положению ВАК РФ, две опубликованы в цитируемых источниках.

Реализация результатов исследования:

Работа выполнена в лаборатории моделирования патологии, на кафедре оперативной хирургии и топографической анатомии Волгоградского государственного медицинского университета, в Волгоградском научном центре РАМН и Администрации Волгоградской области, при участии специалистов отдела лучевой диагностики Волгоградского областного кардиологического центра и сотрудников кафедры систем автоматизированного проектирования и поискового конструирования Волгоградского государственного технического университета.

Материалы диссертации внедрены в учебный процесс на кафедрах оперативной хирургии и топографической анатомии, анатомии человека ВолГМУ. Практические рекомендации используются в работе ортопедического отделения на базе Госпиталя инвалидов войн.

Структура и объем диссертации:

Диссертация изложена на 134 страницах машинописного текста, содержит 13 таблиц, иллюстрирована 55 рисунками. Список использованной литературы содержит 68 отечественных и 58 зарубежных источников. Диссертация состоит из оглавления, введения, обзора литературы, описания материалов и методов исследования, глав собственных исследований, обсуждения результатов, выводов, практических рекомендаций, указателя литературы и приложения.

Выводы:

1. Разработанный метод индивидуального компьютерного моделирования голени живого человека основанный на модификации программного обеспечения обработки данных рентгеновской компьютерной томографии и магнитно-резонансной томографии является эффективным методом изучения прижизненной анатомии человека, позволяющий получить целый ряд анатомических параметров голени, внедрить в исследования живого человека новые антропометрические данные, осуществить построение трехмерных моделей, использовать полученные данные по индивидуальному строению костей, мягких тканей, сосудисто-нервных пучков в клинической практике, в частности, в ортопедии.

2. На основе метода индивидуального компьютерного моделирования создан электронный архив антропометрических параметров голени живого человека, содержащий цифровую информацию, изображения сканов на различных уровнях, объемные модели, позволяющий быстро провести распределение материала по половому и возрастному признакам. Выявленные нами антропометрические параметры - коэффициент А/В у мужчин - 1,07 у женщин — 1,05 коэффициент C/D у мужчин-2,6 у женщин-3,2 коэффициент E/F у мужчин - 2,8 у женщин - 2,5, коэффициент G/II у мужчин 2,8, у женщин - 1,9, коэффициент I/J у мужчин 2,8, у женщин - 3,4, коэффициент K/L у мужчин - 6,2, у женщин - 7,7, коэффициент M/N у мужчин - 4,1, у женщин - 6,4, коэффициент Р/О у мужчин - 3, у женщин - 5, коэффициент R/Q у мужчин 2,5, у женщин - 2,5, коэффициент T/S у мужчин - 2, у женщин - 3,5, коэффициент V/U у мужчин - 3,6, у женщин - 2,8, коэффициент X/W у мужчин - 2, у женщин - 3,5, коэффициент Z/Y у мужчин - 0,8, у женщин - 1, коэффициент а/b у мужчин - 18,7, у женщин - 15,7, коэффициент c/d у мужчин - 5,1, у женщин — 5,3, коэффициент e/f у мужчин - 12,7, у женщин -17. Безопасный сектором для хирургических разрезов в верхней трети голени у мужчин являются сектора, соответствующие 40-260° и 270-360°, у женщин - 50-260° и 270-360°, в средней трети голени у мужчин безопасными я вляются сектора, соответствующие 30-250° и 260-360°, у женщин - 40-260° и 270-360°, в нижней трети голени безопасными являются сектора, соответствующие у мужчин 40-260° и 270-360°, у женщин - 20-260° и 270-360° - имеют большое значение для исследования анатомического строения голени, могут быть использованы как при виртуальной, так и при классической антропометрии, а также имеют прикладное значение для ортопедии.

3. Сопоставление результатов исследований морфометрии голени выполненных на поперечных срезах голени в классических анатомических исследованиях и результатов виртуальной антропометрии полученных с помощью метода индивидуального компьютерного моделирования показал их достоверную сопоставимость, что позволяет рекомендовать данную методику как метод прижизненного изучения анатомии человека.

4' Метод индивидуального компьютерного моделирования позволяет использовать данные прижизненного анатомического исследования в клинической практике, посредством реализации алгоритма "прижизненное анатомическое исследование — планирование хирургической операции — оперативное вмешательство с учетом знания сложных анатомических структур — оценка результатов хирургического вмешательства»

Практические рекомендации:

1. При планировании операции на голени рекомендуем использовать метод индивидуального компьютерного моделирования, позволяющий выяснить индивидуальные особенности анатомического строения зоны оперативного вмешательства

2. При выполнении оперативного вмешательства на голени рекомендуем использовать разработанное устройство для определения проекции анатомических образований на кожу, позволяющее снизить риск повреждения сосудисто-нервных пучков голени в зоне операции 3. Предложенные антропометрические коэффициенты и сектора безопасности хирургических разрезов целесообразно использовать как при виртуальных анатомических исследованиях, так и при планировании оперативных доступов и приемов в области голени.