komputerowe metody wspomagania leczenia kraniosynostozy

MODELOWANIE INŻYNIERSKIE
41, s. 437-444, Gliwice 2011
ISSN 1896-771X
KOMPUTEROWE METODY WSPOMAGANIA LECZENIA
KRANIOSYNOSTOZY
WOJCIECH WOLAŃSKI1, DAWID LARYSZ2, MAREK GZIK1, EDYTA KAWLEWSKA 1
1
Katedra Mechaniki Stosowanej, Politechnika Śląska
e-mail: [email protected], Wojciech.Wolań[email protected], [email protected]
2
Katedra Neurochirurgii Dziecięcej, Śląski Uniwersytet Medyczny
e-mail: [email protected]
Streszczenie. Kraniosynostoza to choroba najczęściej o charakterze wrodzonym,
polegająca na nieprawidłowym kształcie główki dziecka. Kraniosynostoza jest
spowodowana przedwczesnym zrośnięciem jednego lub kilku szwów
czaszkowych. W artykule przedstawiono współczesne metody komputerowego
wspomagania leczenia kraniosynostozy polegające na planowaniu zabiegu
neurochirurgicznego. Autorzy dokonują opisu środowiska programu Mimics,
Materialise, który umożliwia wygenerowanie i modyfikację modelu
geometrycznego rozpatrywanej główki na podstawie wyników badania tomografii
komputerowej głowy. Sformułowane modele umożliwiają nieinwazyjną analizę
procedury zabiegu i tym samym mogą jednocześnie służyć do doboru optymalnej
dla danego przypadku procedury korekcji czaszki. Tak przeprowadzone wirtualne
planowanie zabiegu umożliwia przeprowadzenie zabiegu neurochirurgicznej
plastyki sklepienia czaszki, co w efekcie skraca całkowity czas operacji, ale także
pozwala wstępnie oszacować wygląd czaszki (i struktur twarzy) po zabiegu.
Pozytywne rezultaty prowadzonych badań uzyskano dzięki interdyscyplinarnej
współpracy inżynierów z neurochirurgami, mającej na celu przede wszystkim
poprawę jakości leczenia oraz zwiększenie bezpieczeństwa pacjenta w czasie
operacji, a jednocześnie obiektywną ocenę jakościową zabiegu.
1. WSTĘP
Czaszka dziecka zbudowana jest z wielu niezrośniętych ze sobą całkowicie kości (m.in.
kości czołowa, ciemieniowe, klinowa, potyliczna – rys. 1, 2), połączonych elastycznymi
pasmami tkanki włóknistej, które nazywane są szwami czaszkowymi (np. szew czołowy,
strzałkowy, łuskowy, wieńcowy, węgłowy itd.). Taka budowa (rys. 1) umożliwia dziecku
przejście przez kanał rodny, a w pierwszych latach życia pozwala na swobodne zwiększanie
objętości dojrzewającego mózgu [1, 4]. Istnieją przypadki, w których jeden lub kilka szwów
czaszkowych ulega przedwczesnemu zrośnięciu, powodując stopniowe zniekształcenie
kształtu główki w czasie jej rozwoju. Tego rodzaju deformacje noszą nazwę kraniosynostoz.
438
W. WOLAŃSKI, D. LARYSZ, M. GZIK, E. KAWLEWSKA
kość czołowa
ciemię boczne
kość ciemieniowa
centrum kostnienia
ciemię tylne
szew węgłowy
ciemię sutkowe
kość potyliczna
kość skroniowa
Rys.1. Widok z boku czaszki niemowlęcia [7]
szew czołowy
kość czołowa
szew wieńcowy
ciemię przednie
szew strzałkowy
kość ciemieniowa
ciemię tylne
kość potyliczna
Rys.2. Widok z góry czaszki niemowlęcia [7]
Ze względu na to, który szew uległ zrośnięciu, wyróżnia się cztery podstawowe typy
kraniosynostozy (rys. 3):
• łódkogłowie (scaphocephaly) – szew strzałkowy,
• trójkątnogłowie (trigonocephaly) – szew czołowy,
• krótkogłowie (brachycephaly) – szew wieńcowy,
• skośnogłowie (plagiocephaly) – przednie lub tylne – odpowiednio szew wieńcowy lub
węgłowy
a)
c)
b)
d)
Rys.3. Rodzaje kraniosynostozy: a) łódkogłowie, b) trójkątnogłowie,
c) krótkogłowie, d) skośnogłowie [1]
KOMPUTEROWE METODY WSPOMAGANIA LECZENIA KRANIOSYNOSTOZY
439
Kraniosynostoza występuje u jednego noworodka na 2000 żywo urodzonych [1]. W Polsce
wykonuje się ok. 200 operacji korygujących kształt czaszki rocznie [5].
Aby uzyskać najlepsze efekty kosmetyczne oraz zabezpieczyć możliwość wystąpienia
lokalnego nadciśnienia śródczaszkowego, należy przeprowadzić operację jak najwcześniej.
Konieczna jest więc diagnoza przypadku deformacji, która opiera się przede wszystkim na
rutynowym badaniu tomograficznym główki dziecka. Na podstawie TK oraz badania
neurologicznego lekarz kwalifikuje pacjenta do operacji plastyki czaszki. Korekcja kształtu
czaszki możliwa jest metodą tradycyjną, polegająca na otwartym zabiegu neurochirurgicznym
lub endoskopową. W łagodnych przypadkach operacja neurochirurgiczna nie jest wymagana
(kształt koryguje się np. za pomocą kasków). W niniejszej pracy przedstawiono planowanie
zabiegu plastyki czaszki pacjenta, u którego konieczne było przeprowadzenie operacji
klasycznej.
Większość dzieci przechodzi operację w wieku od kilku miesięcy do 1 r.ż. W związku
z tym, zabieg taki jest szczególnie niebezpieczny ze względu na ryzyko utraty dużej ilości
krwi. Istotne jest zatem, aby maksymalnie skrócić czas trwania operacji, by zapewnić jak
największe bezpieczeństwo pacjenta.
2. TECHNIKI OPERACYJNE STOSOWANE W LECZENIU ŁÓDKOGŁOWIA
W artykule przedstawiono przebieg procesu planowania operacji neurochirurgicznej 4miesięcznego dziecka ze stwierdzonym łódkogłowiem. Model główki i czaszki pacjenta
przedstawiono na rys. 4. Do planowania wirtualnego konieczna jest wiedza na temat
stosowanych przez neurochirurgów technik operacyjnych. Oczywiście dopuszczalne są pewne
modyfikacje, jednakże wszystkie planowane cięcia ostatecznie muszą być zaakceptowane
przez lekarza, ze względu na ryzyko uszkodzenia najważniejszych części mózgu.
Niektóre starsze metody plastyki czaszki opierały się na wykonaniu kraniotomii
strzałkowej lub przystrzałkowej [2, 3, 8, 9]. W przypadku niemowląt poniżej trzeciego
miesiąca życia możliwe jest przeprowadzenie korekcji kształtu czaszki poprzez usunięcie
zrośniętego szwu strzałkowego z pozostawieniem około trzycentymetrowej przerwy. Obecnie
ten rodzaj zabiegu jest stosowany jedynie w przypadku bardzo wczesnej endoskopowej
operacji z następową korekcją kształtu czaszki za pomocą kortezy.
Niektórzy autorzy podają, iż w wieku poniżej sześciu miesięcy często wystarczające jest
zastosowanie dwucentymetrowej listwy ponad zatoką strzałkową, natomiast u dzieci
starszych stosuje się rozległe wycięcie kości wzdłuż szwu wieńcowego do okolicy łuku
jarzmowego, utworzenie dwóch rozległych płatów bocznych i listwy ponad zatoką
strzałkową oraz mocowanie listwy po jej przesunięciu do przodu [3, 8, 9].
Rys.4. Modele główki i czaszki dziecka, wygenerowane na podstawie zdjęć TK
440
W. WOLAŃSKI, D. LARYSZ, M. GZIK, E. KAWLEWSKA
2.1. Metoda „π” chirurgicznego leczenia łódkogłowia
W metodzie „π” wykonuje się nacięcia kości ciemieniowych i czołowych, wykonując
jednocześnie suturectomię wieńcową z przodu oraz sięgającą do głęboko ząbkowanego szwu
węgłowego między kośćmi ciemieniowymi a kością potyliczną suturectomię węgłową
(rys. 5). Wycięte kości pozostawia się na miejscu (u niemowląt do szóstego miesiąca życia)
lub przesuwa się w górę. Korekcje wypukłości potylicznych można również uzyskać dzięki
modelowaniu płyty kości potylicznej. Istnieje cały szereg modyfikacji metody „π” zależnych
od stopnia nasilenia deformacji, wieku dziecka ale także preferencji i doświadczenia chirurga.
a)
b)
c)
Rys.5. Etapy korekcji deformacji czaszki zmodyfikowaną metodą „π”: a) model główki przed
zabiegiem, b) model z zastosowanymi cięciami, c) model po rekonstrukcji kości czaszki
2.2. Alternatywna metoda chirurgicznego leczenia łódkogłowia
W metodzie tej czaszka ulega całkowitej rekonstrukcji poprzez przechylenie do tyłu
i zmniejszenie czoła, podniesienie kości potylicznej do przodu, a następnie podniesienie
sklepienia w centralnej części. Trzeba także zwiększyć zmniejszoną poprzecznie część
czaszki. Po odsłonięciu czaszki wykonuje się półksiężycowate nacięcia, dzieląc całe
sklepienie na 4-5 segmentów. Wycinane są fragmenty kości z czoła i z obszarów kości
ciemieniowej, co powinno wystarczyć, aby pochylić czoło do tyłu. Jeśli jednak fragment
kości czołowej okaże się zbyt wąski, następuje zamiana tego elementu z jedną z tylnych
części czaszki. Łuk nadoczodołowy zwykle nie wymaga przemieszczania, a jedynie górna
część czoła ulega repozycji. Następnie pozostałe segmenty kości są z powrotem
dopasowywane od obręczy nadoczodołowej do potylicznej. (rys. 6).
KOMPUTEROWE METODY WSPOMAGANIA LECZENIA KRANIOSYNOSTOZY
441
Rys.6. Schemat całkowitej przebudowy czaszki [2]
3. KOMPUTEROWE PLANOWANIE ZABIEGU NEUROCHIRURGICZNEGO
Metody modelowania w biomechanice połączone z wizualizacją wyników umożliwiają
inżynierskie wsparcie procedur medycznych. W ramach niniejszej pracy sformułowano
trójwymiarowe modele zdeformowanych główek dzieci na podstawie zdjęć TK, które
wprowadzono do programu Mimics 14.0 (rys. 7).
W środowisku programu możliwe jest zarówno wygenerowanie modelu geometrycznego,
na bazie skali Hounsfielda, jak również jego obróbka i modyfikacja, z użyciem wbudowanych
narzędzi inżynierskich. Możliwe jest m. in. wykonanie nacięć, przemieszczanie liniowe lub
rotacje nowo powstałych struktur, przeprowadzenie operacji boolowskich i innych.
Rys.7. Zrzuty ekranu prezentujące środowisko programu Mimics
442
W. WOLAŃSKI, D. LARYSZ, M. GZIK, E. KAWLEWSKA
W ramach projektu przeprowadzono symulację korekcji czaszki za pomocą obydwu
technik operacyjnych, opisanych w pkt. 2 (rys. 8). Wszystkie nacięcia oraz przemieszczenia
konsultowane były z lekarzem, który uwzględniał aspekty fizjologiczne w proponowanych
zabiegach. Ponadto wprowadzono cztery charakterystyczne punkty anatomiczne (przed
operacją i po operacji), mianowicie: Euryon prawy i lewy (z boku czaszki) oraz Glabella (z
przodu) i Lambda (z tyłu). W przypadku łódkogłowia najważniejszym wyznacznikiem jest
tzw. indeks czaszkowy, czyli stosunek maksymalnej długości do maksymalnej szerokości
czaszki pomnożony przez 100. Na podstawie punktów wyznaczono żądane odległości,
a następnie obliczono wartość indeksu czaszkowego przed i po operacji (rys. 9, 10).
b
a)
C
B
D
A
E
Rys.8. Widok zastosowanych nacięć: a) zmodyfikowana metoda „π”,
b) metoda całkowitej rekonstrukcji
4. OTRZYMANE REZULTATY I WNIOSKI
Dzięki obliczeniu podstawowych odległości pomiędzy punktami anatomicznymi czaszek
pacjentów możliwa była ocena zaplanowanej korekcji. Łatwo zauważyć, że całkowita długość
czaszki uległa skróceniu, a w związku z tym wartość indeksu cefalicznego korzystnie się
zwiększyła (tabela 1).
Tabela 5. Wyniki pomiarów czaszki przed i po operacji
ODLEGŁOŚĆ
OPIS
PRZED
OPERACJĄ
PO OPERACJI
METODĄ „π”
PO OPERACJI
METODĄ
REKONSTRUKCJI
Eu.P-Eu.L
G-L
Indeks
Cefaliczny
maksymalna szerokość czaszki
maksymalna długość czaszki
90,75 mm
148,79 mm
91,75 mm
142,67 mm
87,95 mm
129,60 mm
60,99
64,31
67,86
KOMPUTEROWE METODY WSPOMAGANIA LECZENIA KRANIOSYNOSTOZY
148,79
443
142,67
Rys.9. Rezultat korekcji deformacji zmodyfikowaną metodą „π”
B
148,79
129,60
A
Rys.10. Rezultat korekcji deformacji metodą całkowitej rekonstrukcji czaszki
W przypadku całkowitej rekonstrukcji czaszki możliwe było dopasowanie poszczególnych
fragmentów kości oraz ich skrócenie, co dało wyraźniejszy efekt końcowy – różnica długości
czaszki przed operacją i po operacji wynosiła ok. 30 mm. Natomiast w przypadku metody
„π” wykonano mniej nacięć, a korekcję deformacji uzyskano dzięki rotacji kości czołowej,
potylicznej i ciemieniowych.
W wyniku planowania operacyjnego możliwe było oszacowanie efektów leczenia dwoma
możliwymi metodami jeszcze przed przystąpieniem do zabiegu. Należy jednak zauważyć, że
dopiero w późniejszym czasie po przeprowadzonej operacji będzie możliwa pełna ocena
korekcji, a głównym celem zabiegu zawsze jest usunięcie zrośniętego szwu czaszkowego,
aby umożliwić dalszy, prawidłowy wzrost mózgu i czaszki.
Dzięki inżynierskiemu planowaniu całkowity czas operacji jak również samego
znieczulenia uległ skróceniu o około godzinę, co korzystnie wpływa na podwyższenie
bezpieczeństwa pacjenta. Porównanie procedur leczenia – klasycznej i z uwzględnieniem
planowania przedoperacyjnego przedstawiają schematy na rys. 11.
Rys.11. Porównanie klasycznego procesu leczenia kraniosynostozy (schemat górny)
z planowaną wirtualnie operacją (schemat dolny)
444
W. WOLAŃSKI, D. LARYSZ, M. GZIK, E. KAWLEWSKA
Wirtualna symulacja zabiegu pozwala zaplanować poszczególne etapy korekcji kształtu
czaszki, wspomagając tym samym lekarza, który w przypadku klasycznego postępowania
musiałby planować nacięcia dopiero w trakcie operacji, bazując na własnej wiedzy
i doświadczeniu.
Praca naukowa finansowana ze środków Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego na naukę
w ramach projektu badawczego promotorskiego Nr NN501 157038.
LITERATURA
1. Aldridge K., Marsh J. L., Govier D., Richtsmeier J. T.: Central nervous system
phenotypes in craniosynostosis. “Journal of Anatomy” 2002, No. 202, p. 31-39.
2. Erlanger Health System Tennessee Craniofacial Center (1997), No. 1(800), p. 418-3223
3. Gaskill S., Marlin A. E.: Neurologia i neurochirurgia dziecięca. Kraków: UNIVERSITAS,
2000.
4. Gzik M., Tejszerska D., Wolański W., Gzik-Zroska B., Larysz D., Mandera M.:
Komputerowe wspomaganie planowania zabiegu korekcji trigonocefalii u dzieci.
„Modelowanie Inżynierskie” 2009, nr 38, t. 7, s. 51-56.
5. Gzik M., Wolański W., Tejszerska D., Gzik-Zroska B., Koźlak M., Larysz D.:
Interdisciplinary researches supporting neurosurgical correction of children head
deformation. “ Modeling and Optimization of Physical Systems” 2009, No. 8, p. 49-54.
6. Marchac D., Renier D.: Craniofacial surgery for craniosynostosis. Boston: Little, Brown
and Company, 1982.
7. Marieb E. N., Hoehn K.: Human anatomy and physiology. Seventh Edition, 2007.
8. Neurochirurgia w zarysie. Red. M. Pawlina. Warszawa: PZWL., 1999.
9. Neurochirurgia. Red. J. Bidziński. Warszawa: PZWL., 1988.
COMPUTER-AIDED METHOD IN CRANIOSYNOSTOSIS
Summary. In this paper the craniosynostosis, known as congenital malformation
of skull due to prematurely fusing of the sutures, was described. It was presented
the computer method of supporting the neurosurgical treatment, that relies on
virtual planning of the surgery. The two basic methods of surgical treatment in
scaphocephaly was also described, and performed on the two patients.
The results was compared with the use of Mimics 14.0 software. All these
simulations enable the neurosurgeon to analyze the procedure and also the preoperative training. The positive results of these researches were possible to obtain
thanks to interdisciplinary cooperation between engineers and surgeons.