Możliwości zastosowania analizy metrologicznej do oceny nieuszkodzonych płyt AO i LCP

Transkrypt

1 PRACE ORYGINALNE ORIGINAL PAPERS Jacek LORKOWSKI 1,2 Barbara JURAS 3 Marek KOZIEŃ 4,5 Waldemar HŁADKI 2,6 Ireneusz KOTELA 1,7 Możliwości zastosowania analizy metrologicznej do oceny nieuszkodzonych płyt AO i LCP Possibility of using metrological analysis to assessment the undamaged plates AO and LCP 1 Klinika Ortopedii Centralnego Szpitala Klinicznego MSW w Warszawie Kierownik Kliniki: Prof. nadzw. dr hab. med. Ireneusz Kotela 2 Zakład Medycyny Katastrof Katedry Anestezjologii i Intensywnej Terapii Collegium Medicum UJ w Krakowie Kierownik Katedry: Prof. dr hab. med. Janusz Andres 3 Laboratorium Metrologii Współrzędnościowej Wydziału Mechanicznego Politechniki Krakowskiej Kierownik: Prof. nadzw. dr hab. inż. Jerzy Sładek 4 Katedra Dynamiki Układów Materialnych Wydziału Mechanicznego Politechniki Krakowskiej Kierownik Katedry: Prof. dr hab. inż. Marek Książek 5 Instytut Techniczny Państwowej Wyższej Szkoły Zawodowej w Nowym Sączu Kierownik Instytutu: Doc. dr inż. Marek Aleksander 6 Instytut Ratownictwa Podhalańskiej Wyższej Szkoły Zawodowej w Nowym Targu Kierownik Instytutu: Prof. dr hab. med. Waldemar Hładki 7 Zakład Rehabilitacji Uniwersytetu Jana Kochanowskiego w Kielcach Kierownik Zakładu: Prof. nadzw. dr hab. med. Ireneusz Kotela Słowa kluczowe: metrologia płytki zespalające AO płytki zespalające LCP optyczny system pomiarowy Key words: metrology AO plates LCP plates optical measuring system Adres do korespondencji: dr Jacek Lorkowski ul. Janickiego 6/ Kraków tel jacek.lorkowski@gmail.com Powszechnie stosowanym sposobem zespalania złamań w ortopedii jest stabilizacja wewnętrzna z użyciem płyt. Celem pracy była metrologiczna analiza porównawcza dwóch grup nieuszkodzonych płytek zespalających różniących się geometrią tj. płytek LCP o złożonej geometrii i płytek AO o prostej geometrii przestrzennej u chorych, u których doszło do pełnego wygojenia złamania bez powikłań, z dobrym wynikiem leczenia. W pracy przedstawiono pełną analizę oceny uszkodzeń 5 płyt AO i 3 płyt LCP z zastosowaniem technik wizualizacji dostępnych w oprogramowaniu 3DResaper. Badania pokazały możliwość zastosowania przedstawionej metodyki badań do oceny zmiany kształtu płytek AO i LCP, co przy ocenie ilości płytek poddających się prawom wielkich liczb może skutecznie pomóc w monitorowaniu wyników leczenia z zastosowaniem omawianego sposobu stabilizacji Wstęp Commonly used method of osteosynthesis of fractures in orthopedics is the internal stabilization using the plates. The aim of this study was a comparative analysis of metrological two groups of undamaged plates with different geometry; LCP plates of complex geometry and AO plates of simple spatial geometry in patients in whom there was complete healing of the fracture without complications, with a good outcome. The paper presents a complete analysis of damage assessment 5 AO plates and 3 LCP plates with the use of visualization techniques available in the software 3DResaper. Studies have shown the applicability of the methodology presented studies to assess platelet shape change of AO and LCP plates, which in the assessment of platelet undergoing the laws of large numbers can effectively help in monitoring the results of treatment using the present method of stabilization Powszechnie stosowanym sposobem zespalania złamań w ortopedii jest stabilizacja wewnętrzna z użyciem płyt. W chwili obecnej coraz powszechniej używane są płyty LCP o złożonej geometrii (Low Contact Plates). Ich parametry przestrzenne i biomechaniczne krańcowo różnią się od powszechnie stosowanych do niedawna płyt AO (Arbeitsgemeinschaft für Osteosynthesefragen), od których używania w chwili obecnej stopniowo się odchodzi. Z punktu widzenia biomechaniki istotną różnicą pomiędzy omawianymi systemami zespoleń jest możliwość dopasowania płytki do kształtu kości. W przypadku płytek LCP, z uwagi na ich kształt kontakt z kością jest wielopunktowy, zasadniczo głównie w węzłach mocowania śrub. W przypadku płytek AO kontakt jest jednopłaszczyznowy, zaś po dogięciu płyty wielopłaszczyznowy i zależy od stopnia dopasowania powierzchni płytki do powierzchni zewnętrznej kości. Płyty AO są używane ze względów ekonomicznych, szczególnie w miejscach, gdzie do zrostu złamań dochodzi prawie we wszystkich przypadkach i miejscach oraz gdzie można zastosować płyty proste, nienasadowe (np. złamanie kostki bocznej). Prawie zawsze odchodzi się od użycia płyt AO, zastępując je płytami LCP o złożonej geometrii, w przypadku złamań w miejscach wymagających precyzyjnej rekonstrukcji, czyli głównie w przypadku złamań śródstawowych, gdyż tylko przez odtworzenie poprawnych stosunków anatomicznych możemy odtworzyć prawidłową biomechanikę, a więc i funkcję stawu. Z podobną sytuacją mamy do czynienia np. przy złamaniach nasady bliższej kości ramiennej, szczególnie przy bardziej złożonych złamaniach zgodnie z klasyfikacja Neer a, gdzie nieprecyzyjna odtworzenie stosunków anatomicznych w mniejszym lub większym stopniu zaburza momenty działających sił. Obserwacje kliniczne wskazują, ze przy oszczędzającym tkanki miękkie leczeniu operacyjnym, uwzględniającym stabilną osteosyntezę płytki LCP zapewniają u tych chorych dobre wyniki leczenia, w szczególności po wdrożeniu właściwego postępowania pooperacyjnego [1-5]. Celem pracy była metrologiczna analiza porównawcza dwóch grup nieuszkodzonych płytek zespalających różniących się geometrią tj. płytek LCP o złożonej geometrii i płytek AO o prostej geometrii przestrzennej u chorych, u których doszło 36 OSTRY DYŻUR 2012 tom 5 numer 3-4

2 do pełnego wygojenia złamania bez powikłań, z dobrym wynikiem leczenia. Materiał Analizie poddano materiał zespalający pobrany od chorych po pełnym wygojeniu złamania kostki bocznej, bądź nasady bliższej kości ramiennej, z dobrym wynikiem klinicznym i radiologicznym. Było to ośmiu chorych (5 mężczyzn, 3 kobiety), w wieku lat (średnia wieku 47 lat). Złamanie nasady bliższej kości ramiennej u jednej chorej było prawostronne, u dwóch lewostronne, zaś w przypadku złamania kostki bocznej goleni złamanie było w 3 przypadkach lewostronne i w 2 prawostronne. Poddany analizie materiał zespalający podzielono na 2 grupy. Pierwszą grupę stanowiły trzy płytki nasadowe LCP tj. elementy strukturalno - materiałowe o złożonej geometrii przestrzennej (rycina 1). Płytki te dostosowane były w swojej budowie do kształtu nasady bliższej kości ramiennej. Płytki usunięto trójce chorych leczonych z wynikiem dobrym, z powodu wieloodłamowego złamania końca bliższego kości ramiennej. W drugiej grupie oceniano pięć płytek zespalających o maksymalnie prostej konstrukcji przestrzennej tj. prostych płytek AO (rycina 2). Płytki te usunięto z końca dalszego kości strzałkowej, od pięciu chorych leczonych operacyjnie z wynikiem dobrym, po złamaniu kostki bocznej z uszkodzeniem więzozrostu piszczelowo-strzałkowego. Każda z płytek była dogięta śródoperacyjnie celem dostosowania jej kształtu do anatomii kostki bocznej operowanego pacjenta. Typowo, w obrębie płytek AO występowały niegwintowane, ustawione jednopłaszczyznowo w stosunku do powierzchni płytki otwory. W obrębie płytek LCP występowały gładkie i gwintowane otwory o różnych średnicach i różnych kątach osi otworu w stosunku do płaszczyzny płytki. Rycina 1 Płytki LCP Phylos, o złożonej geometrii przestrzennej Rycina 2 Płytka AO pięciootworowa z nałożoną dodatkowa deformacją przestrzenną dostosowującą jej kształt do końca dalszego strzałki Metodyka Do oceny deformacji złożonych kształtów jakimi są płytki zespalające wykorzystano optyczny system pomiarowy R-Scan RX2 współpracujący z ramieniem Omega 2025 (rycina 3). Badania wykonano z użyciem oprogramowania 3DResaper. Systemem pomiarowym posługiwano się zgodnie z instrukcjami obsługi powyższych urządzeń i programów. Rycina 3 Ramię pomiarowe OMEGA firmy Romer z głowicą skanującą R-Scan OSTRY DYŻUR 2012 tom 5 numer

3 a) a) Rycina 5 Sposoby przedstawienia odchyleń kształtu płytki Rycina 4 Model odniesienia i chmura punktów reprezentująca badany element dopasowanie elementów Zastosowany system pozwala na zebranie współrzędnych chmury punktów odwzorowującej badany kształt, przy wykorzystaniu laserowej głowicy skanującej. Operacje wstępnej obróbki sygnału, obejmujące zasadniczo procedury czyszczenia i filtracji danych pozwalają na uzyskanie wiarygodnej informacji o wymiarze i kształcie mierzonego obiektu. Konieczność zastosowania tych procedur wiąże się w przypadku płytek z dużą refleksyjnością mierzonej powierzchni. W trakcie pomiaru następuje pewne rozproszenie punktów pomiarowych wymagające zastosowania procedur obróbki wstępnej. Pierwszym etapem prac mających na celu ocenę zmiany kształtu płytki zespalającej jest sporządzenie tak zwanego modelu odniesienia. Najdogodniej w tym celu jest wykorzystać źródłowy model CAD. W przypadku jego braku, jako wzorzec przyjmuję się najczęściej model zbudowany na podstawie pomiarów elementu wzorcowego. Element, którego kształt porównujemy z wzorcem także w pierwszym kroku jest skanowany przy zastosowaniu głowicy pomiarowej, następnie dane są poddane obróbce wstępnej sygnału (filtrowane) i w kolejnym kroku wirtualne elementy są do siebie dopasowywane (rycina 4a i 4. Dopasowanie elementów zgodnie z procedura Gaussa stanowi podstawę do oceny kształtu powierzchni płytki. Wizualizacja zmiany kształtu możliwa jest w postaci mapy. Wartości otrzymane w wybranych punktach przedstawiono w postaci etykietek, na których podawane współrzędne punktu (x, y, z) oraz wartości odchyleń kształtu. Innym sposobem wizualizacji wartości odchyleń jest powiązanie ich wartości z odpowiednimi barwami i stworzenie obrazu kolorowego (rycina 5a i 5. Wykorzystane do opracowania danych oprogramowanie pozwala między innymi na dopasowanie uzyskanych punktów do wybranych podstawowych kształtów geometrycznych jak: płaszczyzny, walce czy sfery. W wyniku dopasowania można dokonać oceny aktualnego kształtu mierzonej powierzchni. Wyniki Płytki AO Płytki AO w zeskanowanym obrazie są elementami prostymi o owalnych lub okrągłych otworach. Otwory mają widoczne na zdjęciach sfazowania. Na większości otworów w obrębie płytek AO widoczne są ślady interakcji biomechanicznej ze śrubami w postaci wgłębień i podcięć. Poza zadanymi pierwotnie przy śródoperacyjnym kształtowaniu płytki nie stwierdza się istotnych zmian w ich geometrii. Stwierdzane zmiany są związanye z kształtem kostki bocznej i mają charakter odkształceń trwałych tj. odkształceń plastycznych. Wartości kątów zgięcia płytek w różnych miejscach dla wybranych, badanych obiektów wyniosły od 8 do OSTRY DYŻUR 2012 tom 5 numer 3-4

4 kształtem powierzchni czołowych w obszarze poza otworami (zgodnie z definicją maksymalna powierzchnia występująca w obrębie płytki), wyniosły maksymalnie 0,16 mm, co stanowi wartość na granicy dokładności wykorzystywanego systemu pomiarowego. Dyskusja Rycina 6 Chmura punktów odwzorowująca geometrię płytki zespalającej przedstawionej w wersji oryginalnej na rycinie 2 Rycina 7 Ocena kształtu płytki z wykorzystaniem płaszczyzny najlepszego dopasowania zgodnie z metodą najmniejszych kwadratów Odkształcenia te, o charakterze trwałym, związane są z dopasowanie kształtu płytki do kształtu kości (rycina 6). W oparciu o oprogramowanie systemowe dopasowano uzyskane punkty do wybranych podstawowych kształtów geometrii kartezjańskiej. W wyniku tej analizy dokonano oceny aktualnego kształtu mierzonej powierzchni. Przykład takiej analizy przedstawiono na rycinie 7. Wizualizacja wartości odchyleń jest powiązana z odpowiednimi barwami i stworzeniem kolorowego obrazu, uwzględniającego normalny rozkład barw w tęczy. Płytki LCP Model odniesienia zbudowany na podstawie pomiarów płytki wzorcowej typu LCP w postaci chmury punktów przedstawiono na rycinie 8a i 8b, następnie analogicznie dokonano skanowania kolejnych ocenianych użytych płytek LCP. Z pomocą oprogramowania systemu pomiarowego dopasowano uzyskany z pomiarów obraz punktów do wzorca kształtu zawartego w bazie danych oprogramowania. W wyniku dopasowania uzyskano ocenę kształtu mierzonej powierzchni w przestrzeni kartezjańskiej (rycina 9). Wartości odkształceń w poszczególnych punktach przedstawione w postaci mapy. Otrzymany obraz wykazuje w obrębie tych płytek występowanie gładkich i gwintowanych otworów o różnych średnicach i różnych kątach osi otworu w stosunku do powierzchni czołowej. W wykonanym badaniu poszczególne płytki LCP o podobnej geometrii różniły się nieistotnymi z punktu widzenia biomechaniki, drobnymi detalami jak np. dodatkowe podcięcia w części wklęsłej, które zwiększają powierzchnię zewnętrzną płytki. Badane płytki miały widoczne zarysowania. Nie zmieniają jednak one w sposób istotny geometrii przestrzennej i powierzchniowej elementów. Zmierzono, że wśród porównywanych płytek uzyskane z pomiarów różnice pomiędzy Porównawcza analiza metrologiczna nieuszkodzonych prostych płyt AO i płyt LCP o złożonej geometrii wykazuje w obu przypadkach, że na większości otworów w obrębie płytek AO i LCP widoczne są ślady interakcji biomechanicznej ze śrubami w postaci wgłębień i podcięć. Nie zaburzają one jednak biomechaniki płytek. Pomiary wymiarów i kształtu elementów są często podstawą oceny obciążenia i zużycia elementów, także w zastosowaniach medycznych. Analiza możliwości wykorzystania różnych technik pomiarowych w aplikacjach medycznych poruszana jest przez wielu autorów [6]. Pośród rozważanych zagadnień szczególną uwagę zajmują problemy oceny dokładności wykorzystywanych systemów pomiarowych w odniesieniu do wybranych tematów badawczych. Ważne miejsce zajmuje w tym obszarze współrzędnościowa technika pomiarowa, gdzie do opisu geometrii wykorzystywane są współrzędne punktów zlokalizowane na powierzchnia zewnętrznych obiektów badań [7]. Do typowych systemów współrzędnościowych zaliczane są między innymi w technikach stykowych: współrzędnościowe maszyny pomiarowe, ramiona pomiarowe z głowicami stykowymi czy lasery nadążne a wśród systemów bezdotykowych skanery optyczne czy tomografy komputerowe. Z punktu widzenia biomechaniki płytki AO można uznać za jedną z postaci belek o zmiennym przekroju z szeregiem rozłożonych w podobnych odstępach otworów. Pięć płyt AO o prostej geometrii posiada otwory mające widoczne na zdjęciach sfazowania w celu lepszej współpracy ze śrubami mocującymi. W wyniku procesu montażu i demontażu płytek oraz przyłożonych obciążeń zewnętrznych przenoszonych z kości poprzez śruby na płytki w wielu obszarach otworów widoczne są ślady współpracy w postaci wgłębień i podcięć. Przenoszenie dużych obciążeń, którymi modelami są siły oraz momenty zginające i skręcające, przez całe elementy oraz dopasowanie płytek do kształtu kości powoduje istotne OSTRY DYŻUR 2012 tom 5 numer

5 a) Rycina 8 Chmura punktów odwzorowująca płytkę i proces jej filtrowania 3. Badania pokazały możliwość zastosowania przedstawionej metodyki badań do oceny zmiany kształtu płytek AO i LCP, co przy ocenie ilości płytek poddających się prawom wielkich liczb może skutecznie pomóc w monitorowaniu wyników leczenia z zastosowaniem omawianego sposobu stabilizacji. Rycina 9 Model powierzchni czołowej płytki zmiany w ich geometrii. Zmiana kształtu związana z zespoleniem kości i przenoszeniem obciążeń w przypadku płytek najczęściej związana jest ze zmianą ich osi w wyniku trwałego odkształcenia plastycznego. Ocena tego typu odkształcenia jest stosunkowo prosta. Większą trudność sprawia ocena przestrzennej zmiany kształtu powierzchni zewnętrznych obiektu. Dokładność wykorzystywanego systemu i jego przydatność do oceny kształtu elementów analizowano już w pracach badawczych [8,9] oraz skomentowano w omawianej już metodyce badań. Ocena zmian kształtu płytek dokonana na rozważanej próbce pozwala na wyciągnięcie wniosku o braku istotnych zmian w kształcie ocenianych elementów płytek zespalających o złożonej geometrii po dokonaniu leczenia. Uzyskane po zastosowaniu całej procedury pomiarowej (wraz z obróbka sygnału) dane, pozwalają na budowę modelu wirtualnego poprzez naniesienie odpowiedniej siatki [10]. Zbudowane modele oprócz możliwości oceny geometrii elementu mogą także być wykorzystane, jako podstawa obliczeń wytrzymałościowych prowadzonych np. metodą elementów skończonych. Wnioski 1. Wykorzystany omawiany system pomiarowy pozwala na ocenę kształtu badanego w odniesieniu do zadanego modelu. 2. Kształt wzorcowy można pozyskać na podstawie modelu CAD elementu lub przez pomiar nowego, nieodkształconego przedmiotu badanego. Piśmiennictwo 1. Giannoudis PV, Schneider E. Principles of fixation of osteoporotic fracture. J Bone Joint Surg (Br) 2006; 88: Hładki W, Lorkowski J, Grzywna E, Trybus M, Brongel L. Wyniki leczenia złamań metodami płytkowymi AO powikłanych uszkodzeniem materiału zespalającego. Ostry dyżur 2011; 1: Kudłacik K, Jesse L, Gagaczowski T. Zamknięta osteosynteza śródszpikowa gwoździem gamma w leczeniu złamań okołokrętarzowych kości udowej. Ortop Traumatol Rehabil 2008; 10: Lorkowski J, Juras B, Kozień M, Hładki W, Trybus M. Analiza metrologiczna uszkodzeń materiału zespalającego przy stabilizacji złamań metodą AO, Przegl Lek 2012; 69: Mueller CA, Eingartner C, Schreitmueller E, Rupp S, Goldhahn J, Schuler F, Weise K, Pfister U, Suedkamp NP. Primary stability of various forms of osteosynthesis in the treatment of fractures of the proximal tibia. J Bone Joint Surg (Br) 2005; 87: Olszewska M, Gąska A. Porównanie różnych urządzeń metrologicznych wykorzystywanych w zastosowaniach biomedycznych. Postępy nauki i techniki 2011; Sładek J, Ryniewicz A, Bryndza M, Juras B, Ostrowska K. Metrologia współrzędnościowa w aplikacjach medycznych. Postępy w Metrologii Współrzędnościowej, Praca zbiorowa pod red. J. Sładka i W. Jakubca, Bielsko-Biała 2010: Juras B, Szewczyk D. Dokładność pomiarów realizowanych skanerem optycznym, Postępy nauki i techniki 2011; 7: Juras B, Sładek J, Szewczyk D. Możliwość identyfikacji błędów kształtu przy wykorzystaniu skanera optycznego. Pomiary Automatyka Kontrola 2012; 01: Sitnik R, Karaszewski M. Optimized point cloud triangulation for 3D scanning systems. Journal Machine Graphics & Vision International Journal 2008;17: OSTRY DYŻUR 2012 tom 5 numer 3-4