Centrum Biostruktury Warszawski Uniwersytet Medyczny

Transkrypt

1 Centrum Biostruktury Warszawski Uniwersytet Medyczny lek. Paweł Adamczyk Streszczenie rozprawy na stopień doktora nauk medycznych pt. Zastosowanie modelu stopy zdrowej w chirurgii palucha koślawego u kobiet Promotor: prof. dr hab. n.med. Bogdan Ciszek Badania wykonano w ramach projektu Modelowanie matematyczne w planowaniu osteotomii kończyny dolnej Warszawa, 2013

2 Streszczenie Wprowadzenie: Paluch koślawy jest złożonym, wielopłaszczyznowym zaburzeniem w ustawieniu paliczka bliższego palucha i I kości śródstopia na skutek którego paluch ustawia się koślawo a I kość śródstopia szpotawo. Patologia ta jest problemem społecznym dotykającym 23% populacji między 18 a 65 rokiem życia. Z tego powodu cierpią głównie kobiety. Stosunek kobiet do mężczyzn zakwalifikowanych do operacji korekcji palucha koślawego wynosi 9:1. Deformacja w 84% jest obustronna. Wiele wskazuje na podłoże genetyczne schorzenia. Noszenie obuwia na wysokim obcasie i z wąskim przodostopiem sprzyja progresji patologii, nie jest jednak jej jedyną przyczyną. Szacuje się, że z powodu palucha koślawego w Stanach Zjednoczonych Ameryki Północnej wykonuje się ponad operacji korekcyjnych rocznie. Brakuje danych dotyczących populacji Polskiej, ale z całą pewnością można stwierdzić, że liczba operacji wykonywanych z tego powodu systematycznie rośnie. Szacuje się, że obecnie wykonuje się ponad 150 różnych typów operacji korekcji palucha koślawego wraz z licznymi modyfikacjami. Sama liczba wykonywanych technik dowodzi, że nie opracowano jednej idealnej, więc trzeba dostosowywać technikę wykonywanej operacji indywidualnie. Idea wszystkich tych zabiegów jest jednak bardzo zbliżona, polega na resekcji zmienionej zapalnie kaletki położonej po przyśrodkowej stronie głowy I kości śródstopia, resekcji powstałej kostniny (bunionektomia) oraz na wykonaniu osteotomii pierwszej kości śródstopia tak by móc odpowiednio przesunąć odłam dalszy i zmienić ustawienie w stawie śródstopno-palcowym I. Część technik wymaga wykonania osteotomii innych kości tzw. pierwszego promienia oraz tzw. plastyki tkanek miękkich (Distal Soft Tissue Procedure). Planowanie przedoperacyjne oparte jest na badaniu klinicznym oraz klasycznych zdjęciach RTG w projekcji grzbietowo-podeszwowej (AP) i bocznej w obciążeniu masą ciała oraz w projekcji skośnej. Technika wykonywania i interpretowania tych zdjęć została szczegółowo opisana w Później opisywano liczne nowe lub zmodyfikowane wartości kątowe czy projekcje, ale dopiero wprowadzenie technik obrazowania trójwymiarowego (MRI i CT) oznaczało nową jakość w obrazowaniu i planowaniu zabiegów osteotomii w leczeniu chirurgicznym paluchów koślawych. W międzyczasie zauważono, że w przypadku niektórych parametrów radiologicznych łatwo jest o błąd i pomiary mogą być niemiarodajne.

3 Coughlin i wsp.(2001) opisali, że w przypadku jednego z kluczowych w planowaniu osteotomii I kości śródstopia kąta Distal Metatarsal Articular Angle (DMAA) tylko 59% pomiarów mieściło się w zakresie +/- 2,5 (przy normie <9 ), a pomiary dokonywane były przez wiodących na świecie chirurgów zajmujących się stopą i stawem skokowym. Taki błąd pomiaru oznacza, że ocena w klasyczny sposób DMAA jest mało wiarygodna, co może wpływać na proces decyzyjny przy wyborze techniki operacyjnej. W 2008 roku rozpoczął się projekt badawczy pt. Modelowanie matematyczne w planowaniu zabiegów osteotomii kończyny dolnej (KB/116/13245/IT1-B/U/08) realizowany w ramach Przedsięwzięcia Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego Inicjatywa technologiczna I. Projekt ten ma na miedzy innymi na celu precyzyjne zdefiniowanie deformacji, jaką jest paluch koślawy oraz opracowanie zautoamtyzowanego algorytmu doboru metod leczenia operacyjnego. Pierwszym etapem projektu było stworzenie matematycznego modelu stopy zdrowej na podstawie badania klinicznego, RTG oraz Tomografii Rezonansu Magnetycznego (MRI) zdrowych ochotniczek. Model taki był niezbędny w kolejnych etapach projektu, aby móc oceniać między sobą skuteczność korekcji dla poszczególnych technik operacyjnych, definiować typy deformacji oraz by wyznaczyć cel, do którego powinna dążyć idealnie dobrana technika operacyjna. W dotychczas opublikowanej literaturze naukowej nie opisano takiego modelu. W dwóch kolejnych etapach ww. projektu wykonano w sumie 230 operacji stóp dotkniętych deformacją koślawą palucha. W etapie drugim dobór metody operacyjnej oparty był na zaleceniach literaturowych a jego celem było opracowanie modeli matematycznych poszczególnych technik operacyjnych. Celem etapu trzeciego było opracowanie algorytmu doboru metod operacyjnych. Etap czwarty projektu polegał na zbiorczym opracowaniu wyników wszystkich wcześniejszych etapów i opracowaniu prototypu platformy sprzętowej. Cel pracy: Celem pracy jest opis modelu (zbioru parametrów anatomicznych) stopy zdrowej w oparciu o badanie kliniczne, badanie RTG oraz MRI. Model ten ma definiować populację zdrową, pozwalając wyróżnić tym samym populację chorą. Stanowi wzór do porównania ze stopami z paluchem koślawym oraz ze stopami po leczeniu operacyjnym palucha koślawego w ramach projektu Modelowanie matematyczne w planowaniu zabiegów osteotomii kończyny dolnej. Materiał i metoda: Pracę oparto na badaniach stóp 100 ochotniczek, każda z nich została zbadana klinicznie (w przypadku 3 jedna stopa spełniała kryteria stopy zdrowej a druga

4 została zoperowana w ramach etapu II ww. projektu). Każda z ochotniczek miała wykonane badanie RTG stóp (w obciążeniu w projekcji grzbietowo-podeszwowej, bocznej i PA 45 ). Wykonano 100 badań MRI stóp zdrowych w tej samej grupie badanej. Ostatecznie 71 zbiorów danych MRI zostało poddanych pełnej obróbce. Przy współpracy z Instytutem Modelowania Matematycznego UW na podstawie badania MRI stworzono model stopy zdrowej składający się z 49 parametrów przestrzennych wymagających oznaczenia 85 punktów orientacyjnych. Model oparty na MRI porównano z wynikami pomiarów dokonanych na zdjęciach RTG tej grupy. Ponadto zdefiniowano wartości kątowe oznaczane na zdjęciach RTG dla oceny wyników leczenia deformacji koślawej palucha. Są to odpowiedniki kąta koślawości palucha (HVA) oraz kąta nachylenia dalszej powierzchni stawowej pierwszej kości śródstopia (DMAA), gdzie zastąpiono oś pierwszej kości śródstopia osią II kości śródstopia, tak aby uniknąć problemów z jej wyznaczeniem spowodowanych przez osteotomię I kości śródstopia. Pracę tą oparto na badaniach wykonanych w ramach Projektu Modelowanie matematyczne w planowaniu zabiegów osteotomii kończyny dolnej. Wyniki: Stworzono model zdrowej, kobiecej stopy w oparciu o badanie kliniczne, RTG i MRI. Uzyskano wartości zdefiniowanych parametrów dla badania MRI oraz RTG. Poddano je analizie statystycznej. Stworzony w ten sposób model zdrowej stopy kobiecej znalazł zastosowanie w kolejnych etapach projektu Modelowanie matematyczne w planowaniu zabiegów osteotomii kończyny dolnej jako wzór stopy zdrowej. Uzyskano 95% przedziały ufności nowo zdefiniowanych parametrów przestrzennych dla badania MRI, które traktowano jako zakres wartości referencyjnych. Analiza statystyczne wykazała silną korelację parametrów przestrzennych badania MRI, które opisują cechy mierzalne również w klasycznych badaniach RTG, z klasycznymi parametrami RTG. Nie stwierdzono istotnych klinicznie różnic między stopa prawą a lewą. Na potrzeby ww. projektu stworzono dwie wartości kątowe mierzone na RTG w projekcji grzbietowo-podeszwowej nazwane M2_DMAA i M2P1. Są to odpowiedniki klasycznych wartości radiologicznych (odpowiednio: DMAA i HVA), w których zastąpiono oś pierwszej kości śródstopia osią II kości śródstopia. Pozwala to na ocenę położenia powierzchni stawowej końca dalszego I kości śródstopia oraz koślawości paliczka bliższego palucha po osteotomii I kości śródstopia, bez błędów wynikających z zaburzenia jej osi przez osteotomię. Nowo zdefiniowane wartości silnie korelują ze swoimi odpowiednikami mierzonymi dla tej samej stopy, co świadczy o ich wiarygodności. Uzyskano 95% przedziały

5 ufności dla tych parametrów i traktowano je jako wartości referencyjne. Użycie tych partametrów poza ww. projektem badawczym wymaga dalszych prac. Wnioski: Zaproponowany trójwymiarowy model zdrowej kobiecej stopy w wyczerpujący sposób opisuje morfometrię stopy i pozwala na precyzyjne określenie granic normy i patologii. Parametry określone w badaniu MRI wykazują silną korelację z odpowiednikami w badaniu RTG, co wskazuje na wysoką wartość klasycznej radiografii w ocenie przestrzennej anatomii kośćca stopy. Badanie MRI pozwala na badanie istotnych klinicznie parametrów anatomii kośćca stopy niedostępnych dla badania RTG. Zaproponowane nowe parametry kątowe umożliwiają uniknięcie, w ocenie badania RTG, błędów wynikających z zaburzenia osi trzonu I kości śródstopia, powstającego na skutek przeprowadzonej osteotomii. Słowa kluczowe (MeSH): paluch koślawy, obrazowanie rezonansem magnetycznym, anatomia stopy, wspomaganie komputerowe w analizie obrazów.

6 Abstract Introduction: Hallux valgus is a complex, multiplanar and dynamic pathology of proximal phalanx of the hallux and 1 st metatarsal bone. Prevalence of hallux valgus is 23% in adults aged years. Mainly women are affected, women to men ratio in patients referred to hallux valgus surgery is 9:1. In 84% this deformation is bilateral. It has a genetic background, but progression of this pathology is accelerated by incorrect shoes (high-heels with narrow forefoot). It is estimated that every year in United States of America more than hallux valgus surgeries are performed. Situation in Poland is difficult as there is no current data, but one can most certainly state that number of surgeries raises constantly. Type of surgery should be chosen according to type of deformation. Nowadays, there is more than 150 types of operations (not mentioning numerous modifications). This number proves, that there is no perfect one, so we have to choose the type of surgery individually. Idea of majority of them consist of bunionectomy and osteotomy of 1st metatarsal bone. Some of techniques consist of osteotomy of other bones of the foot and of distal soft tissue procedure (DSTP). Preoperative planning consists of clinical examination and evaluation of AP and lateral weightbearing x-ray of the foot (also oblique projection should be done). It was found that radiologic measurements of irregular bones of the foot can be misleading. Coughlin et al. found that in case of DMAA (one of the radiologic measurements crucial for hallux valgus surgery planning) only 59% of x-rays were measured within range of 5 or less by extremely reliable foot surgeons. Such a bias means that those measurements are arguable and it can perturb algorythm of surgery planning. Rapid development of three dimensional imaging techniques such as CT and MRI means new possibilities in hallux valgus surgery planning. Model of healthy foot based on MRI findings described in this paper was created during scientific project entitled: Mathematic modeling in planning of lower extremity osteotomies (KB/116/13245/IT1-B/U/08), which has been sponsored by Polish Ministry of Science and Higher Education as an scientific project Technological Initiative I. Faze A of this project consist of four stages. In first stage a mathematical model of healthy foot (based on clinical, x-ray and MRI data) was created. In second and third stage two hundred thirty feet with hallux valgus deformity were operated, mathematical models of operative techniques were

7 created and algorithm of surgery selection was worked out. Data from previous stages were analysed and summed up in stage four. Analysis of clinical, x-ray, MRI and CT data (preand postoperative) had to create a new definition of hallux valgus deformity, compare surgery types and develop an algorithm for surgery type selection. Each of those aims needed a geometric healthy foot model as a reference. There is no such model in published literature. Aim of the paper: Aim of this paper is to describe the process of creation and application of healthy foot model (consisting anatomical parameters) based on clinical, X-ray and MRI data. This model is to define the healthy population and allows to distinguish affected population. It is an pattern to compare with feet having hallux valgus deformity and feet having undergone hallux valgus surgical treatment during project Mathematics modelling in planning of lower extremity osteotomies Material and Methods: All data used in this paper was obtained during scientific project: Mathematics modelling in planning of lower extremity osteotomies. Feet of 100 healthy female volunteers were analyzed. Each them was clinically examined and met the inclusion criteria for the project. Every foot had weightbearing x-ray (AP, lateral and PA45 ) and MRI examination. Finally 71 MRI data sets were further fully analyzed. Geometric model of healthy foot was created with cooperation with Interdisciplinary Centre for Mathematical and Computational Modelling. This model consist of 49 geometric parameters defined by 85 landmarks. For the purpose of project new radiological parameters were defined colled M2P1 and M2_DMAA, they are equivalents of HVA and DMAA but axis of 1 st metatarsal bone was substituted with axis of 2 nd metatarsal bone. This procedure was designed to create radiological parameters that are independent of difficulties with estimation of 1 st metatarsal bone axis after its osteotomy. Results: Created geometric model of healthy foot consists of 49 geometric parameters based on 85 characteristic landmarks. This model was further used in scientific project: Mathematics modelling in planning of lower extremity osteotomies. It was used as reference in comparison with deformed feet to define types of hallux valgus deformation, to compare results of surgeries and to create algorithm of hallux valgus operative treatment. It has potential to be used in other aspects of foot surgery. Values for defined geometric and radiological parameters in MRI and x-ray examinations were obtained and undergone statistic analysis. Strong correlation was found between those geometric parameters that have equivalents in classic x-ray measurements. No clinically significant difference was found between right and left foot.

8 For the purpose of project new radiological parameters were defined called M2P1 and M2_DMAA and they undergone statistic analysis. Conclusions: Proposed three-dimensional model of women s feet describes morfometry of the foot in comprehensive way and allows to distinguish pathology from the norm. Parameters defined in MRI are strongly correlated with x-ray equivalents, indicating high value of classic radiology in describing skeleton of the foot. MRI allows describing parameters of the foot skeleton which are out of x-ray reach. New parameters were proposed to avoid bias on x-ray measurements due to osteotomy of 1 st metatarsal bone shaft. Key words (MeSH): hallux valgus, MRI, foot anatomy, computed assisted image interpretation.