MODELOWANIE INŻYNIERSKIE ISSN 1896-771X 41, s. 437-444, Gliwice 2011 KOMPUTEROWE METODY WSPOMAGANIA LECZENIA KRANIOSYNOSTOZY WOJCIECH WOLAŃSKI 1, DAWID LARYSZ 2, MAREK GZIK 1, EDYTA KAWLEWSKA 1 1 Katedra Mechaniki Stosowanej, Politechnika Śląska e-mail: Marek.Gzik@polsl.pl, Wojciech.Wolański@polsl.pl, Edyta.Kawlewska@polsl.pl 2 Katedra Neurochirurgii Dziecięcej, Śląski Uniwersytet Medyczny e-mail: dawilar@poczta.onet.pl 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 kość ciemieniowa ciemię boczne 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 ciemię tylne kość ciemieniowa 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) b) c) 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 4- miesięcznego 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). ODLEGŁOŚĆ OPIS Tabela 5. Wyniki pomiarów czaszki przed i po operacji PRZED OPERACJĄ PO OPERACJI METODĄ π PO OPERACJI METODĄ REKONSTRUKCJI Eu.P-Eu.L maksymalna szerokość czaszki 90,75 mm 91,75 mm 87,95 mm G-L maksymalna długość czaszki 148,79 mm 142,67 mm 129,60 mm Indeks Cefaliczny 60,99 64,31 67,86
KOMPUTEROWE METODY WSPOMAGANIA LECZENIA KRANIOSYNOSTOZY 443 148,79 142,67 Rys.9. Rezultat korekcji deformacji zmodyfikowaną metodą π 148,79 B 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.