3D рентгенодиагностика сколиоза и анализ рентгенограммы

      С.А. Шуц,  КМ. Фридман.

     

      Способ трехмерной рентгено диагностики разработан сотрудниками компании ОртоЛайн, запатентован [ 1 ], методически проработан и апробирован на десятках рентгенограмм.  Прежде чем подробно представить способ, кажется полезным и необходимым аргументировать необходимость создания таких способов на фоне уже имеющихся и, как принято считать, хорошо себя зарекомендовавших.

    В  настоящее время наиболее популярным параметром оценки патологической деформации позвоночника является угол охвата дуги позвоночника. Измерение этого угла производится несколькими методиками, например методом Cobb или методом Furgenson,  дающими несколько разную величину измерений, но задача измерений  неизменна – получить некие значения, адекватно отражающие  состояние тяжести патологии. Измеренное значение угла принимается в качестве оценки величины деформации позвоночника. При этом под деформацией понимается степень искривления позвоночника или, как часто говорят, степень выраженности деформации.

   Такое состояние дел существует со средины прошлого столетия, закрепилось в области ортопедии сколиотически деформированного позвоночника и практически не подвергается критике и оценкам принципиальной корректности.

  Для символического отражения  тяжести заболевания в отдельных странах, в т.ч. и  в России,  пользуются классификатором  патологичности состояния, который выражает соответствие величины угла дуги и степени сколиоза. 

   Стоит более пристально присмотреться к угловому параметру оценки величины деформации позвоночника.  В [ 2 ], на примере частного случая – дуги окружности, показано, что угол дуги равен произведению двух величин.  Этими сомножителями являются кривизна и длина дуги. Причем, мерилом величины искривления линии, т.е. деформации, является исключительно кривизна дуги, которая  функционально связана с радиусом дуги.   Смысл произведения двух величин состоит в том, что  в поле любого угла дуги может быть построено неограниченное число дуг с различным сочетанием радиуса и длины.

    На практике это означает, что для любого угла дуги, например 40 ̊ ,  обязательно найдется  дуга совсем малого радиуса S-образной деформации, включающей, например, 4 позвонка и имеющая высокое значение кривизны. Может найтись и другая дуга 40 ̊, включающая 5 позвонков, соответственно несколько меньшей кривизны,  или еще большего радиуса, включающая 6 позвонков. Наконец, для того же угла дуги обязательно найдется дуга еще большего радиуса С-образной деформации, включающая 7, 8 или даже 10 позвонков, но уже совсем незначительной кривизны. Графически вся эта группа дуг будет выглядеть  в поле угла  в виде семейства  дуг, следующих одна за другой, рис. 1.  

 Все они различаются разным радиусом (кривизной) и длиной дуги.  Но, для каждой дуги произведение длины дуги на ее кривизну даст 40 ̊  по условиям задачи.

 

 Нетрудно увидеть на рисунке, что радиус дуги, в составе которой имеются 4 позвонка, отличатся от дуги с 10-ю позвонками, примерно в 3 раза. Соответственно, в три раза отличается и величина деформации этих дуг. Такая ситуация присуща любому углу дуги.

   Таким образом, в поле угла 40 ̊  расположена группа дуг, отличающихся между собой длиной дуги и радиусом кривизны, т.е. самой кривизной. Угол дуги указывает на длину дуг конкретной группы. Сравнительная функция углового параметра работает   только  в отношении длин дуг соответствующих радиусов в разных группах. Например, угол  50 ̊  и 45 ̊  указывает лишь на то, что длина дуг первой группы больше длины дуг соответствующего радиуса второй группы примерно на 10%. Никакого заключения относительно кривизн дуг, т.е. деформаций,  первой и второй групп  угловой параметр не дает; в этом состоит ошибка метода Cobb  и ему подобных.

    Можно утверждать, что для любого угла всегда существует группа дуг различной степени искривления: от самой большой, до самой незначительной. Поэтому использовать угловой параметр в качестве мерила величины искривления   отдельно взятой дуги бессмысленно.

     Как было отмечено выше, угол дуги равен произведению длины дуги и ее кривизны:

    α = L x K       (1)                  L  - длина дуги, K – кривизна,                    причем  кривизна - это величина, обратная радиусу  -   K =  1 / R

   Единственный случай, при котором возможно пользоваться угловым параметром – это динамическое сравнение двух состояний одной и той же дуги, при условии неизменности ее длины, т.е. в отсутствие роста туловища. В этой ситуации  L - const., в формуле 1 (см. ниже) и изменение величины угла отражает пропорциональное изменение  кривизны дуги.

   На практике, в настоящее время, врач расчерчивает угол дуги позвоночника на фронтальной проекции рентгенограммы, измеряет его и делает заключение, о тяжести патологии пользуясь  классификатором степеней сколиоза, например классификатором д-ра Чаклина.

    Но, такой классификатор – это еще одно  проблемное звено в цепочке некорректности анализа. Точно так же как, невозможно определить степень полноты человека только по его весу, не сопоставляя с ростом, и невозможно определить степень искривления дуги, не сопоставляя угол дуги с ее длиной. Т.е. необходимо использовать относительное, а не абсолютное значение угла.    Из (1) видно, что отношение угла дуги к ее длине  равно    α / L = K,     т.е. это и есть значение кривизны дуги.

Можно, даже, условно длину дуги выражать не миллиметрами, а количеством позвонков. Тогда значение кривизны принимает вид: количество градусов дуги на один позвонок. 

    

     На рис. 2 представлено два массива цифр, которые являются частным от деления угла на кол-во позвонков. Каждая цифра лежит на пересечении этих параметров.

  Массив цифр справа разделен по принципу классификатора д-ра Чаклина, а слева – просто логичное разделение массива по степеням сколиоза. На правом массиве можно выделить несколько особенностей:

- диапазон значений кривизны в пределах одной степени различается  в 5 раз.  Какова ценность такой размытой оценки?,

- одинаковые значения кривизны находятся в  зонах разных степеней, что приводит к неопределенности оценки степени сколиоза,

- в целом ряде ячеек четвертая степень сколиоза, рассматриваемая обычно как потенциал для оперативного лечения сколиоза, имеет весьма низкие значения  кривизны, присущие  третьей и, даже, второй степени, не являющиеся признаком для оперативного лечения. Таким пациентам необоснованно может быть рекомендовано  оперативное лечение.

    На  массиве слева полоса значений кривизны в пределах одной степени не превышает двух раз, что дает несравнимо более концентрированную оценку степени. Зоны степеней четко разграничены равным верхним и нижним значением кривизны. Никаких повторений величин кривизны в разных зонах степеней сколиоза не существует. При такой классификации возможно гораздо точнее строить прогнозы развития деформации и обоснованно назначать методы лечения пациента.

  Конечно, приведенные выше свойства различных моделей оценки степени сколиоза, являются исключительно тенденциозными. Об этом нужно помнить. Для практики назначение степени сколиоза имеет более сложный, многофакторный  характер.

      Параметр кривизны лежит  в основе метода 3-х мерной рентгенодиагностики и является основным при оценке тяжести деформации позвоночника. Вторым важным фактором, для оценки, является угол, определяющий положение плоскости деформации в промежутке между фронтальной и сагиттальной плоскостями туловища.

 

Общеизвестно, что в норме плоскость дуги кифоза и лордоза расположена перпендикулярно плоскости (условно) спины. Если плоскость дуги развернута от сагиттальной в сторону фронтальной плоскости, то на рентгенограмме фронтального вида мы видим боковое отклонение позвоночника – дугу, и называем это сколиозом. Угол разворота плоскости дуги является критичным параметром, поскольку это связано с интенсивностью деформации внутренних органов, в первую очередь легких. Этот угол принято называть углом кифозирования/ лордозирования истинной дуги или просто – К/L углом.

На второй странице «3D протокола анализа рентгенограммы» графически показано правило знаков для описания угла разворота, от нормы,  плоскости деформации грудного и поясничного отдела.  Чем больше отклонение истинной плоскости деформации от сагиттальной плоскости туловища, тем выше лордозирование для грудного отдела или кифозирование для поясничного – уплощение. Теоретически К/Л угол может быть в пределах от 0 до ± 180 ̊ , но реально, он крайне редко превышает значение ± 90 ̊. В программе анализа рентгенограммы мы делим диапазон возможного разворота плоскости дуги  на четыре сектора, причем как для грудной, так и поясничной дуги.

 

 

                                                                   

                                                         

 

 

      Наконец третьим,  из основных факторов оценки степени патологии, является протяженность области деформации. Но, нужно иметь в виду, что абсолютная величина области деформации не является показательной. В расчет необходимо принимать  относительное значение протяженности деформации, т. е. отнесенное к высоте туловища. В связи с этим особую актуальность приобретает необходимость четкого определения понятия «высоты туловища» и точного измерения высоты туловища.

 

 Эти положения легли  в основу способа  3D рентгенодиагностики деформации позвоночника. Способ предполагает несколько операций, по результатам которых делаются выводы о  тяжести состояния пациента.

1        непосредственно, перед рентгенодиагностикой, на туловище пациента устанавливается рентгеноконтрастные маркеры, рис. 3,  Маркеры служат для программного решения ряда задач: масштабирования изображения на мониторе, синхронизации фронтальной и латеральной проекций РГ, расчета геометрических линейных и угловых параметров,

 

2        рентгенологически создаются две проекции позвоночника -  прямая и боковая,

3        оцифрованные любым способом изображения позвоночника загружаются в программный модуль,

4          программа строит образ каждой дуги позвоночника на фронтальной и боковой проекциях, делает расчеты ряда биомеханических параметров и создает протокол обследования. Для наглядного представления комплексной картины позвоночника и его проекций протокол включает  отдельный модуль 3D анимации позвоночника вместе с его проекциями на 3 ортогональные плоскости – фронтальную, латеральную и горизонтальную.

        

 

Протокол анализа РГ включает 3 раздела – страницы, см. ниже.  На первой  странице представлена информация по каждой дуге позвоночника. Она включает группу геометрических параметров дуги, измеренных на фронтальной и  латеральной проекциях рентгенограммы, а также геометрические параметры дуги, измеренные на истинной плоскости, включая угол кифозирования/ лордозирования. Угол Cobb также  присутствует в протоколе, но только в связи с тем, что пока еще сильны привычки работы с этим параметром. Лишний раз мы предоставили  возможность сравнить угол Cobb с КРИВИЗНОЙ дуги на фоне субъективной оценки  косметического вида спины пациента, фото которой представлено на 3-ей странице.

 

На второй странице протокола изображено два вида рентгенограмм и на них программно построены образы дуг позвоночника. Образ дуги - пунктирная  жирная линия на рентгенограмме изображения проекции позвоночника, строится как усреднение внешнего и внутреннего контуров дуги.  Там же, на второй странице, приведены пояснения различных понятий принятых в протоколе. Например, порядок отсчета и знака К/L угла, обозначение зон секционирования пространства между фронтальной и сагиттальной плоскостями и др. Для врача, которому важно  посмотреть информацию о позвоночнике в сжатом виде, представлена табличка с основными параметрами позвоночника и оценкой степени сколиоза (кифоза).

 

На третьем листе протокола представлено три информационных поля. На верхнем поле изображены три ортогональных проекции под некоторым углом – углом зрения. В центральной части объема показан программный образ позвоночника в виде дуг искривления  и вертикали, опущенной из вершины остистого отростка позвонка С7. На фронтальной и латеральной плоскостях показаны проекции этих кривых, а на горизонтальной плоскости - положение проекций плоскостей дуг позвоночника, которые дают представление об углах К/Л для каждой дуги.  3D изображение позвоночника вместе с проекциями на три ортогональные плоскости могут быть построены под любым углом зрения.

  В средней части страницы показана линейная диаграмма степени деформации для каждой дуги позвоночника. Причем, как отмечено выше, выделены два принципиальных состояния: умеренный разворот и грубый разворот от нормы плоскости дуги. Последнее,   характерно для грубых, сильно лордозированных  сколиозов Нередко К/Л угол для них  превышает 80-85 град.  Зона умеренных разворотов плоскости дуг характерна для кифозов и кифосколиозов, где К/Л угол  не превышает 20-30 град.

     В нижней части  3-ей страницы отведено поле для фото. Здесь может быть представлено 1, 2 и более рядом стоящих фото для демонстрации каких-либо особенностей состояния пациента.  Чаще всего выкладывают два фото спинки разных дат, например, для демонстрации  результатов корсетного или оперативного лечения. Часто можно увидеть два фото спинки одной даты, но в свободном состоянии и в корсете; таким образом легко увидеть эффект корсета.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Десять уникальных свойств  способа  3D

рентгенодиагностики  и анализа рентгенограмм

 

 

Первое: 3D  диагностика позволяет получить математически корректные параметры деформации позвоночника для оценки тяжести состояния.

Второе:   высота туловища – слабо определимый параметр, измеряемый в положении человека сидя и сильно зависящий от особенностей положения туловища в ростомере, получает однозначное и математически точное толкование. Она измеряется в положении тела стоя и определяется на фронтальной РГ позвоночника  расстоянием по вертикали между вершинной  точкой остистого отростка позвонка С7 и точкой  пересечения вертикали с прямой, лежащей на вершинах подвздошных костей.  Точность измерения повышается «на порядок»: вместо нескольких сантиметров, до нескольких миллиметров.

Третье: скручивание – торсия позвоночника, получает математически точное однозначное определение. Усредненная торсия участка смежных дуг позвоночника равна отношению угла между плоскостями дуг (К/L углов)  к общей длине смежных дуг.

Четвертое:  позиционирование плоскости дуги в промежутке между фронтальной и сагиттальной плоскостями туловища, получает конкретное определение, характеризующее тяжесть патологической деформации позвоночника.

Пятое: величина лордозирования кифоза позвоночника выражена количественно, также как и величина кифозирования лордоза позвоночника.  

Шестое: 3D  диагностика позволяет рассчитать потенциальную высоту туловища для случая полной или частичной коррекции деформации. При консервативном лечении это дает  ответ на часто задаваемый вопрос о том, как измениться рост пациента в случае успешной коррекции деформации. При оперативном лечении это позволяет достаточно точно выбрать размеры имплантата и топографически позиционировать его относительно корригируемого позвоночника.

Седьмое: 3D  диагностика позволяет прогнозировать потенциальную эффективность коррекции деформации как консервативно, например корригирующим корсетом, так и оперативно, в зависимости от  К/Л угла. Чем он больше, т.е. чем более выражено лордозирование кифотической области  дуги, тем ниже потенциал коррекции, поскольку увеличение степени лордозирования сопровождается увеличением эллипсности корригируемого сечения и, соответственно, увеличением «момента сопротивления сечения изгибу» во фронтальной плоскости.

Восьмое: 3D  диагностика позволяет проследить кинематику растущего организма, что необходимо для понимания процесса коррекции и управления этим процессом. Учитывая чрезвычайно слабое понимание формирования сколиотической деформации в настоящее время, можно надеяться, что 3D анализ поможет поиску  ответов на целый ряд вопросов биомеханики формирующейся деформации.

 Девятое:  отдельный блок программы – реестр протоколов анализа РГ, представляет собой базу данных  протоколов  и позволяет сравнивать сведения протоколов  различных сеансов диагностики не только одного пациента, но и всех обследованных. Система фильтров данных для всей группы параметров позволяет выбирать интересующие конфигурации данных для сравнения и статистического анализа.

Это реальный путь к новому пониманию процесса формирования патологической деформации позвоночника и управления ее развитием.

 Десятое:  программой предусмотрено активное пользование IT ресурсами работы с данными, такими, например, как импорт файла рентгенограммы созданного в рентген кабинете и сохраненного для согласованного  внешнего доступа средствами глобальной файлообменной системы, целевой экспорт данных, например врачу пациента,  облачное хранение данных с системой персональных паролей и др.

 

 Представленная версия анализа рентгенограммы позвоночника  является лишь начальным этапом комплексного  описания состояния скелета, согласно патенту [2]. Конечной целью описания является выявление анормальных  признаков скелета и обоснование приемов эффективной коррекции в детско юношеском возрасте. 

 

 

1.     www.findpatent.ru/patent/257/2570759.html

  1. www.ol-brace.ru/kritika_Cobb.htm
  2. www.spinalsystems.ru/library/forspecialists/forspecialists_41.html