При лечении сложных переломов голени врачи часто используют специальные металлические конструкции — аппараты, которые крепятся к кости через мягкие ткани с помощью спиц. Ученые Пермского Политеха впервые создали компьютерную модель, которая позволяет заранее рассчитать, как фиксация конструкции повлияет на кровоток в голени. На ее основе разработали алгоритм, который поможет хирургу еще до операции рассчитать безопасные зоны для ввода спиц и избежать повреждения сосудов. Об этом CNews сообщили представители Пермского Политеха.
Травмы нижних конечностей (бедра, голени, коленных и голеностопных суставов) представляют собой одну из самых масштабных проблем современности. Ежегодно в мире регистрируются миллионы переломов костей, причем значительная их часть приходится на сложные и открытые повреждения голени — результат дорожно-транспортных происшествий, производственных аварий и природных катастроф. Каждый такой случай является не только медицинской, но и экономической проблемой: длительная утрата трудоспособности, многомесячная реабилитация, риск инвалидизации среди людей молодого возраста.
При обширных дефектах нижних конечностей хирурги используют аппараты наружной фиксации. Они представляют собой металлическую конструкцию, которая крепится к кости через мягкие ткани с помощью спиц или стержней. Эти устройства берут на себя нагрузку по удержанию ее в правильном положении, позволяя пациенту двигаться и обслуживать рану уже в раннем послеоперационном периоде. Самый известный из них — аппарат Илизарова. В отличие от аналогов, которые используют толстые стержни и часто бывают громоздкими, он обеспечивает сверхжёсткую фиксацию костных отломков при минимальной травме мягких тканей.
Эффективность аппарата Илизарова подтверждена клинической практикой и тысячами успешных операций. Однако опасность при использовании конструкции связана с тем, что голень — это анатомически сложная зона: плотный массив мышц, минимум свободного пространства и три главные артерии, которые расположены очень близко к костям. Неправильный ввод фиксатора, отклонение всего на несколько миллиметров или недооценка индивидуальных анатомических особенностей пациента приводят к повышенному риску сосудистых осложнений. Подобное повреждение может вызывать острое кровотечение, которое не всегда удается вовремя диагностировать под конструкцией.
Еще более опасный сценарий — постепенное сдавление артерии окружающими тканями после монтажа аппарата, когда фиксатор смещает сосуд. Результатом становится прогрессирующее кислородное голодание тканей: от болей при ходьбе до бледности и похолодания стопы, а затем — отмирание мышц и кожи. В самых тяжелых случаях развивается гангрена, которая оставляет врачу единственный выход — ампутацию конечности.
В настоящее время, чтобы не задеть сосуды при установке аппарата, хирурги используют стандартные медицинские атласы и инструкции. В них нарисованы «безопасные зоны» — места, куда можно вводить спицы, и «запретные зоны», куда нельзя. Эти схемы составлены на основе усредненных данных о том, как у большинства людей проходят сосуды. Однако анатомия каждого человека уникальна, а стандартные изображения не могут учесть всех индивидуальных особенностей. В таких случаях хирург полагается в основном на свой опыт, а значит, риск ошибки сохраняется.
Более того, существующие подходы не позволяют количественно оценить, насколько именно изменится кровоток, если фиксатор все же окажется в нежелательной зоне и вызовет сужение артерии. Тем не менее, знать это необходимо, поскольку при одних значениях кровоток снижается незначительно, а при других может начаться кислородное голодание тканей или некроз мышц. Без точных цифр хирург не может оценить реальную опасность: приведет ли конкретное отклонение к тяжелым последствиям или нет.
Особенно важно это понимать потому, что проблемы с кровоснабжением не возникают мгновенно. Если хирург случайно задел или сдавил сосуд, пациент может чувствовать себя нормально несколько часов или даже сутки. Когда же появляются явные признаки, процесс зачастую уже необратим, но инструментов, которые помогли бы обеспечить точность расчетов и спрогнозировать риски, до сих пор не существовало.
Ученые Пермского Политеха впервые в мире получили конкретные количественные данные о том, как меняется кровоток в голени при неправильной установке фиксаторов аппарата Илизарова. Результаты исследования дают хирургам возможность заранее рассчитывать безопасные зоны для введения спиц и предотвращать повреждение артерий для конкретного пациента.
На первом этапе исследователи взяли снимки компьютерной томографии пациентов. На их основе они построили 3D-модель голени, включающую все артерии с ответвлениями, а также расположение соседних нервов, сосудов и подкожных вен. Их также важно учитывать, поскольку такие повреждения могут ухудшить результат операции и потребовать дополнительного лечения.
Далее на созданную модель голени, опираясь на существующие медицинские атласы, ученые нанесли три типа зон: безопасные, нежелательные и запретные для ввода фиксаторов.
Исследователи также создали виртуальную копию реального аппарата наружной фиксации и объединили ее с 3D-моделью голени. Получилась цифровая конструкция, где видно, как именно располагаются спицы и стержни относительно сосудов. Это значит, что, меняя положение фиксаторов в модели, можно подобрать такие точки ввода аппарата, при которых сосуды не повреждаются.
«Чтобы проверить, к чему приведет установка фиксатора в нежелательной зоне, мы запустили компьютерное моделирование кровотока. Особое внимание уделили ситуации, когда аппарат оказывается в неположенном месте и сдавливает артерию, сужая ее на 50%. В процессе мы также оценивали несколько ключевых показателей: объем проходящей крови, ее скорость в зоне сужения и участки, где возникает завихрение. Эти данные помогут оценить, насколько серьезно нарушено кровоснабжение и нет ли риска повреждения сосуда изнутри», — сказала Марина Шмурак, доцент кафедры «Вычислительная математика, механика и биомеханика» ПНИПУ, кандидат физико-математических наук.
Моделирование показало, что при сужении артерии на 50%, когда фиксатор проходит в опасной близости или слегка сдавливает ее, скорость кровотока в голени падает на 30–40%. Это значит, что даже неполное, частичное сдавление способно вызвать тяжелое кислородное голодание тканей. А если такое состояние будет сохраняться долго, это может привести к необратимому отмиранию мышц.
«Помимо этого, мы смогли точно определить, какие именно сосуды становятся самыми уязвимыми для разных участков голени. Это те анатомические структуры, которые при неправильном монтаже травмируются в первую очередь», — сказал Леонид Бионышев-Абрамов, аспирант кафедры «Вычислительная математика, механика и биомеханика» ПНИПУ.
На основе полученных данных ученые создали алгоритм оценки рисков сосудистых осложнений при установке аппарата наружной фиксации на голень. В отличие от статичных схем в медицинских атласах, он позволяет врачу еще до операции, с учетом конкретного места повреждения, точно определить, куда можно вводить фиксаторы, а куда — категорически нельзя.
В результате хирург, имея данные конкретного пациента (снимки КТ), настраивает модель под него. Врач может указать локализацию перелома и какой тип аппарата наружной фиксации планирует использовать. После этого модель автоматически оценивает, какие зоны наиболее безопасные, а какие —нежелательные. Хирург видит это еще до операции и может спланировать траекторию фиксатора, чтобы избежать сосудистых повреждений.
Разработка открывает путь к персонализированному лечению, где решения врача подкрепляются точным расчетом. Это означает снижение количества осложнений, уменьшение числа повторных операций и, в конечном счете, повышение качества жизни пациентов с тяжелыми переломами и заболеваниями ног.
Поделиться
