Definição de um Modelo de Planeamento Pré Operatório em Ortopedia usando Imagem Digital
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Tiago Miguel Ribeiro Marques Definição de um Modelo de Planeamento Pré Operatório em Ortopedia usando Imagem Digital Dissertação Mestrado em Engenharia Biomédica Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
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Definição de um Modelo de Planeamento Pré Operatório em Ortopedia usando Imagem Digital MEB Dissertação Tiago Marques 3 Definição de um Modelo de Planeamento Pré Operatório em Ortopedia usando Imagem Digital Tiago Miguel Ribeiro Marques Licenciado em Engenharia Biomédica pela Escola Superior de Estudos Industriais e de Gestão (2011) Dissertação realizada sob a orientação de: Prof. Doutor Mário Augusto Pires Vaz (orientador) Prof. Associado do Departamento de Engenharia Mecânica Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto Doutor Luis Miguel Marta de Lima Monteiro (co-orientador) Cirurgião Ortopédico Hospital São João Dissertação realizada com o apoio:
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Definição de um Modelo de Planeamento Pré Operatório em Ortopedia usando Imagem Digital MEB Dissertação Tiago Marques 5 Agradecimentos Ao Professor e Orientador Mário Vaz, pelo acompanhamento no decorrer de todo trabalho, pela disponibilidade, pela ajuda prestada e pelos meios que disponibilizou para que o trabalho fosse possível. Ao Cirurgião Ortopédico, e Co-Orientador , Dr. Miguel Marta, pela disponibilidade e apoio sempre apresentados. Pela ajuda a resolver qualquer tipo de problema, pela orientação e visão otimista que sempre empreendeu no trabalho desenvolvido. Ao Engenheiro Nuno Leal, que se tornou um amigo e ao mesmo tempo professor, devido a todo o apoio, ajuda, disponibilidade e ensinamentos, que foram essenciais para a conclusão de todos os casos práticos presentes nesta dissertação. Ao Engenheiro Nuno Viriato pela ajuda e disponibilidade sempre demonstrada. Ao Professor Rui Neto pelo apoio, devido aos meios facultados pela sua unidade de trabalho do INEGI, que foram essenciais para o trabalho prático realizado. A todos os meus amigos, que sempre demonstraram grande apoio e carinho, nomeadamente à Mafalda Araújo, que sempre me fizeram acreditar. E em especial aos meus pais, as pessoas mais importantes na minha vida, por tudo o que sempre me proporcionaram, a eles lhes dedico todo o meu empenho e dedicação. O meu mais sincero obrigado. A todos, o meu agradecimento. Tiago Miguel Ribeiro Marques
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Definição de um Modelo de Planeamento Pré Operatório em Ortopedia usando Imagem Digital MEB Dissertação Tiago Marques 7 Resumo O planeamento pré operatório, nomeadamente na área da ortopedia, oferece vários benefícios tanto para o cirurgião, como ao paciente. Embora nem todos os casos de trauma ortopédico necessitem de planeamento detalhado, com elaboração de desenhos, todos os procedimentos utilizados necessitam de um plano bem estruturado. O planeamento permite melhorar a comunicação com os outros membros da equipa médica. Com um cuidadoso e bem estruturado planeamento pré operatório, atrasos e confusões, são facilmente evitados na hora de se passar para o ato cirúrgico. Antes de qualquer tipo de operação, o tempo que o cirurgião emprega num plano préoperatório, é de extrema importância, e pode determinar o sucesso ou a falha do procedimento por ele seguido, na hora da intervenção cirúrgica. O cirurgião necessita deste tempo de planeamento para definir o problema cirúrgico, para identificar de forma exaustiva todos os aspetos anatómicos a ter em conta, os aspetos técnicos do procedimento, e consequentemente planear a solução mais adequada. Novas soluções de planeamento pré operatório têm ganho uma maior visibilidade, como uma solução de auxílio aos profissionais de ortopedia, principalmente devido ao grande avanço tecnológico, nas técnicas de imagiologia digital. Este avanço da tecnologia tem despertado o interesse de várias empresas, no desenvolvimento de software que auxilia o ortopedista na realização do seu planeamento pré operatório. Após a pesquisa bibliográfica exaustiva, foram definidos cinco hipotéticos modelos de planeamento pré-operatório. Os cinco modelos foram testados, e aquele que apresentou melhores resultados para os objetivos pretendidos, foi utilizado para a resolução de três casos clínicos reais. Com o trabalho realizado foi possível verificar e provar a grande utilidade da visão tridimensional para o planeamento de operações, bem como descobrir novas soluções que o planeamento tridimensional pode oferecer, principalmente em casos de maior complexidade. Palavras-chave: Planeamento pré operatório, ortopedia, imagem digital, modelo a três dimensões
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Definição de um Modelo de Planeamento Pré Operatório em Ortopedia usando Imagem Digital MEB Dissertação Tiago Marques 9 Abstract The preoperative planning, particularly in the area of orthopedics, offers several benefits for the surgeon and patient. Although not all orthopedic trauma cases require detailed planning, preparation of drawings with all procedures used require a well structured plan. Planning allows improving communication with other members of the medical team. With a careful and well-structured pre-operative planning, delays and confusion are easily avoided at the time of the surgery. Before any type of operation, as long as the surgeon uses a pre-operative plan is of utmost importance, and can determine the success or failure of the procedure it followed during surgical intervention. The surgeon needs of time planned for the surgery, to identify exhaustively all anatomical aspects to be taken into account, the technical aspects of the procedure, and consequently a plan solution. New solutions for preoperative planning have gained greater visibility as a solution to aid in orthopedics due to great technological advances in digital imaging techniques. This advancement in technology has attracted the interest of several companies in software development that help in carrying out their orthopedic preoperative planning. After all the research five hypothetical models for preoperative planning were identified. The five models were tested, and the model which showed better results for the intended objectives, was used to solve three real clinical cases. With all the work done was possible to verify and prove the usefulness of three-dimensional vision for the planning of surgery, as well as discover new solutions that three-dimensional planning can provide. Keywords: preoperative planning, orthopedics, digital imaging, three dimensions model
Definição de um Modelo de Planeamento Pré Operatório em Ortopedia usando Imagem Digital MEB Dissertação Tiago Marques 16 Figura 5. 10: Método dos eixos anatómicos e mecânicos ........................................... 83 Figura 5. 11: Radiografia do membro lesado .............................................................. 84 Figura 5. 12: Início de planeamento 2D ...................................................................... 85 Figura 5. 13: Planeamento 2D .................................................................................... 86 Figura 5. 14: Resultado final planeamento 2D ............................................................ 88 Figura 5. 15: Vista lateral e frontal do joelho lesado .................................................... 89 Figura 5. 16: Sectra OrthoVew´s ................................................................................. 90 Figura 5. 17: Vistas laterais do pé com deformidade .................................................. 91 Figura 5. 18: Imagens de Tomografia Computorizada ................................................ 92 Figura 5. 19: Imagens da reconstrução 3D ................................................................. 92 Figura 5. 20: Imagens do treino da tática cirúrgica ...................................................... 93 Figura 5. 21: Imagens pós operatórias ........................................................................ 94 Figura 5. 22: Imagem do planeamento em 2D ............................................................ 94 Figura 5. 23: Imagens do planeamento em 3D ........................................................... 95 Figura 5. 24: Gráfico de comparação da precisão ....................................................... 95 Figura 5. 25: Reprodução 3D do calcâneo fraturado ................................................... 97 Figura 5. 26: Reconstrução 3D ................................................................................... 98 Figura 5. 27: Reconstrução 3D com implantes............................................................ 98 Figura 5. 28: Interface desenvolvida ........................................................................... 99 Figura 6. 1: Utilização da prototipagem rápida .......................................................... 106 Figura 6. 2: Áreas de aplicação da prototipagem rápida ........................................... 107 Figura 6. 3: Prototipagem rápida em Engenharia Biomédica .................................... 109 Figura 6. 4: Processo de criação do 3D .................................................................... 111 Figura 6. 5: Criação de superfície 3D ........................................................................ 113 Figura 6. 6: Implante criado ...................................................................................... 114 Figura 6. 7: Mimics em utilização .............................................................................. 116 Figura 6. 8: SolidWorks em utilização ....................................................................... 117 Figura 6. 9: 3-Matic em utilização ............................................................................. 118 Figura 6. 10: Importação de imagens no Mimics ....................................................... 119 Figura 6. 11: Seleção das imagens a importar .......................................................... 120 Figura 6. 12:: Imagens após importação ................................................................... 120 Figura 6. 13: Seleção do threshold do osso .............................................................. 121 Figura 6. 14: Seleção da qualidade do 3D ................................................................ 121 Figura 6. 15: Imagem 3D gerada .............................................................................. 122 Figura 6. 16: Rede de trinagulos ............................................................................... 123
Definição de um Modelo de Planeamento Pré Operatório em Ortopedia usando Imagem Digital MEB Dissertação Tiago Marques 17 Figura 6. 17: Zoom da rede de trinagulos ................................................................. 123 Figura 6. 18: Comando para exportação do STL ...................................................... 124 Figura 6. 19: Abertura do STL como corpo sólido ..................................................... 125 Figura 6. 20: Abertura do mesh file ........................................................................... 126 Figura 6. 21: Mesh prep wizard e surface wizard ...................................................... 126 Figura 6. 22: Retângulo Mesh prep wizard ................................................................ 128 Figura 6. 23: Lado a desaparecer ............................................................................. 128 Figura 6. 24: Aspeto após retirar o lado sem fratura ................................................. 129 Figura 6. 25: Aspeto final da redução das superficies triangulares............................ 129 Figura 6. 26: Visão wireframe ................................................................................... 130 Figura 6. 27: Zoom com Visão wireframe .................................................................. 131 Figura 6. 28: 3D do osso compacto .......................................................................... 131 Figura 6. 29: Remoção do osso esponjoso ............................................................... 132 Figura 6. 30: Construção do parafuso ....................................................................... 134 Figura 6. 31: Construção da placa ............................................................................ 134 Figura 6. 32: Conjugação dos implantes ................................................................... 135 Figura 6. 33: Aspeto final dos implantes ................................................................... 135 Figura 7. 1: Fratura da anca...................................................................................... 142 Figura 7. 2: Fratura da tíbia ....................................................................................... 142 Figura 7. 3: Resultado Modelo 1 ............................................................................... 143 Figura 7. 4: Número de superfícies ........................................................................... 144 Figura 7. 5: Remoção de Ruído 1 ............................................................................. 144 Figura 7. 6: Remoção de Ruído 2 ............................................................................. 145 Figura 7. 7: Imagem sem ruído ................................................................................. 145 Figura 7. 8: Interface do surface wizard .................................................................... 146 Figura 7. 9: Geração de superficies .......................................................................... 146 Figura 7. 10: Resultado da geração de superficies ................................................... 147 Figura 7. 11: Imagem a transformar .......................................................................... 148 Figura 7. 12: Resultado transformação ..................................................................... 149 Figura 7. 13: Resultado da limpeza ........................................................................... 150 Figura 7. 14: Resultado da limpeza pormenorizado .................................................. 150 Figura 7. 15: Resultado da limpeza após 45 minutos ................................................ 151 Figura 7. 16: Redução da fratura .............................................................................. 152 Figura 7. 17: Colocação do implante ......................................................................... 153 Figura 7. 18: Zoom da colocação do implante........................................................... 153 Figura 7. 19: Implante modelado à bacia .................................................................. 154
Definição de um Modelo de Planeamento Pré Operatório em Ortopedia usando Imagem Digital MEB Dissertação Tiago Marques 18 Figura 7. 20: Resultado final vista traseira ................................................................ 155 Figura 7. 21: Resultado final vista lateral .................................................................. 155 Figura 7. 22: Fratura tornozelo .................................................................................. 156 Figura 7. 23: Fratura tornozelo segmentada ............................................................. 156 Figura 7. 24: Isolamento dos fragmentos .................................................................. 157 Figura 7. 25: Fragmento 1 ........................................................................................ 157 Figura 7. 26: Fragmento 2 ........................................................................................ 158 Figura 7. 27: Fragmento 3 ........................................................................................ 158 Figura 7. 28: Fratura do paciente em 3D................................................................... 159 Figura 7. 29: Fragmentos da fratura .......................................................................... 160 Figura 7. 30: Fragmentos da fratura visão lateral ...................................................... 160 Figura 7. 31: Separação do Fémur ........................................................................... 161 Figura 7. 32: Isolamento do conjunto fémur-espinha ilíaca inferior............................ 161 Figura 7. 33: Ligação criada pela malha ................................................................... 162 Figura 7. 34: Separação da malha triangular ............................................................ 162 Figura 7. 35: Fissuras da separação ......................................................................... 163 Figura 7. 36: Remoção das fissuras .......................................................................... 163 Figura 7. 37: Fragmentos reunidos ........................................................................... 164 Figura 7. 38: Correção da posição sacro-ilíaca ......................................................... 165 Figura 7. 39: Correção da posição sacro-ilíaca com medições ................................. 165 Figura 7. 40: Rotação da fratura sacro ilíaca ............................................................ 166 Figura 7. 41: Fases da rotação da fratura sacro ilíaca .............................................. 167 Figura 7. 42: Posição corrigida (vista frontal) ............................................................ 168 Figura 7. 43: Posição corrigida (vista traseira) .......................................................... 168 Figura 7. 44: Distância de rotação da espinha ilíaca superior ................................... 169 Figura 7. 45: Correção do ilíaco direito ..................................................................... 170 Figura 7. 46: Correção do ilíaco direito com perímetro delimitado ............................ 170 Figura 7. 47: Rotação do ilíaco direito ....................................................................... 171 Figura 7. 48: Movimento do ilíaco direito................................................................... 172 Figura 7. 49: Junção do ilíaco direito à parte de onde fraturou .................................. 172 Figura 7. 50: Fronteira da correção do ilíaco direito .................................................. 173 Figura 7. 51: Resultado da correção do ilíaco direito ................................................ 173 Figura 7. 52: Distância entre as espinhas ilíacas ...................................................... 174 Figura 7. 53: Local a corrigir ..................................................................................... 175 Figura 7. 54: Cannulated Screw ................................................................................ 175 Figura 7. 55: Implementação do parafuso ................................................................. 176 Figura 7. 56: Local a corrigir ..................................................................................... 177
Definição de um Modelo de Planeamento Pré Operatório em Ortopedia usando Imagem Digital MEB Dissertação Tiago Marques 19 Figura 7. 57: Placa desenvolvida .............................................................................. 177 Figura 7. 58: Zoom da placa desenvolvida ................................................................ 178 Figura 7. 59: Parafuso desenvolvido ......................................................................... 178 Figura 7. 60: Placa com parafusos............................................................................ 179 Figura 7. 61: Placa sem estar adaptada ao osso ...................................................... 179 Figura 7. 62: Placa adaptada ao osso ....................................................................... 180 Figura 7. 63: Placa adaptada ao osso e aplicação de parafusos .............................. 180 Figura 7. 64: Zoom da placa adaptada ao osso e aplicação de parafusos ................ 181 Figura 7. 65: Local a corrigir ..................................................................................... 181 Figura 7. 66: Parafuso desenvolvido ......................................................................... 182 Figura 7. 67: Placa desenvolvida .............................................................................. 182 Figura 7. 68: Placa desenvolvida visão frontal .......................................................... 182 Figura 7. 69: Pormenor da placa modelada na fratura .............................................. 183 Figura 7. 70: Placa completamente modelada .......................................................... 183 Figura 7. 71: Resultado da placa modelada na fratura .............................................. 184 Figura 7. 72: Transformação 3D ............................................................................... 184 Figura 7. 73: Anatomia do fémur ............................................................................... 185 Figura 7. 74: Joelho normal vs fraturado ................................................................... 185 Figura 7. 75: Transformação 3D sem ruído ............................................................... 186 Figura 7. 76: Divisão dos fragmentos da fratura ........................................................ 187 Figura 7. 77: Correção fragmento 2 .......................................................................... 188 Figura 7. 78: Correção fragmento 1 .......................................................................... 189 Figura 7. 79: Comparação do movimento dos fragmentos ........................................ 189 Figura 7. 80: Correção do fragmento 3 ..................................................................... 190 Figura 7. 81: Placa desenvolvida .............................................................................. 191 Figura 7. 82: Colocação da placa ............................................................................. 192 Figura 7. 83:Projeção da placa ................................................................................. 193 Figura 7. 84: Zona com falta óssea ........................................................................... 193 Figura 7. 85: Extrusão da placa ................................................................................ 194 Figura 7. 86: Placa modelada ................................................................................... 195 Figura 7. 87: Placa modelada no osso ...................................................................... 195 Figura 7. 88: Parafusos desenvolvidos ..................................................................... 196 Figura 7. 89: Parafusos desenvolvidos visão anterior ............................................... 197 Figura 7. 90: Resultado final ..................................................................................... 198 Figura 7. 91: Divisão dos fragmentos ........................................................................ 199 Figura 7. 92: Divisão dos fragmentos em diferentes corpos ...................................... 200 Figura 7. 93: Correção fragmento 3 .......................................................................... 201
Definição de um Modelo de Planeamento Pré Operatório em Ortopedia usando Imagem Digital MEB Dissertação Tiago Marques 20 Figura 7. 94: Fragmentos corrigidos ......................................................................... 202 Figura 7. 95: Aumento do fémur ............................................................................... 203 Figura 7. 96:Tipos de fissuras da placa Synthes ....................................................... 204 Figura 7. 97: Biocortical screw fixation ...................................................................... 205 Figura 7. 98: Placa desenvolvida .............................................................................. 206 Figura 7. 99: Placa desenvolvida visão traseira ........................................................ 206 Figura 7. 100: Zoom placa desenvolvida................................................................... 207 Figura 7. 101: Parafuso desenvolvido (locking screw) .............................................. 208 Figura 7. 102: Parafuso desenvolvido (conventional screw) ..................................... 208 Figura 7. 103: Aplicação da placa ............................................................................. 209 Figura 7. 104: Projeção zona inferior da placa .......................................................... 210 Figura 7. 105: Parte inferior projetada ....................................................................... 211 Figura 7. 106: Comparação parte inferior modelada e não modelada ....................... 212 Figura 7. 107: Projeção da zona superior da placa ................................................... 212 Figura 7. 108: Zona superior da placa modelada ...................................................... 213 Figura 7. 109: Placa modelada ................................................................................. 214 Figura 7. 110: Placa superfície reduzida ................................................................... 215 Figura 7. 111: Placa no osso .................................................................................... 215 Figura 7. 112: Resultado final do planeamento à fratura do fémur ............................ 216 Figura 7. 113: Criação do 3D .................................................................................... 217 Figura 7. 114: Anatomia 3D do paciente visão frontal ............................................... 218 Figura 7. 115: Anatomia 3D do paciente visão anterior ............................................. 218 Figura 7. 116: Segmentação do fémur esquerdo ...................................................... 219 Figura 7. 117: Segmentação do fémur esquerdo 2 ................................................... 219 Figura 7. 118: Segmentação do fémur direito ........................................................... 220 Figura 7. 119: Final da segmentação ........................................................................ 220 Figura 7. 120: Pormenor acetábulo ........................................................................... 221 Figura 7. 121: Acetábulo após segmentação manual................................................ 222 Figura 7. 122: Anatomia paciente ............................................................................. 223 Figura 7. 123: Prótese desenvolvida ......................................................................... 223 Figura 7. 124: Ambiente 3-Matic ............................................................................... 224 Figura 7. 125: Colocação acetábulo .......................................................................... 224 Figura 7. 126: Colocação haste ................................................................................ 225 Figura 7. 127: Haste no interior do fémur .................................................................. 226 Figura 7. 128: Corte pescoço do fémur ..................................................................... 226 Figura 7. 129: Haste incorporada .............................................................................. 227 Figura 7. 130: Cavidade de encaixe .......................................................................... 228
Definição de um Modelo de Planeamento Pré Operatório em Ortopedia usando Imagem Digital MEB Dissertação Tiago Marques 21 Figura 7. 131: Corte transversal do fémur ................................................................. 228 Figura 7. 132: Ferramentas de colocação ................................................................. 229
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Definição de um Modelo de Planeamento Pré Operatório em Ortopedia usando Imagem Digital MEB Dissertação Tiago Marques 23 Índice de Abreviaturas Ca – Elemento Cálcio P – Elemento fósforo O – Elemento Oxigénio H – Hidrogénio mm – milímetros m – metros TC – Tomografia computorizada RM – Ressonância magnética 3D – Três dimensões 2D – Duas dimensões cm – Centímetros MB – Megabytes CAD – Design assistido por computador CAE – Engenharia assistida por computador CAM – Produção assistida por computador CAC – Cranioplastia assistida por computador STL – Estereolitografia UV – Ultravioleta DICOM - Comunicação de imagens digitais em medicina Ply – Polygon file format DXF – Drawing exchange format VRML – Linguagem para modelação de realidade virtual
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Definição de um Modelo de Planeamento Pré Operatório em Ortopedia usando Imagem Digital MEB Dissertação Tiago Marques 25 CAPÍTULO I – INTRODUÇÃO 1.1 Enquadramento 1.2 Objetivo 1.3 Estrutura 1.4 Contribuições
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Definição de um Modelo de Planeamento Pré Operatório em Ortopedia usando Imagem Digital MEB Dissertação Tiago Marques 33 CAPÍTULO III – OSSO 3.1 Introdução 3.2 Constituintes ósseos 3.2.1 Matéria Mineral 3.2.2 Matéria Orgânica 3.3 Tipos de osso 3.4 Consolidação de fraturas 3.4.1 Remodelação óssea 3.4.2 Reparação óssea 3.4.3 Tempo necessário para a união óssea 3.5 Efeitos do envelhecimento no sistema esquelético
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Definição de um Modelo de Planeamento Pré Operatório em Ortopedia usando Imagem Digital MEB Dissertação Tiago Marques 35 CAPÍTULO III – Osso 3.1 Introdução Sem esqueleto não teríamos uma estrutura que ajudasse a manter a forma, nem poderíamos mover-nos com grande precisão. A maioria dos músculos atua sobre os ossos para produzir movimento, exercendo com frequência uma força considerável sobre eles. Por isso sem o esqueleto, os músculos seriam incapazes de mover o corpo. Os ossos humanos são muito fortes e capazes de resistir a forças de compressão e de flexão elevadas. No entanto em cada ano que passa dois milhões de americanos sofrem fraturas de ossos. No adulto o esqueleto é constituído por 206 ossos, mas o número é variável de pessoa para pessoa, e diminui com a idade à medida que vários ossos se vão fundindo (Seeley, Stephens et al. 2003). Assim este capítulo é inserido nesta dissertação, devido à necessidade de compreender o comportamento do osso quando é lesado, e qual a resposta que este desenvolve para suprimir a lesão. Antes de chegar a esta resposta é ainda necessário conhecer todos os constituintes, que conferem ao osso a sua estrutura, e quais os diferentes tipos de osso. Esta revisão sobre o osso, tem uma grande utilidade para o planeamento pré operatório, para se perceber qual a forma que o osso reage à solução cirúrgica a utilizar. Pois este conhecimento irá influenciar o tipo de instrumentos a utilizar, bem como a abordagem cirúrgica e se for o caso, o tipo de prótese a implementar. Nesta monografia o foco essencial está no osso, ou seja nas lesões sofridas por este, e não nos outros tipos de lesões tratadas pela ortopedia, como lesões articulares ou musculares, pois o foco está no modelo pré operatório a definir no tratamento de fraturas ósseas. 3.2 Constituintes ósseos O osso pode ser dividido nos segmentos da figura 3.1.
Definição de um Modelo de Planeamento Pré Operatório em Ortopedia usando Imagem Digital MEB Dissertação Tiago Marques 36 Figura 3. 1: Seguementos do osso Adaptado de (Seeley, Stephens et al. 2003) O osso, na sua estrutura é formado por dois tipos distintos de componentes, a matéria mineral e a matéria orgânica. 3.2.1 Matéria Mineral Constituem 70% do total da matéria óssea. O cálcio é o 5º elemento mais abundante no organismo e o componente inorgânico mais abundante do osso. É um fator fundamental na transmissão neural, na atividade enzimática, na coagulação sanguínea, e na atividade enzimática. Possui ainda um papel fundamental no transporte de iões através das membranas celulares (Tortora and Derrickson 2009). As principais fontes deste elemento são: Laticínios: leite, iogurte e queijos; Peixes ósseos; Legumes; Outro principal componente mineral do esqueleto humano é o fósforo, e a sua dinâmica está intimamente relacionada com a do cálcio. Atua na formação dos dentes e ossos; indispensável para o sistema nervoso e o sistema muscular. As suas principais fontes são: Carnes, principalmente o frango e o porco
Definição de um Modelo de Planeamento Pré Operatório em Ortopedia usando Imagem Digital MEB Dissertação Tiago Marques 37 O cálcio e o fósforo estabelecem uma ligação de modo a compor cristais de forma hexagonal (hidroxiapatite, Ca10(PO4)6(OH)2) que, ao serem depositados na substância orgânica do osso, lhe atribuem uma rigidez característica. Aproximadamente 80 a 85% do fósforo total do corpo está aí retido sob a forma cristalográfica (Serra 2001). Apesar de o osso ser basicamente constituído por minerais como o cálcio e o fósforo, é igualmente composto por outros elementos, tais como o magnésio, o flúor e o zinco (Serra 2001). 3.2.2 Matéria Orgânica Constitui 30% do total de matéria óssea. Destes constituintes 2% são células ósseas e 98% componentes orgânicos da matriz extracelular. O colagénio é a proteína mais abundante e mais difundida no corpo. A sua característica resistência à tensão, tornam-no fundamental na matéria extracelular nos tecidos do endosqueleto. Considerando os tecidos secos, 50% cartilagem é constituída por ele, 86% nos tendões e, excluído o componente inorgânico cristalino, 94% no osso. É uma macromolécula estrutural, cuja unidade estrutural é a fibrila, e estão identificados 15 tipos de colagénio(Bala, Depalle et al. 2011). É o constituinte orgânico mais importante do osso, atingindo cerca de 20% do seu peso, mesmo no osso de máxima densidade mineral, o cortical. Numa comparação do ponto de vista da engenharia, o papel do colagénio na matriz óssea é mecanicamente semelhante ao do ferro no betão armado. As suas fibras estão orientadas segundo as linhas de força a que o osso está habitualmente sujeito, dando-lhe a resistência elástica necessária para suportar e recuperar das tensões, dentro dos limites fisiológicos. Por isso, a organização na matriz das fibrilas de colagénio e dos cristais minerais está intimamente relacionada (Boivin, Bala et al. 2008). A seguinte figura demonstra o que aconteceria ao osso na ausência da componente mineral, em que o colagénio é o principal componente que resta, podendo o osso ser dobrado sem quebrar. Quando o colagénio é removido, o osso torna-se frágil ao ponto de se estilhaçar facilmente (Ver figura 3.2).
Definição de um Modelo de Planeamento Pré Operatório em Ortopedia usando Imagem Digital MEB Dissertação Tiago Marques 38 Figura 3. 2: Osso na ausência da componente mineral Adaptado de (Seeley, Stephens et al. 2003) 3.3 Tipos de Osso Há dois tipos de osso: um definitivo, outro provisório. Este último ocorre durante a consolidação das fraturas e é chamado osso fibroso ou calo ósseo. À medida que se dá a reparação da fratura vai sendo substituído pelo osso definitivo ou maduro, o único que constitui o esqueleto. O osso maduro, definitivo, tem uma estrutura lamelar, uma constituição química e propriedades idênticas em todo o esqueleto, seja qual for o modo de formação (intramembranosa ou encondral) ou a organização estrutural (osso esponjoso ou cortical). O termo lamelar refere-se à sua aparência ao corte histológico. É constituído por capas concêntricas de matriz e na superfície entre cada uma estão os osteócitos. O tecido ósseo classifica-se em osso reticular ou lamelar de acordo com a organização das fibras de colagénio no seio da matriz óssea. No osso reticular as fibras de colagénio orientam-se aleatoriamente em muitas direções. O osso reticular é o primeiro a ser formado, no decurso do desenvolvimento fetal ou da reparação de uma fratura. Uma vez que esteja formado, os osteoclastos degradam o osso reticular e os osteoblastos constroem de seguida uma nova matriz. O osso lamelar é o osso maduro que se organiza em finas camadas de 3-7 micrómetros de espessura chamadas lamelas (Tortora and Derrickson 2009).
Definição de um Modelo de Planeamento Pré Operatório em Ortopedia usando Imagem Digital MEB Dissertação Tiago Marques 39 O esqueleto possui duas arquiteturas de osso lamelar ou definitivo: o osso cortical e o osso esponjoso ou trabecular. Ambas estão presentes nos ossos longos, mas em localizações distintas, pois são distintas as suas vantagens mecânicas (Serra 2001). Osso esponjoso é também chamado osso lamelar ou trabecular. O seu nome deve-se ao seu aspeto esponjoso. Constitui uma estrutura arquitetónica em trabéculas ósseas entrecruzadas complexamente no espaço tridimensional, mas sempre seguindo linhas de força mecânica, o que as torna aptas a resistir, com eficácia surpreendente, às cargas transmitidas pelas superfícies articulares. Toda essa renda estrutural de trabéculas está revestida por uma membrana epitelial de osteoblastos que podem ser ativados para formar mais lamelas ósseas e assim as espessar (Serra 2001). Sobre a superfície das trabéculas atuam também os osteoclastos no sentido inverso do metabolismo ósseo: destruindo matriz e libertando minerais nas lacunas de Howship. Entre as trabéculas existem espaços que, no osso vivo, são preenchidos por medula óssea e vasos sanguíneos. Cada osteócito está associado a outros osteócitos através dos canalículos. Normalmente nenhum vaso sanguíneo penetra nas trabéculas, de forma que os osteócitos têm de obter os seus nutrientes através dos canalículos (Seeley, Stephens et al. 2003). Atentando na figura 3.3, inicialmente verifica-se a distinção entre osso compacto e esponjoso. Depois em pormenor as trabéculas, que rodeiam espaços no osso esponjoso. Na figura 3.3 verifica-se detalhadamente a secção transversal de uma trabécula.
Definição de um Modelo de Planeamento Pré Operatório em Ortopedia usando Imagem Digital MEB Dissertação Tiago Marques 40 Figura 3. 3: Distinção entre osso compacto e esponjoso Adaptado de (Seeley, Stephens et al. 2003) Em relação ao osso cortical, este também se denomina osso compacto. A unidade fundamental é o osteão, ou sistema de Harvers, um cilindro de capas sobrepostas a um capilar central derivado das artérias nutritivas intra-ósseas, o que confere um aspeto típico ao corte histológico do osso lamelar: capas circulares concêntricas ou um centro vascular (Jae-Young, Kuhn-Spearing et al. 1998). Este osso é mais denso e possui menos espaços do que o osso esponjoso. Os vasos sanguíneos penetram na própria substância óssea, e os osteócitos e as lamelas do
Definição de um Modelo de Planeamento Pré Operatório em Ortopedia usando Imagem Digital MEB Dissertação Tiago Marques 41 osso compacto vão orientar-se predominantemente em torno desses vasos sanguíneos. Os vasos que correm paralelos ao eixo longo do osso encontram-se dentro dos canais de Harvers. Os canais de Harvers são revestidos de endósteo, e contém vasos sanguíneos, nervos e tecido conjuntivo (Jae-Young, Kuhn-Spearing et al. 1998). O osso compacto é renovado por um processo diferente do osso lamelar onde a destruição/formação pode apenas ocorrer à superfície. No osso compacto das diáfises, de espessura de milhares de vezes superiores à da trabécula, a remodelação tem de poder atuar em pleno volume de massa óssea (Seeley, Stephens et al. 2003). Figura 3. 4: Osso compacto e seus constituintes Adaptado de (Seeley, Stephens et al. 2003)
Definição de um Modelo de Planeamento Pré Operatório em Ortopedia usando Imagem Digital MEB Dissertação Tiago Marques 48
Definição de um Modelo de Planeamento Pré Operatório em Ortopedia usando Imagem Digital MEB Dissertação Tiago Marques 49 CAPÍTULO IV – BIOMECÂNICA ASSOCIADA À RECUPERAÇÃO DAS FRATURAS 4.1 Introdução 4.2 Classificação de fraturas 4.2.1Segundo a causa da fratura 4.2.2 Segundo a lesão das partes moles 4.2.3 Segundo os traços da fratura 4.3 Tipos de tratamento das fraturas 4.3.1 Fratura sem estabilização cirúrgica 4.3.2 Fratura com tratamento conservativo 4.3.3 Fratura com fixação cirúrgica flexível 4.3.4 Fratura com absoluta estabilização cirúrgica 4.4 Consequências da alteração da geometria do osso 4.5 Instrumentos auxiliares à cura das fraturas 4.5.1 Placas fixadoras 4.5.2 Parafusos
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Definição de um Modelo de Planeamento Pré Operatório em Ortopedia usando Imagem Digital MEB Dissertação Tiago Marques 51 CAPÍTULO IV – BIOMECÂNICA ASSOCIADA À RECUPERAÇÃO DAS FRATURAS 4.1 Introdução Uma fratura é o resultado de uma sobrecarga simples ou múltipla sobre o osso. A fratura ocorre numa fração de milissegundos. Resultando no aparecimento de um dano dos tecidos moles. A rápida separação da superfície da fratura cria um espaço vazio, que resulta numa grave lesão dos tecidos moles (Completo and Fonseca 2011). O efeito mecânico de uma fratura consiste na perda da continuidade óssea, resultando na perda da função de suporte realizada pelo osso, e consequentemente leva à indução de dor no local lesado, que agrava quando a vítima se tenta mover. A estabilização cirúrgica pode restabelecer a função normal ao osso. Assim o paciente recupera a mobilidade bem como as funções normais do local injuriado (Ruedi and Murphy 2001). Podem também ocorrer descontinuidades traumáticas de rutura dos vasos sanguíneos, dentro ou fora do osso. Nestas situações ocorre uma libertação espontânea de agentes químicos, que ajudam a induzir a recuperação do osso. Em fraturas acabadas de ocorrer estes são muito eficazes e mal precisam de qualquer catalisador para acelerar a sua ação. Nestes casos o papel da cirurgia deve ser, guiar e dar suporte a este processo de cura (Ruedi and Murphy 2001; Bangash, Al-Obaid et al. 2007). É importante ter em conta que embora uma fratura seja um processo puramente mecânico, ela desencadeia uma reação biológica extremamente importante, como a remodelação óssea e a reparação de osso (formação de calo ósseo), como já foi abordado anteriormente (Ruedi and Murphy 2001). Este capítulo procura reunir toda a informação necessária sobre os tipos de fraturas que podem ocorrer, e ainda, procura explicar a forma como a biomecânica afeta a cura dessas fraturas. Ou seja, mediante o tipo de tratamento definido, ocorre uma resposta biomecânica por parte do osso, que vai influenciar e ajudar à cura da fratura. Este conhecimento biomecânico é importante para definir o melhor planeamento pré operatório, adequando este ao tipo de fratura sofrida pelo paciente. 4.2 Classificação de fraturas As fraturas podem ser classificadas por numerosos critérios que as agrupam segundo um ou vários aspetos fundamentais. Existem três critérios básicos para as classificar:
Definição de um Modelo de Planeamento Pré Operatório em Ortopedia usando Imagem Digital MEB Dissertação Tiago Marques 52 Segundo a causa Segundo a lesão das partes moles Segundo os traços de fratura (Serra 2001) 4.2.1 Segundo a causa da fratura Ocorre num osso sem doença prévia ao qual é aplicada uma força superior ao seu coeficiente de resistência e elasticidade. Constitui a maior parte das fraturas (ver figura 4.1) (Completo and Fonseca 2011). Podem ser de três grupos que possuem exemplos de fácil perceção: Ação ou violência direta A fratura do cúbito pela pancada de um cajado, quando se interpõem o antebraço para proteger a cara ou cabeça, ou a da tíbia pelo para-choques do carro no atropelamento (Serra 2001). Figura 4. 1:Fratura do cúbito Adaptado (Fernández and Beltrán 2006) Ação ou violência indireta Fratura traumática
Definição de um Modelo de Planeamento Pré Operatório em Ortopedia usando Imagem Digital MEB Dissertação Tiago Marques 53 A fratura que poderá tanto ocorrer na clavícula, na cabeça do rádio ou na sua extremidade distal (fratura de Colles), quando se cai para a frente sobre a palma da mão (Serra 2001). Ação ou tração muscular Fratura da rótula na contração súbita violenta e resistida do quadricípite ou do olecrânio, por idêntico mecanismo no trícepede (Bangash, Al-Obaid et al. 2007). Ocorre quando um traumatismo (força) menor que a resistência de um osso normal é aplicado de forma repetida e cíclica. Apesar de a estrutura óssea ser aparentemente normal e de as forças que nela se exercem serem perfeitamente suportadas, uma vez que são aplicadas de uma forma cíclica e rítmica produzem alterações na estrutura óssea que mais tarde ou mais cedo conduzirão à fratura. Estas fraturas são frequentes nos membros de carga (membros inferiores) e aparecem na sua grande maioria localizadas nos ossos metatársicos (ver figura 4.2) e mais raramente na tíbia ou no colo femoral (Hosey, Fernandez et al. 2008; Completo and Fonseca 2011). Figura 4. 2: Fratura devido à fadiga do segundo e terceiro ossos metatársicos Adaptado (Nery 2011) Ocorre numa zona óssea previamente fragilizada por doença. Por isso pode ser ocasionada por traumatismo trivial ou inaparente (fratura espontânea), situação que Fratura de fadiga Fratura Patológica
Definição de um Modelo de Planeamento Pré Operatório em Ortopedia usando Imagem Digital MEB Dissertação Tiago Marques 54 alerta de imediato para a possibilidade da fratura ser patológica. Neste caso o osso tem uma elasticidade ou resistência diminuída, pelo que mesmo uma pequena força ou pequeno traumatismo podem provocar fratura. A osteoporose, hiperparatiroidismo, doença de Paget, tumores ósseos malignos, tumores ósseos benignos, osteomielite são exemplos de patologias que ocasionam fragilidade óssea (Completo and Fonseca 2011) (Serra 2001) . 4.2.2 Segundo a lesão das partes moles A pele na vizinhança está viável e fechada. A fratura não contacta o exterior (Serra 2001). Há contacto entre o exterior e os topos da fratura por laceração da pele e restantes partes moles, como se verifica na figura 4.3. O meio bacteriano tem acesso direto à fratura e infeta-a. O contato com o exterior pode ser de dentro para fora, porque a pele foi perfurada pelos topos da fratura, ou de fora para dentro, onde houve penetração direta do agente traumático ocasionando também a penetração de outros elementos do exterior (fragmentos de terra e do vestuário), o que aumenta gravemente a infeção (Ruedi and Murphy 2001). Figura 4. 3: Fratura exposta, e sua radiografia Adaptado de (Ruedi and Murphy 2001) Fratura simples Fratura exposta
Definição de um Modelo de Planeamento Pré Operatório em Ortopedia usando Imagem Digital MEB Dissertação Tiago Marques 55 Ocorre lesão de estruturas fundamentais como artérias, nervos articulações ou vísceras (Serra 2001). 4.2.3 Segundo os traços da fratura O traço da fratura divide completamente o osso em dois fragmentos. O traço pode ser transversal, oblíquo ou espiral (ver figura 4.4) (Serra 2001). Figura 4. 4: A1) Fratura em espiral; A2) Fratura oblíqua; A3) Fratura transversa Adaptado de (Ruedi and Murphy 2001) São características das crianças, quando o osso tem elasticidade que lhe permite partir de um lado e apenas enrugar do outro. São denominadas fraturas em “ramo verde” como se vê na figura 4.5 (Ruedi and Murphy 2001): Fratura complicada Fratura completa Fratura incompleta
Definição de um Modelo de Planeamento Pré Operatório em Ortopedia usando Imagem Digital MEB Dissertação Tiago Marques 56 Figura 4. 5: Radiografias de uma fratura em ramo verde Adaptado (Monfils 2008) Têm mais de dois fragmentos, como se comprova na figura 4.6. Figura 4. 6: Fratura cominutiva Adaptado (Ruedi and Murphy 2001) Fratura cominutiva
Definição de um Modelo de Planeamento Pré Operatório em Ortopedia usando Imagem Digital MEB Dissertação Tiago Marques 57 Ocorrem em osso apenas formado por tecido trabecular ou esponjoso, como os corpos vertebrais, o calcâneo, ou as epífises dos ossos longos (esmagamento de um prato tibial) (Serra 2001). 4.3 Tipos de tratamentos das fraturas Para se entender a importância da biomecânica nos processos realizados para a cura de uma fratura, de seguida irá abordar-se, os diferentes tipos de tratamentos realizados de forma a tratar o osso lesado. Nestes tratamentos a biomecânica do osso assume um papel fundamental. 4.3.1 Fratura sem estabilização cirúrgica A fratura de um osso na grande parte dos casos provoca uma completa situação de instabilidade no local fraturado. Excetuando as fraturas impactadas (fraturas onde o osso fraturado penetra na superfície de outro osso) da metáfise. Fraturas não deslocadas com periósteo intacto assim como fraturas do final proximal do pescoço do fémur são relativamente estáveis. Sem tratamento, a natureza tenta estabilizar os fragmentos móveis que resultaram da fratura ocorrida. Isto é feito pela indução de contrações dolorosas, por parte dos músculos circundantes do local, podendo levar ao encurtamento da fratura. Ao mesmo tempo, o processo de formação do hematoma e do inchaço no local, leva a um efeito de pressão hidráulica, embora temporária, que pode provocar um efeito de estabilização momentâneo. Observações feitas a um osso curado sem tratamento ajudam a perceber os benefícios da intervenção médica (Ruedi and Murphy 2001). 4.3.2 Fratura com tratamento conservativo Como em qualquer tratamento de fratura, a gestão conservativa consiste primeiro na redução da fratura para restaurar o alinhamento do osso. Uma fratura cujo desvio seja considerado prejudicial para a forma ou função, tem de ser reduzida. A redução exige uma anestesia. Esta pode ser local, regional ou geral. O objetivo da redução é conseguir uma posição desejável dos fragmentos, mas esta só tem razão de ser, se o seu resultado for depois estável, e isso não é conseguido espontaneamente (Serra 2001). Seguidamente ocorre a estabilização, que mantêm a redução e diminui a mobilidade dos fragmentos, para os unir de forma mais facilitada. No tratamento Fratura por compressão ou esmagamento
Definição de um Modelo de Planeamento Pré Operatório em Ortopedia usando Imagem Digital MEB Dissertação Tiago Marques 64 situação normal, para um furo com diâmetro de aproximadamente 10% do diâmetro médio da secção. Estes testes de flexão evidenciaram que esta redução só acontece se o furo se encontrar na região do osso sujeita a tensões de tração, ou seja no lado oposto à aplicação da carga. No entanto outros autores como (Edgerton, Na et al. 1990) não encontram diferenças no momento torsor máximo para a rutura com furos de diâmetro inferior a 10% do diâmetro da secção do osso. Existe um decréscimo acentuado do momento torsor à rutura para furos com um diâmetro superior a 10% do diâmetro da seção do osso. Para um furo com diâmetro de 20% do diâmetro da secção, a redução do momento de torção para a rutura foi de 67% relativamente à situação sem furo. A presença do furo no osso diminui também, a capacidade deste absorver a energia. Tal como sucedido para o momento torsor, a capacidade de acumulação de energia de deformação mantém-se inalterada relativamente à situação sem furo, para furos com um diâmetro inferior a 10% do diâmetro da secção do osso. No entanto, para rácios de diâmetro superiores a este, dá-se uma forte redução da capacidade de absorção da energia de deformação. A recuperação de resistência do osso após furação com ou sem preenchimento do furo com um parafuso, parece estar dependente apenas, do processo de remodelação óssea, em torno do furo, como demonstrado numa experimentação animal, em que se realizou um furo, que foi preenchido com uma substância polimérica. Quando a substância foi retirada, após 8 semanas, a resistência à torsão do osso era a normal, mesmo com a presença do furo. Assim conclui-se que o processo de remodelação do osso, em torno do furo, é o fator que mais contribui para a recuperação da resistência mecânica da estrutura óssea (Completo and Fonseca 2011). 4.5 Instrumentos auxiliares de cirurgia 4.5.1 Placas fixadoras A osteossíntese com placas, como as da figura 4.13, que promovem a fixação rígida, continua a ter um papel importante no tratamento de fraturas. Fraturas que envolvem articulações são melhor fixadas com uma absoluta fixação rígida interna. Nestas fraturas a redução anatómica é essencial e a abundante formação de calo ósseo, não é desejável (Serra 2001) .
Definição de um Modelo de Planeamento Pré Operatório em Ortopedia usando Imagem Digital MEB Dissertação Tiago Marques 65 Enquanto o desenvolvimento do calo ósseo é desejável nas técnicas de fixação menos estáveis, a sua existência depois da fixação rígida pode ser uma preocupação, uma vez que pode provocar instabilidade no local, causando consequentemente a falha e fadiga do implante no local. Depois de estabilizada a osteossíntese, a cura da fratura, especialmente na região diretamente abaixo de uma placa padrão implementada, provavelmente dura mais que outras técnicas. Uma placa colocada em contato direto e a colocar pressão sobre a superfície do osso, pode levar a uma alteração do normal fluxo sanguíneo para o córtex subjacente no local. Isto pode ser evitado se o periósteo da zona circundante onde a placa vai ser implementada, for minimizado, para esta ser colocada no topo dele (Ruedi and Murphy 2001). Figura 4. 13: Exemplos variados de placas de osteosíntese Adaptado de (Ruedi and Murphy 2001) Uma fratura fixada com um ou mais parafusos, proporciona uma fixação rígida sem movimento, com absoluta estabilidade, mas geralmente esse tipo de fixação possui uma resistência muito reduzida a cargas. Esta resistência a cargas pode ser aumentada, através da conjugação de parafusos com as placas. Assim é usual utilizarse os parafusos e as placas em conjunto para proteger e neutralizar forças adicionais que possam ser impostas ao local da fratura (Serra 2001).
Definição de um Modelo de Planeamento Pré Operatório em Ortopedia usando Imagem Digital MEB Dissertação Tiago Marques 66 Figura 4. 14: Placa conjugada com parafusos Adaptado (Ruedi and Murphy 2001) A compressão é uma das muitas funções das placas, que pode ser atingida só com uma placa, ou com a conjugação de uma placa com vários implantes. A placa aplicada no lado de tensão do osso, atua de forma ótima como uma banda de tensão. Uma placa pode também ser aplicada sobre tensão, para assim comprimir o osso sobre o seu eixo. Quando uma placa é usada sozinha, neste tipo de técnica a sua aplicação é eficiente em pequenas fraturas oblíquas. Quando uma placa une uma falha óssea, ela suporta os fragmentos ósseos, e mantém esses fragmentos no seu alinhamento ideal (ver figura 4.15) (Ruedi and Murphy 2001). Figura 4. 15: Placa de banda de tensão Adaptado (Ruedi and Murphy 2001) 4.5.2 Parafusos Os parafusos (como o da figura 4.17) são uma ferramenta de fixação muito eficiente, através da compressão intrafragmentária. São também utilizados de forma conjunta com outros instrumentos, como varetas intramedulares, placas e fixadores ósseos. Para explorar as suas possibilidades de utilização ao máximo, é importante estudar de forma cuidadosa as suas características, e tê-las em consideração antes da sua
Definição de um Modelo de Planeamento Pré Operatório em Ortopedia usando Imagem Digital MEB Dissertação Tiago Marques 67 aplicação (Perren, Cordey et al. 1992). As vantagens biológicas devem ser confrontadas com as mecânicas. Os aspetos mecânicos são os mais fáceis de ponderar e estudar de uma forma geral e superficial. Já os aspetos biológicos, que são os mais importantes, variam consoante os casos a serem tratados (Ruedi and Murphy 2001). A força axial produzida por um parafuso resulta de uma rotação deste, no sentido dos ponteiros do relógio, de modo a que as suas superfícies inclinadas deslizam sobre a superfície do osso correspondente. A inclinação destas superfícies devem ser pequenas o suficiente para promover a travagem automática do parafuso, para prevenir que este se solte e se perda do local implantado. Por outro lado o parafuso deve ser largo o suficiente para permitir completa inserção com uma baixa quantidade de rotações (Cordey, Rahn et al. 1980). A figura 4.16 demonstra um parafuso padrão onde, A) a superfície da cabeça do parafuso é esférica, o que permite um encaixe congruente do parafuso ao local. As dimensões mostradas na figura foram desenvolvidas para oferecer uma boa relação entre a força axial e o esforço de torção. B) Essas dimensões resultam nas superfícies inclinadas que permitem a travagem automática do parafuso. C) Este desenho esquemático corresponde ao modelo ISO standard 5835. Figura 4. 16: parafuso padrão usado na diáfise do osso Adaptado (Ruedi and Murphy 2001) De acordo com (Cordey, Widmer et al. 1977), experimentações in vivo mostraram que os parafusos não só atingem grandes quantidades de força produzida, como também são capazes de manter essas forças por um longo período de tempo, período o qual pode exceder o tempo necessário para a cura da fratura. A compressão produzida por um parafuso é elevada, e atua de forma ótima no interior da fratura, contrastando com a compressão realizada pelas placas.
Definição de um Modelo de Planeamento Pré Operatório em Ortopedia usando Imagem Digital MEB Dissertação Tiago Marques 68 Figura 4. 17: parafuso inserido na zona proximal de um osso Adaptado de (Ruedi and Murphy 2001)
Definição de um Modelo de Planeamento Pré Operatório em Ortopedia usando Imagem Digital MEB Dissertação Tiago Marques 69 CAPÍTULO V – PLANEAMENTO PRÉ OPERATÓRIO 5.1 Introdução 5.2 Planeamento pré operatório 5.2.1 Desenho do resultado final 5.2.2 Estratégia cirúrgica 5.2.3 Operação de logística 5.3 Auxiliares de imagem médica 5.3.1 Raios-X 5.3.2 Tomografia computorizada 5.3.3 Ressonância magnética 5.4 Planeamento em 2D 5.5 Estado de arte do planeamento usando imagem digital
Definição de um Modelo de Planeamento Pré Operatório em Ortopedia usando Imagem Digital MEB Dissertação Tiago Marques 70
Definição de um Modelo de Planeamento Pré Operatório em Ortopedia usando Imagem Digital MEB Dissertação Tiago Marques 71 CAPÍTULO V – PLANEAMENTO PRÉ OPERATÓRIO 5.1 Introdução O planeamento pré operatório oferece vários benefícios tanto para o cirurgião como para o paciente. Embora nem todos os casos de trauma ortopédico necessitem de planeamento detalhado, com elaboração de desenhos, todos os procedimentos utilizados necessitam de um plano bem estruturado. O planeamento permite melhorar a comunicação com os outros membros da equipa médica. Com um cuidadoso e bem estruturado planeamento pré operatório, atrasos e confusões, são facilmente evitados duranteo ato cirúrgico. Pensando passo-a-passo, durante a cirurgia, permite ao cirurgião identificar possíveis situações inesperadas, e perante estas desenvolver um plano de contingência para as superar (David and Rose 2008). Assim neste capítulo procura-se demonstrar a utilidade de um planeamento pré operatório, assim como efetuar a ponte de ligação entre o que se faz normalmente para planear uma cirúrgica, e o que se pretende realizar no futuro com o recurso ao planeamento em 3D. 5.2 Planeamento Pré operatório Antes de qualquer tipo de operação, o tempo que o cirurgião emprega num plano préoperatório, é de extrema importância, e pode determinar o sucesso ou a falha do procedimento por ele seguido, aquando a intervenção cirúrgica. O cirurgião necessita deste tempo de planeamento para definir o problema cirúrgico, para identificar de forma exaustiva todos os aspetos anatómicos a ter em conta, os aspetos técnicos do procedimento, e consequentemente planear uma solução. (S. Eggli, M. Pisan et al. 1998) procuraram demonstrar a utilidade do planeamento pré operatório nas cirurgias de artroplastia total da anca. Deste modo concluíram que ao utilizar o planeamento, em 98% dos casos, obtiveram o tipo correto de prótese a utilizar. Em relação aos componentes a utilizar, obtiveram uma correspondência de 90% na parte do acetábulo e 92% no lado femoral. Em relação à média absoluta, da diferença entre a posição prevista e a efetiva, para o centro de rotação da anca, foi de 2.5±1.1mm, na vertical e 4.4±2.1mm na horizontal. Em média a inclinação do componente acetabular difere ente 7±2 graus e anteversão de 9±3 graus dos planos pré-operatórios. A média da diferença entre o comprimento de cada uma das pernas
Definição de um Modelo de Planeamento Pré Operatório em Ortopedia usando Imagem Digital MEB Dissertação Tiago Marques 72 dos pacientes, calculada após se realizar as operações, foi de 0.3±0.1 cm. Mais de 80% das dificuldades intraoperatórias foram antecipadas graças ao planeamento. De modo a definir o problema cirúrgico, o cirurgião deve estabelecer o diagnóstico. Este requer uma história detalhada do estado do paciente e um exame físico muito cuidado e minucioso. Necessita ainda de testes de laboratório, associados à utilização de métodos de obtenção de imagem, como raios X, tomografias, ressonâncias magnéticas e reconstruções 3D. O diagnóstico por si só, não é o suficiente para guiar o cirurgião para a escolha correta do procedimento a utilizar. Uma decisão adequada do procedimento, deve ter em conta o estado físico do paciente, e as espectativas do paciente para o tratamento proposto. Além de que, o cirurgião deve ter o conhecimento suficiente dos procedimentos mais relevantes a aplicar em cada situação de tratamento, e a sua relação com a taxa de sucesso no paciente em questão. A decisão de operar e a escolha do procedimento deve ser feita, tendo em conta a possibilidade de aplicação deste, visando sempre que a sua aplicação traga o maior número de benefícios possíveis para o paciente. Assim o doente deve estar ciente antes de qualquer intervenção cirúrgica dos riscos que esta pode implicar (David and Rose 2008). Segundo (David and Rose 2008) nenhum cirurgião vai para a sala de operações planeando falhar, mas que muitos vão para essa mesma sala sem nenhum plano préoperatório. A preparação cuidadosa de um plano a aplicar na cirurgia oferece vantagens quer ao cirurgião quer ao paciente. No caso do cirurgião, a operação decorre de forma mais rápida e com menor stress, pois possui uma solução anteriormente pensada, que o faz estar seguro do que está a fazer. Além disso, esta confiança demonstrada pelo cirurgião, transmite à equipa que está a acompanhar e a ajudar na operação, uma sensação de segurança e competência, criando um ambiente de fácil liderança para o cirurgião e bom ambiente de trabalho. Finalmente esta confiança e segurança no trabalho que está a ser produzido, resulta em melhores resultados finais após a operação, o que traz de forma direta vantagens para o paciente. A utilidade e importância planeamento pré-operatório, tem vindo a ser reconhecido nas intervenções cirúrgicas ortopédicas e não só, podendo este ser aplicado a outras especialidades com igual sucesso (Martins, Aguiar et al. 2010). Este aumento da importância depositada neste tipo de procedimento deve-se em parte ao crescimento exponencial, que todas as técnicas, procedimentos e equipamentos médicos e cirúrgicos têm sofrido nos últimos anos.
Definição de um Modelo de Planeamento Pré Operatório em Ortopedia usando Imagem Digital MEB Dissertação Tiago Marques 73 De acordo com (David and Rose 2008) existem três principais elementos de um plano pré-operatório completo: O desenho do resultado desejado O desenvolvimento da estratégia cirúrgica, passo-a-passo para aliar ao resultado desejado Operação de logística, como o tipo de mesa do bloco operatório, a posição do paciente, o tipo de anestesia requerida e os instrumentos e implantes necessários. 5.2.1 Desenho do resultado final A habilidade de efetuar um traçado manual das imagens de radiografia, caiu em desuso, devido à conversão destas imagens para digitais. Assim as imagens radiográficas imprimidas, começaram a utilizar-se cada vez menos, e inicialmente pensou-se que o planeamento pré operatório seria colocado também de lado (Pilson, Reddix et al. 2008). No entanto vários sistemas digitais foram desenvolvidos, para permitirem a manipulação das imagens de radiografia. Mais recentemente, começou a surgir software de planeamento pré-operatório, que permite a incorporação e manipulação de imagens de tomografia e de ressonância magnética, e a sua posterior conversão em três dimensões (Suero, Hüfner et al. 2010). 5.2.2 Estratégia cirúrgica Segundo (Mast, Jakob et al. 1989), a estratégia cirúrgica é especialmente importante, em operações em que o passo A deve ser seguido do passo B. E quando se está a desenvolver uma estratégia cirúrgica, passo-a-passo, é importante ter em conta que demasiado detalhe pode ser tão prejudicial como pouco detalhe. O planeamento deve conter os passos chave numa operação. Assim esta deve incluir a posição planeada para o paciente, e o procedimento cirúrgico a adotar. Pode ser também pertinente incluir nesta, detalhes anatómicos importantes para a cirúrgica e estruturas do corpo que possam estar em risco. Além disso é importante abranger, o tipo de redução que a fratura deve sofrer, bem como o tipo de fixador a implementar. O desenvolvimento da sequência cirúrgica termina com o fecho da parte exposta do paciente, e com o seu plano de reabilitação. 5.2.3 Operação de logística
Definição de um Modelo de Planeamento Pré Operatório em Ortopedia usando Imagem Digital MEB Dissertação Tiago Marques 80 capacidade de distinção entre eles. A nível vascular, novas técnicas, sem introdução de contraste exógeno, têm sido implementadas, com bons resultados em termos de diagnóstico. Finalmente, o Sistema Músculo-Esquelético elege esta técnica para avaliação de estruturas menisco-ligamentares (Pisco 2003). 5.4 Planeamento em 2D O planeamento 2D é baseado em figuras de Raio-X. Nelas são estudadas as fraturas, e são realizados métodos que permitem desenhar o resultado pretendido para a lesão a tratar. Existem três métodos principais para criar desenhos de planeamento pré-operatório. Embora sejam métodos distintos, e aplicados em diferentes situações, por vezes a sua aplicação conjunta é a melhor opção. Esses métodos, são: O uso da imagem do membro não lesado Aqui se o local da lesão é um membro superior ou inferior, pode usar-se a imagem do membro contra lateral não lesionado. Assim com o uso dessa imagem, e após ser revertida, pode reconstruir-se o membro lesado (Ruedi and Murphy 2001). Na radiografia da figura 5.7, a imagem da direita corresponde ao membro esquerdo fraturado na tíbia e na fíbula. A imagem da esquerda corresponde à reconstrução deste através do espelho do membro direito Figura 5. 7: Uso do membro não lesado para o espelhamento Adaptado de (David and Rose 2008)
Definição de um Modelo de Planeamento Pré Operatório em Ortopedia usando Imagem Digital MEB Dissertação Tiago Marques 81 Faz-se assim o espelho da imagem do membro não lesado. Seguidamente são adicionadas à imagem as linhas da fratura, para se perceber qual o melhor método para alinhar os fragmentos. Na figura 5.8, a imagem da esquerda corresponde ao desenho da solução cirúrgica com as linhas da fratura, e com os implantes a utilizar. A imagem da direita é a radiografia pós-operatória. Figura 5. 8: Desenho da solução cirúrgica Adaptado de (David and Rose 2008) Método de puzzle Neste método, cada fragmento da fratura é traçado individualmente. Esta abordagem é conhecida como método de puzzle, pois cada pedaço de osso fraturado, é Adaptado do desenho inicial e recolocado de forma a reconstruir a imagem com a solução final desejada (David and Rose 2008). A figura 5.9 ilustra este método, onde, a imagem da esquerda representa o desenho criado da fratura a tratar, com os fragmentos espalhados. A imagem da direita mostra a reconstrução da fratura através da colocação dos fragmentos no local onde pertencem, de forma semelhante a um puzzle.
Definição de um Modelo de Planeamento Pré Operatório em Ortopedia usando Imagem Digital MEB Dissertação Tiago Marques 82 Figura 5. 9: Método de Puzzle Adaptado de (David and Rose 2008) Método dos eixos anatômicos e mecânicos Aqui os fragmentos individuais da fratura são alinhados de acordo com o eixo conhecido, como é exemplo, o eixo de articulação do joelho em caso de uma fratura do fémur. O eixo anatómico pode ser medido através do lado semelhante não afetado, isto no caso da fratura de um dos membros, ou então de forma alternativa, pode ser Adaptado de um eixo padrão existente na bibliografia anatómica. Este método é mais utilizado para fraturas de ossos longos (Ruedi and Murphy 2001). Atentando a seguinte figura, estão representados o eixo anatómico e mecânico padrão de um membro inferior, As linhas pretas correspondem aos eixos anatômicos, e linha azul aos eixos mecânicos (ver figura 5.10).
Definição de um Modelo de Planeamento Pré Operatório em Ortopedia usando Imagem Digital MEB Dissertação Tiago Marques 83 Figura 5. 10: Método dos eixos anatómicos e mecânicos Adaptado de (David and Rose 2008) Para melhor se compreender a forma como o planeamento em 2D é aplicado, de seguida é apresentado um caso prático com exemplos ilustrativos. O caso em questão é uma osteotomia de abertura supracondiliana do fêmur para a correção precisa do eixo de carga do membro inferior usando um implante de ângulo fixo (placa lâmina AO 95º). Este exemplo é da autoria de (Paccola 2010). O paciente de pé apoia-se sobre o membro lesado e é realizada a radiografia. A seguinte figura corresponde, à Radiografia panorâmica com carga do membro inferior esquerdo, tomando-se o cuidado de manter a patela virada para frente e o raio incidindo horizontalmente (paralelo ao chão) e incidindo no joelho. Nota-se grande desvio do eixo de carga do membro inferior. Entre os eixos de carga femoral e tibial, é possível medir-se um desvio de 14,7° (ver figura 5.11).
Definição de um Modelo de Planeamento Pré Operatório em Ortopedia usando Imagem Digital MEB Dissertação Tiago Marques 84 Figura 5. 11: Radiografia do membro lesado Adaptado de (Paccola 2010) No caso em questão (figura 5.11) vê-se que existe leve encurvamento em valgo da tíbia, o que é comum em geno valgo do desenvolvimento. Entretanto, o eixo de carga da tíbia é muito próximo do eixo diafisário, o que indica que a deformidade da diáfise da tíbia é pequena. O desvio do eixo mecânico medido foi de 14,7°. O planeamento começa obtendo-se traçado no papel do contorno ósseo da radiografia panorâmica (figura 5.12 A)). No traçado é superposta a transparência da placa lâmina 95°, de forma que a parte reta da placa forme um ângulo com a cortical lateral da diáfise de aproximadamente 15° (próximo do ângulo medido de desvio do eixo mecânico – figura 5.11). Escolhe-se um ponto de entrada para a lâmina, de forma a permitir a inserção de pelo menos um parafuso no fragmento distal, para evitar que a lâmina retroceda. Deve-se ainda garantir que exista, osso distal com espessura suficiente para evitar que a lâmina penetre na articulação. Faz-se então o traçado da osteotomia, que tem de deixar margem suficiente de osso entre a osteotomia e o primeiro parafuso distal. A obliquidade da osteotomia garante maior superfície de corte e menor hipótese de distúrbios da consolidação (figura 5.12 C). Para isto, o traçado é inclinado para terminar próximo do epicôndilo medial, uma região rica em fibras de Sharpey, que ajudam a evitar a perda de contato da cortical medial. Na seguinte figura A) Vê-se o traçado obtido sobre a radiografia panorâmica. B) A superposição da transparência das placas com os ângulos (no caso 95°) para estimar o tamanho da lâmina, garantindo a colocação de um parafuso no segmento distal (seta). Atente-se
Definição de um Modelo de Planeamento Pré Operatório em Ortopedia usando Imagem Digital MEB Dissertação Tiago Marques 85 que a transparência é colocada formando um ângulo entre a parte reta da placa e a diáfise femoral, aproximadamente igual ao ângulo de desvio medido na radiografia panorâmica (seta pontilhada). C) Vê-se o traçado oblíquo da osteotomia, assegurando uma ampla superfície da osteotomia e suficientemente distante do parafuso distal. Figura 5. 12: Início de planeamento 2D Adaptado de (Paccola 2010) Com uma tesoura, corta-se o papel traçado da radiografia panorâmica seguindo o traçado da osteotomia (Figura 5.12 C). Faz-se o alinhamento das três articulações (anca, joelho e tornozelo), tomando-se o cuidado para provocar leve hipercorreção, fazendo o eixo de carga passar levemente medial à espinha medial da tíbia (Figura 5.13 A). O papel é fixado nesta posição com fita adesiva. O ângulo de abertura do papel no local da osteotomia é medido diretamente com um transferidor (Figura 5.13 C). Este é o ângulo de correção requerido operatoriamente para se obter o resultado desejado (21°). É interessante observar que este ângulo é diferente daquele medido na Figura 5.11 (14,7°). Isto se deve à hipercorreção desejada, a qual faz o eixo passar levemente medial à espinha tibial medial. Seguidamente verifica-se em A e B) O traçado da visão panorâmica em papel, já cortado e alinhado, de forma a obter a correção desejada do eixo de carga. Em C) O ângulo medido com transferidor fornece a leitura de 21°.
Definição de um Modelo de Planeamento Pré Operatório em Ortopedia usando Imagem Digital MEB Dissertação Tiago Marques 86 Figura 5. 13: Planeamento 2D Adaptado de (Paccola 2010) Com o traçado fixado com fita adesiva na posição de correção desejada, faz-se a superposição da transparência da placa lâmina 95º de forma a garantir a adaptação melhor possível da parte reta da placa na cortical lateral do fêmur e a lâmina na melhor posição, garantindo a inserção de um parafuso epifisário proximal à lâmina (Figura 5.14 A). Isto é necessário para que a correção intraoperatória seja obtida automaticamente quando se adapta a placa à diáfise após a inserção da lâmina da placa 95°. Escolhe-se também o comprimento da placa, de forma a se ter pelo menos quatro parafusos proximamente à osteotomia. Traça-se no papel o contorno da placa na posição escolhida, selecionando-se a lâmina adequada (em geral 60mm). Em seguida, mede-se o ângulo formado entre a lâmina e a tangente aos côndilos (Figura 5.14 C). Este ângulo tem fundamental importância, pois ele indica a inclinação da entrada do osteótomo especial (que corta o caminho da lâmina), em relação à tangente aos côndilos femorais. Desta forma tem-se determinado os dois pontos fundamentais no uso de um implante como a placa lâmina 95°: o ponto de inserção da lâmina – (Figura 5.14 A), e o ângulo de inserção em relação à tangente distal aos côndilos – (Figura 5.14 C). O plano pré-operatório em 2D pode finalmente ser completado traçando a posição dos parafusos (Figura 5.14 D). Nele estão os parâmetros fundamentais para a execução
Definição de um Modelo de Planeamento Pré Operatório em Ortopedia usando Imagem Digital MEB Dissertação Tiago Marques 87 da osteotomia: ponto de entrada da lâmina, ângulo da lâmina com a tangente distal aos côndilos na vista de frente e o local da osteotomia. Na figura 5.14, A) Após a colocação da transparência por baixo do papel e feito o desenho do contorno da placa escolhida, mantendose o paralelismo da parte reta da placa com a cortical lateral (seta) e assegurando margem necessária de osso para a lâmina não ficar intraarticular e ainda a possibilidade de inserção de um parafuso pela placa no segmento distal. B) São traçadas duas retas: uma tangente distal aos côndilos femorais; e outra, paralela à lâmina da placa. Como se nota na figura, a cortical do fragmento distal próxima à osteotomia e sob a placa, usualmente dificulta o estabelecer da placa. Esta saliência pode ser judiciosamente removida com serra. C) O ângulo medido com transferidor, que informa qual é o ângulo de entrada da lâmina em relação à tangente aos côndilos na vista de frente, no caso 21°. D) O traçado final do plano pré-operatório E) A osteotomia executada, notando-se o acréscimo de parafuso medial oblíquo de compressão, para manter a cortical medial (que sempre se fratura) em bom contato, para evitar o retardar da consolidação.
Definição de um Modelo de Planeamento Pré Operatório em Ortopedia usando Imagem Digital MEB Dissertação Tiago Marques 88 Figura 5. 14: Resultado final planeamento 2D Adaptado de (Paccola 2010) 5.5 Estado de arte do Planeamento usando imagem digital Novas soluções de planeamento pré operatório têm ganho uma maior visibilidade, como uma solução de auxílio aos profissionais de ortopedia, devido ao grande avanço tecnológico, nas técnicas de imagiologia digital. Este avanço da tecnologia tem despertado o interesse de várias empresas, no desenvolvimento de software que auxilia o ortopedista na realização do seu planeamento pré operatório. Alguns exemplos destas técnicas de imagem digital, são as ferramentas já disponíveis no
Definição de um Modelo de Planeamento Pré Operatório em Ortopedia usando Imagem Digital MEB Dissertação Tiago Marques 89 mercado pelas seguintes empresas: Materialise, Sectra, Siemens, Agfa Healthcare e Voyant Health. Todas estas empresas disponibilizam sofware que permite ao ortopedista efetuar o seu planeamento com imagem digital. Seguidamente é apresentado um caso clínico (ver figura 5.15) tratado com o software da Sectra. Uma paciente com 70 anos, do sexo feminino, a quem foi realizada à 10 anos atrás uma cirurgia de substituição total do joelho, apresenta um recente aumento da dor ao andar e uma deformidade em varo. Esta deformidade provoca um desvio do ângulo frontal do joelho e consequentemente um mau suporte por parte do joelho às cargas, provocando uma sobrecarga nos estabilizadores secundários do joelho. A imagem seguinte mostra que a paciente sofreu um colapso da parte superior da tíbia e ainda lesão na parte inferior do fémur. A osteólise é visível na imagem com visão lateral (Sectra 2011). Figura 5. 15: Vista lateral e frontal do joelho lesado Adaptado de (Sectra 2011)
Definição de um Modelo de Planeamento Pré Operatório em Ortopedia usando Imagem Digital MEB Dissertação Tiago Marques 96 Um estudo realizado por (Chou, Sun et al. 2009), procurou validar, e demonstrar a utilidade, de um modelo de planeamento pré-operatório. Para este objetivo, foi desenvolvido um sistema de planeamento pré-operatório, de utilização totalmente computacional, para realizar uma cirurgia, de osteotomia do calcâneo. Este sistema de planeamento desenvolvido, proporciona ao utilizador um objeto, em três dimensões, a partir de imagens provenientes de tomografia computorizada. Além disso, possibilita ainda rodar, e visualizar de todos os ângulos possíveis as imagens 3D. Consequentemente este sistema, permite ainda, realizar a reconstrução computorizada, do objeto 3D que é criado através das imagens da tomografia. Como os autores referem, a base deste sistema, é a técnica de engenharia reversa, realizada logo no início da metodologia. Através da análise do objeto inicial (calcâneo fratura), vai-se efetuar a construção de um novo objeto baseado no inicial, mas melhorado. Assim através da implementação, das imagens da tomografia computorizada, num software específico, consegue-se a reconstrução 3D da fratura a tratar (Caponetti and Fanelli 1993) (Ashoke, David et al. 1999). O sistema desenvolvido, utiliza as seguintes ferramentas: Ferramentas Aplicação Mimics® (construtor de imagens de TC) Construção do objeto 3D Geomagic Studio® (edição de imagem 3d) Edição dos ângulos de visualização e identificação da área deformada Magics® (Programa de modelação 3D) Sistema de edição, da construção do objeto 3D (Stindel, Briard et al. 2002) Deste modo o sistema de planeamento está dividido em três passos: Procedimento de planeamento pré-operatório Os ficheiros de imagens em três dimensões são obtidos, através da aplicação do software de engenharia inversa, Mimics, aos ficheiros DICOM, provenientes da tomografia computorizada. Foram obtidas as imagens da figura 5.25, em três dimensões, do calcâneo a tratar (Grass, Koppe et al. 1999; Chou, Sun et al. 2009):
Definição de um Modelo de Planeamento Pré Operatório em Ortopedia usando Imagem Digital MEB Dissertação Tiago Marques 97 Figura 5. 25: Reprodução 3D do calcâneo fraturado Adaptado de (Chou, Sun et al. 2009) Estabelecimento da estratégia de reconstrução O objeto 3D é integrado no software Geomagic Studio, onde são realizadas todas as medições importantes, para a reconstrução. Posteriormente o mesmo objeto é reproduzido no software Magics, onde se processa e se simula, a cirurgia de osteotomia do calcâneo. Na figura 5.26 (a) ilustra-se o calcâneo colapsado, a ser recolocado no seu lugar normal, utilizando o ângulo de Bohler´s, 25º. Em (b) e (c) pode-se verificar o esboço pré-operatório, do procedimento cirúrgico. O método para restaurar o tamanho do calcâneo, baseia-se no corte do osso, e efetuar a sua translocação descendente, cerca de 13mm, com 22º ao longo da linha de referência. Em (d) está representada, a impressão por prototipagem rápida, do calcâneo fraturado, antes da reconstrução (Grass, Koppe et al. 1999; Chou, Sun et al. 2009).
Definição de um Modelo de Planeamento Pré Operatório em Ortopedia usando Imagem Digital MEB Dissertação Tiago Marques 98 Figura 5. 26: Reconstrução 3D Adaptado de (Chou, Sun et al. 2009) Com o software Magics pode-se ainda simular a implementação dos auxiliares cirúrgicos (ver figura 5.27), sendo assim mais precisa a simulação da cirurgia de reconstrução. Figura 5. 27: Reconstrução 3D com implantes Adaptado de (Chou, Sun et al. 2009) Construção de uma base de dados de casos clínicos O estudo realizado, recolheu ainda informação clínica para a construção de uma base de dados, para acesso por parte dos cirurgiões, para posterior estudo, treino ou revisão de casos tratados. No estudo realizado foi então possível concluir, que tipo de sistemas de planeamento pré-operatório, são de facto extremamente úteis. Pois além de possibilitarem o cirurgião de obter uma visão bastante detalhada do ambiente da fratura, permite o ensaio da cirurgia, e a obtenção de um possível resultado final da mesma. E o facto de
Definição de um Modelo de Planeamento Pré Operatório em Ortopedia usando Imagem Digital MEB Dissertação Tiago Marques 99 tudo ser em ambiente computacional permite errar, e voltar a tentar, podendo este ser visto também como uma ferramenta de ensaio de cirurgias (Grass, Koppe et al. 1999; Chou, Sun et al. 2009). (Sun, Chiu et al. 2009) utilizou o estudo anteriormente mencionado, mas adicionou-lhe uma nova componente bastante interessante e com bastante utilidade. O que este autor fez, neste novo estudo, foi criar uma interface (figura 5.28), que reuniu cada um do software estudado e apresentado por (Chou, Sun et al. 2009). Assim nesta interface é dada a possibilidade ao utilizador, de efetuar todo o processo do planeamento pré-operatório. Estão assim aqui reunidas, num único local as funcionalidades do Mimics®, Geomagic Studio® e Magics®. Esta interface (ver figura 5.28) funciona assim como uma máscara que é apresentada ao utilizador, que no seu interior, contém um funcionamento cada um do software já referido. Figura 5. 28: Interface desenvolvida Adaptado de (Sun, Chiu et al. 2009)
Definição de um Modelo de Planeamento Pré Operatório em Ortopedia usando Imagem Digital MEB Dissertação Tiago Marques 100
Definição de um Modelo de Planeamento Pré Operatório em Ortopedia usando Imagem Digital MEB Dissertação Tiago Marques 101 CAPÍTULO VI – Modelo Definido 6.1 Introdução 6.2 Engenharia Inversa 6.3 Prototipagem Rápida 6.4 Base para definição do modelo 6.4.1 Tomografia Computorizada 3D 6.4.2 Extração de informação DICOM 6.4.3 Criação do ficheiro STL 6.4.4 CAD/CAM 6.4.5 Estereolitografia 6.5 Software de apoio ao modelo de planeamento definido 6.5.1 Mimics 6.5.2 SolidWorks® 6.5.3 3-Matic® 6.6 Hipotéticos Modelos 6.6.1 Passo inicial utilizado em todos os modelos 6.6.2 Modelo 1 6.6.3 Modelo 2 6.6.4 Modelo 3 6.6.5 Modelo 4 6.6.6 Modelo 5 6.7 Questões éticas
Definição de um Modelo de Planeamento Pré Operatório em Ortopedia usando Imagem Digital MEB Dissertação Tiago Marques 102
Definição de um Modelo de Planeamento Pré Operatório em Ortopedia usando Imagem Digital MEB Dissertação Tiago Marques 103 CAPÍTULO VI – MODELO DEFINIDO 6.1 Introdução Neste capítulo encontra-se toda a revisão bibliográfica essencial para formulação de um modelo de planeamento pré operatório, com base em imagem digital. Em colaboração para desenvolver este modelo, foi estabelecida uma parceria com um Cirurgião Ortopédico, do Hospital São João. Neste mesmo hospital todo o planeamento é realizado de forma 2D. Desta forma procura-se assim criar um modelo de planeamento pré-operatório, que permita aos Cirurgiões Ortopédicos retirarem vantagem da utilização da imagem digital, para o tratamento fraturas complexas. Assim atentando nas informações recolhidas, neste capítulo, são ainda apresentados cinco hipotéticos modelos de planeamento pré operatório, que foram idealizados e construídos pelo autor desta dissertação, recorrendo a software que se baseia nas potencialidades da imagem digital. 6.2 Engenharia Inversa A evolução ocorrida nas metodologias utilizadas no projeto de produtos chegou a um ponto em que a criatividade foi substancialmente substituída pela cópia direta, com algumas modificações, de produtos já existentes. Esta prática pode incidir na produção de sobressalentes para equipamento obsoleto, fabricação de cópias de peças obtidas com ferramentas velhas, “redesigning” de produtos próprios ou licenciados pela concorrência, que podem assim reaparecer com um novo aspeto, e na conversão de modelos sólidos virtuais. A este processo, em que se parte de produtos sólidos já existentes para criar novos produtos, convencionou-se chamar “Engenharia Inversa” (Ryan 2000). Até há relativamente poucos anos, o processo empregue para obtenção de cópias obrigava à utilização do modelo tal e qual ele existia. Eventuais modificações a efetuar obrigavam à utilização do trabalho de um modelador ou maquetista, com todos os inconvenientes da perda de precisão que acarreta este processo manual (Alves, Braga et al. 2001). A grande evolução dos últimos anos nas tecnologias de engenharia inversa ocorreu com a criação de equipamentos de digitalização 3D, os quais permitem (Alves, Braga et al. 2001): Obter um modelo de CAD 3D da peça total ou parcial; Manipular os modelos para realizar modificações tais como, alterações de forma e mudança de escala para obter a mesma peça com dimensões
Definição de um Modelo de Planeamento Pré Operatório em Ortopedia usando Imagem Digital MEB Dissertação Tiago Marques 104 diferentes ou para compensar as contrações dos materiais ocorridas no processo tecnológico de fabrico. Os dois grandes grupos de equipamentos de digitalização 3D que existem atualmente são (Fredericci 1999): Equipamento de digitalização por contato -Tem a vantagem de possuir elevada precisão, a qual depende do número de pontos utilizados para gerar o modelo; -Tem como inconveniente o facto de ser muito lento quando se pretende uma elevada precisão. Equipamento de digitalização ótica por lazer ou luz estruturada, com análise por vídeo: -A precisão dimensional destes equipamentos é limitada pelo digitalizador; -O método é bastante rápido devido a digitalizar por varrimento em vez de fazer ponto a ponto. Após a digitalização a nuvem de pontos é filtrada para reduzir a informação excessiva sendo então utilizada para modelar superfícies do componente. Após a obtenção do ficheiro CAD 3D do original, a informação é usada para alteração deste dando, assim sequência ao processo de desenvolvimento. Este processo pode ainda ser utilizado, como já foi referido, para obter modelos 3D que servirão para estudos de CAE. A engenharia inversa é um método que reconstrói modelos CAD, a partir de modelos físicos. O processo inicial da engenharia inversa consiste na aquisição de informação, e no processamento dessa informação, para gerar um modelo CAD. Adaptando a engenharia inversa à área médica, este processo pode ser simplesmente explicado da seguinte forma (Werghi and Fisher 1999; Min 2011):
Definição de um Modelo de Planeamento Pré Operatório em Ortopedia usando Imagem Digital MEB Dissertação Tiago Marques 105 6.3 Prototipagem Rápida A prototipagem rápida e as tecnologias de produção permitem aos investigadores, gerarem peças físicas num curto período de tempo (horas ou dias), a partir de projetos criados via programas de design assistido por computador (CAD), ou de engenharia assistida por computador (CAE) ou por produção assistida por computador (CAM). Tais tecnologias ajudam a otimizar, de forma significativa, o projeto a desenvolver, pois permitem a deteção precoce de erros, e tornam o processo de fabrico mais rápido. Estas são geralmente baseadas num processo de fabrico automático, aditivo e camada a camada. As várias tecnologias inerentes a estes processos de fabrico, são capazes de operar com uma precisão fantástica, permitindo ainda a produção de protótipos com os mais variados materiais, desde metal, cerâmicos, polímeros ou ainda materiais com origem sintética ou biológica (Kucklick 2006; Wohlers 2010). Existem tecnologias de fabrico, que tiveram um impacto muito significativo na evolução da prototipagem rápida, sendo elas, a estereolitografia por laser, a sinterização seletiva a laser, a modelagem por fusão e deposição e a impressão em 3D. Todos os métodos referenciados, baseiam-se num processo de fabrico de deposição e produção camada a camada, o que facilita a criação de geometrias complexas. Devido à sua elevada precisão, estas tecnologias são especificadamente aplicadas à engenharia biomédica, como é exemplo a produção de dispositivos implantáveis ou de scaffolds utilizados nos processos da engenharia de tecidos (Lantada and Morgado 2012). Um protótipo é uma ferramenta física de comunicação, que reduz os riscos de uma má interpretação do modelo a produzir. Pois se a visualização utilizada para estudar e Scan do paciente (TAC, Ultrasom 3D e Ressonância Magnética) Aquisição de informação DICOM Segmentação do DICOM Formação do STL com software de modelação 3D Obtenção do Modelo CAD
Definição de um Modelo de Planeamento Pré Operatório em Ortopedia usando Imagem Digital MEB Dissertação Tiago Marques 112 imagens, segue exclusivamente, o tipo habitual na indústria médica, denominado de DICOM (Digital Imaging COmmunications in Medicine). Cada imagem DICOM proveniente da TC, tem aproximadamente 0.5 MB. Quando se pretende trabalhar com este tipo de imagens, é importante possuir um equipamento capaz de realizar e suportar processamento de imagem, ou qualquer tipo de software CAD, pois trabalhase com imagens que ocupam elevada memória (Flanders and Carrino 2003). 6.5.3 Criação do Ficheiro STL Para se produzir um ficheiro STL/objeto 3D de boa qualidade, são necessários cumprir alguns procedimentos. Como tal o tamanho do pixel na TC, tem de ser tipicamente de 0.4mm e a espessura das fatias estará entre 1.0 até 2.0 mm. Usualmente é desejável que aquando a formação, dos dados isotrópicos, os voxels apresentem todos o mesmo tamanho. Quando se efetua a interpolação é importante estar-se ciente, de que se irá adicionar, de forma involuntária, dados em relação ao volume, que irão aumentar a quantidade de informação proveniente da TC. Após a interpolação, a nossa imagem gerada será suavizada. Mas deve-se ter em atenção, que o facto de a imagem estar suavizada, não é sinónimo de elevada resolução, ocorre um melhoramento a nível estético, mas nada é acrescentado em termos de informação. Posteriormente utiliza-se a segmentação da imagem, para remover estruturas ou artefactos indesejados, como tecidos moles. O software em que se realiza a criação do ficheiro STL, deve permitir ao utilizador, a edição manual da informação volumétrica da TC, tanto na visualização 3D, como em fatia a fatia, para assim se remover estruturas indesejadas ou para reduzir o tamanho de informação volumétrica (Winder 2008). Após realizado todo o processo de segmentação do osso, a superfície a gerar em 3D, é matematicamente modelada. Esta modelagem é denominada habitualmente de „tessellation‟ ou „tiling‟. Assim o tiling é realizado através de simples triângulos ou polígonos. O algoritmo mais comum para a modelação de uma superfície em 3D, de conjuntos de imagens médica, é o algoritmo „marching cubes‟, que utiliza modelos de triângulos em várias orientações, para representar onde a superfície do osso, corta através de cada voxel (Karron 1992). O resultado é uma listagem das coordenadas e das direções dos cantos de cada triângulo, que fazem normal com a superfície gerada. Esta superfície descreve o angulo que cada triângulo faz no espaço. O conjunto de toda esta informação, descreve a orientação e a posição no espaço tridimensional, de todos os triângulos que representam, a imagem a ser gerada na transformação 3D. E
Definição de um Modelo de Planeamento Pré Operatório em Ortopedia usando Imagem Digital MEB Dissertação Tiago Marques 113 este conjunto de informações corresponde ao ficheiro STL. Este tipo de formato de ficheiros, é o mais utilizado, e é facilmente transferível entre os mais variados tipos de software CAD. A qualidade do ficheiro STL depende do software utilizado para a sua criação. Um mau ficheiro STL irá ter buracos na sua superfície, bem como regiões onde os limites dos triângulos não se intersetam corretamente (Chua, Leong et al. 2003; Today 2009). Existem algumas empresas que fabricam software capaz de efetuar esta criação do ficheiro STL, através dos ficheiros DICOM provenientes da TC. Elas são a Materialise que comercializa o MIMICS, AnalyzeDirect com o Analyze AVW e a Anatomics com o Biobuild. Tipicamente o número de triângulos necessários para representar, de forma perfeita, um crânio humano varia de 500000 a 1 milhão (Winder 2008). Na figura 6.5 pode-se verificar a criação em 3D, das imagens provenientes de uma TC ao crânio. Em a) uma reconstrução 3D sem interpolação. Já em b) apresenta-se uma construção 3D com interpolação, utilizando o mesmo software que em a). Aqui verifica-se que a superfície está muito mais suavizada, mas suavização não é sinónimo de maior informação (Winder 2008). Figura 6. 5: Criação de superfície 3D Adaptado de (Winder 2008) 6.5.4 CAD/CAM Tem-se verificado um desenvolvimento na produção assistida por computador nos últimos anos. Inicialmente a visualização 3D de um defeito craniano, de um paciente
Definição de um Modelo de Planeamento Pré Operatório em Ortopedia usando Imagem Digital MEB Dissertação Tiago Marques 114 detetado por TC, era somente utilizado para planeamento pré operatório visual. Mas com os avanços tecnológicos ao nível da complexidade do software de CAD/CAM, já se consegue editar as visualizações 3D, ao ponto de neste tipo de software, se simular, e experienciar um planeamento pré-operatório, onde até os implantes cirúrgicos se pode criar virtualmente.(Lambrecht and Brix 1990; Lantada and Morgado 2012). A seguinte imagem, da figura 6.6 mostra a criação de um implante para um defeito no crânio, num sofware CAD. Figura 6. 6: Implante criado Adaptado de (Winder 2008) 6.5.5 Estereolitografia A prototipagem rápida é um nome genérico atribuído a uma gama de tecnologias que são usadas para fabricar modelos físicos, através do design assistido por computador. Assim consegue-se que o processo de design e produção sejam realizados de forma mais rápida e eficaz, que o processo manual. Em todos os aspetos de produção, a velocidade para se passar do conceito ao produto, é essencial para tornar o produto competitivo. Desta forma as tecnologias de prototipagem rápida permitem ao engenheiro/designer produzir um protótipo de um desenho CAD, com objetivos de teste e visualização (Jacobs 1996) (Kai and Fai 1997) . No caso das técnicas de prototipagem rápida, uma das mais usadas é a estereolitografia. Esta técnica é composta por um banho de resina fotossensível, por uma plataforma para a construção do modelo e por um laser ultravioleta (UV), para efetuar a cura da resina. A resina seca quando entra em contacto com a radiação UV. A deposição da resina na plataforma é controlada por computador e realizada camada
Definição de um Modelo de Planeamento Pré Operatório em Ortopedia usando Imagem Digital MEB Dissertação Tiago Marques 115 a camada. O CAD é convertido em fatias individuais de dimensões conhecidas. Estes dados da fatia são então enviados para a máquina que guia o caminho de exposição a laser de UV para a superfície da resina. As camadas são curadas sequencialmente e unem-se para formar um objeto sólido, a partir do fundo do modelo. Á medida que a resina é exposta à radiação ultravioleta (UV) uma fina camada bem definida, torna-se curada. A construção do modelo é sempre realizada camada a camada até ao final do processo. O modelo a ser formado necessita de uma plataforma para o suportar. Esta mesma plataforma é eliminada no final do processo (Cutting, Bookstein et al. 1982; Webb 2000). Um estudo realizado por (Choi, JH et al. 2002) verificou-se que a precisão da estereolitografia está no intervalo de 0.62mm ± 0.35 mm. Numa série de 20 medições lineares, comparativas, em três crânios desenvolvidos em modelos de estereolitografia, demonstrou-se que o erro de construção situa-se tipicamente em 0.0 – 2.0mm. 6.4 Software de apoio ao modelo de planeamento definido 6.4.1 Mimics O Mimics® é um software de processamento de imagem, desenvolvido pela Materialise. A Materialise é uma empresa Belga com vinte anos de existência, e os seus produtos ao nível das soluções Biomédicas focam-se em conciliar a engenharia com a medicina. A grande funcionalidade deste software centra-se na leitura e segmentação em 3D de imagens médicas, provenientes de tomografia computorizada, de ressonância magnética e de ultrassons. O tipo de imagens provenientes destes equipamentos de diagnóstico, dão entrada no Mimics® , usualmente como ficheiros DICOM. Assim consegue-se efetuar a transformação em modelos anatómicos de alta precisão em três dimensões, a partir de conjuntos de imagens em duas dimensões. Estes modelos em 3D podem depois ser utilizados em variadas aplicações da engenharia (Materialise 2012). Os ficheiros mais comuns que são lidos pelo Mimics®, são os ficheiros DICOM, mas existem outros que o programa também consegue ler, como os ficheiros TIFF, JPEG, BMP e RAW. O programa permite ainda que os modelos 3D formados, sejam exportados em vários tipos de formatos, sendo eles o STL, VRML, PLY e DXF. (Materialise 2012) Os modelos 3D podem ainda ser exportados como ficheiros INP
Definição de um Modelo de Planeamento Pré Operatório em Ortopedia usando Imagem Digital MEB Dissertação Tiago Marques 116 para serem lidos no Abaqus®. De forma esquemática através de um diagrama de blocos, o Mimics® funciona da seguinte forma: A figura 6.7 mostra o Mimics® no seu normal funcionamento, onde se vê as três vistas (sagital, coronal e transversal) das imagens resultantes da tomografia computorizada, e a transformação em três dimensões destas imagens. A segmentação das imagens foi realizada com o intuito de se obter um modelo anatómico do osso. Figura 6. 7: Mimics em utilização Adaptado de Mimics® 6.4.2 SolidWorks SolidWorks® é um software de CAD (computer-aided design), desenvolvida pela SolidWorks Corporation, adquirida em 1997 pela Dassault Systèmes S.A., e que funciona nos sistemas operacionais Windows.
Definição de um Modelo de Planeamento Pré Operatório em Ortopedia usando Imagem Digital MEB Dissertação Tiago Marques 117 O SolidWorks® baseia-se em computação paramétrica, criando formas tridimensionais a partir de formas geométricas elementares. No ambiente do programa, a criação de um sólido ou superfície tipicamente começa com a definição de topologia em um esboço 2D ou 3D. A topologia define a conectividade e certos relacionamentos geométricos entre vértices e curvas, no esboço e externos ao esboço. Este software permite o desenho, modelação e manipulação dos mais diversos objetos, com uma enorme precisão visual em relação à realidade do objeto e em termos das suas dimensões. Oferece também a possibilidade de o utilizador efetuar variadas simulações ao objeto que esta a desenvolver como poe exemplo, testes de forças. Ele possui ainda a capacidade de abrir ficheiros numa vasta gama de formatos: SolidWorks Files, Part Files, Assembly Files, Drawing Files, DXF, DWG, Adobe Photoshop Files, Adobe Illustrator Files, Lib Feat Part, Template, Parasolid, Stereolithographic STL, IGES, STEP AP203/214, ACIS, VDAFS, VRML, Catia Graphics, ProEngineer Part, ProEngineer Assembly, UGII, Autodesk Inventor Part, Autodesk Assembly, Solid Edge Part, Solid Edge Assembly e CADKEY (Works 2012). Na figura 6.8 pode-se observar a utilização deste software no desenvolvimento de uma placa com parafusos: Figura 6. 8: SolidWorks em utilização Adaptado SolidWorks®
Definição de um Modelo de Planeamento Pré Operatório em Ortopedia usando Imagem Digital MEB Dissertação Tiago Marques 118 6.4.3 3-Matic O 3-Matic® é mais um software desenvolvido pela Materialise. Este software possui funções muito peculiares, pois é capaz de combinar ferramentas de CAD para a manipulação e edição de imagens médicas em três dimensões. Para isso este programa trabalha em ficheiros triangulados (STL). Nele pode-se efetuar medições precisas das estruturas anatómicas e desenhar ou importar próteses e implantes (previamente desenhados num programa de CAD) para corrigir certos defeitos nessas estruturas. O 3-Matic® importa qualquer tipo de ficheiro CAD, e exporta-o como STL. A figura 6.9, mostra este software em ação numa correção de uma fratura da anca. Figura 6. 9: 3-Matic em utilização Adaptado 3-Matic® 6.6 Hipotéticos Modelos Foram definidos cinco possíveis modelos, que recorrem a tecnologias de imagem digital, para auxiliar o planeamento pré operatório em ortopedia. De acordo como o que foi revisto em toda a bibliografia, os modelos para poderem ser validados, têm de permitir ao utilizador realizar um completo planeamento pré operatório. Ou seja tem de permitir a correção da fratura do paciente, recolocando todos os fragmentos no seu devido local, tem de permitir retirar dimensões exatas de todos os osso do paciente que foram submetidos ao TC, e tem ainda de permitir a criação e implementação de auxiliares cirúrgicos. Além de permitir a implementação dos auxiliares cirúrgicos, tem de dar ao utilizador a facilidade para o mover ao longo de toda a fratura para assim se
Definição de um Modelo de Planeamento Pré Operatório em Ortopedia usando Imagem Digital MEB Dissertação Tiago Marques 119 verificar e testar qual a melhor forma de este ser aplicado num caso clinico real. Assim de forma sintetizada, o modelo é considerado funcional quando permite ao utilizador ter uma perceção do que irá encontrar na realidade quando está a operar o paciente. 6.6.1 Passo inicial utilizado em todos os modelos O passo inicial que é utilizado em todos os modelos à frente definidos nesta dissertação, baseia-se na transformação dos ficheiros DICOM, provenientes do Hospital de São João, no software Mimics®. Este tipo de software é normalmente utilizado pela Engenharia nos processos de modelação de estruturas anatómicas. Existem outros programas que possuem as mesmas funcionalidades do Mimics®, como o Osirx® e o Inversalius®. Estes mesmos programas foram também testados neste modelo 1, mas foram descartados logo ao início. O Osirx® só funciona em software da Apple o que limita imenso o seu uso, e o Inversalius®, embora seja um programa freeware, tem um funcionamento bastante limitado, pois em transformações de ficheiros DICOM com elevadas imagens, bloqueava várias vezes. Por já se conhecerem os antecedentes de bom funcionamento do Mimics®, optou-se pela segurança dos seus resultados já demonstrados nas aplicações de Engenharia, e foi introduzido como o passo inicial do modelo de planeamento a definir. Assim sendo, definiu-se como passo inicial, importar para o Mimics® todas as imagens em DICOM, e seguidamente efetuar a sua transformação em três dimensões. Esta transformação é realizada após utilizar um threshold que permite selecionar só o osso. Desde a figura 6.10 até á figura 6.15, demonstra-se como esse processo é realizado. Figura 6. 10: Importação de imagens no Mimics
Definição de um Modelo de Planeamento Pré Operatório em Ortopedia usando Imagem Digital MEB Dissertação Tiago Marques 120 Adaptado de Mimics® Figura 6. 11: Seleção das imagens a importar Adaptado de Mimics® Figura 6. 12:: Imagens após importação Adaptado de Mimics®
Definição de um Modelo de Planeamento Pré Operatório em Ortopedia usando Imagem Digital MEB Dissertação Tiago Marques 121 Figura 6. 13: Seleção do threshold do osso Adaptado de Mimics® Figura 6. 14: Seleção da qualidade do 3D Adaptado de Mimics®
Definição de um Modelo de Planeamento Pré Operatório em Ortopedia usando Imagem Digital MEB Dissertação Tiago Marques 128 Figura 6. 22: Retângulo Mesh prep wizard Adaptado de SolidWorks® Na figura 6.23, o lado que ficou colorido a verde é o escolhido para desaparecer, ficando-se só com o lado que contém a fratura. Figura 6. 23: Lado a desaparecer Adaptado de SolidWorks®
Definição de um Modelo de Planeamento Pré Operatório em Ortopedia usando Imagem Digital MEB Dissertação Tiago Marques 129 Figura 6. 24: Aspeto após retirar o lado sem fratura Adaptado de SolidWorks® A imagem acima apresentada é ainda retocada de forma a concentrar só o local da fratura (ver figura 6.25). Figura 6. 25: Aspeto final da redução das superficies triangulares Adaptado de SolidWorks®
Definição de um Modelo de Planeamento Pré Operatório em Ortopedia usando Imagem Digital MEB Dissertação Tiago Marques 130 Após se obter o aspeto final pretendido, recorre-se ao Surface wizard para formar a o corpo sólido. Seguidamente realiza-se o planeamento pré operatório. 6.6.5 Modelo 4 O seguinte modelo assenta na mesma base do modelo 3, onde se procede à redução do aspeto da bacia, ficando-se só com o lado fraturado. Até este ponto os modelos são semelhantes. Após se obter a bacia reduzida, selecionou-se a visão wireframe no SolidWorks® e obteve-se a visão da bacia da figura 6.26: Figura 6. 26: Visão wireframe Adaptado de SolidWorks® Esta visão permite verificar o interior da imagem que se está a tratar. Assim teve-se como objetivo verificar se a imagem seria oca no seu interior ou não. Efetuando-se um zoom na mesma imagem verificou-se o apresentado na figura 6.27.
Definição de um Modelo de Planeamento Pré Operatório em Ortopedia usando Imagem Digital MEB Dissertação Tiago Marques 131 Figura 6. 27: Zoom com Visão wireframe Adaptado de SolidWorks® Observando a imagem acima apresentada, verifica-se que o interior da anca se encontrava completamente cheio. A razão do seu interior estar assim, deve-se ao facto de na transformação 3D realizada, o osso esponjoso também ser reconstruído. Após se verificar este facto, voltou-se ao Mimics® e realizou-se a transformação das imagens DICOM em 3D, usando um threshold só para aparecer o osso compacto (ver figura 6.28). Figura 6. 28: 3D do osso compacto Adaptado de SolidWorks®
Definição de um Modelo de Planeamento Pré Operatório em Ortopedia usando Imagem Digital MEB Dissertação Tiago Marques 132 Analisando a imagem acima, verifica-se que se perde completamente a informação do local fraturado aplicando o threshold de osso compacto no Mimics®. Então a solução encontrada foi realizar no SolidWorks® pequenos buracos sobre a superfície da imagem da anca, e ir apagando a superfície que aparece logo por baixo desta, de forma a remover assim o osso esponjoso. Para isso foi utilizado o comando mesh prep wizard. Na figura 6.29 verifica-se como se efetua este processo, onde o contorno a amarelo é a abertura realizada no osso, e o que se encontra no seu interior é o osso cortical a ser removido. A ferramenta do mesh prep Wizard utilizada é o pincel, que é selecionado do lado esquerdo na coluna deste comando. Figura 6. 29: Remoção do osso esponjoso Adaptado de SolidWorks® Após se conseguir retirar todo o osso esponjoso, foi estipulado que se proceda à transformação da imagem da bacia em corpo sólido com o surface wizard. Seguidamente efetua-se o planeamento pré operatório. Todo este método é resumido da seguinte forma:
Definição de um Modelo de Planeamento Pré Operatório em Ortopedia usando Imagem Digital MEB Dissertação Tiago Marques 133 6.6.6 Modelo 5 O modelo 5 desvia-se bastante de todos os outros modelos definidos e experimentados. O seu passo inicial é idêntico a todos os outros, recorrendo à transformação das imagens DICOM em 3D no Mimics®, sendo seguidamente exportada a imagem 3D em formato STL. Após exportado o STL, ele é colocado no programa 3-Matic®. Neste programa verificou-se logo que era possível obter total controlo sobre a imagem 3D da anca. Assim, o que faltava neste programa era o implante necessário para corrigir a fratura. Esse implante foi desenvolvido no SolidWorks®. O implante é constituído por uma placa e por três parafusos. A sua construção foi completamente dimensionada tendo em conta com as dimensões da bacia e da fratura do paciente (ver figuras 6.30, 6.31, 6.32, 6.33).
Definição de um Modelo de Planeamento Pré Operatório em Ortopedia usando Imagem Digital MEB Dissertação Tiago Marques 134 Figura 6. 30: Construção do parafuso Adaptado de SolidWorks® Figura 6. 31: Construção da placa Adaptado de SolidWorks®
Definição de um Modelo de Planeamento Pré Operatório em Ortopedia usando Imagem Digital MEB Dissertação Tiago Marques 135 Figura 6. 32: Conjugação dos implantes Adaptado de SolidWorks® Figura 6. 33: Aspeto final dos implantes Adaptado de SolidWorks® Desta forma o Modelo 5 pode ser resumido da seguinte forma:
Definição de um Modelo de Planeamento Pré Operatório em Ortopedia usando Imagem Digital MEB Dissertação Tiago Marques 136 Mimics® Stl 3-Matic® Redução fratura Necessita de implante Construção Solid Works® Implementação 3-Matic® Planeamento concluído Não necessita de implante Planeamento concluído
Definição de um Modelo de Planeamento Pré Operatório em Ortopedia usando Imagem Digital MEB Dissertação Tiago Marques 137 6.7 Questões éticas Foi garantido o anonimato e privacidade das pessoas cujas tomografias computorizadas foram analisadas e tratadas neste trabalho. A identidade de todos os ficheiros foi devidamente removida antes destes entrarem em qualquer software de tratamento, não havendo assim nenhum tipo de informação que permita identificar o paciente em questão.
Definição de um Modelo de Planeamento Pré Operatório em Ortopedia usando Imagem Digital MEB Dissertação Tiago Marques 144 Figura 7. 4: Número de superfícies Adaptado de MeshLab® Como se comprova na imagem acima representada a imagem a três dimensões, da bacia fraturada a tratar, possui 819148 superfícies triangulares. O que é um número demasiado elevado para ser lido no SolidWorks® desta forma. De forma conclusiva, após testado o modelo 1 mostrou-se ineficaz para o objetivo pretendido, pois sem abrir a imagem 3D da fratura no SolidWorks® como um corpo sólido, é impossível efetuar o devido planeamento pré operatório. Assim o modelo 1 é descartado como um modelo válido para se efetuar planeamento pré operatório de forma eficiente e funcional. 7.2.2 Modelo 2 Em relação ao modelo 2, ele tira partido das funcionalidades do plug in Scan to 3D, para procurar transformar as superfícies triangulares da imagem, em corpo sólido. Para esse objetivo começou-se por retirar o ruido à imagem e por efetuar a sua suavização com o mesh prep wizard. As figuras 7.5, 7.6 e 7.7 demonstram esse processo e o seu resultado. Figura 7. 5: Remoção de Ruído 1 Adaptado SolidWorks®
Definição de um Modelo de Planeamento Pré Operatório em Ortopedia usando Imagem Digital MEB Dissertação Tiago Marques 145 Figura 7. 6: Remoção de Ruído 2 Adaptado SolidWorks® Figura 7. 7: Imagem sem ruído Adaptado SolidWorks® Após se obter a imagem sem ruído, pode-se proceder à sua transformação em sólido, com o surface wizard. Esta remoção de ruído permitiu também reduzir o número de superfícies contidas na imagem 3D. Passando-se agora a ter 812633 superfícies triangulares. Este facto é apresentado na figura 7.8, onde também se verifica a interface do surfasse wizard.
Definição de um Modelo de Planeamento Pré Operatório em Ortopedia usando Imagem Digital MEB Dissertação Tiago Marques 146 Figura 7. 8: Interface do surface wizard Adaptado SolidWorks® Nas figuras 7.9 e 7.10 é apresentado o resultado da transformação em sólido. Figura 7. 9: Geração de superficies Adaptado SolidWorks®
Definição de um Modelo de Planeamento Pré Operatório em Ortopedia usando Imagem Digital MEB Dissertação Tiago Marques 147 Figura 7. 10: Resultado da geração de superficies Adaptado SolidWorks® Atentando na figura 7.9, verifica-se que o SolidWorks® encontra-se a gerar as superfícies, para transformar estas em sólido. O programa ficou neste estado por volta de 10 minutos até acontecer o que é apresentado na figura 7.10. O SolidWorks® deixa de responder e surge ainda uma mensagem do Windows, com a informação de que o programa SolidWorks® está a correr fora da memórica virtual do computador. O que quer dizer que o programa estava a utilizar toda a capacidade de memória RAM. Inferiu-se então que o problema de não se conseguir obter a transformação em sólido da imagem 3D, era devido à memória RAM do computador, que não seria suficiente para esta operação. O computador que se utilizou para a realização deste modelo 2 possuía 4GB de memória RAM. Consequentemente voltou-se a testar este modelo 2 num computador com 16 GB de memória RAM. O SolidWorks® esteve a correr cerca de 50min, levando a barra de progresso (encontra-se no fundo da interface do programa) quase até meio, mas o programa voltou a deixar de funcionar. Mas desta vez não surgia nenhuma mensagem de erro relacionada com a memória RAM. Voltouse a repetir o modelo 2 neste mesmo computador, mais 3 vezes, e aconteceu a mesma situação, passado cerca de 50 minutos o SolidWorks® deixou de responder. Concluiu-se assim que o modelo 2 definido, não pode ser utilizado para efetuar planeamento pré operatório, pois falha no momento de transformação da imagem a tratar em sólido.
Definição de um Modelo de Planeamento Pré Operatório em Ortopedia usando Imagem Digital MEB Dissertação Tiago Marques 148 7.2.3 Modelo 3 No modelo 3 optou-se por reduzir ao máximo o local de interesse a tratar, ficando-se só com o local onde estava a fratura. A forma como se efetuou esta redução, já foi explicada no capítulo VI. Assim neste modelo procurou-se transformar o objeto da figura 7.11 em sólido. Figura 7. 11: Imagem a transformar Adaptado SolidWorks® Recorre-se então ao surface wizard para transformar a imagem da figura 7.11 em sólido, usando o computador de 4GB de memória RAM, obtendo-se o resultado da figura 7.12.
Definição de um Modelo de Planeamento Pré Operatório em Ortopedia usando Imagem Digital MEB Dissertação Tiago Marques 149 Figura 7. 12: Resultado transformação Adaptado SolidWorks® Verifica-se que utilizando o computador com 4GB de RAM não se consegue efetuar a transformação. Recorre-se então ao computador de 16GB de RAM. Neste computador conseguiu-se chegar ao fim da operação da transformação, mas o resultado obtido, não fazia qualquer sentido. Obtinha-se várias superfícies dispersas, sem preenchimento, mostrando só o seu contorno. Assim com um resultado como este o modelo 3 foi também descartado, pois não apresenta qualquer tipo de resultado válido e eficiente. 7.2.4 Modelo 4 O modelo 4 foi definido com base no resultado do modelo 3. Pois procurou-se perceber o que levava ao SolidWorks® a não conseguir fazer a transformação em sólido no modelo 3. Assim surgiu a hipótese de o programa não conseguir calcular a transformação em sólido devido às superfícies existentes no interior da imagem 3D, referentes ao osso esponjoso, que também é reproduzido. Assim procurou-se desenvolver uma forma de retirar estas superfícies do interior da imagem 3D. Efetuouse esta limpeza durante cerca de 45 minutos, colocou-se a imagem em visão wireframe e atentou-se no que é ilustrado nas figuras 7.13, 7.14 e 7.15.
Definição de um Modelo de Planeamento Pré Operatório em Ortopedia usando Imagem Digital MEB Dissertação Tiago Marques 150 Figura 7. 13: Resultado da limpeza Adaptado SolidWorks® Figura 7. 14: Resultado da limpeza pormenorizado Adaptado SolidWorks®
Definição de um Modelo de Planeamento Pré Operatório em Ortopedia usando Imagem Digital MEB Dissertação Tiago Marques 151 Figura 7. 15: Resultado da limpeza após 45 minutos Adaptado SolidWorks® Como se pode verificar nas imagens acima representadas, após 45 minutos efetuando o processo de limpeza, verifica-se que ainda existe uma grande parte da imagem por limpar. E atentando de forma mais minuciosa nas figuras 7.14 e 7.15, consegue-se denotar a existência de superfícies com formatos complicados de eliminar através dos pequenos buracos feitos na superfície do osso da anca. Tendo em conta o tempo que foi necessário para efetuar esta limpeza, e os resultados apresentados por ela, conclui-se que o modelo 4 deveria ser descartado. Este modelo 4 é considerado como ineficaz devido à sua complexidade e ao tempo que se tem de despender nele. Pois procura-se um modelo o menos complexo possível, para um fácil manuseamento por parte do utilizador. A transformação em sólido deste modelo não foi efetuada, pois o processo de limpeza revelou-se demasiado complexo em várias zonas do osso, o que levou a que este nunca fosse concluído. 7.2.5 Modelo 5 No modelo 5 procurou-se encontrar um novo software para efetuar o planeamento pré operatório. Então ao ficheiro STL proveniente do Mimics®, foi aberto com o software 3Matic®. Após colocar a imagem da fratura da anca no 3-Matic®, a sua interface bastante intuitiva mostrou que o utilizador possuía uma grande liberdade de
Definição de um Modelo de Planeamento Pré Operatório em Ortopedia usando Imagem Digital MEB Dissertação Tiago Marques 152 manipulação da fratura. Assim conseguiu-se efetuar a redução da fratura, como se verifica na figura 7.16. Figura 7. 16: Redução da fratura Adaptado 3-Matic® Após efetuada a redução da fratura, procede-se à colocação do implante, previamente desenvolvido no SolidWorks®. As dimensões do implante foram desenvolvidas tendo em conta as dimensões da anca do paciente. Assim o implante desenvolvido tem 40mm de largura, e os parafusos têm um comprimento de 16 mm. As figuras 7.17 e 7.18 são referentes à colocação do implante no 3-Matic®:
Definição de um Modelo de Planeamento Pré Operatório em Ortopedia usando Imagem Digital MEB Dissertação Tiago Marques 153 Figura 7. 17: Colocação do implante Adaptado 3-Matic® Figura 7. 18: Zoom da colocação do implante Adaptado 3-Matic® Nas duas imagens acima apresentadas, verifica-se 2 implantes. Um cinzento e outro dourado. O dourado é o implante construído no SolidWorks®, o cinzento é a cópia