Publicação

Development of 3D software for post-surgical shoulder arthroplasty implant position analysis

Detalhes bibliográficos
Resumo:	O ombro garante a articulação entre a cabeça do úmero e a parte glenoide da escapula, sendo responsável por diversas tarefas essenciais no nosso dia a dia. Esta articulação tem uma grande amplitude de movimento devido às ações dos músculos e às configurações articulares, permitindo movimentos como abdução, adução, rotação, elevação para a frente e para trás do tronco e mover-se em 360 ° no plano sagital. No entanto, esta grande amplitude de movimento torna o ombro mais instável e suscetível a lesões, o que poderá ter um impacto direto na qualidade de vida de uma pessoa, podendo condicionar significativamente a mobilidade desta articulação. Algumas das patologias do ombro incluem desgaste excessivo, inflamação, rutura do músculo da coifa dos rotadores, instabilidade e impacto que podem estar relacionados a doenças degenerativas, como a osteoartrite, fraturas ou uso excessivo da articulação (devido a movimentos repetitivos em desportos, no trabalho, etc.). Infelizmente, a degeneração da articulação do ombro é um problema particularmente frequente no envelhecimento da nossa população, afetando uma em cada cinco pessoas acima de 65 anos. Existem 2 tipos principais de degeneração do ombro: 1. osteoartrite, que é a degeneração primária da cartilagem articular relacionada com a idade, com um músculo da coifa dos rotadores intacto; 2. Artropatia por rutura da coifa dos rotadores, e, como o nome indica, caracterizada por uma grande rutura do músculo da coifa dos rotadores, levando a alterações na carga articular e danos articulares progressivos. Ambos os tipos de degeneração são caracterizados pela destruição da cartilagem articular que leva à dor, restrição de movimento e incapacidade funcional. Uma degeneração adicional pode levar à destruição óssea da glenoide, um fenómeno conhecido como erosão da glenoide. Existem diferentes tipos de erosões, dependendo do tipo de degeneração do ombro. Curiosamente, a osteoartrite é caracterizada principalmente por erosão óssea posterior e a artropatia por rutura da coifa dos rotadores por erosão óssea superior. A evolução da medicina permitiu a correção destas patologias ou consequências das mesmas, sendo agora uma cirurgia bastante comum na área da ortopedia, especialmente em idosos. Para tal, é necessário estudar cada caso e fazer um planeamento cirúrgico adequado através de imagens raio-X ou tomografias computadorizadas. O tratamento cirúrgico passa pela artroplastia do ombro (anatómica ou invertida) que ganhou popularidade devido à sua eficácia no alívio da dor e na restauração da função do ombro degenerado. Durante a cirurgia, o cirurgião precisa de estudar a inclinação, versão e correção do desvio e suporte ósseo mais adequados para a colocação do implante. A técnica mais utilizada é o alargamento assimétrico, onde a erosão da glenoide é corrigida com a remoção do lado mais alto do osso. Isso leva a uma perda óssea da medialização da glenoide e da linha articular, o que pode influenciar a função do implante do ombro e a duração de vida do mesmo a longo prazo. As causas mais importantes para falha da artroplastia do ombro são complicações do componente glenoide, como alargamento e desgaste, especialmente em glenoides com erosão pré-operatória. Esta erosão pode originar ângulos de inclinação e versão e desvio alterados. A principal causa de falha do componente glenoide em pacientes com erosão é carga anormal descentralizada quando a erosão não é adequadamente corrigida. Portanto, a glenoide erodida deve ser corrigida para uma inclinação, versão e desvio mais normais antes da implantação do componente glenoide. O posicionamento adequado do implante, juntamente com o equilíbrio dos tecidos moles, são questões-chave na artroplastia do ombro, tanto para a função pós-operatória quanto para a duração a longo prazo do implante. O mau posicionamento do componente glenoide pode levar a uma má função, instabilidade e enfraquecimento precoce do componente na artroplastia total e reversa do ombro. Devido às dificuldades com a colocação correta e às possíveis complicações que advém da inadequada da colocação do componente da glenoide, começou-se a investigar o planeamento computacional para a colocação do implante. O uso de ferramentas de planeamento (software) através de tomografia computadorizadas 3D e instrumentação específica do paciente é, neste momento, a prática mais comum. Para além da avaliação pré-cirúrgica de cada caso e do seu planeamento, o seguimento médico e avaliação pós-cirúrgica também é de extrema importância para averiguar se a colocação do implante foi adequada e se está de acordo com o plano pré-operatório. Para isso, são usados, de igual forma do planeamento, raios-X ou tomografias computadorizadas que são avaliadas pelos médicos. A maioria dos estudos em geral demonstra que as técnicas de tomografia computadorizada são mais precisas na determinação da posição pós-cirúrgica do componente glenoide do que as radiografias axiais padrão. Mais do que isso, o uso de destas acoplado a softwares 3D para análise da posição do implante demonstrou ser mais preciso, pois os modelos 3D refletem com maior precisão a verdadeira anatomia da morfologia da escápula. Assim, numa perspetiva de tentar encontrar uma solução idêntica à de software de planeamento, mas adaptado para análise pós cirúrgica do implante, foi proposto um projeto para desenvolvimento de um novo software capaz de realizar a análise da posição pós-cirúrgica do implante em termos de versão, inclinação e desvio do implante. Portanto, o objetivo deste sistema de software é determinar a confiabilidade e a precisão da colocação do implante. O software foi desenvolvido na plataforma MeVisLab e fornece uma descrição da posição do componente glenoide em termos de versão, inclinação e desvio do implante (componente glenóide) entre as posições reais e ideais e a rotação do implante. O MeVisLab é uma plataforma diversificada para processamento de imagens médicas e visualização científica. Inclui algoritmos avançados para registo, segmentação e análise quantitativa de imagens morfológicas e funcionais. A sua estrutura é baseada em módulos e com estes, redes podem ser criadas e diferentes aplicações podem ser construídas. A criação deste software nesta plataforma é considerada uma inovação, pois não há nenhuma referência a algo semelhante, com o mesmo objetivo e funcionalidades, na pesquisa bibliográfica feita. O modelo do implante utilizado ao longo do desenvolvimento do software e na sua análise foi ligeiramente modificado, fechando o lado aberto da glenoesfera (componente glenoide). Assim sendo, o desenvolvimento deste projeto incluiu etapas diferentes: a primeira foi a definição das medidas requisitadas pelos médicos, ângulos e pontos anatómicos de referência necessários, sendo que, neste caso, os pontos anatómicos de referência devem ser selecionados pelo utilizador e os outros dois serão calculados automaticamente; O próximo passo foi o desenvolvimento do software no MeVisLab com uma rede baseada em módulos que incluía módulos de visualização de imagens (2D e 3D), módulos que auxiliam na definição de planos e pontos de referência para os cálculos e módulos scripts em Python que contêm o código para todos os itens necessários para os cálculos; Em seguida, o desenvolvimento da interface para o utilizador foi feito de forma a que o mesmo tivesse uma experiência intuitiva e de fácil uso, e que conseguisse seguir todas as instruções necessárias, para a seleção de todos os pontos de referência e, posteriormente, o cálculo dos ângulos e medidas requisitadas; Finalmente, o último passo foi garantir que o software criado fosse confiável e consistente em todos os seus resultados no domínio intraobservador e interobservador e quando comparado com os resultados encontrados na literatura. Até ao momento, o software desenvolvido fornece os ângulos e medidas desejados com sucesso, no entanto, mostrou-se não ser tão confiável e consistente quanto era desejado. Assim, muito pode ainda ser feito para melhorar a precisão do software desenvolvido e atingir totalmente o objetivo final. Os resultados obtidos através do software podem ainda, mais tarde, ser usados para comparar se o implante colocado tem a mesma orientação que a planeada para um paciente específico antes da cirurgia. Além disso, a posição do implante pode ser correlacionada com a função pós-operatória do paciente.
Autores principais:	Silva, Rita Isabel da
Assunto:	Artroplastia do ombro Análise pós-cirúrgica Posicionamento do componente glenoide Software 3D MeVisLab Teses de mestrado - 2020
Ano:	2020
País:	Portugal
Tipo de documento:	dissertação de mestrado
Tipo de acesso:	acesso aberto
Instituição associada:	Universidade de Lisboa
Idioma:	inglês
Origem:	Repositório da Universidade de Lisboa

Descrição
Resumo:	O ombro garante a articulação entre a cabeça do úmero e a parte glenoide da escapula, sendo responsável por diversas tarefas essenciais no nosso dia a dia. Esta articulação tem uma grande amplitude de movimento devido às ações dos músculos e às configurações articulares, permitindo movimentos como abdução, adução, rotação, elevação para a frente e para trás do tronco e mover-se em 360 ° no plano sagital. No entanto, esta grande amplitude de movimento torna o ombro mais instável e suscetível a lesões, o que poderá ter um impacto direto na qualidade de vida de uma pessoa, podendo condicionar significativamente a mobilidade desta articulação. Algumas das patologias do ombro incluem desgaste excessivo, inflamação, rutura do músculo da coifa dos rotadores, instabilidade e impacto que podem estar relacionados a doenças degenerativas, como a osteoartrite, fraturas ou uso excessivo da articulação (devido a movimentos repetitivos em desportos, no trabalho, etc.). Infelizmente, a degeneração da articulação do ombro é um problema particularmente frequente no envelhecimento da nossa população, afetando uma em cada cinco pessoas acima de 65 anos. Existem 2 tipos principais de degeneração do ombro: 1. osteoartrite, que é a degeneração primária da cartilagem articular relacionada com a idade, com um músculo da coifa dos rotadores intacto; 2. Artropatia por rutura da coifa dos rotadores, e, como o nome indica, caracterizada por uma grande rutura do músculo da coifa dos rotadores, levando a alterações na carga articular e danos articulares progressivos. Ambos os tipos de degeneração são caracterizados pela destruição da cartilagem articular que leva à dor, restrição de movimento e incapacidade funcional. Uma degeneração adicional pode levar à destruição óssea da glenoide, um fenómeno conhecido como erosão da glenoide. Existem diferentes tipos de erosões, dependendo do tipo de degeneração do ombro. Curiosamente, a osteoartrite é caracterizada principalmente por erosão óssea posterior e a artropatia por rutura da coifa dos rotadores por erosão óssea superior. A evolução da medicina permitiu a correção destas patologias ou consequências das mesmas, sendo agora uma cirurgia bastante comum na área da ortopedia, especialmente em idosos. Para tal, é necessário estudar cada caso e fazer um planeamento cirúrgico adequado através de imagens raio-X ou tomografias computadorizadas. O tratamento cirúrgico passa pela artroplastia do ombro (anatómica ou invertida) que ganhou popularidade devido à sua eficácia no alívio da dor e na restauração da função do ombro degenerado. Durante a cirurgia, o cirurgião precisa de estudar a inclinação, versão e correção do desvio e suporte ósseo mais adequados para a colocação do implante. A técnica mais utilizada é o alargamento assimétrico, onde a erosão da glenoide é corrigida com a remoção do lado mais alto do osso. Isso leva a uma perda óssea da medialização da glenoide e da linha articular, o que pode influenciar a função do implante do ombro e a duração de vida do mesmo a longo prazo. As causas mais importantes para falha da artroplastia do ombro são complicações do componente glenoide, como alargamento e desgaste, especialmente em glenoides com erosão pré-operatória. Esta erosão pode originar ângulos de inclinação e versão e desvio alterados. A principal causa de falha do componente glenoide em pacientes com erosão é carga anormal descentralizada quando a erosão não é adequadamente corrigida. Portanto, a glenoide erodida deve ser corrigida para uma inclinação, versão e desvio mais normais antes da implantação do componente glenoide. O posicionamento adequado do implante, juntamente com o equilíbrio dos tecidos moles, são questões-chave na artroplastia do ombro, tanto para a função pós-operatória quanto para a duração a longo prazo do implante. O mau posicionamento do componente glenoide pode levar a uma má função, instabilidade e enfraquecimento precoce do componente na artroplastia total e reversa do ombro. Devido às dificuldades com a colocação correta e às possíveis complicações que advém da inadequada da colocação do componente da glenoide, começou-se a investigar o planeamento computacional para a colocação do implante. O uso de ferramentas de planeamento (software) através de tomografia computadorizadas 3D e instrumentação específica do paciente é, neste momento, a prática mais comum. Para além da avaliação pré-cirúrgica de cada caso e do seu planeamento, o seguimento médico e avaliação pós-cirúrgica também é de extrema importância para averiguar se a colocação do implante foi adequada e se está de acordo com o plano pré-operatório. Para isso, são usados, de igual forma do planeamento, raios-X ou tomografias computadorizadas que são avaliadas pelos médicos. A maioria dos estudos em geral demonstra que as técnicas de tomografia computadorizada são mais precisas na determinação da posição pós-cirúrgica do componente glenoide do que as radiografias axiais padrão. Mais do que isso, o uso de destas acoplado a softwares 3D para análise da posição do implante demonstrou ser mais preciso, pois os modelos 3D refletem com maior precisão a verdadeira anatomia da morfologia da escápula. Assim, numa perspetiva de tentar encontrar uma solução idêntica à de software de planeamento, mas adaptado para análise pós cirúrgica do implante, foi proposto um projeto para desenvolvimento de um novo software capaz de realizar a análise da posição pós-cirúrgica do implante em termos de versão, inclinação e desvio do implante. Portanto, o objetivo deste sistema de software é determinar a confiabilidade e a precisão da colocação do implante. O software foi desenvolvido na plataforma MeVisLab e fornece uma descrição da posição do componente glenoide em termos de versão, inclinação e desvio do implante (componente glenóide) entre as posições reais e ideais e a rotação do implante. O MeVisLab é uma plataforma diversificada para processamento de imagens médicas e visualização científica. Inclui algoritmos avançados para registo, segmentação e análise quantitativa de imagens morfológicas e funcionais. A sua estrutura é baseada em módulos e com estes, redes podem ser criadas e diferentes aplicações podem ser construídas. A criação deste software nesta plataforma é considerada uma inovação, pois não há nenhuma referência a algo semelhante, com o mesmo objetivo e funcionalidades, na pesquisa bibliográfica feita. O modelo do implante utilizado ao longo do desenvolvimento do software e na sua análise foi ligeiramente modificado, fechando o lado aberto da glenoesfera (componente glenoide). Assim sendo, o desenvolvimento deste projeto incluiu etapas diferentes: a primeira foi a definição das medidas requisitadas pelos médicos, ângulos e pontos anatómicos de referência necessários, sendo que, neste caso, os pontos anatómicos de referência devem ser selecionados pelo utilizador e os outros dois serão calculados automaticamente; O próximo passo foi o desenvolvimento do software no MeVisLab com uma rede baseada em módulos que incluía módulos de visualização de imagens (2D e 3D), módulos que auxiliam na definição de planos e pontos de referência para os cálculos e módulos scripts em Python que contêm o código para todos os itens necessários para os cálculos; Em seguida, o desenvolvimento da interface para o utilizador foi feito de forma a que o mesmo tivesse uma experiência intuitiva e de fácil uso, e que conseguisse seguir todas as instruções necessárias, para a seleção de todos os pontos de referência e, posteriormente, o cálculo dos ângulos e medidas requisitadas; Finalmente, o último passo foi garantir que o software criado fosse confiável e consistente em todos os seus resultados no domínio intraobservador e interobservador e quando comparado com os resultados encontrados na literatura. Até ao momento, o software desenvolvido fornece os ângulos e medidas desejados com sucesso, no entanto, mostrou-se não ser tão confiável e consistente quanto era desejado. Assim, muito pode ainda ser feito para melhorar a precisão do software desenvolvido e atingir totalmente o objetivo final. Os resultados obtidos através do software podem ainda, mais tarde, ser usados para comparar se o implante colocado tem a mesma orientação que a planeada para um paciente específico antes da cirurgia. Além disso, a posição do implante pode ser correlacionada com a função pós-operatória do paciente.