Virtuele en werkelijke polscorrecties - Betere diagnose en behandeling met 3D en 4D beeldvorming

Nieuwe methodiek

In het Amsterdam UMC vindt sinds 2009 onderzoek plaats rond reconstructie van verkeerd aangegroeide botten op basis van 3D CT beelden. Het doel is inzicht te krijgen in de beperkingen van de conventionele methode [1][2] en om middelen aan te reiken waarmee de oorspronkelijke stand zo goed mogelijk kan worden hersteld. Om de foutstand van het bot in 3D te plannen is software geschreven [3][4][5] waarmee vóór de operatie een virtuele planning -dus op het computerscherm- kan worden gemaakt op basis van zo’n 3D CT beeld (Fig. 3). Tijdens die planning wordt de aangedane radius eerst gesegmenteerd. Dat is een methode waarmee uit het grijstintenbeeld van een CT scan een 3D model van het bot wordt verkregen. Bij het maken van de CT scan wordt ook de gezonde zijde van de patiënt gescand. Dat wordt gedaan omdat er relatief kleine links-rechts verschillen blijken te zijn, en de andere zijde -na spiegeling- dus een goede referentie is van hoe de radius eruit moet komen te zien. Door nu de virtuele 3D modellen van de aangedane en referentieradius aan de onderzijde (proximaal) op elkaar uit te lijnen, kan goed zichtbaar worden gemaakt hoe sterk het bot is gedeformeerd (Fig. 3 en Fig. 4a). Door nu het distale botdeel virtueel door te zagen en over de andere kant te leggen (Fig. 4b), kan ook worden uitgerekend hoe dat botdeel moet worden verschoven en gedraaid in elk van de drie dimensies, om het weer op zijn plaats te krijgen. Hierbij moet soms worden gecorrigeerd voor het lengteverschil dat tussen links en rechts bestaat [2]; vandaar dat het distale deel iets hoger staat dan het groene referentiebot.

Van virtueel 3D plan naar de echte patiënt

Mooi dat het op die manier prima virtueel kan worden gecorrigeerd. Maar hoe vertaalt de chirurg nu dat virtuele plan naar de werkelijke patiënt? In het verleden is gebruik gemaakt van optische navigatiesystemen met camera’s en speciale instrumenten voor in de operatiekamer. De camera’s bekijken waar die speciale instrumenten zich in de ruimte bevinden en laten de instrumenten in de virtuele wereld zien, dus op het computerscherm samen met de virtuele botten. Zo ziet de chirurg op het scherm waar hij de zaag op het werkelijke bot plaatst en als dat klopt met de eerdere planning, dan kan het zagen beginnen. Navigatiesystemen zijn duur, nemen veel ruimte in, zijn ingewikkeld in gebruik, en de nauwkeurigheid ervan hangt van een hoop zaken af. Zoals de afstand van de camera’s tot de patiënt, en van de nauwkeurigheid waarmee het virtuele bot aan het werkelijke bot is gekoppeld (de zgn. registratie).

Navigatie dankzij 3D printers

Het Amsterdam UMC maakt al lange tijd gebruik van 3D printers om botmodellen uit te printen. Dat geeft inzicht in de aandoening en maakt het ook makkelijker om de problematiek met de patiënt te bespreken. Voor botcorrecties worden geen optische navigatiesystemen gebruikt maar 3D geprinte mallen [6] die passen op de specifieke anatomie van de patiënt (Fig. 4c). De mal past alleen op het bot op de locatie die tijdens de virtuele planning is gekozen. Door tijdens de planning een plek te kiezen voor de zaagsnede en op die plek een sleufje in de mal op te nemen, kan tijdens de operatie door de werkelijke sleuf worden gezaagd als de mal op zijn plaats zit. Zo zaagt de chirurg exact op de gewenste plek en in de goede richting. Om ook de botdelen goed te kunnen plaatsen wordt soms gebruik gemaakt van een patiënt-specifieke fixatieplaat (Fig. 4e) [4]. Zo’n ‘plaat-op-maat’ is ontworpen om exact te passen op de doorgezaagde bothelften. Via de schroefgaten in die plaat worden de bothelften vastgeschroefd in exact de vooraf geplande stand [6]. Via cilindertjes in de zaagmal kan de chirurg daartoe eerst gaatjes in het bot voorboren (Fig. 4b) alvorens het bot door te zagen. Patiënt-specifieke hulpmiddelen zijn relatief eenvoudig in gebruik en de kunststof varianten zijn bovendien vrij goedkoop te produceren. Uit verschillende onderzoeken is gebleken dat operaties met patiënt-specifieke hulpmiddelen nauwkeuriger zijn en sneller verlopen dan zonder die hulpmiddelen.

Schuin zagen

Dankzij het onderzoek in het Amsterdam UMC zijn ook andere handige methodes gevonden om botcorrecties beter uit te voeren. Bij het herpositioneren van het ene t.o.v. het andere botdeel ontstaat doorgaans een ruimte tussen de botdelen (Fig. 4b). Immers, het bot was tijdens de breuk wat ingezakt wat de positionering veranderde. Soms wordt dat ‘defect’ opgevuld met donorbot of een stukje bot uit de heup. De doorbloeding van het bot is hiermee echter niet optimaal en soms heeft men liever verlenging van het bot zonder defect. Dat klinkt als onmogelijk maar toch kan het vaak, door gebruik te maken van een schuine zaagsnede [5]. De truc hierbij is dat na schuin zagen het distale botsegment wordt gedraaid terwijl de contactvlakken van de bothelften op elkaar blijven (Fig. 5). Door het draaien zwiepen de botdelen in de juiste stand. Door bovendien de botdelen in het contactvlak iets t.o.v. elkaar af te schuiven kan verlenging worden verkregen. Bij deze methode is het wel belangrijk dat de oriëntatie van het zaagvlak, de rotatie van het distale botdeel en de eventuele verschuiving in het zaagvlak goed worden uitgerekend. Daartoe is in het Amsterdam UMC speciale software gemaakt die correctie via een schuine zaagsnede helemaal doorrekend [5]. Met behulp van mallen kan deze methode vervolgens weer van het virtuele bot in de computer naar het werkelijke bot van de patiënt worden overgebracht. Als de botten erg gedeformeerd zijn is het zelfs mogelijk m.b.v. twee schuine zaagsneden en botrotaties de optimale uitlijning en positionering te bereiken. Ook voor een dergelijke aanpak is software ontwikkeld.

Beweging onderzoeken met 4D beelden

De bovengenoemde methoden maken gebruik van 3D beeldvorming wat al een enorme verbetering is ten opzichte van de veelgebruikte 2D beeldvorming. In sommige gevallen is echter zelfs 3D niet toereikend. Bijvoorbeeld wanneer een aandoening zich alleen uit bij beweging. Zo kunnen bij een breuk van het scaphoid, een van de handwortelbeentjes, de twee bothelften niet goed aan elkaar groeien. Dat loszitten van die bothelften kan aan de hand van een Röntgenfoto of CT scan soms niet worden vastgesteld. Door nu een hele serie 3D plaatjes van een langzaam bewegende pols achter elkaar te maken ontstaat een zogenaamd 4D beeld. Als de helften van een gebroken scaphoid niet aan elkaar zijn gegroeid, kun je zien dat die helften bij een bewegende pols ten opzichte van elkaar bewegen (Fig. 6). Zelfs de kleinste bewegingen kunnen op die manier worden vastgesteld waardoor met hoge zekerheid kan worden bepaald of de helften zijn vastgegroeid of niet [7]. Zo kan slijtage worden voorkomen van niet alleen de bothelften van het scaphoid maar ook van omringende polsbotjes en uiteindelijk van de hele pols.

Discussie

Het gebruik van 3D beeldvorming en beeldanalyse voor correctiechirurgie van verkeerd aangegroeide botten wordt in de meeste ziekenhuizen nog niet toegepast. De aanpak met 2D beelden gaat gelukkig vaak goed, maar kent zeker zijn beperkingen. Voor complexe deformaties grijpt het Amsterdam UMC daarom regelmatig naar 3D beeldvorming en beeldanalyse. Dankzij de nieuwe ontwikkelingen, zoals de schuine osteotomie, 3D geprinte mallen en patiënt-specifieke implantaten, kunnen de botcorrecties steeds beter worden uitgevoerd. En dat blijkt ook erg belangrijk te zijn [1], want het is aangetoond dat er een relatie is tussen foutstand en restklachten, zoals pijn en beperkte functie van de pols. En dat is ook niet verwonderlijk als je beseft dat patiënten naar het ziekenhuis komen juist omdat ze klachten hebben die verband houden met een foute botstand.

Het gebruik van 4D beeldvorming om beweging zichtbaar te maken is nieuw in de diagnose van aandoeningen van het bewegingsapparaat. Het vereist specifieke radiologische kennis om de beelden te kunnen maken, en specifieke software om die beelden te analyseren voor het komen tot een diagnose. Het Amsterdam UMC loopt voorop in deze nieuwe aanpak. Het levert mooie kansen voor onderzoek en voor de patiënt, die met chronische klachten blijft rondlopen omdat de huidige statische beeldvorming niet tot de juiste inzichten leidt, waardoor een goede diagnose niet kan worden gesteld.