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

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Silva, Rita Isabel da
Data de Publicação: 2020
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP)
Texto Completo: http://hdl.handle.net/10451/45422
Resumo: Tese de mestrado integrado, Engenharia Biomédica e Biofísica (Engenharia Clínica e Instrumentação Médica) Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2020
id RCAP_5cefad8dfff022a2adf06982bc66ca8f
oai_identifier_str oai:repositorio.ulisboa.pt:10451/45422
network_acronym_str RCAP
network_name_str Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP)
repository_id_str https://opendoar.ac.uk/repository/7160
spelling Development of 3D software for post-surgical shoulder arthroplasty implant position analysisArtroplastia do ombroAnálise pós-cirúrgicaPosicionamento do componente glenoideSoftware 3DMeVisLabTeses de mestrado - 2020Departamento de FísicaTese de mestrado integrado, Engenharia Biomédica e Biofísica (Engenharia Clínica e Instrumentação Médica) Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2020O 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.The shoulder has a high range of motion because of its muscles actions and joint configuration, allowing it to abduct, adduct, rotate, be raised in front of and behind the torso and move through a full 360° in the sagittal plane. This large range of motion makes the shoulder more unstable and susceptible to injuries. The most common shoulder pathologies include cuff tear arthropathy and osteoarthritis which are related to permanent loss of the rotator cuff tendons and a gradual wearing of the articular cartilage, respectively, that leads to pain, stiffness and, consequently, to loss of the shoulder function. Reverse shoulder arthroplasty (RSA) has been proven to be a successful treatment for cuff tear arthropathy and osteoarthritis in the elderly patients. RSA consist in a shoulder replacement with a prosthesis that aims to restore the best possible function to the joint by removing scar tissue balancing muscles and replacing the destroyed joint surface of the humerus. The glenosphere positioning during the procedure has a significant impact on outcomes in RSA because it determines the center of rotation and biomechanical traits of the new joint. Misalignment and/or displacement of the glenoid component with respect to the bone can be a cause of, or contribute to, failure of the implant. Reasons for displacementof the glenoid component include inaccurate assessment of the pathologic anatomy of the glenoid, incorrect choice of implant and/or position of the implant to correct the pathologic condition, and inaccurate surgical execution of the preoperative plan. The goal of this project was to create a software for post-surgical shoulder arthroplasty analysis that gives version, inclination and implant shift values of the glenoid component aiming to evaluate the precision and reliability of its placement. The development of this project included different steps: the first one was the definition of the desired measurements, angles and the needed landmarks being that landmarks must be selected by the user and then the other two will be calculated automatically; The next step was the development of the novel software in MeVisLab with a module based network that included image visualizing modules (2D and 3D), modules that assist the definition of planes and landmarks for the calculations and python script modules that contain the code for all needed calculations; Then, the development of the user interface took place with the necessary means for the user to have all instructions needed, for the selection of all landmarks and returning the angles and measurements calculated; Finally, the last step was to ensure that the created software was reliable and consistent in its results in both intraobserver and interobserver domain and when compared with literature findings. So far, the developed software provides the required version and inclination angles and implant shift measure successfully however has shown to not be as reliable and consistent as desired. Thus, a lot can still be done to improve the accuracy of the developed software and to achieve fully the final goal.Matela, Nuno Miguel de Pinto Lobo e, 1978-Debeer, PhilippeRepositório da Universidade de LisboaSilva, Rita Isabel da2020-12-17T15:36:18Z202020202020-01-01T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10451/45422TID:202606864enginfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP)instname:FCCN, serviços digitais da FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologiainstacron:RCAAP2025-03-17T14:26:16Zoai:repositorio.ulisboa.pt:10451/45422Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireinfo@rcaap.ptopendoar:https://opendoar.ac.uk/repository/71602025-05-29T03:11:48.255344Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP) - FCCN, serviços digitais da FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologiafalse
dc.title.none.fl_str_mv Development of 3D software for post-surgical shoulder arthroplasty implant position analysis
title Development of 3D software for post-surgical shoulder arthroplasty implant position analysis
spellingShingle Development of 3D software for post-surgical shoulder arthroplasty implant position analysis
Silva, Rita Isabel da
Artroplastia do ombro
Análise pós-cirúrgica
Posicionamento do componente glenoide
Software 3D
MeVisLab
Teses de mestrado - 2020
Departamento de Física
title_short Development of 3D software for post-surgical shoulder arthroplasty implant position analysis
title_full Development of 3D software for post-surgical shoulder arthroplasty implant position analysis
title_fullStr Development of 3D software for post-surgical shoulder arthroplasty implant position analysis
title_full_unstemmed Development of 3D software for post-surgical shoulder arthroplasty implant position analysis
title_sort Development of 3D software for post-surgical shoulder arthroplasty implant position analysis
author Silva, Rita Isabel da
author_facet Silva, Rita Isabel da
author_role author
dc.contributor.none.fl_str_mv Matela, Nuno Miguel de Pinto Lobo e, 1978-
Debeer, Philippe
Repositório da Universidade de Lisboa
dc.contributor.author.fl_str_mv Silva, Rita Isabel da
dc.subject.por.fl_str_mv Artroplastia do ombro
Análise pós-cirúrgica
Posicionamento do componente glenoide
Software 3D
MeVisLab
Teses de mestrado - 2020
Departamento de Física
topic Artroplastia do ombro
Análise pós-cirúrgica
Posicionamento do componente glenoide
Software 3D
MeVisLab
Teses de mestrado - 2020
Departamento de Física
description Tese de mestrado integrado, Engenharia Biomédica e Biofísica (Engenharia Clínica e Instrumentação Médica) Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2020
publishDate 2020
dc.date.none.fl_str_mv 2020-12-17T15:36:18Z
2020
2020
2020-01-01T00:00:00Z
dc.type.status.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/publishedVersion
dc.type.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/masterThesis
format masterThesis
status_str publishedVersion
dc.identifier.uri.fl_str_mv http://hdl.handle.net/10451/45422
TID:202606864
url http://hdl.handle.net/10451/45422
identifier_str_mv TID:202606864
dc.language.iso.fl_str_mv eng
language eng
dc.rights.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/openAccess
eu_rights_str_mv openAccess
dc.format.none.fl_str_mv application/pdf
dc.source.none.fl_str_mv reponame:Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP)
instname:FCCN, serviços digitais da FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologia
instacron:RCAAP
instname_str FCCN, serviços digitais da FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologia
instacron_str RCAAP
institution RCAAP
reponame_str Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP)
collection Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP)
repository.name.fl_str_mv Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP) - FCCN, serviços digitais da FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologia
repository.mail.fl_str_mv info@rcaap.pt
_version_ 1833601625994821632

Registros relacionados