Dreidimensionale präoperative virtuelle Planung in der derotationalen proximalen Femurosteotomie
Summary
In dieser Arbeit wird ein detailliertes chirurgisches Planungsprotokoll unter Verwendung von 3D-Technologie mit freier Open-Source-Software vorgestellt. Dieses Protokoll kann verwendet werden, um die femorale Anteversion korrekt zu quantifizieren und eine derotationale proximale Femurosteotomie zur Behandlung von vorderen Knieschmerzen zu simulieren.
Abstract
Der vordere Knieschmerz (AKP) ist eine häufige Pathologie bei Jugendlichen und Erwachsenen. Die erhöhte femorale Anteversion (FAV) hat viele klinische Manifestationen, einschließlich AKP. Es gibt immer mehr Hinweise darauf, dass eine erhöhte FAV eine wichtige Rolle bei der Entstehung der AKP spielt. Darüber hinaus deuten dieselben Beweise darauf hin, dass die derotationale femorale Osteotomie für diese Patienten von Vorteil ist, da gute klinische Ergebnisse berichtet wurden. Diese Art der Operation ist jedoch bei orthopädischen Chirurgen nicht weit verbreitet.
Der erste Schritt, um orthopädische Chirurgen für das Gebiet der Rotationsosteotomie zu gewinnen, besteht darin, ihnen eine Methodik an die Hand zu geben, die die präoperative Operationsplanung vereinfacht und die Vorvisualisierung der Ergebnisse chirurgischer Eingriffe am Computer ermöglicht. Zu diesem Zweck nutzt unsere Arbeitsgruppe die 3D-Technologie. Der Bilddatensatz, der für die Operationsplanung verwendet wird, basiert auf einem CT-Scan des Patienten. Diese 3D-Methode ist Open Access (OA), d.h. sie ist für jeden orthopädischen Chirurgen ohne wirtschaftliche Kosten zugänglich. Darüber hinaus ermöglicht es nicht nur die Quantifizierung der Femurtorsion, sondern auch die Durchführung einer virtuellen Operationsplanung. Interessanterweise zeigt diese 3D-Technologie, dass das Ausmaß der intertrochantären Femurrotationsosteotomie keinen 1:1-Zusammenhang mit der Korrektur der Deformität aufweist. Darüber hinaus ermöglicht diese Technologie die Anpassung der Osteotomie, so dass das Verhältnis zwischen dem Ausmaß der Osteotomie und der Korrektur der Deformität 1:1 beträgt. In diesem Artikel wird dieses 3D-Protokoll beschrieben.
Introduction
Schmerzen im vorderen Knie (AKP) sind ein häufiges klinisches Problem bei Jugendlichen und jungen Erwachsenen. Es gibt immer mehr Hinweise darauf, dass eine erhöhte femorale Anteversion (FAV) eine wichtige Rolle bei der Entstehung von AKP spielt 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11 . Darüber hinaus deutet dieselbe Evidenz darauf hin, dass eine derotationale femorale Osteotomie für diese Patienten von Vorteil ist, da gute klinische Ergebnisse berichtet wurden 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11 . Diese Art der Operation ist jedoch im klinischen Alltag unter orthopädischen Chirurgen nicht weit verbreitet, insbesondere bei Jugendlichen und jungen aktiven Patienten mit vorderen Knieschmerzen27, da die vielen umstrittenen Aspekte Unsicherheit erzeugen. Zum Beispiel wurde beobachtet, dass die Korrektur, die nach der Osteotomie erhalten wird, manchmal nicht dem entspricht, was zuvor geplant war. Das heißt, es gibt nicht immer ein Verhältnis von 1:1 zwischen der bei der Durchführung der Osteotomie geplanten Rotationsmenge und der korrigierten Menge an FAV. Dieser Befund ist bisher nicht untersucht worden. Daher ist sie Gegenstand der vorliegenden Arbeit. Um die Diskrepanz zwischen dem Ausmaß der mit der Osteotomie durchgeführten Rotation und dem Ausmaß der Korrektur der FAV zu erklären, wurde die Hypothese aufgestellt, dass die Rotationsachse der Osteotomie und die Rotationsachse des Femurs möglicherweise nicht übereinstimmen.
Eines der Hauptprobleme, das es zu lösen gilt, ist die genaue Lokalisierung der Rotationsachse des Oberschenkels und der Rotationsachse der Osteotomie. Die erste Femurachse ist die Femurachse, die auf dem CT-Scan zum Zeitpunkt der Diagnose des Patienten gemessen wird, während die zweite Femurachse die Femurachse ist, die nach der Durchführung der Osteotomie gemessen wurde. In den letzten zehn Jahren hat die 3D-Technologie in der präoperativen Planung, insbesondere in der orthopädischen Chirurgie und Traumatologie, zunehmend an Bedeutung gewonnen, um Operationstechniken zu vereinfachen und zu optimieren15,16. Die Entwicklung der 3D-Technologie hat die Erstellung anatomischer Biomodelle auf der Grundlage von 3D-Bildgebungstests wie CT unterstützt, bei denen maßgeschneiderte prothetische Implantate angepasst werden können17,18,19 und Osteosyntheseplatten bei Frakturen geformt werden können 20,21,22. Darüber hinaus wurde die 3D-Planung bereits in früheren Studien eingesetzt, um den Ursprung der Deformität bei einseitigen Torsionsveränderungen des Femurs14 zu analysieren. Derzeit gibt es mehrere Softwareprogramme, die völlig kostenlos und an die meisten Computer und 3D-Drucker auf dem Markt anpassbar sind, so dass diese Technologie für die meisten Chirurgen auf der Welt leicht zugänglich ist. Diese 3D-Planung ermöglicht die genaue Berechnung der anfänglichen Rotationsachse des Femurs und der Rotationsachse des Femurs nach Durchführung der intertrochantären Osteotomie. Das Hauptziel dieser Studie ist es, zu zeigen, dass die Rotationsachse der femoralen intertrochantären Osteotomie und die Rotationsachse des Femurs nicht übereinstimmen. Diese 3D-Technologie ermöglicht es, diese Diskrepanz zwischen den Achsen sichtbar zu machen und durch eine Anpassung der Osteotomie zu korrigieren. Das ultimative Ziel ist es, das Interesse der orthopädischen Chirurgen an dieser Art von Operation zu wecken.
Dieses Protokoll mit einer 3D-Methodik wird in vier grundlegenden Schritten durchgeführt. Zuerst werden CT-Bilder heruntergeladen und das 3D-Biomodell aus den DICOM-Dateien (Digital Imaging and Communication in Medicine) des CT-Scans erstellt. Qualitativ hochwertigere CT-Scans ermöglichen bessere Biomodelle, bedeuten aber, dass der Patient mehr ionisierende Strahlung erhält. Für die Operationsplanung mit Biomodellen ist die Qualität der konventionellen CT ausreichend. Das DICOM-Bild eines CT-Scans besteht aus einem Ordner mit vielen verschiedenen Dateien, wobei für jeden CT-Schnitt eine Datei erstellt wird. Jede dieser Dateien enthält nicht nur die grafischen Informationen des CT-Schnitts, sondern auch die Metadaten (Daten, die mit dem Bild verknüpft sind). Um das Bild zu öffnen, ist es wichtig, einen Ordner mit allen Dateien der Serie (dem CT) zu haben. Das Biomodell wird aus der Gesamtheit der Dateien extrahiert.
Zweitens ist es notwendig, das Computerprogramm 3D Slicer herunterzuladen, um das 3D-Biomodell zu erhalten, ein Open-Source-Programm mit vielen Dienstprogrammen. Darüber hinaus ist dies die am weitesten verbreitete Computersoftware in internationalen 3D-Laboren und hat den Vorteil, dass sie völlig kostenlos ist und von der Hauptseite heruntergeladen werden kann. Da es sich bei dieser Software um einen Röntgenbildbetrachter handelt, muss das DICOM-Bild in das Programm importiert werden.
Drittens stimmt das erste Biomodell, das mit dem 3D-Slicer erstellt wurde, nicht mit dem endgültigen überein, da sich in der Nähe Bereiche wie der CT-Tisch oder Knochen und Weichteile befinden, die nicht von Interesse sind. Das Biomodell wird fast automatisch mit der 3D-Designsoftware MeshMixer “bereinigt”, die auch direkt von der offiziellen Website kostenlos heruntergeladen werden kann. Schließlich wird die femorale Anteversion berechnet und die Osteotomie mit einer anderen kostenlosen Software aus dem Windows Store, 3D Builder, simuliert.
Protocol
Representative Results
Discussion
Die wichtigste Erkenntnis dieser Studie ist, dass die 3D-Technologie die Planung einer proximalen externen derotationalen Femurosteotomie ermöglicht. Diese Technologie kann die Operation, die an einem bestimmten Patienten durchgeführt werden soll, am Computer simulieren. Es handelt sich um eine einfache, reproduzierbare und kostenlose Technik, die Software verwendet, die an die meisten Computer angepasst werden kann. Das einzige technische Problem kann sein, dass die 3D-Builder-Software nur mit dem Windows-Betriebssyst…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Autoren haben keine Danksagungen.
Materials
| 3D Builder | Microsoft Corporation, Washington, USA | open-source program; https://apps.microsoft.com/store/detail/3d-builder/9WZDNCRFJ3T6?hl=en-us&gl=us | |
| 3D Slicer | 3D Slicer Harvard Medical School, Massachusetts, USA | open-source program; https://download.slicer.org | |
| MeshMixer | Autodesk Inc | open-source program; https://meshmixer.com/download.html |
References
- Teitge, R. A. Does lower limb torsion matter. Techniques in Knee Surgery. 11 (3), 137-146 (2012).
- Teitge, R. A. The power of transverse plane limb mal-alignment in the genesis of anterior knee pain-Clinical relevance. Annals of Joint. 3, 70 (2018).
- Delgado, E. D., Schoenecker, P. L., Rich, M. M., Capelli, A. M. Treatment of severe torsional malalignment syndrome. Journal of Pediatric Orthopedics. 16 (4), 484-488 (1996).
- Bruce, W. D., Stevens, P. M. Surgical correction of miserable malalignment syndrome. Journal of Pediatric Orthopedics. 24 (4), 392-396 (2004).
- Teitge, R. A. Patellofemoral syndrome a paradigm for current surgical strategies. The Orthopedic Clinics of North America. 39 (3), 287-311 (2008).
- Leonardi, F., Rivera, F., Zorzan, A., Ali, S. M. Bilateral double osteotomy in severe torsional malalignment syndrome: 16 years follow-up. Journal of Orthopaedics and Traumatology. 15 (2), 131-136 (2014).
- Stevens, P. M., et al. Success of torsional correction surgery after failed surgeries for patellofemoral pain and instability. Strategies in Trauma and Limb Reconstruction. 9 (1), 5-12 (2014).
- Dickschas, J., Harrer, J., Reuter, B., Schwitulla, J., Strecker, W. Torsional osteotomies of the femur. Journal of Orthopaedic Research. 33 (3), 318-324 (2015).
- Naqvi, G., Stohr, K., Rehm, A. Proximal femoral derotation osteotomy for idiopathic excessive femoral anteversion and intoeing gait. SICOT-J. 3, (2017).
- Iobst, C. A., Ansari, A. Femoral derotational osteotomy using a modified intramedullary nail technique. Techniques in Orthopaedics. 33 (4), 267-270 (2018).
- Stambough, J. B., et al. Knee pain and activity outcomes after femoral derotation osteotomy for excessive femoral anteversion. Journal of Pediatric Orthopedics. 38 (10), 503-509 (2018).
- Murphy, S. B., Simon, S. R., Kijewski, P. K., Wilkinson, R. H., Griscom, N. T. Femoral anteversion. Journal of Bone and Joint Surgery. American Volume. 69 (8), 1169-1176 (1987).
- Gracia-Costa, C. . Análisis por elementos finitos de las presiones femoropatelares previas y posteriores a osteotomía desrrotadora. , (2019).
- Ferràs-Tarragó, J., Sanchis-Alfonso, V., Ramírez-Fuentes, C., Roselló-Añón, A., Baixauli-García, F. A 3D-CT Analysis of femoral symmetry-Surgical implications. Journal of Clinical Medicine. 9 (11), 3546 (2020).
- Chen, C., et al. Treatment of die-punch fractures with 3D printing technology. Journal of Investigative Surgery. 31 (5), 385-392 (2017).
- Wells, J., et al. Femoral morphology in the dysplastic hip: Three-dimensional characterizations with CT. Clinical and Orthopaedics and Related Research. 475 (4), 1045-1054 (2016).
- Liang, H., Ji, T., Zhang, Y., Wang, Y., Guo, W. Reconstruction with 3D-printed pelvic endoprostheses after resection of a pelvic tumour. The Bone and Joint Journal. 99-B (2), 267-275 (2017).
- Wang, B., et al. Computer-aided designed, three dimensional-printed hemipelvic prosthesis for peri-acetabular malignant bone tumour. International Orthopaedics. 42 (3), 687-694 (2018).
- Wong, K. C., Kumta, S., Geel, N. V., Demol, J. One-step reconstruction with a 3D-printed, biomechanically evaluated custom implant after complex pelvic tumor resection. Computed Aided Surgery. 20 (1), 14-23 (2015).
- Fang, C., et al. Surgical applications of three-dimensional printing in the pelvis and acetabulum: From models and tools to implants. Der Unfallchirurg. 122 (4), 278-285 (2019).
- Upex, P., Jouffroy, P., Riouallon, G. Application of 3D printing for treating fractures of both columns of the acetabulum: Benefit of pre-contouring plates on the mirrored healthy pelvis. Orthopaedics & Traumatology, Surgery & Research. 103 (3), 331-334 (2017).
- Xie, L., et al. Three-dimensional printing assisted ORIF versus conventional ORIF for tibial plateau fractures: A systematic review and meta-analysis. International Journal of Surgery. 57, 35-44 (2018).
- Scorcelletti, M., Reeves, N. D., Rittweger, J., Ireland, A. Femoral anteversion: Significance and measurement. Journal of Anatomy. 237 (5), 811-826 (2020).
- Seitlinger, G., Moroder, P., Scheurecker, G., Hofmann, S., Grelsamer, R. P. The contribution of different femur segments to overall femoral torsion. The American Journal of Sports Medicine. 44 (7), 1796-1800 (2016).
- Kaiser, P., Attal, R., Kammerer, M. Significant differences in femoral torsion values depending on the CT measurement technique. Archives of Orthopaedic and Trauma Surgery. 136 (9), 1259-1264 (2016).
- Schmaranzer, F., Lerch, T. D., Siebenrock, K. A. Differences in femoral torsion among various measurement methods increase in hips with excessive femoral torsion. Clinical Orthopaedics and Related Research. 477 (5), 1073-1083 (2019).
- Sanchis-Alfonso, V., Domenech-Fernandez, J., Ferras-Tarrago, J., Rosello-Añon, A., Teitge, R. A. The incidence of complications after derotational femoral and/or tibial osteotomies in patellofemoral disorders in adolescents and active young patients: A systematic review with meta-analysis. Knee Surgery, Sports Traumatology, Arthroscopy. 30 (10), 3515-3525 (2022).
