תכנון וירטואלי תלת מימדי טרום ניתוחי באוסטאוטומיה פרוקסימלית של הירך
Summary
עבודה זו מציגה פרוטוקול תכנון כירורגי מפורט באמצעות טכנולוגיית תלת מימד עם תוכנת קוד פתוח חופשית. פרוטוקול זה יכול לשמש לכימות נכון של היפוך הירך ולסימולציה של אוסטאוטומיה פרוקסימלית פרוקסימלית של הירך לטיפול בכאבי ברכיים קדמיים.
Abstract
כאבי ברכיים קדמיים (AKP) הם פתולוגיה נפוצה בקרב מתבגרים ומבוגרים. להיפוך עצם הירך המוגבר (FAV) יש ביטויים קליניים רבים, כולל AKP. ישנן ראיות הולכות וגדלות לכך ש-FAV מוגבר ממלא תפקיד מרכזי בראשיתה של AKP. יתר על כן, אותן ראיות מצביעות על כך שאוסטאוטומיה סיבובית של עצם הירך מועילה לחולים אלה, שכן דווחו תוצאות קליניות טובות. עם זאת, סוג זה של ניתוח אינו בשימוש נרחב בקרב מנתחים אורתופדיים.
הצעד הראשון במשיכת מנתחים אורתופדיים לתחום האוסטאוטומיה הסיבובית הוא לתת להם מתודולוגיה המפשטת את התכנון הכירורגי לפני הניתוח ומאפשרת הדמיה מוקדמת של תוצאות התערבויות כירורגיות במחשבים. לשם כך, קבוצת העבודה שלנו משתמשת בטכנולוגיית תלת-ממד. מערך נתוני ההדמיה המשמש לתכנון הניתוח מבוסס על סריקת CT של המטופל. שיטה תלת ממדית זו היא גישה פתוחה (OA), כלומר היא נגישה לכל מנתח אורתופדי ללא עלות כלכלית. יתר על כן, הוא מאפשר לא רק לכמת פיתול עצם הירך אלא גם לבצע תכנון כירורגי וירטואלי. מעניין, טכנולוגיה תלת ממדית זו מראה כי גודל האוסטאוטומיה הפמורלית הסיבובית הבין-טרוכנטרית אינו מציג קשר של 1:1 עם תיקון העיוות. בנוסף, טכנולוגיה זו מאפשרת התאמה של האוסטאוטומיה כך שהיחס בין גודל האוסטאוטומיה לבין תיקון העיוות הוא 1:1. מאמר זה מתאר פרוטוקול תלת-ממדי זה.
Introduction
כאבי ברכיים קדמיים (AKP) הם בעיה קלינית נפוצה בקרב מתבגרים ומבוגרים צעירים. ישנו גוף הולך וגדל של ראיות לכך שהיפוך עצם הירך המוגבר (FAV) ממלא תפקיד חשוב בראשית AKP 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11 . בנוסף, אותן ראיות מצביעות על כך שאוסטאוטומיה סיבובית של עצם הירך מועילה לחולים אלה, שכן תוצאות קליניות טובות דווחו 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11 . עם זאת, סוג זה של ניתוח אינו בשימוש נרחב בפועל הקליני היומי בקרב מנתחים אורתופדיים, במיוחד במקרים של מתבגרים וחולים פעילים צעירים עם כאבי ברכיים קדמיים27, כי היבטים שנויים במחלוקת רבים ליצור אי ודאות. לדוגמה, נצפתה כי לפעמים התיקון המתקבל לאחר אוסטאוטומיה הוא לא מה שתוכנן בעבר. כלומר, לא תמיד יש יחס של 1:1 בין כמות הסיבוב המתוכננת בעת ביצוע האוסטאוטומיה לבין כמות FAV מתוקנת. ממצא זה לא נחקר עד היום. לכן, זה הנושא של המאמר הנוכחי. כדי להסביר את הפער בין גודל הסיבוב המבוצע עם האוסטאוטומיה לבין גודל התיקון של FAV, הועלתה השערה כי ציר הסיבוב של האוסטאוטומיה וציר הסיבוב של עצם הירך עשויים שלא לחפוף.
אחת הבעיות העיקריות שיש לטפל בהן היא איתור מדויק של ציר הירך של הסיבוב וציר הסיבוב של האוסטאוטומיה. ציר הירך הראשון הוא ציר הירך הנמדד בבדיקת ה-CT בזמן האבחנה של המטופל, ואילו ציר הירך השני הוא ציר הירך הנמדד לאחר ביצוע האוסטאוטומיה. במהלך העשור האחרון, טכנולוגיית תלת מימד הפכה חשובה יותר ויותר בתכנון טרום ניתוחי, במיוחד בכירורגיה אורתופדית וטראומטולוגיה, לפישוט ואופטימיזציה של טכניקות כירורגיות15,16. פיתוח טכנולוגיית התלת-ממד תמך ביצירת מודלים אנטומיים המבוססים על בדיקות הדמיה תלת-ממדיות כגון CT, בהן ניתן להתאים שתלים תותבים מותאמים אישית17,18,19 ולעצב לוחות אוסטאוסינתזה במקרה של שברים20,21,22. בנוסף, תכנון תלת ממדי כבר שימש במחקרים קודמים כדי לנתח את מקור העיוות בשינויים פיתול חד צדדיים של עצם הירך14. נכון לעכשיו, ישנן מספר תוכנות שהן חינמיות לחלוטין וניתנות להתאמה לרוב המחשבים ומדפסות התלת מימד בשוק, מה שהופך את הטכנולוגיה הזו לנגישה בקלות לרוב המנתחים בעולם. תכנון תלת ממדי זה מאפשר חישוב מדויק של ציר הסיבוב הראשוני של עצם הירך וציר הסיבוב של עצם הירך לאחר ביצוע האוסטאוטומיה האינטרטרוכנטרית. מטרתו העיקרית של מחקר זה היא להראות כי ציר הסיבוב של האוסטאוטומיה הבין-טרוכנטרית של הירך וציר הסיבוב של עצם הירך אינם חופפים. טכנולוגיה תלת ממדית זו מאפשרת לדמיין את הפער הזה בין הצירים ולתקן אותו באמצעות התאמה של האוסטאוטומיה. המטרה הסופית היא לעורר עניין רב יותר מצד מנתחים אורתופדיים בסוג זה של ניתוח.
פרוטוקול זה עם מתודולוגיית תלת מימד מתנהל בארבעה שלבים בסיסיים. ראשית, מורידים תמונות CT, והביומודל התלת-ממדי נוצר מקבצי DICOM (Digital Imaging and Communication in Medicine) של סריקת ה-CT. סריקות CT באיכות גבוהה יותר מאפשרות מודלים ביולוגיים טובים יותר, אך משמעותן היא שהמטופל מקבל קרינה מייננת יותר. עבור תכנון כירורגי עם biomodels, איכות CT קונבנציונאלי מספיק. תמונת DICOM של סריקת CT מורכבת מתיקייה עם קבצים רבים ושונים, עם קובץ אחד עבור כל חיתוך CT שבוצע. כל אחד מהקבצים הללו מכיל לא רק את המידע הגרפי של חתך ה-CT אלא גם את המטא-נתונים (נתונים המשויכים לתמונה). כדי לפתוח את התמונה, חיוני שתהיה תיקיה עם כל הקבצים של הסדרה (CT). המודל הביולוגי מופק מתוך מכלול הקבצים.
שנית, כדי להשיג את המודל הביולוגי התלת-ממדי, יש צורך להוריד את תוכנית המחשב 3D Slicer, תוכנית קוד פתוח עם כלי עזר רבים. יתר על כן, זוהי תוכנת המחשב הנפוצה ביותר במעבדות תלת מימד בינלאומיות ויש לה את היתרון של היותה לגמרי ללא עלות ולהורדה מהעמוד הראשי שלה. מכיוון שתוכנה זו היא מציג תמונות רנטגן, יש לייבא את תמונת DICOM לתוכנית.
שלישית, המודל הביולוגי הראשון שיתקבל עם 3D Slicer לא יתאים למודל הסופי, מכיוון שיהיו אזורים כמו שולחן CT או עצמות וחלקים רכים בקרבת מקום שאינם מעניינים. המודל הביולוגי “מנוקה” כמעט אוטומטית עם תוכנת העיצוב התלת-ממדית, MeshMixer, שניתן להוריד גם ישירות מהאתר הרשמי שלה בחינם. לבסוף, מחושבת היפוך הירך, והאוסטאוטומיה מדומה באמצעות תוכנה חופשית אחרת מחנות Windows, 3D Builder.
Protocol
Representative Results
Discussion
הממצא החשוב ביותר של מחקר זה הוא כי טכנולוגיית 3D מאפשרת תכנון של אוסטאוטומיה פרוקסימלית חיצונית derotational femoral. טכנולוגיה זו יכולה לדמות את הניתוח שיש לבצע במטופל ספציפי במחשב. זוהי טכניקה פשוטה, ניתנת לשחזור וחופשית המשתמשת בתוכנה הניתנת להתאמה לרוב המחשבים. הבעיה הטכנית היחידה עשויה להיות…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
למחברים אין הכרות.
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 |
Riferimenti
- 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).
