Трехмерное предоперационное виртуальное планирование при деротационной проксимальной остеотомии бедренной кости
Summary
В этой работе представлен подробный протокол хирургического планирования с использованием 3D-технологий с бесплатным программным обеспечением с открытым исходным кодом. Этот протокол может быть использован для правильной количественной оценки антеверсии бедренной кости и моделирования деротационной проксимальной остеотомии бедренной кости для лечения боли в передней части колена.
Abstract
Боль в переднем колене (АКП) является распространенной патологией среди подростков и взрослых. Повышенная антеверсия бедренной кости (FAV) имеет множество клинических проявлений, включая AKP. Появляется все больше доказательств того, что увеличение FAV играет важную роль в генезисе ПСР. Кроме того, эти же данные свидетельствуют о том, что деротационная остеотомия бедренной кости полезна для этих пациентов, поскольку сообщалось о хороших клинических результатах. Однако этот вид хирургического вмешательства не получил широкого распространения среди хирургов-ортопедов.
Первым шагом в привлечении хирургов-ортопедов в область ротационной остеотомии является предоставление им методики, упрощающей предоперационное хирургическое планирование и позволяющей предварительно визуализировать результаты хирургических вмешательств на компьютерах. Для этого наша рабочая группа использует 3D-технологии. Набор данных визуализации, используемый для хирургического планирования, основан на компьютерной томографии пациента. Этот 3D-метод имеет открытый доступ (OA), что означает, что он доступен любому хирургу-ортопеду без каких-либо экономических затрат. Кроме того, он позволяет не только количественно оценить перекрут бедренной кости, но и провести виртуальное хирургическое планирование. Интересно, что эта 3D-технология показывает, что величина межвертельной ротационной остеотомии бедренной кости не представляет соотношения 1:1 с коррекцией деформации. Кроме того, эта технология позволяет корректировать остеотомию таким образом, чтобы соотношение между величиной остеотомии и коррекцией деформации составляло 1:1. В этой статье описывается этот 3D-протокол.
Introduction
Боль в передней части колена (AKP) является распространенной клинической проблемой среди подростков и молодых людей. Появляется все больше доказательств того, что повышенная антеверсия бедренной кости (FAV) играет важную роль в генезисе AKP 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11 . Кроме того, эти же данные свидетельствуют о том, что деротационная остеотомия бедренной кости полезна для этих пациентов, поскольку были зарегистрированы хорошие клинические результаты 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11 . Однако этот тип хирургического вмешательства не получил широкого распространения в повседневной клинической практике хирургов-ортопедов, особенно в случаях подростков и молодых активных пациентов с болью в передней части колена27, поскольку многие спорные аспекты порождают неопределенность. Например, было замечено, что иногда коррекция, полученная после остеотомии, не такая, как планировалось ранее. То есть не всегда существует соотношение 1:1 между величиной вращения, запланированной при выполнении остеотомии, и величиной скорректированного FAV. Этот вывод до настоящего времени не изучен. Таким образом, он является предметом настоящего документа. Чтобы объяснить несоответствие величины вращения, выполняемого при остеотомии, и величины коррекции FAV, была выдвинута гипотеза, что ось вращения остеотомии и ось вращения бедренной кости могут не совпадать.
Одной из основных проблем, требующих решения, является точное определение оси вращения бедренной кости и оси вращения остеотомии. Первая бедренная ось — это бедренная ось, измеренная на компьютерной томографии во время постановки диагноза пациенту, а вторая бедренная ось — это бедренная ось, измеренная после выполнения остеотомии. За последнее десятилетие 3D-технологии приобретают все большее значение в предоперационном планировании, особенно в ортопедической хирургии и травматологии, для упрощения и оптимизации хирургических методов15,16. Развитие 3D-технологий поддержало создание анатомических биомоделей на основе тестов 3D-визуализации, таких как КТ, в которых индивидуальные ортопедические имплантаты могут быть адаптированы17,18,19, а пластины остеосинтеза могут быть отлиты в случае переломов20,21,22. Кроме того, 3D-планирование уже использовалось в предыдущих исследованиях для анализа происхождения деформации при односторонних торсионных изменениях бедренной кости14. В настоящее время существует несколько программ, которые полностью бесплатны и адаптируются к большинству компьютеров и 3D-принтеров на рынке, что делает эту технологию легко доступной для большинства хирургов в мире. Это 3D-планирование позволяет точно рассчитать начальную ось вращения бедренной кости и ось вращения бедренной кости после выполнения межвертельной остеотомии. Основная цель данного исследования – продемонстрировать, что ось вращения бедренной межвертельной остеотомии и ось вращения бедренной кости не совпадают. Эта 3D-технология позволяет визуализировать это несоответствие между осями и исправить его с помощью регулировки остеотомии. Конечная цель состоит в том, чтобы стимулировать больший интерес со стороны хирургов-ортопедов к этому типу хирургии.
Этот протокол с 3D-методологией проводится в четыре основных этапа. Сначала загружаются снимки КТ, и создается 3D-биомодель из файлов DICOM (Digital Imaging and Communication in Medicine) компьютерной томографии. Более качественная компьютерная томография позволяет получить лучшие биомодели, но означает, что пациент получает больше ионизирующего излучения. Для хирургического планирования с использованием биомоделей достаточно качества обычной КТ. DICOM-изображение компьютерной томографии состоит из папки с множеством различных файлов, по одному файлу для каждого сделанного разреза КТ. Каждый из этих файлов содержит не только графическую информацию о разрезе КТ, но и метаданные (данные, связанные с изображением). Чтобы открыть изображение, необходимо иметь папку со всеми файлами серии (CT). Биомодель извлекается из совокупности файлов.
Во-вторых, чтобы получить 3D-биомодель, необходимо загрузить компьютерную программу 3D Slicer, программу с открытым исходным кодом и множеством утилит. Кроме того, это наиболее широко используемое компьютерное программное обеспечение в международных 3D-лабораториях, которое имеет то преимущество, что оно совершенно бесплатно и может быть загружено с его главной страницы. Поскольку это программное обеспечение является средством просмотра рентгеновских изображений, изображение DICOM должно быть импортировано в программу.
В-третьих, первая биомодель, полученная с помощью 3D Slicer, не будет совпадать с окончательной, потому что поблизости будут такие области, как стол КТ или кости и мягкие части, которые не представляют интереса. Биомодель «очищается» почти автоматически с помощью программного обеспечения для 3D-дизайна MeshMixer, которое также можно бесплатно загрузить прямо с официального сайта. Наконец, вычисляется антеверсия бедренной кости, и остеотомия моделируется с помощью другого бесплатного программного обеспечения из Магазина Windows, 3D Builder.
Protocol
Representative Results
Discussion
Наиболее важным выводом этого исследования является то, что 3D-технология позволяет планировать проксимальную наружную деротационную остеотомию бедренной кости. Эта технология может имитировать операцию, которая должна быть выполнена на конкретном пациенте на компьютере. Это проста?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
У авторов нет благодарностей.
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).
