Tredimensionell preoperativ virtuell planering vid derotationell proximal lårbensosteotomi

Summary

Detta arbete presenterar ett detaljerat kirurgiskt planeringsprotokoll med 3D-teknik med fri programvara med öppen källkod. Detta protokoll kan användas för att korrekt kvantifiera femoral anteversion och simulera derotationell proximal femoral osteotomi för behandling av främre knäsmärta.

Abstract

Anterior knäsmärta (AKP) är en vanlig patologi bland ungdomar och vuxna. Ökad femoral anteversion (FAV) har många kliniska manifestationer, inklusive AKP. Det finns växande bevis för att ökad FAV spelar en viktig roll i uppkomsten av AKP. Dessutom tyder samma bevis på att derotationell femoral osteotomi är fördelaktig för dessa patienter, eftersom goda kliniska resultat har rapporterats. Denna typ av operation används emellertid inte i stor utsträckning bland ortopedkirurger.

Det första steget i att locka ortopedkirurger till rotationsosteotomi är att ge dem en metod som förenklar preoperativ kirurgisk planering och möjliggör previsualisering av resultaten av kirurgiska ingrepp på datorer. För detta ändamål använder vår arbetsgrupp 3D-teknik. Bildmaterialet som används för kirurgisk planering baseras på en CT-skanning av patienten. Denna 3D-metod är open access (OA), vilket innebär att den är tillgänglig för alla ortopedkirurger utan ekonomisk kostnad. Dessutom möjliggör det inte bara kvantifiering av lårbensvridning utan också för att genomföra virtuell kirurgisk planering. Intressant nog visar denna 3D-teknik att storleken på den intertrochanteriska rotationella femorala osteotomin inte uppvisar ett 1: 1-förhållande med korrigeringen av deformiteten. Dessutom möjliggör denna teknik justering av osteotomi så att förhållandet mellan osteotomins storlek och korrigeringen av deformiteten är 1: 1. Detta dokument beskriver detta 3D-protokoll.

Introduction

Främre knäsmärta (AKP) är ett vanligt kliniskt problem bland ungdomar och unga vuxna. Det finns en växande mängd bevis för att ökad femoral anteversion (FAV) spelar en viktig roll i uppkomsten av AKP 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11 . Dessutom tyder samma bevis på att en derotationell femoral osteotomi är fördelaktig för dessa patienter, eftersom goda kliniska resultat har rapporterats 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11 . Denna typ av operation används emellertid inte i stor utsträckning i daglig klinisk praxis bland ortopedkirurger, särskilt när det gäller ungdomar och unga aktiva patienter med främre knäsmärta²⁷, eftersom de många kontroversiella aspekterna genererar osäkerhet. Det har till exempel observerats att ibland är korrigeringen som erhållits efter osteotomi inte vad som tidigare planerats. Det vill säga det finns inte alltid ett 1: 1-förhållande mellan mängden rotation som planeras vid utförandet av osteotomi och mängden FAV korrigerad. Detta resultat har hittills inte studerats. Det är därför ämnet för detta dokument. För att förklara skillnaden mellan storleken på rotationen utförd med osteotomi och storleken på korrigeringen av FAV, antogs det att osteotomins rotationsaxel och lårbenets rotationsaxel kanske inte sammanfaller.

Ett av de viktigaste problemen som ska behandlas är att exakt lokalisera lårbensaxeln för rotation och rotationsaxeln för osteotomi. Den första lårbensaxeln är lårbensaxeln mätt på CT-skanningen vid tidpunkten för patientens diagnos, medan den andra lårbensaxeln är lårbensaxeln mätt efter att osteotomin utförts. Under det senaste decenniet har 3D-tekniken blivit allt viktigare i preoperativ planering, särskilt inom ortopedisk kirurgi och traumatologi, för att förenkla och optimera kirurgiska tekniker^15,16. Utvecklingen av 3D-teknik har stött skapandet av anatomiska biomodeller baserade på 3D-avbildningstester som CT, där skräddarsydda protesimplantat kan anpassas^17,18,19 och osteosyntesplattor kan formas vid frakturer ^20,21,22. Dessutom har 3D-planering redan använts i tidigare studier för att analysera deformitetens ursprung i ensidiga torsionsförändringar av lårbenet¹⁴. För närvarande finns det flera program som är helt gratis och anpassningsbara till de flesta datorer och 3D-skrivare på marknaden, vilket gör denna teknik lättillgänglig för de flesta kirurger i världen. Denna 3D-planering möjliggör en exakt beräkning av lårbenets initiala rotationsaxel och lårbenets rotationsaxel efter att den intertrokantära osteotomin har utförts. Huvudsyftet med denna studie är att visa att rotationsaxeln för den femorala intertrochantära osteotomin och femurets rotationsaxel inte sammanfaller. Denna 3D-teknik gör det möjligt att visualisera denna skillnad mellan axlarna och korrigera den genom en justering av osteotomi. Det slutliga målet är att stimulera större intresse från ortopedkirurger för denna typ av operation.

Detta protokoll med en 3D-metodik genomförs i fyra grundläggande steg. Först laddas CT-bilder ner och 3D-biomodellen skapas från DICOM-filerna (Digital Imaging and Communication in Medicine) i CT-skanningen. CT-skanningar av högre kvalitet möjliggör bättre biomodeller men innebär att patienten får mer joniserande strålning. För kirurgisk planering med biomodeller är kvaliteten på konventionell CT tillräcklig. DICOM-bilden av en CT-skanning består av en mapp med många olika filer, med en fil för varje CT-snitt som görs. Var och en av dessa filer innehåller inte bara CT-snittets grafiska information utan också metadata (data associerade med bilden). För att öppna bilden är det viktigt att ha en mapp med alla filer i serien (CT). Biomodellen extraheras från filernas totalitet.

För det andra, för att få 3D-biomodellen, är det nödvändigt att ladda ner 3D Slicer-datorprogrammet, ett open source-program med många verktyg. Dessutom är detta den mest använda datorprogramvaran i internationella 3D-laboratorier och har fördelen att den är helt kostnadsfri och nedladdningsbar från huvudsidan. Eftersom den här programvaran är en röntgenbildvisare måste DICOM-bilden importeras till programmet.

För det tredje kommer den första biomodellen som erhållits med 3D Slicer inte att matcha den definitiva, eftersom det kommer att finnas regioner som CT-bordet eller ben och mjuka delar i närheten som inte är av intresse. Biomodellen “rengörs” nästan automatiskt med 3D-designprogramvaran, MeshMixer, som också kan laddas ner direkt från sin officiella webbplats gratis. Slutligen beräknas lårbensanteversion och osteotomin simuleras med hjälp av en annan fri programvara från Windows Store, 3D Builder.

Protocol

Studien godkändes av vår institutions etiska kommitté (referens 2020-277-1). Patienterna undertecknade CT-skanningens informerade samtycke. 1. Ladda ner CT-bilderna Få tillgång till ett bildarkiverings- och kommunikationssystem (PACS).Varje programvarupaket har ett annat sätt att komma åt en PACS, men alla har ett sätt att ladda ner en studie i DICOM-formatet. Om det finns en fråga om hur detta görs, fråga systemadministratören för centret eller radi…

Representative Results

Femoral anteversion kan mätas med olika metoder. Några av dem fokuserar på lårbenshalsen, med hjälp av linjen som passerar genom mitten av nacken och en som passerar genom lårbenskondylerna som referenser. Andra lägger till en tredje referenspunkt vid den mindre trochanter23. Murphys metod, som är den mest tillförlitliga i klinisk praxis eftersom den har det bästa klinisk-radiologiska förhållandet, är en sådan metod med en tredje referenspunkt25,26<…

Discussion

Det viktigaste resultatet av denna studie är att 3D-tekniken möjliggör planering av proximal extern derotational femoralosteotomi. Denna teknik kan simulera operationen som ska utföras på en specifik patient på datorn. Det är en enkel, reproducerbar och gratis teknik som använder programvara som kan anpassas till de flesta datorer. Det enda tekniska problemet kan vara att 3D-byggarprogramvaran bara fungerar med Windows-operativsystemet. Den största begränsningen är inlärningskurvan. Detta protokoll är fortfa…

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