去旋转股骨近端截骨术的三维术前虚拟规划
Summary
这项工作提出了使用3D技术和免费开源软件的详细手术计划方案。该方案可用于正确量化股骨前倾并模拟去旋转近端股骨截骨术以治疗膝关节前部疼痛。
Abstract
膝关节前部疼痛（AKP）是青少年和成人的常见病理。股骨前倾增加 （FAV） 有许多临床表现，包括 AKP。越来越多的证据表明，增加的FAV在AKP的起源中起着重要作用。此外，同样的证据表明，去旋转股骨截骨术对这些患者有益，因为已经报告了良好的临床结果。然而，这种类型的手术在整形外科医生中并未广泛使用。
吸引整形外科医生进入旋转截骨术领域的第一步是为他们提供一种方法，简化术前手术计划，并允许在计算机上预先模拟手术干预的结果。为此，我们的工作组使用3D技术。用于手术计划的成像数据集基于患者的CT扫描。这种3D方法是开放获取（OA），这意味着任何整形外科医生都可以免费获得它。此外，它不仅可以量化股骨扭转，还可以进行虚拟手术计划。有趣的是，这项3D技术表明，股骨粗隆间旋转截骨术的大小与畸形矫正没有1：1的关系。此外，该技术允许调整截骨术，使截骨术的大小与畸形矫正之间的关系为1：1。本文概述了此 3D 协议。
Introduction
膝前疼痛（AKP）是青少年和年轻人常见的临床问题。越来越多的证据表明，股骨前倾（FAV）增加在AKP的发生中起重要作用1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11.此外，同样的证据表明，去旋转股骨切开术对这些患者有益，因为已经报告了良好的临床结果1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11.然而，这种类型的手术在整形外科医生的日常临床实践中并未广泛使用，特别是在青少年和年轻活跃的膝关节前部疼痛患者中27，因为许多有争议的方面产生了不确定性。例如，已经观察到，有时截骨术后获得的矫正不是先前计划的。也就是说，进行截骨术时计划的旋转量与矫正的 FAV 量之间并不总是有 1：1 的比例。迄今为止，尚未对这一发现进行研究。因此，这是本文件的主题。为了解释截骨术旋转的大小与FAV矫正的大小之间的差异，假设截骨术的旋转轴和股骨的旋转轴可能不一致。
要解决的主要问题之一是准确定位股骨旋转轴和截骨术旋转轴。第一股骨轴是患者诊断时在CT扫描上测量的股骨轴，而第二股骨轴是进行截骨术后测量的股骨轴。在过去的十年中，3D技术在术前计划中变得越来越重要，特别是在骨科手术和创伤学中，以简化和优化手术技术15，16。3D技术的发展支持了基于CT等3D成像测试的解剖生物模型的创建，其中可以适应定制的假体植入物17，18，19，并且可以在骨折的情况下模制骨合成板20，21，22.此外，3D规划已经在以前的研究中用于分析股骨14单侧扭转改变畸形的起源。目前，有几个软件程序是完全免费的，可以适应市场上的大多数计算机和3D打印机，使世界上大多数外科医生都可以轻松使用这项技术。这种 3D 规划允许在进行转子间截骨术后准确计算股骨的初始旋转轴和股骨的旋转轴。本研究的主要目的是证明股骨粗隆间截骨术的旋转轴和股骨的旋转轴不重合。这种3D技术可以可视化轴之间的这种差异，并通过调整截骨术来纠正它。最终目标是激发整形外科医生对此类手术的更大兴趣。
该协议采用3D方法，分四个基本步骤进行。首先，下载CT图像，并从CT扫描的DICOM（医学数字成像和通信）文件创建3D生物模型。更高质量的CT扫描允许更好的生物模型，但意味着患者接受更多的电离辐射。对于使用生物模型的手术计划，常规CT的质量就足够了。CT扫描的DICOM图像由一个包含许多不同文件的文件夹组成，每个CT切割都有一个文件。这些文件中的每一个不仅包含CT切口的图形信息，还包含 元数据 （与图像相关的数据）。要打开图像，必须有一个包含该系列所有文件的文件夹（CT）。生物模型是从整个文件中提取的。
其次，要获得3D生物模型，需要下载3D Slicer计算机程序，这是一个具有许多实用程序的开源程序。此外，这是国际3D实验室中使用最广泛的计算机软件，其优点是完全免费并且可以从其主页下载。由于该软件是X射线图像查看器，因此必须将DICOM图像导入程序。
第三，使用3D Slicer获得的第一个生物模型与最终的生物模型不匹配，因为CT台或附近的骨骼和柔软部位等区域将不感兴趣。生物模型几乎是用3D设计软件MeshMixer自动“清理”的，该软件也可以直接从其官方网站免费下载。最后，计算股骨前倾，并使用Windows应用商店中的另一个免费软件3D Builder模拟截骨术。
Protocol
Representative Results
Discussion
这项研究最重要的发现是3D技术可以计划近端外旋转股骨截骨术。该技术可以在计算机上模拟要对特定患者进行的手术。它是一种简单、可复制且免费的技术，它使用适用于大多数计算机的软件。唯一的技术问题可能是3D构建器软件仅适用于Windows操作系统。主要限制是学习曲线。该协议仍处于初步研究阶段，将来肯定可以改进，但它已经是一种可用的资源，可以帮助外科医生做出决策。该技术还?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
作者没有承认。
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).
