Planificación virtual preoperatoria tridimensional en osteotomía femoral proximal desrotacional

Resumen

Este trabajo presenta un protocolo detallado de planificación quirúrgica utilizando tecnología 3D con software gratuito de código abierto. Este protocolo se puede utilizar para cuantificar correctamente la anteversión femoral y simular la osteotomía femoral proximal desrotacional para el tratamiento del dolor anterior de rodilla.

Resumen

El dolor anterior de rodilla (AKP) es una patología común entre adolescentes y adultos. El aumento de la anteversión femoral (FAV) tiene muchas manifestaciones clínicas, incluida la AKP. Existe una creciente evidencia de que el aumento de FAV juega un papel importante en la génesis del AKP. Además, esta misma evidencia sugiere que la osteotomía femoral desrotacional es beneficiosa para estos pacientes, ya que se han reportado buenos resultados clínicos. Sin embargo, este tipo de cirugía no es ampliamente utilizada entre los cirujanos ortopédicos.

El primer paso para atraer a los cirujanos ortopédicos al campo de la osteotomía rotacional es darles una metodología que simplifique la planificación quirúrgica preoperatoria y permita la previsualización de los resultados de las intervenciones quirúrgicas en computadoras. Para ello, nuestro grupo de trabajo utiliza tecnología 3D. El conjunto de datos de imágenes utilizado para la planificación quirúrgica se basa en una tomografía computarizada del paciente. Este método 3D es de acceso abierto (OA), lo que significa que es accesible para cualquier cirujano ortopédico sin costo económico. Además, no sólo permite cuantificar la torsión femoral, sino también realizar una planificación quirúrgica virtual. Curiosamente, esta tecnología 3D muestra que la magnitud de la osteotomía femoral rotacional intertrocantérea no presenta una relación 1:1 con la corrección de la deformidad. Además, esta tecnología permite el ajuste de la osteotomía para que la relación entre la magnitud de la osteotomía y la corrección de la deformidad sea 1:1. Este documento describe este protocolo 3D.

Introducción

El dolor anterior de rodilla (AKP) es un problema clínico común entre adolescentes y adultos jóvenes. Existe un creciente cuerpo de evidencia de que el aumento de la anteversión femoral (FAV) juega un papel importante en la génesis de AKP 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11 . Además, esta misma evidencia sugiere que una osteotomía femoral desrotacional es beneficiosa para estos pacientes, ya que se han reportado buenos resultados clínicos 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11 . Sin embargo, este tipo de cirugía no es ampliamente utilizada en la práctica clínica diaria entre los cirujanos ortopédicos, especialmente en los casos de adolescentes y pacientes jóvenes activos con dolor anterior de rodilla²⁷, porque los muchos aspectos controvertidos generan incertidumbre. Por ejemplo, se ha observado que a veces la corrección obtenida tras la osteotomía no es la prevista previamente. Es decir, no siempre existe una relación 1:1 entre la cantidad de rotación prevista al realizar la osteotomía y la cantidad de FAV corregida. Este hallazgo no ha sido estudiado hasta la fecha. Por lo tanto, es el tema del presente documento. Para explicar la discrepancia entre la magnitud de la rotación realizada con la osteotomía y la magnitud de la corrección de FAV, se planteó la hipótesis de que el eje de rotación de la osteotomía y el eje de rotación del fémur pueden no coincidir.

Uno de los principales problemas a abordar es localizar con precisión el eje femoral de rotación y el eje de rotación de la osteotomía. El primer eje femoral es el eje femoral medido en la tomografía computarizada en el momento del diagnóstico del paciente, mientras que el segundo eje femoral es el eje femoral medido después de realizar la osteotomía. En la última década, la tecnología 3D se ha vuelto cada vez más importante en la planificación preoperatoria, especialmente en cirugía ortopédica y traumatología, para simplificar y optimizar las técnicas quirúrgicas^15,16. El desarrollo de la tecnología 3D ha apoyado la creación de biomodelos anatómicos basados en pruebas de imagen 3D como la TC, en la que se pueden adaptar implantes protésicos personalizados^17,18,19 y se pueden moldear placas de osteosíntesis en el caso de fracturas^20,21,22. Además, la planificación 3D ya se ha utilizado en estudios previos para analizar el origen de la deformidad en alteraciones torsionales unilaterales del fémur¹⁴. Actualmente, existen varios programas de software que son completamente gratuitos y adaptables a la mayoría de ordenadores e impresoras 3D del mercado, haciendo que esta tecnología sea fácilmente accesible para la mayoría de cirujanos del mundo. Esta planificación 3D permite el cálculo preciso del eje inicial de rotación del fémur y el eje de rotación del fémur después de que se haya realizado la osteotomía intertrocantérea. El objetivo principal de este estudio es demostrar que el eje de rotación de la osteotomía intertrocantérea femoral y el eje de rotación del fémur no coinciden. Esta tecnología 3D permite visualizar esta discrepancia entre los ejes y corregirla mediante un ajuste de la osteotomía. El objetivo final es estimular un mayor interés de los cirujanos ortopédicos en este tipo de cirugía.

Este protocolo con una metodología 3D se lleva a cabo en cuatro pasos fundamentales. Primero, se descargan imágenes de TC y se crea el biomodelo 3D a partir de los archivos DICOM (Digital Imaging and Communication in Medicine) de la tomografía computarizada. Las tomografías computarizadas de mayor calidad permiten mejores biomodelos, pero significan que el paciente recibe más radiación ionizante. Para la planificación quirúrgica con biomodelos, la calidad de la TC convencional es suficiente. La imagen DICOM de una tomografía computarizada consiste en una carpeta con muchos archivos diferentes, con un archivo para cada corte de tomografía computarizada realizado. Cada uno de estos archivos contiene no solo la información gráfica del corte CT, sino también los metadatos (datos asociados con la imagen). Para abrir la imagen, es imprescindible tener una carpeta con todos los archivos de la serie (el CT). El biomodelo se extrae de la totalidad de los archivos.

En segundo lugar, para obtener el biomodelo 3D, es necesario descargar el programa informático 3D Slicer, un programa de código abierto con muchas utilidades. Además, este es el software informático más utilizado en los laboratorios internacionales de 3D y tiene la ventaja de ser completamente gratuito y descargable desde su página principal. Como este software es un visor de imágenes de rayos X, la imagen DICOM debe importarse al programa.

En tercer lugar, el primer biomodelo obtenido con 3D Slicer no coincidirá con el definitivo, porque habrá regiones como la mesa de TC o huesos y partes blandas cercanas que no son de interés. El biomodelo se "limpia" casi automáticamente con el software de diseño 3D, MeshMixer, que también se puede descargar directamente desde su sitio web oficial de forma gratuita. Finalmente, se calcula la anteversión femoral y se simula la osteotomía utilizando otro software gratuito de la Tienda Windows, 3D Builder.

Protocolo

El estudio fue aprobado por el comité de ética de nuestra institución (referencia 2020-277-1). Los pacientes firmaron el consentimiento informado de la tomografía computarizada.

1. Descarga de las imágenes de TC

1. Obtenga acceso a un sistema de archivo y comunicación de imágenes (PACS).
   NOTA: Cada paquete de software tiene una forma diferente de acceder a un PACS, pero todos ellos tienen una forma de descargar un estudio en formato DICOM. Si hay alguna pregunta sobre cómo se hace esto, pregunte al administrador del sistema del centro o a los radiólogos del centro.
2. Descargue la tomografía computarizada completa en formato DICOM mientras mantiene el anonimato del paciente.

2. Obtención del biomodelo 3D (Archivo Suplementario 1-Figura S1)

1. Descargue el software 3D Slicer (consulte la Tabla de materiales). Instale el programa en la computadora.
2. Importe las imágenes CT en formato DICOM.
   1. Haga clic en el icono DCM en la esquina superior izquierda de la pantalla.
   2. Haga clic en Importar archivos DICOM en el lado izquierdo de la pantalla y espere a que se abra una ventana que permita elegir la carpeta donde se guarda el estudio de TC en formato DICOM .
   3. Haga clic en "DummyPatName!" en la parte superior derecha de la pantalla. Si la carpeta tiene más de un estudio de TC, haga clic en la serie "DummySeriesDesc!" con la mayor cantidad de imágenes en la parte inferior de la pantalla.
   4. Haga clic en Cargar en el margen inferior derecho.
3. Crear el biomodelo 3D.
   1. Haga clic en la barra de menú en la parte superior de la pantalla y espere a que aparezca el DICOM.
   2. En el menú desplegable, elige el Legacy | Opción de editor . Pulse ok en el mensaje que aparece (Archivo complementario 1-Figura S2).
   3. Espere a que aparezca un nuevo menú en el lado izquierdo de la pantalla. Haga clic en el icono Efecto de umbral .
   4. Mueva la barra en el cuadro inferior hasta que solo el hueso esté pintado en las imágenes de la derecha. De esta manera, seleccione el valor de las unidades Hounsfield que se incluirán en el modelo.
   5. Una vez alcanzado el nivel de pintura deseado, haga clic en Aplicar. La selección está marcada con el color verde (Archivo Suplementario 1-Figura S3).
   6. Seleccione la opción Crear efecto de modelo en el menú lateral (igual que el anterior). Seleccione Aplicar (archivo complementario de 1 figura S4).
   7. En la ventana superior derecha, se genera el modelo 3D. Haga clic en el marco dorado, Centrar la vista 3D en la escena, para centrar la imagen en el centro de la ventana (Archivo suplementario de 1 figura S4).
4. Guarde el biomodelo (Archivo complementario de 1 figura S5).
   1. Haga clic en Guardar en el margen superior izquierdo.
   2. En el cuadro que aparece, seleccione únicamente el archivo "tejido" (Archivo Suplementario 1-Figura S5).
   3. En la segunda columna, en el menú desplegable, selecciona STL.
   4. En la tercera columna, en el menú desplegable, elija dónde guardar el archivo STL. Haga clic en Guardar. Este es el archivo que se utilizará en los siguientes pasos.

3. Preparación del biomodelo

1. Descargue el software MeshMixer (consulte la Tabla de materiales). Instale el programa en la computadora.
   1. Importe la imagen STL seleccionando la opción Importar en el centro de la pantalla (Archivo complementario de 1 figura S6).
2. Seleccione el biomodelo.
   1. Busque la opción Seleccionar en el menú del lado izquierdo. Utilice cualquiera de los siguientes métodos principales para seleccionar.
   2. Utilice la herramienta Seleccionar , seleccione el grosor del pincel y haga doble clic en el fémur (Archivo complementario de 1 figura S7). Si no es posible separar solo el fémur, significa que tiene contacto directo con otras estructuras óseas o partes blandas; en ese caso, seleccione Editar | Generar grupos de caras desde el menú (Archivo Suplementario 1-Figura S7). Utilice la opción Umbral de ángulo y mueva la barra hasta que las diferentes estructuras tengan un color diferente, lo que indica que las piezas se han reconocido como separadas (Archivo suplementario de 1 figura S8).
      1. Con la herramienta Seleccionar , mantenga pulsado el botón izquierdo del ratón mientras pinta la parte del biomodelo de interés.
      2. Con la herramienta Seleccionar , haga clic en un punto fuera del modelo y mantenga pulsado el botón izquierdo del ratón mientras pinta un círculo que incluya la parte que le interese.
   3. Utilice la herramienta Seleccionar para seleccionar la parte de interés. Busque la opción Seleccionar | Modificar | Invertir en el menú lateral y pulse Suprimir (Archivo complementario de 1 figura S9) para eliminar las partes no seleccionadas. En esta coyuntura, se obtiene el biomodelo del fémur limpio (Archivo Suplementario 1-Figura S9).
   4. Hacer que el modelo sea sólido (Archivo suplementario de 1 figura S10).
   5. Vaya a Editar | Hacer sólido | Tipo sólido| Exacto.
   6. Maximice los valores de precisión de sólidos y densidad de malla .
3. Guarde el biomodelo. Seleccione la opción Exportar en el menú lateral. Seleccione el formato STL y la carpeta a la que se exporta el biomodelo.

4. Cálculo de la anteversión femoral proximal

1. Descargue el software 3D Builder (consulte la Tabla de materiales). Instale el programa en la computadora.
   NOTA: El programa sólo se puede descargar si el sistema operativo de la computadora es Windows.
2. Haga clic en el icono Insertar en la parte superior de la pantalla (Archivo complementario de 1 cifra S11). Haga clic en Agregar para importar el biomodelo a la escena (Archivo suplementario 1-Figura S12).
   NOTA: El botón izquierdo del ratón permite girar el objeto para verlo en una vista de 360°. Con el botón derecho, es posible desplazarse a lo largo del objeto. La rueda central del ratón permite acercar.
3. Haga clic en Objeto | Acomodarse para fijar el objeto al plano de trabajo para que descanse sobre los cóndilos femorales y el trocánter mayor.
   NOTA: Es aconsejable colocar el objeto verticalmente paralelo al eje y y perpendicular al eje x marcado en el plano de trabajo (Archivo complementario de 1 figura S13).
4. Realizar la osteotomía femoral.
   1. Haga clic en Editar | Dividir desde el menú superior . Cuando aparezca un plano de corte rectangular, seleccione Conservar ambos (Archivo complementario de 1 cifra S14).
      1. Utilice el botón Modo de movimiento de la barra situada en el margen inferior de la pantalla para mover el plano de corte horizontal y verticalmente.
   2. Utilice el botón Modo de rotación de la barra situada en el margen inferior de la pantalla para girar el plano alrededor del fémur (Giro: 90°, Paso: 0°, Guiñada: 0°) (Archivo complementario de 1 figura S14).
   3. Coloque el plano de corte paralelo al eje x y perpendicular al eje y. Haga clic en Dividir. En este caso, realizar la osteotomía por encima del trocánter menor (intertrocantérico) (Archivo Suplementario 1-Figura S15).
5. Calcular la anteversión femoral.
   1. Insertar las guías, que ayudan a establecer los puntos de referencia para medir la anteversión femoral en la imagen en el entorno 3D del programa según el método de Murphy (Archivo Suplementario 1-Figura S16A,B). Para insertar las guías, haga clic en Insertar | Agregue y elija el archivo complementario 3mf 2.
      NOTA: Estas guías fueron diseñadas internamente, y el archivo 3mf Archivo suplementario 2 es accesible como material complementario proporcionado en este artículo. El método 3D de Murphy se implementó estableciendo tres puntos de medición de la misma manera que en el método convencional¹¹ pero en un entorno 3D. La circunferencia habitual a nivel de la cabeza femoral fue reemplazada por una esfera, y la medida se estableció por una circunferencia a nivel del trocánter menor. Como referencia distal, se tomó la línea intercondilar posterior, tal como se define en el método original de Murphy.
   2. Seleccione solo la parte proximal del fémur en el lado derecho de la pantalla y haga clic en CTRL + X para cortar la selección. Así es como aparece la diáfisis femoral (Archivo Suplementario 1-Figura S17).
   3. Seleccione la guía circular roja y la guía circular púrpura (hacer esto significa que estarán juntas) en el lado derecho de la pantalla. Utilice los comandos del panel del margen inferior para mover las guías.
      NOTA: La guía roja representa el eje de rotación de la osteotomía, mientras que la guía violeta representa el eje de rotación del fémur.
   4. Coloque las guías en el centro de la diáfisis femoral y use los comandos del panel de margen inferior para ajustar el tamaño. Asegúrese de que todos los bordes toquen la corteza del hueso (Archivo complementario 1-Figura S18).
      NOTA: Cuando las dos guías, la circunferencia roja y la circunferencia púrpura, se utilizan por primera vez, se seleccionan juntas para que se muevan como un bloque, como si fueran una sola guía, para medir el FAV, y se colocan en la diáfisis femoral justo encima del trocánter menor en la línea de osteotomía.
   5. Haga clic en CTRL + V para pegar el fémur proximal nuevamente (Archivo Suplementario 1-Figura S19).
   6. Seleccione solo la esfera en el lado derecho de la pantalla. Utilice los comandos del panel del margen inferior para mover la esfera y colocarla encima de la cabeza femoral. Ajuste el tamaño, incluidos todos los bordes que tocan la corteza ósea (Archivo complementario de 1 figura S20).
   7. Seleccione el fémur proximal en el lado derecho y córtelo (CTRL + X).
   8. Seleccione sólo el plano rojo situado en el lado derecho de la pantalla (Archivo complementario de 1 cifra S21).
   9. Utilice los comandos del panel de margen inferior para mover el plano rojo y colóquelo de modo que pase por el centro de la esfera y por el centro de las guías circulares.
      NOTA: Los grados marcados por el panel en el margen inferior corresponden a la anteversión femoral patológica calculada en la TC utilizando el método de Murphy.
   10. Pulse CTRL + V para pegar de nuevo el fémur proximal (Archivo suplementario 1-Figura S22 A,B) .
6. Realizar la osteotomía rotacional del fémur proximal.
   1. Seleccione el fémur proximal + la circunferencia roja (solo la roja) + la esfera del lado derecho.
   2. Realizar una osteotomía femoral proximal desrotacional interna de 20° (utilizar los comandos del panel del margen inferior; añadir 20 en el tono) (Archivo complementario 1-Figura S23).
   3. Medir la nueva anteversión femoral (Archivo Suplementario 1-Figura S24).
      NOTA: Las dos guías se utilizan de nuevo para realizar la osteotomía. En este caso, solo se selecciona la guía roja junto con el fémur proximal (de modo que cuando el fémur proximal gira, la guía roja también gira; paso 4.6.1), mientras que la guía violeta no está seleccionada (Archivo suplementario 1-Figura S25). De esta manera, la guía violeta permanece en la diáfisis femoral y no participa en la rotación del fémur proximal.
      1. Seleccione el fémur proximal + la circunferencia roja y presione CTRL + X para cortar estos dos elementos.
      2. Seleccione solo el plano rojo y colóquelo de modo que pase por el centro de la esfera y por el centro de la guía circular púrpura.
         NOTA: No se logra una relación 1:1 entre la magnitud de la osteotomía y la corrección de la deformidad porque la desrotación del fémur proximal no sigue el eje anatómico del fémur.
7. Realizar el ajuste de la osteotomía rotacional.
   1. Seleccione la diáfisis femoral + el plano rojo. Presione CTRL + X para cortar (Figura 27). (Expediente complementario 1-Figura S25).
   2. Seleccione el fémur proximal + la esfera + la circunferencia roja.
   3. Mueva los tres elementos en bloque para que el centro de la circunferencia roja coincida con el centro de la circunferencia púrpura (Archivo suplementario 1-Figura S26).
   4. Recalcular la nueva anteversión femoral con el ajuste realizado (Expediente Suplementario 1-Figura S27).
      NOTA: A través de este método 3D, se muestra que el eje de rotación del fémur y el eje de rotación de la osteotomía no coinciden. Por esta razón, es necesario hacer un ajuste que implique realinear las dos guías para que coincidan el eje femoral original y el eje de osteotomía.

Resultados

La anteversión femoral se puede medir por diferentes métodos. Algunos de ellos se centran en el cuello femoral, utilizando la línea que pasa por el centro del cuello y otra que pasa por los cóndilos femorales como referencias. Otros añaden un tercer punto de referencia en el trocánter menor²³. El método de Murphy, que es el más fiable en la práctica clínica porque tiene la mejor relación clínico-radiológica, es uno de estos métodos utilizando un tercer punto de referencia

Discusión

El hallazgo más importante de este estudio es que la tecnología 3D permite la planificación de la osteotomía femoral derotacional externa proximal. Esta tecnología puede simular la cirugía que se va a realizar en un paciente específico en la computadora. Es una técnica simple, reproducible y libre que utiliza software adaptable a la mayoría de las computadoras. El único problema técnico puede ser que el software de construcción 3D solo funciona con el sistema operativo Windows. La principal limitación es la ...

Materiales

Name	Company	Catalog Number	Comments
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