Planification virtuelle préopératoire tridimensionnelle dans l’ostéotomie fémorale proximale dérotationnelle

Résumé

Ce travail présente un protocole de planification chirurgicale détaillé utilisant la technologie 3D avec un logiciel open source gratuit. Ce protocole peut être utilisé pour quantifier correctement l’antéversion fémorale fémorale et simuler l’ostéotomie fémorale proximale dérotationnelle pour le traitement de la douleur antérieure au genou.

Résumé

La douleur antérieure au genou (AKP) est une pathologie courante chez les adolescents et les adultes. L’augmentation de l’antéversion fémorale (FAV) a de nombreuses manifestations cliniques, y compris AKP. Il y a de plus en plus de preuves que l’augmentation de la FAV joue un rôle majeur dans la genèse de l’AKP. De plus, ces mêmes preuves suggèrent que l’ostéotomie fémorale dérotationnelle est bénéfique pour ces patients, car de bons résultats cliniques ont été rapportés. Cependant, ce type de chirurgie n’est pas largement utilisé par les chirurgiens orthopédiques.

La première étape pour attirer les chirurgiens orthopédistes dans le domaine de l’ostéotomie rotationnelle est de leur donner une méthodologie qui simplifie la planification chirurgicale préopératoire et permet la prévisualisation des résultats des interventions chirurgicales sur ordinateur. À cette fin, notre groupe de travail utilise la technologie 3D. L’ensemble de données d’imagerie utilisé pour la planification chirurgicale est basé sur un scanner du patient. Cette méthode 3D est en libre accès (OA), ce qui signifie qu’elle est accessible à tout chirurgien orthopédique sans coût économique. En outre, il permet non seulement de quantifier la torsion fémorale, mais aussi d’effectuer une planification chirurgicale virtuelle. Fait intéressant, cette technologie 3D montre que l’ampleur de l’ostéotomie fémorale rotationnelle intertrochantérienne ne présente pas de relation 1:1 avec la correction de la déformation. De plus, cette technologie permet d’ajuster l’ostéotomie de sorte que la relation entre l’ampleur de l’ostéotomie et la correction de la déformation soit de 1:1. Cet article décrit ce protocole 3D.

Introduction

La douleur antérieure au genou (AKP) est un problème clinique courant chez les adolescents et les jeunes adultes. Il existe de plus en plus de preuves que l’augmentation de l’antéversion fémorale (FAV) joue un rôle important dans la genèse de AKP 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11 . De plus, ces mêmes preuves suggèrent qu’une ostéotomie fémorale dérotationnelle est bénéfique pour ces patients, car de bons résultats cliniques ont été rapportés 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11 . Cependant, ce type de chirurgie n’est pas largement utilisé dans la pratique clinique quotidienne chez les chirurgiens orthopédistes, en particulier dans le cas des adolescents et des jeunes patients actifs souffrant de douleurs antérieures^{au genou 27}, car les nombreux aspects controversés génèrent de l’incertitude. Par exemple, il a été observé que parfois la correction obtenue après l’ostéotomie n’est pas celle qui était prévue auparavant. C’est-à-dire qu’il n’y a pas toujours un rapport de 1:1 entre la quantité de rotation prévue lors de la réalisation de l’ostéotomie et la quantité de FAV corrigée. Ce résultat n’a pas été étudié à ce jour. C’est pourquoi elle fait l’objet du présent document. Pour expliquer l’écart entre l’ampleur de la rotation effectuée avec l’ostéotomie et l’ampleur de la correction de la FAV, on a émis l’hypothèse que l’axe de rotation de l’ostéotomie et l’axe de rotation du fémur peuvent ne pas coïncider.

L’un des principaux problèmes à traiter est de localiser avec précision l’axe fémoral de rotation et l’axe de rotation de l’ostéotomie. Le premier axe fémoral est l’axe fémoral mesuré sur la tomodensitométrie au moment du diagnostic du patient, tandis que le deuxième axe fémoral est l’axe fémoral mesuré après avoir effectué l’ostéotomie. Au cours de la dernière décennie, la technologie 3D est devenue de plus en plus importante dans la planification préopératoire, en particulier en chirurgie orthopédique et en traumatologie, pour simplifier et optimiser les techniques chirurgicales^15,16. Le développement de la technologie 3D a soutenu la création de biomodèles anatomiques basés sur des tests d’imagerie 3D tels que CT, dans lesquels des implants prothétiques personnalisés peuvent être adaptés^17,18,19 et des plaques d’ostéosynthèse peuvent être moulées en cas de fractures^20,21,22. De plus, la planification 3D a déjà été utilisée dans des études antérieures pour analyser l’origine de la déformation dans les altérations unilatérales de torsion du fémur¹⁴. Actuellement, il existe plusieurs logiciels entièrement gratuits et adaptables à la plupart des ordinateurs et imprimantes 3D sur le marché, ce qui rend cette technologie facilement accessible à la plupart des chirurgiens dans le monde. Cette planification 3D permet de calculer avec précision l’axe initial de rotation du fémur et l’axe de rotation du fémur après la réalisation de l’ostéotomie intertrochantérienne. L’objectif principal de cette étude est de démontrer que l’axe de rotation de l’ostéotomie intertrochantérienne fémorale et l’axe de rotation du fémur ne coïncident pas. Cette technologie 3D permet de visualiser cet écart entre les axes et de le corriger par un ajustement de l’ostéotomie. Le but ultime est de stimuler un plus grand intérêt des chirurgiens orthopédistes pour ce type de chirurgie.

Ce protocole avec une méthodologie 3D est réalisé en quatre étapes fondamentales. Tout d’abord, les images CT sont téléchargées et le biomodèle 3D est créé à partir des fichiers DICOM (Digital Imaging and Communication in Medicine) de la tomodensitométrie. Les tomodensitogrammes de meilleure qualité permettent d’obtenir de meilleurs biomodèles, mais signifient que le patient reçoit plus de rayonnements ionisants. Pour la planification chirurgicale avec des biomodèles, la qualité de la tomodensitométrie conventionnelle est suffisante. L’image DICOM d’un scanner se compose d’un dossier contenant de nombreux fichiers différents, avec un fichier pour chaque coupe CT réalisée. Chacun de ces fichiers contient non seulement les informations graphiques de la coupe CT, mais aussi les métadonnées (données associées à l’image). Pour ouvrir l’image, il est indispensable d’avoir un dossier avec tous les fichiers de la série (le CT). Le biomodèle est extrait de la totalité des fichiers.

Deuxièmement, pour obtenir le biomodèle 3D, il est nécessaire de télécharger le programme informatique 3D Slicer, un programme open-source avec de nombreux utilitaires. De plus, il s’agit du logiciel informatique le plus utilisé dans les laboratoires 3D internationaux et il a l’avantage d’être entièrement gratuit et téléchargeable depuis sa page principale. Comme ce logiciel est une visionneuse d’images radiographiques, l’image DICOM doit être importée dans le programme.

Troisièmement, le premier biomodèle obtenu avec 3D Slicer ne correspondra pas au modèle définitif, car il y aura des régions telles que la table CT ou des os et des parties molles à proximité qui n’ont aucun intérêt. Le biomodèle est « nettoyé » presque automatiquement avec le logiciel de conception 3D, MeshMixer, qui peut également être téléchargé directement depuis son site officiel gratuitement. Enfin, l’antéversion fémorale est calculée, et l’ostéotomie est simulée à l’aide d’un autre logiciel gratuit du Windows Store, 3D Builder.

Protocole

L’étude a été approuvée par le comité d’éthique de notre établissement (référence 2020-277-1). Les patients ont signé le consentement éclairé de la tomodensitométrie.

1. Téléchargement des images CT

1. Accédez à un système d’archivage et de communication d’images (PACS).
   REMARQUE: Chaque progiciel a une façon différente d’accéder à un PACS, mais tous ont un moyen de télécharger une étude au format DICOM. S’il y a une question sur la façon dont cela est fait, demandez à l’administrateur système du centre ou aux radiologues du centre.
2. Téléchargez la tomodensitométrie complète au format DICOM tout en préservant l’anonymat du patient.

2. Obtention du biomodèle 3D (Fichier supplémentaire 1-Figure S1)

1. Téléchargez le logiciel 3D Slicer (voir le tableau des matériaux). Installez le programme sur l’ordinateur.
2. Importez les images CT au format DICOM.
   1. Cliquez sur l’icône DCM dans le coin supérieur gauche de l’écran.
   2. Cliquez sur Importer des fichiers DICOM sur le côté gauche de l’écran et attendez qu’une fenêtre s’ouvre qui permet de choisir le dossier dans lequel l’étude CT est enregistrée au format DICOM .
   3. Cliquez sur « DummyPatName! » en haut à droite de l’écran. Si le dossier contient plus d’une étude CT, cliquez sur la série « DummySeriesDesc! » avec le plus d’images en bas de l’écran.
   4. Cliquez sur Charger dans la marge inférieure droite.
3. Créez le biomodèle 3D.
   1. Cliquez sur la barre de menus en haut de l’écran et attendez que le DICOM apparaisse.
   2. Dans le menu déroulant, choisissez le bouton Legacy | Option de l’éditeur . Appuyez sur OK sur le message qui s’affiche (Fichier supplémentaire 1-Figure S2).
   3. Attendez qu’un nouveau menu apparaisse sur le côté gauche de l’écran. Cliquez sur l’icône Effet de seuil .
   4. Déplacez la barre dans la case inférieure jusqu’à ce que seul l’os soit peint dans les images de droite. De cette façon, sélectionnez la valeur des unités Hounsfield à inclure dans le modèle.
   5. Une fois le niveau de peinture souhaité atteint, cliquez sur Appliquer. La sélection est marquée avec la couleur verte (Fichier supplémentaire 1-Figure S3).
   6. Sélectionnez l’option Créer un effet de modèle dans le menu latéral (identique à la précédente). Sélectionnez Appliquer (fichier supplémentaire 1-Figure S4).
   7. Dans la fenêtre supérieure droite, le modèle 3D est généré. Cliquez sur le cadre doré, centrez la vue 3D sur la scène, pour centrer l’image au centre de la fenêtre (Fichier supplémentaire 1-Figure S4).
4. Enregistrez le biomodèle (fichier supplémentaire 1-Figure S5).
   1. Cliquez sur Enregistrer dans la marge supérieure gauche.
   2. Dans la case qui apparaît, sélectionnez uniquement le fichier « tissu » (Fichier supplémentaire 1-Figure S5).
   3. Dans la deuxième colonne, dans le menu déroulant, sélectionnez STL.
   4. Dans la troisième colonne, dans le menu déroulant, choisissez où enregistrer le fichier STL. Cliquez sur Enregistrer. C’est le fichier qui sera utilisé dans les étapes suivantes.

3. Préparation du biomodèle

1. Téléchargez le logiciel MeshMixer (voir le tableau des matériaux). Installez le programme sur l’ordinateur.
   1. Importez l’image STL en sélectionnant l’option Importer au centre de l’écran (Fichier supplémentaire 1-Figure S6).
2. Sélectionnez le biomodèle.
   1. Recherchez l’option Sélectionner dans le menu sur le côté gauche. Utilisez l’une des méthodes principales suivantes pour sélectionner.
   2. Utilisez l’outil Sélection , sélectionnez l’épaisseur du pinceau et double-cliquez sur le fémur (Fichier supplémentaire 1-Figure S7). S’il n’est pas possible de séparer uniquement le fémur, cela signifie qu’il est en contact direct avec d’autres structures osseuses ou parties molles; dans ce cas, sélectionnez Modifier | Générez des groupes de visages à partir du menu (Fichier supplémentaire 1-Figure S7). Utilisez l’option Angle Threshold (Seuil d’angle ) et déplacez la barre jusqu’à ce que les différentes structures aient une couleur différente, indiquant que les pièces ont été reconnues comme distinctes (Fichier supplémentaire 1-Figure S8).
      1. Avec l’outil Sélectionner , maintenez le bouton gauche de la souris enfoncé tout en peignant la partie du biomodèle qui vous intéresse.
      2. Avec l’outil Sélectionner , cliquez sur un point en dehors du modèle et maintenez le bouton gauche de la souris enfoncé tout en peignant un cercle qui inclut la partie qui vous intéresse.
   3. Utilisez l’outil Sélectionner pour sélectionner la pièce qui vous intéresse. Recherchez l’option Sélectionner | Modifier | Inverser dans le menu latéral et appuyer sur Suppr (Fichier supplémentaire 1-Figure S9) pour supprimer les parties non sélectionnées. À ce stade, le biomodèle du fémur propre est obtenu (dossier supplémentaire 1-figure S9).
   4. Rendre le modèle solide (Fichier supplémentaire 1-Figure S10).
   5. Accédez à Modifier | Rendre solide | Type solide| Précis.
   6. Maximisez la précision solide et les valeurs de densité de maillage .
3. Enregistrez le biomodèle. Sélectionnez l’option Exporter dans le menu latéral. Sélectionnez le format STL et le dossier vers lequel le biomodèle est exporté.

4. Calcul de l’antéversion fémorale proximale

1. Téléchargez le logiciel 3D Builder (voir le tableau des matériaux). Installez le programme sur l’ordinateur.
   Remarque : Le programme ne peut être téléchargé que si le système d’exploitation de l’ordinateur est Windows.
2. Cliquez sur l’icône Insérer en haut de l’écran (Fichier supplémentaire 1-Figure S11). Cliquez sur Ajouter pour importer le biomodèle sur la scène (Fichier supplémentaire 1-Figure S12).
   REMARQUE: Le bouton gauche de la souris permet de faire pivoter l’objet pour le voir dans une vue à 360°. Avec le bouton droit, il est possible de faire défiler l’objet. La molette centrale de la souris permet de zoomer.
3. Cliquez sur Objet | Fixez-vous pour fixer l’objet au plan de travail afin qu’il repose sur les condyles fémoraux et le maire trochanter.
   NOTE: Il est conseillé de placer l’objet verticalement parallèle à l’axe y et perpendiculaire à l’axe des x marqué sur le plan de travail (dossier supplémentaire 1-figure S13).
4. Effectuer l’ostéotomie fémorale.
   1. Cliquez sur Modifier | Séparer du menu supérieur . Lorsqu’un plan de coupe rectangulaire apparaît, sélectionnez Conserver les deux (Fichier supplémentaire 1-Figure S14).
      1. Utilisez le bouton Mode de déplacement de la barre dans la marge inférieure de l’écran pour déplacer le plan de coupe horizontalement et verticalement.
   2. Utilisez le bouton Mode de rotation sur la barre dans la marge inférieure de l’écran pour faire pivoter le plan autour du fémur (Roulis: 90°, Tangage: 0°, Lacet: 0°) (Fichier supplémentaire 1-Figure S14).
   3. Placez le plan de coupe parallèle à l’axe des x et perpendiculaire à l’axe des y. Cliquez sur Diviser. Dans ce cas, effectuer l’ostéotomie au-dessus du trochanter mineur (intertrochantérique) (Dossier supplémentaire 1-Figure S15).
5. Calculer l’antéversion fémorale.
   1. Insérez les guides, qui aident à établir les points de référence pour mesurer l’antéversion fémorale dans l’image dans l’environnement 3D du programme selon la méthode de Murphy (Fichier supplémentaire 1-Figure S16A,B). Pour insérer les guides, cliquez sur Insérer | Ajoutez et choisissez le fichier supplémentaire 3mf 2.
      REMARQUE: Ces guides ont été conçus en interne et le fichier 3mf Supplementary File 2 est accessible en tant que matériel supplémentaire fourni dans cet article. La méthode Murphy 3D a été mise en œuvre en établissant trois points de mesure de la même manière que dans la méthode conventionnelle¹¹ mais dans un environnement 3D. La circonférence habituelle au niveau de la tête fémorale a été remplacée par une sphère, et la mesure a été établie par une circonférence au niveau du trochanter mineur. Comme référence distale, la ligne intercondylienne postérieure a été prise, telle que définie dans la méthode originale de Murphy.
   2. Sélectionnez uniquement la partie proximale du fémur sur le côté droit de l’écran et cliquez sur CTRL + X pour couper la sélection. C’est ainsi qu’apparaît la diaphyse fémorale (Fichier complémentaire 1-Figure S17).
   3. Sélectionnez le guide circulaire rouge et le guide circulaire violet (cela signifie qu’ils seront ensemble) sur le côté droit de l’écran. Utilisez les commandes du panneau de marge inférieure pour déplacer les repères.
      NOTE: Le guide rouge représente l’axe de rotation de l’ostéotomie, tandis que le guide violet représente l’axe de rotation du fémur.
   4. Placez les guides au centre de la diaphyse fémorale et utilisez les commandes du panneau de marge inférieure pour ajuster la taille. Assurez-vous que tous les bords touchent le cortex de l’os (dossier supplémentaire 1-Figure S18).
      REMARQUE: Lorsque les deux guides, la circonférence rouge et la circonférence violette, sont utilisés pour la première fois, ils sont sélectionnés ensemble de sorte qu’ils se déplacent comme un bloc, comme s’ils étaient un seul guide, pour mesurer le FAV, et ils sont placés dans la diaphyse fémorale juste au-dessus du petit trochanter à la ligne d’ostéotomie.
   5. Cliquez sur CTRL + V pour coller à nouveau le fémur proximal (Fichier supplémentaire 1-Figure S19).
   6. Sélectionnez uniquement la sphère sur le côté droit de l’écran. Utilisez les commandes du panneau de marge inférieur pour déplacer la sphère et la placer au-dessus de la tête fémorale. Ajustez la taille, y compris tous les bords touchant le cortex osseux (fichier supplémentaire 1-Figure S20).
   7. Sélectionnez le fémur proximal sur le côté droit et coupez-le (CTRL + X).
   8. Sélectionnez uniquement le plan rouge sur le côté droit de l’écran (Fichier supplémentaire 1-Figure S21).
   9. Utilisez les commandes du panneau de marge inférieure pour déplacer le plan rouge et placez-le de manière à ce qu’il passe par le centre de la sphère et par le centre des repères circulaires.
      NOTE: Les grades marqués par le panel dans la marge inférieure correspondent à l’antéversion fémorale pathologique calculée sur le CT en utilisant la méthode de Murphy.
   10. Appuyez sur CTRL + V pour coller à nouveau le fémur proximal (Fichier supplémentaire 1-Figure S22 A,B).
6. Effectuer l’ostéotomie rotationnelle du fémur proximal.
   1. Sélectionnez le fémur proximal + la circonférence rouge (seulement le rouge) + la sphère sur le côté droit.
   2. Faire une ostéotomie fémorale proximale proximale interne de 20° (utiliser les commandes sur le panneau de la marge inférieure; ajouter 20 sur Pitch) (Fichier supplémentaire 1-Figure S23).
   3. Mesurer la nouvelle antéversion fémorale (Fichier supplémentaire 1-Figure S24).
      NOTE: Les deux guides sont utilisés à nouveau pour effectuer l’ostéotomie. Dans ce cas, seul le guide rouge est sélectionné avec le fémur proximal (de sorte que lorsque le fémur proximal tourne, le guide rouge tourne également; étape 4.6.1), tandis que le guide violet n’est pas sélectionné (Fichier supplémentaire 1-Figure S25). De cette façon, le guide violet reste dans la diaphyse fémorale et ne participe pas à la rotation du fémur proximal.
      1. Sélectionnez le fémur proximal + la circonférence rouge et appuyez sur CTRL + X pour couper ces deux éléments.
      2. Sélectionnez uniquement le plan rouge et placez-le de manière à ce qu’il passe par le centre de la sphère et par le centre du guide circulaire violet.
         NOTE: Une relation 1: 1 entre l’ampleur de l’ostéotomie et la correction de la déformation n’est pas obtenue car la dérotation du fémur proximal ne suit pas l’axe anatomique du fémur.
7. Effectuer l’ajustement de l’ostéotomie rotationnelle.
   1. Sélectionnez la diaphyse fémorale + le plan rouge. Appuyez sur CTRL + X pour couper (Figure 27). (Dossier complémentaire 1-Figure S25).
   2. Sélectionnez le fémur proximal + la sphère + la circonférence rouge.
   3. Déplacez les trois éléments en bloc de sorte que le centre de la circonférence rouge corresponde au centre de la circonférence pourpre (dossier supplémentaire 1-figure S26).
   4. Recalculer la nouvelle antéversion fémorale avec l’ajustement effectué (Fichier supplémentaire 1-Figure S27).
      NOTE: Grâce à cette méthode 3D, il est démontré que l’axe de rotation du fémur et l’axe de rotation de l’ostéotomie ne coïncident pas. Pour cette raison, il est nécessaire de faire un ajustement qui implique de réaligner les deux guides afin que l’axe fémoral d’origine et l’axe ostéotomie coïncident.

Résultats

L’antéversion fémorale peut être mesurée par différentes méthodes. Certains d’entre eux se concentrent sur le col du fémur, en utilisant la ligne passant par le centre du cou et une passant par les condyles fémoraux comme références. D’autres ajoutent un troisième point de référence au petit trochanter²³. La méthode de Murphy, qui est la plus fiable en pratique clinique parce qu’elle a la meilleure relation clinique-radiologique, est l’une de ces méthodes utilisant un troi...

Discussion

La conclusion la plus importante de cette étude est que la technologie 3D permet la planification de l’ostéotomie fémorale dérotationnelle externe proximale. Cette technologie peut simuler la chirurgie qui doit être effectuée sur un patient spécifique sur l’ordinateur. C’est une technique simple, reproductible et libre qui utilise des logiciels adaptables à la plupart des ordinateurs. Le seul problème technique peut être que le logiciel 3D Builder ne fonctionne qu’avec le système d’exploitation Windo...

matériels

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