תכנון וירטואלי תלת מימדי טרום ניתוחי באוסטאוטומיה פרוקסימלית של הירך

Summary

עבודה זו מציגה פרוטוקול תכנון כירורגי מפורט באמצעות טכנולוגיית תלת מימד עם תוכנת קוד פתוח חופשית. פרוטוקול זה יכול לשמש לכימות נכון של היפוך הירך ולסימולציה של אוסטאוטומיה פרוקסימלית פרוקסימלית של הירך לטיפול בכאבי ברכיים קדמיים.

Abstract

כאבי ברכיים קדמיים (AKP) הם פתולוגיה נפוצה בקרב מתבגרים ומבוגרים. להיפוך עצם הירך המוגבר (FAV) יש ביטויים קליניים רבים, כולל AKP. ישנן ראיות הולכות וגדלות לכך ש-FAV מוגבר ממלא תפקיד מרכזי בראשיתה של AKP. יתר על כן, אותן ראיות מצביעות על כך שאוסטאוטומיה סיבובית של עצם הירך מועילה לחולים אלה, שכן דווחו תוצאות קליניות טובות. עם זאת, סוג זה של ניתוח אינו בשימוש נרחב בקרב מנתחים אורתופדיים.

הצעד הראשון במשיכת מנתחים אורתופדיים לתחום האוסטאוטומיה הסיבובית הוא לתת להם מתודולוגיה המפשטת את התכנון הכירורגי לפני הניתוח ומאפשרת הדמיה מוקדמת של תוצאות התערבויות כירורגיות במחשבים. לשם כך, קבוצת העבודה שלנו משתמשת בטכנולוגיית תלת-ממד. מערך נתוני ההדמיה המשמש לתכנון הניתוח מבוסס על סריקת CT של המטופל. שיטה תלת ממדית זו היא גישה פתוחה (OA), כלומר היא נגישה לכל מנתח אורתופדי ללא עלות כלכלית. יתר על כן, הוא מאפשר לא רק לכמת פיתול עצם הירך אלא גם לבצע תכנון כירורגי וירטואלי. מעניין, טכנולוגיה תלת ממדית זו מראה כי גודל האוסטאוטומיה הפמורלית הסיבובית הבין-טרוכנטרית אינו מציג קשר של 1:1 עם תיקון העיוות. בנוסף, טכנולוגיה זו מאפשרת התאמה של האוסטאוטומיה כך שהיחס בין גודל האוסטאוטומיה לבין תיקון העיוות הוא 1:1. מאמר זה מתאר פרוטוקול תלת-ממדי זה.

Introduction

כאבי ברכיים קדמיים (AKP) הם בעיה קלינית נפוצה בקרב מתבגרים ומבוגרים צעירים. ישנו גוף הולך וגדל של ראיות לכך שהיפוך עצם הירך המוגבר (FAV) ממלא תפקיד חשוב בראשית AKP 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11 . בנוסף, אותן ראיות מצביעות על כך שאוסטאוטומיה סיבובית של עצם הירך מועילה לחולים אלה, שכן תוצאות קליניות טובות דווחו 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11 . עם זאת, סוג זה של ניתוח אינו בשימוש נרחב בפועל הקליני היומי בקרב מנתחים אורתופדיים, במיוחד במקרים של מתבגרים וחולים פעילים צעירים עם כאבי ברכיים קדמיים²⁷, כי היבטים שנויים במחלוקת רבים ליצור אי ודאות. לדוגמה, נצפתה כי לפעמים התיקון המתקבל לאחר אוסטאוטומיה הוא לא מה שתוכנן בעבר. כלומר, לא תמיד יש יחס של 1:1 בין כמות הסיבוב המתוכננת בעת ביצוע האוסטאוטומיה לבין כמות FAV מתוקנת. ממצא זה לא נחקר עד היום. לכן, זה הנושא של המאמר הנוכחי. כדי להסביר את הפער בין גודל הסיבוב המבוצע עם האוסטאוטומיה לבין גודל התיקון של FAV, הועלתה השערה כי ציר הסיבוב של האוסטאוטומיה וציר הסיבוב של עצם הירך עשויים שלא לחפוף.

אחת הבעיות העיקריות שיש לטפל בהן היא איתור מדויק של ציר הירך של הסיבוב וציר הסיבוב של האוסטאוטומיה. ציר הירך הראשון הוא ציר הירך הנמדד בבדיקת ה-CT בזמן האבחנה של המטופל, ואילו ציר הירך השני הוא ציר הירך הנמדד לאחר ביצוע האוסטאוטומיה. במהלך העשור האחרון, טכנולוגיית תלת מימד הפכה חשובה יותר ויותר בתכנון טרום ניתוחי, במיוחד בכירורגיה אורתופדית וטראומטולוגיה, לפישוט ואופטימיזציה של טכניקות כירורגיות^15,16. פיתוח טכנולוגיית התלת-ממד תמך ביצירת מודלים אנטומיים המבוססים על בדיקות הדמיה תלת-ממדיות כגון CT, בהן ניתן להתאים שתלים תותבים מותאמים אישית^17,18,19 ולעצב לוחות אוסטאוסינתזה במקרה של שברים^20,21,22. בנוסף, תכנון תלת ממדי כבר שימש במחקרים קודמים כדי לנתח את מקור העיוות בשינויים פיתול חד צדדיים של עצם הירך¹⁴. נכון לעכשיו, ישנן מספר תוכנות שהן חינמיות לחלוטין וניתנות להתאמה לרוב המחשבים ומדפסות התלת מימד בשוק, מה שהופך את הטכנולוגיה הזו לנגישה בקלות לרוב המנתחים בעולם. תכנון תלת ממדי זה מאפשר חישוב מדויק של ציר הסיבוב הראשוני של עצם הירך וציר הסיבוב של עצם הירך לאחר ביצוע האוסטאוטומיה האינטרטרוכנטרית. מטרתו העיקרית של מחקר זה היא להראות כי ציר הסיבוב של האוסטאוטומיה הבין-טרוכנטרית של הירך וציר הסיבוב של עצם הירך אינם חופפים. טכנולוגיה תלת ממדית זו מאפשרת לדמיין את הפער הזה בין הצירים ולתקן אותו באמצעות התאמה של האוסטאוטומיה. המטרה הסופית היא לעורר עניין רב יותר מצד מנתחים אורתופדיים בסוג זה של ניתוח.

פרוטוקול זה עם מתודולוגיית תלת מימד מתנהל בארבעה שלבים בסיסיים. ראשית, מורידים תמונות CT, והביומודל התלת-ממדי נוצר מקבצי DICOM (Digital Imaging and Communication in Medicine) של סריקת ה-CT. סריקות CT באיכות גבוהה יותר מאפשרות מודלים ביולוגיים טובים יותר, אך משמעותן היא שהמטופל מקבל קרינה מייננת יותר. עבור תכנון כירורגי עם biomodels, איכות CT קונבנציונאלי מספיק. תמונת DICOM של סריקת CT מורכבת מתיקייה עם קבצים רבים ושונים, עם קובץ אחד עבור כל חיתוך CT שבוצע. כל אחד מהקבצים הללו מכיל לא רק את המידע הגרפי של חתך ה-CT אלא גם את המטא-נתונים (נתונים המשויכים לתמונה). כדי לפתוח את התמונה, חיוני שתהיה תיקיה עם כל הקבצים של הסדרה (CT). המודל הביולוגי מופק מתוך מכלול הקבצים.

שנית, כדי להשיג את המודל הביולוגי התלת-ממדי, יש צורך להוריד את תוכנית המחשב 3D Slicer, תוכנית קוד פתוח עם כלי עזר רבים. יתר על כן, זוהי תוכנת המחשב הנפוצה ביותר במעבדות תלת מימד בינלאומיות ויש לה את היתרון של היותה לגמרי ללא עלות ולהורדה מהעמוד הראשי שלה. מכיוון שתוכנה זו היא מציג תמונות רנטגן, יש לייבא את תמונת DICOM לתוכנית.

שלישית, המודל הביולוגי הראשון שיתקבל עם 3D Slicer לא יתאים למודל הסופי, מכיוון שיהיו אזורים כמו שולחן CT או עצמות וחלקים רכים בקרבת מקום שאינם מעניינים. המודל הביולוגי "מנוקה" כמעט אוטומטית עם תוכנת העיצוב התלת-ממדית, MeshMixer, שניתן להוריד גם ישירות מהאתר הרשמי שלה בחינם. לבסוף, מחושבת היפוך הירך, והאוסטאוטומיה מדומה באמצעות תוכנה חופשית אחרת מחנות Windows, 3D Builder.

Protocol

המחקר אושר על ידי ועדת האתיקה של מוסדנו (סימוכין 2020-277-1). המטופלים חתמו על הסכמתם מדעת לבדיקת ה-CT.

1. הורדת תמונות ה-CT

1. קבל גישה למערכת אחסון תמונות בארכיון ותקשורת (PACS).
   הערה: לכל חבילת תוכנה יש דרך שונה לגשת ל-PACS, אך לכולם יש דרך להוריד מחקר בפורמט DICOM. אם יש שאלה לגבי איך זה נעשה, לשאול את מנהל המערכת של המרכז או את הרדיולוגים של המרכז.
2. הורד את סריקת ה- CT המלאה בפורמט DICOM תוך שמירה על אנונימיות המטופל.

2. קבלת המודל הביולוגי התלת-ממדי (קובץ משלים 1-איור S1)

1. הורד את התוכנה 3D Slicer (ראה את רשימת החומרים). התקן את התוכנית במחשב.
2. ייבא את תמונות ה- CT בתבנית DICOM.
   1. לחץ על סמל DCM בפינה השמאלית העליונה של המסך.
   2. לחץ על ייבוא קבצי DICOM בצד שמאל של המסך, והמתן לפתיחת חלון המאפשר לבחור את התיקיה שבה נשמר מחקר ה- CT בפורמט DICOM.
   3. לחץ על "DummyPatName!" בפינה השמאלית העליונה של המסך. אם בתיקייה יש יותר ממחקר CT אחד, לחץ על הסדרה "DummySeriesDesc!" עם הכי הרבה תמונות בתחתית המסך.
   4. לחץ על טען בשוליים הימניים התחתונים.
3. צור את הביומודל התלת-ממדי.
   1. לחץ על שורת התפריטים בראש המסך והמתן להופעת DICOM.
   2. בתפריט הנפתח, בחר את מורשת | אפשרות עורך . לחץ על אישור בהודעה שמופיעה (קובץ משלים 1-איור S2).
   3. המתן להופעת תפריט חדש בצד שמאל של המסך. לחץ על סמל אפקט הסף .
   4. הזיזו את הסרגל בתיבה התחתונה עד שרק העצם תיצבע בתמונות מימין. בדרך זו, בחר את הערך של יחידות Hounsfield להיכלל במודל.
   5. לאחר השגת רמת הצבע הרצויה, לחצו על החל. הבחירה מסומנת בצבע ירוק (קובץ משלים 1-איור S3).
   6. בחרו באפשרות 'צור אפקט דגם ' מתפריט הצד (זהה לתפריט הקודם). בחר החל (קובץ משלים 1-איור S4).
   7. בחלון הימני העליון, נוצר המודל התלת-ממדי. לחץ על מסגרת הזהב, מרכז את התצוגה התלת-ממדית בזירה, כדי למרכז את התמונה במרכז החלון (קובץ משלים 1-איור S4).
4. שמור את המודל הביולוגי (קובץ משלים 1-איור S5).
   1. לחץ על שמור בשוליים השמאליים העליונים.
   2. בתיבה שמופיעה, בחר רק את הקובץ "tissue" (קובץ משלים 1-איור S5).
   3. בעמודה השניה, בתפריט הנפתח, בחר STL.
   4. בעמודה השלישית, בתפריט הנפתח, בחר היכן לשמור את קובץ ה- STL. לחץ על שמור. זהו הקובץ שישמש בשלבים הבאים.

3. הכנת המודל הביולוגי

1. הורד את תוכנת MeshMixer (ראה טבלת חומרים). התקן את התוכנית במחשב.
   1. ייבאו את תמונת STL באמצעות בחירה באפשרות 'ייבוא ' במרכז המסך (קובץ משלים 1-איור S6).
2. בחר את הביומודל.
   1. חפש את האפשרות בחר בתפריט בצד שמאל. השתמש באחת מהשיטות העיקריות הבאות כדי לבחור.
   2. השתמשו בכלי בחירה , בחרו בעובי המברשת ולחצו פעמיים על עצם הירך (קובץ משלים 1-איור S7). אם לא ניתן להפריד רק את עצם הירך, זה אומר שיש לה מגע ישיר עם מבני עצם אחרים או חלקים רכים; במקרה כזה, בחר ערוך | צור קבוצות פנים מהתפריט (קובץ משלים 1-איור S7). השתמשו באפשרות 'סף זווית ' והזיזו את הסרגל עד שהמבנים השונים יקבלו צבע שונה, המציין שהחלקים זוהו כנפרדים (קובץ משלים 1-איור S8).
      1. בעזרת הכלי בחירה , החזק את לחצן העכבר השמאלי לחוץ תוך כדי צביעת החלק של המודל הביולוגי המעניין.
      2. בעזרת הכלי בחירה , לחצו על נקודה מחוץ לדגם, והחזיקו את לחצן העכבר השמאלי תוך כדי צביעת עיגול הכולל את החלק המעניין.
   3. השתמש בכלי בחירה לבחירת החלק המעניין אותך. חפש את האפשרות בחר | שינוי | הפוך בתפריט הצד והקש Delete (קובץ משלים 1-איור S9) כדי למחוק את החלקים שלא נבחרו. בשלב זה מתקבל המודל הביולוגי של עצם הירך הנקייה (קובץ משלים 1-איור S9).
   4. הפוך את המודל למוצק (קובץ משלים 1-איור S10).
   5. נווט אל עריכה | הפוך למוצק | סוג מוצק | מדויק.
   6. הגדל את ערכי הדיוק המוצק וצפיפות רשת השינוי.
3. שמור את המודל הביולוגי. בחרו באפשרות ' ייצוא' מהתפריט הצדדי. בחר בתבנית STL ובתיקייה שאליה מיוצא המודל הביולוגי.

4. חישוב הקדמת הירך הפרוקסימלית

1. הורד את תוכנת 3D Builder (עיין בטבלת החומרים). התקן את התוכנית במחשב.
   הערה: ניתן להוריד את התוכנית רק אם מערכת ההפעלה של המחשב היא Windows.
2. לחץ על סמל הוספה בחלק העליון של המסך (קובץ משלים 1-איור S11). לחץ על הוסף כדי לייבא את המודל הביולוגי לסצנה (קובץ משלים 1-איור S12).
   הערה: לחצן העכבר השמאלי מאפשר לסובב את האובייקט כדי לראות אותו בתצוגה של 360°. באמצעות הלחצן הימני, ניתן לגלול לאורך האובייקט. הגלגל המרכזי של העכבר מאפשר התקרבות.
3. לחץ על אובייקט | התיישבו כדי לקבע את החפץ למישור העבודה כך שיישען על קונדיל הירך וראש העיר טרוכנטר.
   הערה: מומלץ למקם את העצם אנכית במקביל לציר ה-y ובניצב לציר ה-x המסומן במישור העבודה (קובץ משלים 1-איור S13).
4. לבצע את אוסטאוטומיה הירך.
   1. לחץ על עריכה | פצל מהתפריט העליון . כשמופיע מישור חיתוך מלבני, בחרו ' שמור את שניהם' (קובץ משלים 1-איור S14).
      1. השתמש בלחצן מצב הזזה בסרגל בשוליים התחתונים של המסך כדי להזיז את מישור החיתוך אופקית ואנכית.
   2. השתמש בלחצן מצב סיבוב בסרגל בשוליים התחתונים של המסך כדי לסובב את המישור סביב עצם הירך (גליל: 90°, גובה: 0°, פיהוק: 0°) (קובץ משלים 1-איור S14).
   3. שים את מישור החיתוך במקביל לציר ה-x ובניצב לציר ה-y. לחץ על Split. במקרה זה, בצע את האוסטאוטומיה מעל הטרוכנטר מינור (אינטרטרוכנטרי) (קובץ משלים 1-איור S15).
5. חישוב הקדמת הירך.
   1. הכנס את המדריכים, המסייעים לקבוע את נקודות הייחוס למדידת היפוך הירך בתמונה בסביבה התלת-ממדית של התוכנית על פי שיטת מרפי (קובץ משלים 1-איור S16A,B). כדי להוסיף את המדריכים, לחץ על הוספה | הוסף ובחר את הקובץ המשלים 3mf 2.
      הערה: מדריכים אלה תוכננו בתוך החברה, וקובץ 3mf קובץ משלים 2 נגיש כחומר משלים המסופק במאמר זה. שיטת מרפי תלת מימד יושמה על ידי קביעת שלוש נקודות מדידה באותו אופן כמו בשיטה הקונבנציונלית¹¹ אך בסביבה תלת ממדית. ההיקף הרגיל ברמת ראש הירך הוחלף בכדור, והמדידה נקבעה על ידי היקף ברמת הטרוכנטר מינור. כהפניה דיסטלית, נלקח הקו הבין-קונדילרי האחורי, כפי שהוגדר בשיטת מרפי המקורית.
   2. בחר רק את החלק הפרוקסימלי של עצם הירך בצד ימין של המסך ולחץ על CTRL + X כדי לחתוך את הבחירה. כך נראית דיאפיזה של עצם הירך (קובץ משלים 1-איור S17).
   3. בחר את קו העזר המעגלי האדום ואת קו העזר המעגלי הסגול (פעולה זו פירושה שהם יהיו יחד) בצד ימין של המסך. השתמש בפקודות בחלונית השוליים התחתונה להזזת קווי העזר.
      הערה: המדריך האדום מייצג את ציר הסיבוב של האוסטאוטומיה, ואילו המדריך הסגול מייצג את ציר הסיבוב של עצם הירך.
   4. מקם את קווי העזר במרכז דיאפיזה של עצם הירך, והשתמש בפקודות של לוח השוליים התחתון כדי להתאים את הגודל. ודא שכל הקצוות נוגעים בקליפת המוח של העצם (קובץ משלים 1-איור S18).
      הערה: כאשר שני המדריכים, ההיקף האדום וההיקף הסגול, משמשים בפעם הראשונה, הם נבחרים יחד כך שהם נעים כבלוק, כאילו היו מדריך אחד, כדי למדוד את FAV, והם ממוקמים בדיאפיזה של עצם הירך בדיוק מעל הטרוכנטר הקטן יותר בקו האוסטאוטומיה.
   5. לחץ על CTRL + V כדי להדביק שוב את עצם הירך הפרוקסימלית (קובץ משלים 1-איור S19).
   6. בחר רק את הכדור בצד ימין של המסך. השתמש בפקודות בחלונית השוליים התחתונה כדי להזיז את הכדור ולמקם אותו על גבי ראש עצם הירך. התאימו את הגודל, כולל כל הקצוות הנוגעים בקליפת המוח של העצם (קובץ משלים 1-איור S20).
   7. בחר את עצם הירך הפרוקסימלית בצד ימין, וחתוך אותה (CTRL + X).
   8. בחר רק את המישור האדום בצד ימין של המסך (קובץ משלים 1-איור S21).
   9. השתמשו בפקודות בחלונית השוליים התחתונות להזזת המישור האדום, ומקמו אותו כך שיעבור דרך מרכז הכדור ודרך מרכז קווי העזר המעגליים.
      הערה: הציונים המסומנים על ידי הפאנל בשוליים התחתונים תואמים את היפוך הירך הפתולוגי המחושב על CT בשיטת מרפי.
   10. הקש CTRL + V כדי להדביק שוב את עצם הירך הפרוקסימלית (קובץ משלים 1-איור S22 A,B) .
6. בצע את אוסטאוטומיה סיבובית של עצם הירך הפרוקסימלית.
   1. בחר את עצם הירך הפרוקסימלית + ההיקף האדום (רק האדום) + הכדור בצד ימין.
   2. בצע אוסטאוטומיה פרוקסימלית פרוקסימלית פנימית של 20° (השתמש בפקודות בלוח השוליים התחתונים; הוסף 20 בגובה) (קובץ משלים 1-איור S23).
   3. מדוד את היפוך הירך החדש (קובץ משלים 1-איור S24).
      הערה: שני המדריכים משמשים שוב לביצוע האוסטאוטומיה. במקרה זה, רק המדריך האדום נבחר יחד עם עצם הירך הפרוקסימלית (כך שכאשר עצם הירך הפרוקסימלית מסתובבת, גם המדריך האדום מסתובב; שלב 4.6.1), ואילו המדריך הסגול לא נבחר (קובץ משלים 1-איור S25). בדרך זו, המדריך הסגול נשאר בדיאפיזה של הירך ואינו משתתף בסיבוב של עצם הירך הפרוקסימלית.
      1. בחר את עצם הירך הפרוקסימלית + ההיקף האדום והקש CTRL + X כדי לחתוך את שני האלמנטים הללו.
      2. בחרו רק במישור האדום ומקמו אותו כך שיעבור דרך מרכז הכדור ודרך מרכז המדריך המעגלי הסגול.
         הערה: יחס של 1:1 בין גודל האוסטאוטומיה לבין תיקון העיוות אינו מושג מכיוון שהסיבוב של עצם הירך הפרוקסימלית אינו עוקב אחר הציר האנטומי של עצם הירך.
7. בצע את ההתאמה של אוסטאוטומיה סיבובית.
   1. בחר את diaphysis הירך + המישור האדום. הקש CTRL + X כדי לחתוך (איור 27). (קובץ משלים 1-איור S25).
   2. בחר את עצם הירך הפרוקסימלית + הכדור + ההיקף האדום.
   3. הזיזו את שלושת האלמנטים בגוש כך שמרכז ההיקף האדום יתאים למרכז ההיקף הסגול (קובץ משלים 1-איור S26).
   4. חשב מחדש את היפוך הירך החדש עם ההתאמה שנעשתה (קובץ משלים 1-איור S27).
      הערה: באמצעות שיטה תלת ממדית זו, נראה כי ציר הסיבוב של עצם הירך וציר הסיבוב של האוסטאוטומיה אינם חופפים. מסיבה זו, יש צורך לבצע התאמה הכוללת יישור מחדש של שני המדריכים כך שציר הירך המקורי וציר האוסטאוטומיה חופפים.

תוצאות

ניתן למדוד את היפוך הירך בשיטות שונות. חלקם מתמקדים בצוואר הירך, תוך שימוש בקו העובר דרך מרכז הצוואר ואחד העובר דרך קונדיל הירך כסימוכין. אחרים מוסיפים נקודת התייחסות שלישית בטרוכנטר הקטן²³. שיטת מרפי, שהיא האמינה ביותר בפרקטיקה הקלינית משום שיש לה את הקשר הקליני-רדיולוגי הטוב...

Discussion

הממצא החשוב ביותר של מחקר זה הוא כי טכנולוגיית 3D מאפשרת תכנון של אוסטאוטומיה פרוקסימלית חיצונית derotational femoral. טכנולוגיה זו יכולה לדמות את הניתוח שיש לבצע במטופל ספציפי במחשב. זוהי טכניקה פשוטה, ניתנת לשחזור וחופשית המשתמשת בתוכנה הניתנת להתאמה לרוב המחשבים. הבעיה הטכנית היחידה עשויה להיות...

Materials

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