Pianificazione virtuale preoperatoria tridimensionale nell'osteotomia femorale prossimale derotazionale

Riepilogo

Questo lavoro presenta un protocollo dettagliato di pianificazione chirurgica utilizzando la tecnologia 3D con software open source gratuito. Questo protocollo può essere utilizzato per quantificare correttamente l'anteversione femorale e simulare l'osteotomia femorale prossimale derotazionale per il trattamento del dolore anteriore al ginocchio.

Abstract

Il dolore anteriore al ginocchio (AKP) è una patologia comune tra adolescenti e adulti. L'aumento dell'anteversione femorale (FAV) ha molte manifestazioni cliniche, tra cui l'AKP. Vi è una crescente evidenza che l'aumento del FAV gioca un ruolo importante nella genesi dell'AKP. Inoltre, questa stessa evidenza suggerisce che l'osteotomia femorale derotazionale è benefica per questi pazienti, poiché sono stati riportati buoni risultati clinici. Tuttavia, questo tipo di chirurgia non è ampiamente utilizzato tra i chirurghi ortopedici.

Il primo passo per attirare i chirurghi ortopedici nel campo dell'osteotomia rotazionale è fornire loro una metodologia che semplifichi la pianificazione chirurgica preoperatoria e consenta la previsualizzazione dei risultati degli interventi chirurgici su computer. A tal fine, il nostro gruppo di lavoro utilizza la tecnologia 3D. Il set di dati di imaging utilizzato per la pianificazione chirurgica si basa su una TAC del paziente. Questo metodo 3D è ad accesso aperto (OA), il che significa che è accessibile a qualsiasi chirurgo ortopedico senza costi economici. Inoltre, non solo consente la quantificazione della torsione femorale, ma anche di eseguire la pianificazione chirurgica virtuale. È interessante notare che questa tecnologia 3D mostra che l'entità dell'osteotomia femorale rotazionale intertrocanterica non presenta una relazione 1: 1 con la correzione della deformità. Inoltre, questa tecnologia consente la regolazione dell'osteotomia in modo che la relazione tra l'entità dell'osteotomia e la correzione della deformità sia 1: 1. Questo documento descrive questo protocollo 3D.

Introduzione

Il dolore anteriore al ginocchio (AKP) è un problema clinico comune tra adolescenti e giovani adulti. C'è un crescente numero di prove che l'aumento dell'anteversione femorale (FAV) gioca un ruolo importante nella genesi di AKP 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11 . Inoltre, questa stessa evidenza suggerisce che un'osteotomia femorale derotazionale è benefica per questi pazienti, poiché sono stati riportati buoni risultati clinici 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11 . Tuttavia, questo tipo di chirurgia non è ampiamente utilizzato nella pratica clinica quotidiana tra i chirurghi ortopedici, soprattutto nei casi di adolescenti e giovani pazienti attivi con dolore al ginocchio anteriore²⁷, perché i molti aspetti controversi generano incertezza. Ad esempio, è stato osservato che a volte la correzione ottenuta dopo l'osteotomia non è quella precedentemente pianificata. Cioè, non c'è sempre un rapporto 1: 1 tra la quantità di rotazione pianificata durante l'esecuzione dell'osteotomia e la quantità di FAV corretta. Questo risultato non è stato studiato fino ad oggi. Pertanto, è l'argomento del presente documento. Per spiegare la discrepanza tra l'entità della rotazione eseguita con l'osteotomia e l'entità della correzione della FAV, è stato ipotizzato che l'asse di rotazione dell'osteotomia e l'asse di rotazione del femore potrebbero non coincidere.

Uno dei principali problemi da affrontare è localizzare con precisione l'asse di rotazione del femore e l'asse di rotazione dell'osteotomia. Il primo asse femorale è l'asse femorale misurato sulla TAC al momento della diagnosi del paziente, mentre il secondo asse femorale è l'asse femorale misurato dopo aver eseguito l'osteotomia. Nell'ultimo decennio, la tecnologia 3D è diventata sempre più importante nella pianificazione preoperatoria, in particolare in chirurgia ortopedica e traumatologia, per semplificare e ottimizzare le tecniche chirurgiche^15,16. Lo sviluppo della tecnologia 3D ha supportato la creazione di biomodelli anatomici basati su test di imaging 3D come la TC, in cui gli impianti protesici personalizzati possono essere adattati^17,18,19 e le piastre di osteosintesi possono essere modellate in caso di fratture ^20,21,22. Inoltre, la pianificazione 3D è già stata utilizzata in studi precedenti per analizzare l'origine della deformità nelle alterazioni torsionali unilaterali del femore¹⁴. Attualmente, ci sono diversi programmi software che sono completamente gratuiti e adattabili alla maggior parte dei computer e stampanti 3D sul mercato, rendendo questa tecnologia facilmente accessibile alla maggior parte dei chirurghi del mondo. Questa pianificazione 3D consente il calcolo accurato dell'asse di rotazione iniziale del femore e dell'asse di rotazione del femore dopo l'esecuzione dell'osteotomia intertrocanterica. Lo scopo principale di questo studio è dimostrare che l'asse di rotazione dell'osteotomia intertrocanterica femorale e l'asse di rotazione del femore non coincidono. Questa tecnologia 3D consente di visualizzare questa discrepanza tra gli assi e correggerla attraverso una regolazione dell'osteotomia. L'obiettivo finale è quello di stimolare un maggiore interesse da parte dei chirurghi ortopedici in questo tipo di chirurgia.

Questo protocollo con metodologia 3D è condotto in quattro passaggi fondamentali. In primo luogo, vengono scaricate le immagini TC e il biomodello 3D viene creato dai file DICOM (Digital Imaging and Communication in Medicine) della scansione TC. Le scansioni TC di qualità superiore consentono biomodelli migliori, ma significano che il paziente riceve più radiazioni ionizzanti. Per la pianificazione chirurgica con biomodelli, la qualità della TC convenzionale è sufficiente. L'immagine DICOM di una scansione CT è costituita da una cartella con molti file diversi, con un file per ogni taglio CT effettuato. Ognuno di questi file contiene non solo le informazioni grafiche del taglio CT, ma anche i metadati (dati associati all'immagine). Per aprire l'immagine, è essenziale avere una cartella con tutti i file della serie (il CT). Il biomodello viene estratto dalla totalità dei file.

In secondo luogo, per ottenere il biomodello 3D, è necessario scaricare il programma per computer 3D Slicer, un programma open source con molte utilità. Inoltre, questo è il software per computer più utilizzato nei laboratori 3D internazionali e ha il vantaggio di essere completamente gratuito e scaricabile dalla sua pagina principale. Poiché questo software è un visualizzatore di immagini a raggi X, l'immagine DICOM deve essere importata nel programma.

In terzo luogo, il primo biomodello ottenuto con 3D Slicer non corrisponderà a quello definitivo, perché ci saranno regioni come la tabella CT o ossa e parti molli nelle vicinanze che non sono di interesse. Il biomodello viene "pulito" quasi automaticamente con il software di progettazione 3D, MeshMixer, che può anche essere scaricato direttamente dal suo sito ufficiale gratuitamente. Infine, viene calcolata l'anteversione femorale e l'osteotomia viene simulata utilizzando un altro software gratuito di Windows Store, 3D Builder.

Protocollo

Lo studio è stato approvato dal comitato etico della nostra istituzione (riferimento 2020-277-1). I pazienti hanno firmato il consenso informato alla scansione TC.

1. Download delle immagini CT

1. Accedi a un sistema di archiviazione e comunicazione delle immagini (PACS).
   NOTA: ogni pacchetto software ha un modo diverso di accedere a un PACS, ma tutti hanno un modo per scaricare uno studio nel formato DICOM. Se c'è una domanda su come questo è fatto, chiedi all'amministratore di sistema del centro o ai radiologi del centro.
2. Scarica la TAC completa nel formato DICOM mantenendo l'anonimato del paziente.

2. Ottenere il biomodello 3D (File supplementare 1-Figura S1)

1. Scarica il software 3D Slicer (vedi la tabella dei materiali). Installare il programma sul computer.
2. Importare le immagini CT nel formato DICOM.
   1. Fare clic sull'icona DCM nell'angolo superiore sinistro dello schermo.
   2. Fare clic su Importa file DICOM sul lato sinistro dello schermo e attendere l'apertura di una finestra che consente di scegliere la cartella in cui viene salvato lo studio CT nel formato DICOM .
   3. Fai clic su "DummyPatName!" in alto a destra dello schermo. Se la cartella ha più di uno studio CT, fare clic sulla serie "DummySeriesDesc!" con il maggior numero di immagini nella parte inferiore dello schermo.
   4. Fai clic su Carica sul margine in basso a destra.
3. Creare il biomodello 3D.
   1. Fare clic sulla barra dei menu nella parte superiore dello schermo e attendere che venga visualizzato il DICOM.
   2. Nel menu a discesa, scegli Legacy | Opzione Editor . Premere OK sul messaggio visualizzato (File supplementare 1-Figura S2).
   3. Attendi che venga visualizzato un nuovo menu sul lato sinistro dello schermo. Fare clic sull'icona Effetto soglia .
   4. Sposta la barra nella casella inferiore fino a quando solo l'osso non viene dipinto nelle immagini a destra. In questo modo, selezionare il valore delle unità Hounsfield da includere nel modello.
   5. Una volta raggiunto il livello di vernice desiderato, fare clic su Applica. La selezione è contrassegnata con il colore verde (file supplementare 1-Figura S3).
   6. Seleziona l'opzione Crea effetto modello dal menu laterale (uguale al precedente). Selezionare Applica (file supplementare 1-figura S4).
   7. Nella finestra in alto a destra viene generato il modello 3D. Fare clic sulla cornice dorata, centrare la vista 3D sulla scena, per centrare l'immagine al centro della finestra (file supplementare 1-Figura S4).
4. Salvare il biomodello (file supplementare 1-Figura S5).
   1. Fai clic su Salva nel margine in alto a sinistra.
   2. Nella casella visualizzata, selezionare solo il file "tessuto" (File supplementare 1-Figura S5).
   3. Nella seconda colonna, nel menu a discesa, selezionare STL.
   4. Nella terza colonna, nel menu a discesa, scegli dove salvare il file STL. Clicca su Salva. Questo è il file che verrà utilizzato nei passaggi seguenti.

3. Preparazione del biomodello

1. Scarica il software MeshMixer (vedi la tabella dei materiali). Installare il programma sul computer.
   1. Importare l'immagine STL selezionando l'opzione Importa al centro dello schermo (File supplementare 1-Figura S6).
2. Selezionare il biomodello.
   1. Cerca l'opzione Seleziona nel menu sul lato sinistro. Utilizzare uno dei seguenti metodi principali per selezionare.
   2. Usate lo strumento Seleziona , selezionate lo spessore del pennello e fate doppio clic sul femore (File supplementare 1-Figura S7). Se non è possibile separare solo il femore, significa che ha un contatto diretto con altre strutture ossee o parti molli; in tal caso, seleziona Modifica | Generate Face Groups dal menu (Supplementary File 1-Figure S7). Utilizzate l'opzione Soglia angolo (Angle Threshold ) e spostate la barra fino a quando le diverse strutture non avranno un colore diverso, indicando che i pezzi sono stati riconosciuti come separati (File supplementare 1-Figura S8).
      1. Con lo strumento Seleziona , tenere premuto il pulsante sinistro del mouse mentre si dipinge la parte del biomodello di interesse.
      2. Con lo strumento Seleziona , fate clic su un punto esterno al modello e tenete premuto il pulsante sinistro del mouse mentre disegnate un cerchio che include la parte di interesse.
   3. Utilizzare lo strumento Seleziona per selezionare la parte di interesse. Cerca l'opzione Seleziona | Modifica | Inverti nel menu laterale e premi Canc (file supplementare 1-Figura S9) per eliminare le parti non selezionate. In questo frangente, si ottiene il biomodello del femore pulito (File supplementare 1-Figura S9).
   4. Rendere solido il modello (file supplementare 1-Figura S10).
   5. Vai a Modifica | Rendi solido | Tipo solido| Preciso.
   6. Massimizzate i valori di precisione solida e densità mesh .
3. Salva il biomodello. Seleziona l'opzione Esporta dal menu laterale. Selezionare il formato STL e la cartella in cui viene esportato il biomodello.

4. Calcolo dell'anteversione femorale prossimale

1. Scarica il software 3D Builder (vedi la tabella dei materiali). Installare il programma sul computer.
   NOTA: il programma può essere scaricato solo se il sistema operativo del computer è Windows.
2. Fare clic sull'icona Inserisci nella parte superiore dello schermo (File supplementare 1-Figura S11). Fare clic su Aggiungi per importare il biomodello sulla scena (File supplementare 1-Figura S12).
   NOTA: Il tasto sinistro del mouse consente di ruotare l'oggetto per vederlo a 360°. Con il tasto destro, è possibile scorrere lungo l'oggetto. La rotellina centrale del mouse consente di ingrandire.
3. Clicca su Oggetto | Accontentarsi di fissare l'oggetto al piano di lavoro in modo che poggi sui condili femorali e sul sindaco del trocantere.
   NOTA: Si consiglia di posizionare l'oggetto verticalmente parallelo all'asse y e perpendicolare all'asse x contrassegnato sul piano di lavoro (file supplementare 1-Figura S13).
4. Eseguire l'osteotomia femorale.
   1. Clicca su Modifica | Dividi dal menu in alto . Quando viene visualizzato un piano di taglio rettangolare, selezionate Mantieni entrambi (File supplementare 1-Figura S14).
      1. Utilizzare il pulsante Modalità spostamento sulla barra nel margine inferiore dello schermo per spostare il piano di taglio orizzontalmente e verticalmente.
   2. Utilizzare il pulsante Modalità rotazione sulla barra nel margine inferiore dello schermo per ruotare il piano attorno al femore (Roll: 90°, Pitch: 0°, Yaw: 0°) (File supplementare 1-Figure S14).
   3. Posizionate il piano di taglio parallelo all'asse x e perpendicolare all'asse y. Clicca su Dividi. In questo caso, eseguire l'osteotomia sopra il trocantere minore (intertrocanterico) (file supplementare 1-Figura S15).
5. Calcola l'anteversione femorale.
   1. Inserire le guide, che aiutano a stabilire i punti di riferimento per misurare l'anteversione femorale nell'immagine nell'ambiente 3D del programma secondo il metodo di Murphy (Supplementary File 1-Figure S16A,B). Per inserire le guide, clicca su Inserisci | Aggiungi e scegli il file supplementare 3mf 2.
      NOTA: queste guide sono state progettate internamente e il file 3mf Supplementary File 2 è accessibile come materiale supplementare fornito in questo articolo. Il metodo Murphy 3D è stato implementato stabilendo tre punti di misurazione nello stesso modo del metodo convenzionale¹¹ ma in un ambiente 3D. La circonferenza usuale a livello della testa del femore è stata sostituita da una sfera e la misurazione è stata stabilita da una circonferenza a livello del trocantere minore. Come riferimento distale, è stata presa la linea intercondilare posteriore, come definito nel metodo Murphy originale.
   2. Seleziona solo la parte prossimale del femore sul lato destro dello schermo e fai clic su CTRL + X per tagliare la selezione. Ecco come appare la diafisi femorale (File supplementare 1-Figura S17).
   3. Seleziona la guida circolare rossa e la guida circolare viola (in questo modo significa che saranno insieme) sul lato destro dello schermo. Usate i comandi nel pannello del margine inferiore per spostare le guide.
      NOTA: La guida rossa rappresenta l'asse di rotazione dell'osteotomia, mentre la guida viola rappresenta l'asse di rotazione del femore.
   4. Metti le guide al centro della diafisi femorale e usa i comandi del pannello del margine inferiore per regolare le dimensioni. Assicurarsi che tutti i bordi tocchino la corteccia dell'osso (file supplementare 1-Figura S18).
      NOTA: Quando le due guide, la circonferenza rossa e la circonferenza viola, vengono utilizzate per la prima volta, vengono selezionate insieme in modo che si muovano come un blocco, come se fossero una guida, per misurare il FAV, e sono posizionate nella diafisi femorale appena sopra il trocantere minore sulla linea di osteotomia.
   5. Fare clic su CTRL + V per incollare nuovamente il femore prossimale (file supplementare 1-Figura S19).
   6. Seleziona solo la sfera sul lato destro dello schermo. Usate i comandi nel pannello del margine inferiore per spostare la sfera e posizionarla sopra la testa del femore. Regolare le dimensioni, compresi tutti i bordi che toccano la corteccia ossea (file supplementare 1-Figura S20).
   7. Seleziona il femore prossimale sul lato destro e taglialo (CTRL + X).
   8. Selezionare solo il piano rosso sul lato destro dello schermo (File supplementare 1-Figura S21).
   9. Usate i comandi nel pannello del margine inferiore per spostare il piano rosso e posizionatelo in modo che passi attraverso il centro della sfera e attraverso il centro delle guide circolari.
      NOTA: I gradi contrassegnati dal pannello nel margine inferiore corrispondono all'anteversione femorale patologica calcolata sulla TC utilizzando il metodo di Murphy.
   10. Premere CTRL + V per incollare nuovamente il femore prossimale (file supplementare 1-Figura S22 A,B) .
6. Eseguire l'osteotomia rotazionale del femore prossimale.
   1. Seleziona il femore prossimale + la circonferenza rossa (solo il rosso) + la sfera sul lato destro.
   2. Effettuare un'osteotomia femorale prossimale derotazionale interna di 20° (utilizzare i comandi sul pannello del margine inferiore; aggiungere 20 su Pitch) (File supplementare 1-Figura S23).
   3. Misurare la nuova anteversione femorale (file supplementare 1-Figura S24).
      NOTA: Le due guide vengono nuovamente utilizzate per eseguire l'osteotomia. In questo caso, solo la guida rossa viene selezionata insieme al femore prossimale (in modo che quando il femore prossimale ruota, ruota anche la guida rossa; passo 4.6.1), mentre la guida viola non viene selezionata (file supplementare 1-Figura S25). In questo modo, la guida viola rimane nella diafisi femorale e non partecipa alla rotazione del femore prossimale.
      1. Selezionare il femore prossimale + la circonferenza rossa e premere CTRL + X per tagliare questi due elementi.
      2. Selezionate solo il piano rosso e posizionatelo in modo che passi attraverso il centro della sfera e attraverso il centro della guida circolare viola.
         NOTA: Una relazione 1:1 tra l'entità dell'osteotomia e la correzione della deformità non si ottiene perché la derotazione del femore prossimale non segue l'asse anatomico del femore.
7. Eseguire la regolazione dell'osteotomia rotazionale.
   1. Seleziona la diafisi femorale + il piano rosso. Premere CTRL + X per tagliare (Figura 27). (File supplementare 1-Figura S25).
   2. Seleziona il femore prossimale + la sfera + la circonferenza rossa.
   3. Spostare i tre elementi in blocco in modo che il centro della circonferenza rossa corrisponda al centro della circonferenza viola (file supplementare 1-Figura S26).
   4. Ricalcolare la nuova anteversione femorale con la regolazione effettuata (File supplementare 1-Figura S27).
      NOTA: Attraverso questo metodo 3D, viene dimostrato che l'asse di rotazione del femore e l'asse di rotazione dell'osteotomia non coincidono. Per questo motivo, è necessario effettuare una regolazione che comporti il riallineamento delle due guide in modo che l'asse femorale originale e l'asse osteotomia coincidano.

Risultati

L'anteversione femorale può essere misurata con diversi metodi. Alcuni di loro si concentrano sul collo del femore, usando la linea che passa attraverso il centro del collo e una che passa attraverso i condili femorali come riferimenti. Altri aggiungono un terzo punto di riferimento al piccolo trocantere²³. Il metodo di Murphy, che è il più affidabile nella pratica clinica perché ha la migliore relazione clinico-radiologica, è uno di questi metodi che utilizza un terzo punto di riferimento

Discussione

La scoperta più importante di questo studio è che la tecnologia 3D consente la pianificazione dell'osteotomia femorale derotazionale esterna prossimale. Questa tecnologia può simulare l'intervento chirurgico che deve essere eseguito su un paziente specifico sul computer. È una tecnica semplice, riproducibile e gratuita che utilizza software adattabile alla maggior parte dei computer. L'unico problema tecnico potrebbe essere che il software di creazione 3D funziona solo con il sistema operativo Windows. Il limite prin...

Materiali

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