非回転近位大腿骨骨切り術における3次元術前仮想計画

要約

この作品は、無料のオープンソースソフトウェアで3Dテクノロジーを使用した詳細な手術計画プロトコルを提示します。このプロトコルは、大腿骨前倒法を正しく定量化し、前膝痛の治療のための非回転近位大腿骨骨切り術をシミュレートするために使用できます。

要約

前膝痛(AKP)は、青年および成人の間で一般的な病状です。大腿骨前倒症の増加(FAV)には、AKPを含む多くの臨床症状があります。FAVの増加がAKPの起源に大きな役割を果たすという証拠が増えています。さらに、この同じ証拠は、良好な臨床結果が報告されているため、非回転大腿骨骨切り術がこれらの患者にとって有益であることを示唆しています。しかし、このタイプの手術は整形外科医の間で広く使用されていません。

整形外科医を回転式骨切り術の分野に引き付けるための最初のステップは、術前の手術計画を簡素化し、コンピューター上で外科的介入の結果を事前に視覚化できる方法論を提供することです。そのために、私たちのワーキンググループは3D技術を使用しています。手術計画に使用される画像データセットは、患者のCTスキャンに基づいています。この3D手法はオープンアクセス(OA)であり、どの整形外科医でも経済的コストなしでアクセスできます。さらに、大腿骨捻転の定量化だけでなく、仮想手術計画の実行も可能です。興味深いことに、この3D技術は、転子間回転大腿骨骨切り術の大きさが変形の矯正と1:1の関係を示さないことを示しています。さらに、この技術により、骨切り術の大きさと変形の矯正の関係が1:1になるように骨切り術を調整することができます。このホワイトペーパーでは、この3Dプロトコルの概要を説明します。

概要

膝前部痛(AKP)は、青年および若年成人の間で一般的な臨床問題です。大腿骨前転症(FAV)の増加がAKP1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11の起源に重要な役割を果たすという証拠が増えています。.さらに、この同じ証拠は、良好な臨床結果が報告されているため、回転不全の大腿骨骨切り術がこれらの患者にとって有益であることを示唆しています1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11 .しかし、このタイプの手術は、整形外科医の間で日常の臨床診療では広く使用されていません、特に青年期および若い活動的な患者の場合 前膝痛²⁷、多くの物議を醸す側面が不確実性を生み出すからです。例えば、骨切り術後に得られた矯正が以前に計画されたものではないことが時々観察されている。つまり、骨切り術を行う際に計画される回転量と矯正されるFAVの量の間には、必ずしも1:1の比率があるとは限りません。この発見は今日まで研究されていません。したがって、それは本論文の主題である。骨切り術で行われた回転の大きさとFAVの矯正の大きさとの間の不一致を説明するために、骨切り術の回転軸と大腿骨の回転軸が一致しない可能性があるという仮説を立てた。

対処すべき主な問題の1つは、大腿骨の回転軸と骨切り術の回転軸を正確に特定することです。第1大腿骨軸は患者の診断時にCTスキャンで測定された大腿骨軸であり、第2大腿骨軸は骨切り術を行った後に測定された大腿骨軸である。過去10年間で、3Dテクノロジーは、手術技術を簡素化および最適化するために、術前計画、特に整形外科および外傷学においてますます重要になっています^15,16。3D技術の開発は、CTなどの3Dイメージングテストに基づく解剖学的バイオモデルの作成をサポートしており、カスタマイズされた補綴インプラントを適合させることができ17,18,19、骨折の場合に骨接合プレートを成形することができます^20,21,22.さらに、3D計画は、大腿骨¹⁴の片側ねじれ変化における変形の起源を分析するために、以前の研究ですでに使用されています。現在、市場に出回っているほとんどのコンピューターや3Dプリンターに完全に無料で適応できるソフトウェアプログラムがいくつかあり、世界中のほとんどの外科医がこのテクノロジーに簡単にアクセスできます。この3D計画により、転子間骨切り術が行われた後の大腿骨の初期回転軸と大腿骨の回転軸を正確に計算できます。この研究の主な目的は、大腿骨転子間骨切り術の回転軸と大腿骨の回転軸が一致しないことを実証することです。この3D技術により、軸間のこの不一致を視覚化し、骨切り術の調整によって修正することができます。最終的な目標は、このタイプの手術に対する整形外科医の関心を高めることです。

3D方法論を使用したこのプロトコルは、4つの基本的なステップで実行されます。まず、CT画像をダウンロードし、CTスキャンのDICOM(医学におけるデジタルイメージングとコミュニケーション)ファイルから3Dバイオモデルを作成します。より高品質のCTスキャンは、より良いバイオモデルを可能にしますが、患者はより多くの電離放射線を受けることを意味します。バイオモデルを用いた手術計画には、従来のCTの品質で十分です。CTスキャンのDICOM画像は、多くの異なるファイルを含むフォルダーで構成され、CTカットごとに1つのファイルがあります。これらの各ファイルには、CTカットのグラフィック情報だけでなく、 メタデータ (画像に関連付けられたデータ)も含まれています。画像を開くには、シリーズのすべてのファイル(CT)を含むフォルダーが必要です。バイオモデルは、ファイルの全体から抽出されます。

第二に、3Dバイオモデルを取得するには、多くのユーティリティを備えたオープンソースプログラムである3D Slicerコンピュータープログラムをダウンロードする必要があります。さらに、これは国際的な3Dラボで最も広く使用されているコンピュータソフトウェアであり、完全に無料でメインページからダウンロードできるという利点があります。このソフトウェアはX線画像ビューアであるため、DICOM画像をプログラムにインポートする必要があります。

第三に、3Dスライサーで得られた最初のバイオモデルは、CTテーブルや骨や柔らかい部分など、興味のない領域が近くにあるため、決定的なバイオモデルと一致しません。バイオモデルは、公式ウェブサイトから直接無料でダウンロードできる3D設計ソフトウェアMeshMixerを使用して、ほぼ自動的に「クリーニング」されます。最後に、大腿骨の前転が計算され、骨切り術はWindowsストアの別のフリーソフトウェアである3D Builderを使用してシミュレートされます。

プロトコル

本研究は、当機関の倫理委員会によって承認されました(参照2020-277-1)。患者はCTスキャンのインフォームドコンセントに署名しました。

1. CT画像のダウンロード

1. 画像アーカイブおよび通信システム(PACS)にアクセスできます。
   注:各ソフトウェアパッケージにはPACSにアクセスする方法が異なりますが、すべてのソフトウェアパッケージにDICOM形式のスタディをダウンロードする方法があります。これがどのように行われるかについて質問がある場合は、センターのシステム管理者またはセンターの放射線科医に尋ねてください。
2. 患者の匿名性を維持しながら、DICOM形式でフルCTスキャンをダウンロードします。

2. 3Dバイオモデルの取得(補足ファイル1-図S1)

1. ソフトウェアをダウンロードします 3D スライサー ( 材料の表を参照)。コンピュータにプログラムをインストールします。
2. CT画像をDICOM形式でインポートします。
   1. 画面の左上隅にある DCM アイコンをクリックします。
   2. 画面の左側にある [DICOMファイルのインポート ]をクリックし、CTスタディがDICOM形式で保存されているフォルダーを選択できるウィンドウが開くのを待ちます。
   3. 画面右上の「ダミーパットネーム!」をクリックします。フォルダに複数のCTスタディがある場合は、画面の下部に最も多くの画像があるシリーズ「DummySeriesDesc!」をクリックします。
   4. 右下マージンにある[ 読み込み ]をクリックします。
3. 3D バイオモデルを作成します。
   1. 画面上部のメニューバーをクリックし、DICOMが表示されるのを待ちます。
   2. ドロップダウンメニューで、[レガシー |エディター オプション。表示されるメッセージ(補足ファイル1-図S2)で[OK]を押します。
   3. 画面の左側に新しいメニューが表示されるのを待ちます。[ しきい値効果 ]アイコンをクリックします。
   4. 右側の画像にボーンのみがペイントされるまで、下のボックスのバーを移動します。このようにして、モデルに含めるハウンズフィールド単位の値を選択します。
   5. 目的のペイントレベルが達成されたら、[ 適用]をクリックします。選択範囲は緑色でマークされます(補足ファイル1-図S3)。
   6. サイドメニューから[ モデル効果を作成] オプションを選択します(前のものと同じ)。 [適用 ] を選択します (補足ファイル 1 - 図 S4)。
   7. 右上のウィンドウで、3Dモデルが生成されます。金色のフレームをクリックし、 3Dビューをシーンの中央に配置して、画像をウィンドウの中央に配置します(補足ファイル1-図S4)。
4. バイオモデルを保存します(補足ファイル1-図S5)。
   1. 左上の余白にある [保存 ] をクリックします。
   2. 表示されるボックスで、ファイル「組織」のみを選択します(補足ファイル1-図S5)。
   3. 2 番目の列のドロップダウン メニューで、[STL] を選択します。
   4. 3番目の列のドロップダウンメニューで、STLファイルを保存する場所を選択します。[ 保存]をクリックします。これは、次の手順で使用するファイルです。

3. バイオモデルの構築

1. メッシュミキサーソフトウェアをダウンロードします( 材料の表を参照)。コンピュータにプログラムをインストールします。
   1. 画面中央の[インポート]オプションを選択して、STLイメージを インポート します(補足ファイル1-図S6)。
2. バイオモデルを選択します。
   1. 左側のメニューで[ 選択 ]オプションを探します。次の主な方法のいずれかを使用して選択します。
   2. 選択ツールを使用してブラシの太さを選択し、大腿骨をダブルクリックします(補足ファイル1-図S7)。大腿骨だけを分離することが不可能であるならば、それはそれが他の骨構造または柔らかい部分と直接接触していることを意味します。その場合は、[編集] |メニューから顔グループを生成します(補足ファイル1-図S7)。[角度しきい値]オプションを使用して、異なる構造の色が異なるまでバーを移動し、ピースが別個のものとして認識されたことを示します(補足ファイル1-図S8)。
      1. 選択ツールを使用して、マウスの左ボタンを押したまま、目的のバイオモデルの部分をペイントします。
      2. 選択ツールを使用して、モデルの外側の点をクリックし、マウスの左ボタンを押したまま、関心のあるパーツを含む円をペイントします。
   3. 選択ツールを使用して、対象の部品を選択します。オプションを探します 選択 |変更 |サイドメニューで反転し、Delete(補足ファイル1-図S9)を押して、選択されていない部品を削除します。この時点で、きれいな大腿骨のバイオモデルが得られる(補足ファイル1-図S9)。
   4. モデルをソリッドにします(補足ファイル1-図S10)。
   5. 編集に移動 |ソリッドにする |ソリッドタイプ|正確です。
   6. ソリッド精度とメッシュ密度の値を最大にします。
3. バイオモデルを保存します。サイドメニューから[ エクスポート ]オプションを選択します。 STL 形式 と、バイオモデルのエクスポート先のフォルダを選択します。

4.近位大腿骨前倒法の計算

1. 3D Builder ソフトウェアをダウンロードします(「材料表」を参照 )。コンピュータにプログラムをインストールします。
   注:プログラムは、コンピュータのオペレーティングシステムがWindowsの場合にのみダウンロードできます。
2. 画面上部の 挿入 アイコンをクリックします(補足ファイル1-図S11)。 [追加 ]をクリックして、バイオモデルをシーンにインポートします(補足ファイル1-図S12)。
   注: マウスの左ボタンを使用すると、オブジェクトを回転させて 360° ビューで表示できます。右ボタンを使用すると、オブジェクトに沿ってスクロールできます。マウスの中央のホイールを使用すると、ズームインできます。
3. オブジェクトをクリック | 物体を作業面に固定して、大腿骨顆と転子マヨールに載るようにします。
   注意: オブジェクトをy軸に垂直に平行にし、作業平面にマークされたx軸に垂直に配置することをお勧めします(補足ファイル1-図S13)。
4. 大腿骨骨切り術を行います。
   1. [編集]をクリックします | トップメニューから分割します。矩形の切断面が表示されたら、[ 両方保持 ]を選択します(補足ファイル1-図S14)。
      1. 画面の下余白にあるバーの[ 移動モード ]ボタンを使用して、切断面を水平方向と垂直方向に移動します。
   2. 画面下余白のバーにある 回転モード ボタンを使用して、大腿骨を中心に平面を回転させます(ロール:90°、ピッチ:0°、ヨー:0°)(補足ファイル1-図S14)。
   3. 切断面をx軸に平行でy軸に垂直に置きます。 [分割]をクリックします。この場合、小転子の上(転子間)に骨切り術を行う(補足ファイル1-図S15)。
5. 大腿骨の前転を計算します。
   1. マーフィーの方法に従って、プログラムの3D環境で画像内の大腿骨前バージョンを測定するための基準点を確立するのに役立つ ガイドを挿入します(補足ファイル1-図S16A、B)。 ガイドを挿入するには、[ 挿入 |追加し、 3mf 補足ファイル 2 を選択します。
      注:これらのガイドは社内で設計されており、 3mf ファイル補足 ファイル2 は、この記事で提供される補足資料としてアクセスできます。マーフィー3D法は、従来の方法¹¹ と同じ方法で3つの測定点を確立することによって実装されたが、3D環境において実施された。大腿骨頭のレベルでの通常の円周は球に置き換えられ、測定は転子マイナーのレベルでの円周によって確立された。遠位基準として、元のマーフィー法で定義されたように、後顆間線が取られました。
   2. 画面右側の大腿骨の近位部分のみを選択し、 CTRL + X をクリックして選択範囲を切り取ります。これが大腿骨骨幹の現れ方である(補足ファイル1-図S17)。
   3. 画面の右側にある赤い円形ガイドと紫色の円形ガイドを選択します(これを行うと、それらが一緒になります)。下部マージンパネルのコマンドを使用して、ガイドを移動します。
      注:赤いガイドは骨切り術の回転軸を表し、紫色のガイドは大腿骨の回転軸を表します。
   4. ガイドを大腿骨骨幹の中央に置き、下縁パネルのコマンドを使用してサイズを調整します。すべてのエッジが骨の皮質に接触していることを確認します(補足ファイル1-図S18)。
      注:赤円周と紫円周の2つのガイドを初めて使用する場合、FAVを測定するために1つのガイドのようにブロックとして移動するように一緒に選択され、骨切り線の小転子のすぐ上の大腿骨骨幹に配置されます。
   5. CTRL + Vをクリックして、大腿骨近位部を再度貼り付けます(補足ファイル1-図S19)。
   6. 画面右側の 球 体のみを選択します。下部マージンパネルのコマンドを使用して 球 を移動し、大腿骨頭の上に置きます。骨皮質に接するすべてのエッジを含めてサイズを調整します(補足ファイル1-図S20)。
   7. 右側の近位大腿骨を選択し、それを切断します(CTRL + X)。
   8. 画面右側の 赤い平面 のみを選択します(補足ファイル1-図S21)。
   9. 下マージンパネルのコマンドを使用して 赤い平面を移動し、 球 の中心と 円形ガイドの中心を通過するように配置します。
      注:下マージンのパネルでマークされたグレードは、マーフィーの方法を使用してCTで計算された病理学的大腿骨前バージョンに対応しています。
   10. CTRL + Vを押して、大腿骨近位をもう一度貼り付けます(補足ファイル1-図S22 A、B)。
6. 大腿骨近位部の回転骨切り術を行います。
   1. 大腿骨近位+ 赤い円周 (赤のみ)+右側の 球 を選択します。
   2. 20°の内部非回転近位大腿骨骨切り術を行います(下縁のパネルのコマンドを使用し、ピッチに20を追加します)(補足ファイル1-図S23)。
   3. 新しい大腿骨前バージョンを測定します(補足ファイル1-図S24)。
      注意: 2つのガイドは、骨切り術を行うために再び使用されます。この場合、赤ガイドのみが大腿骨近位部とともに選択され(大腿骨近位部が回転すると赤ガイドも回転する;ステップ4.6.1)、紫ガイドは選択されない(補足ファイル1-図S25)。このようにして、バイオレットガイドは大腿骨骨幹に留まり、近位大腿骨の回転に関与しません。
      1. 近位大腿骨+ 赤い円周を選択し、 CTRL + X を押してこれら2つの要素を切り取ります。
      2. 赤い平面のみを選択し、球の中心と紫色の円形ガイドの中心を通過するように配置します。
         注:骨切り術の大きさと変形の矯正の間の1:1の関係は、大腿骨近位部の回転が大腿骨の解剖学的軸に従わないため、達成されません。
7. 回転骨切り術の調整を行います。
   1. 大腿骨骨幹+ 赤い平面を選択します。 CTRL + X を押してカットします(図27)。(補足ファイル1-図S25)。
   2. 近位大腿骨+球+赤い円周を選択します。
   3. 赤の円周の中心が紫の円周の中心と一致するように3つの要素を一括して移動します(補足ファイル1-図S26)。
   4. 調整を行った状態で新しい大腿骨前バージョンを再計算します(補足ファイル1-図S27)。
      注:この3D法により、大腿骨の回転軸と骨切り術の回転軸が一致しないことが示されています。このため、元の大腿骨軸と骨切り軸が一致するように2つのガイドを再調整する調整を行う必要があります。

結果

大腿骨前転は、さまざまな方法で測定できます。それらのいくつかは、首の中心を通る線と大腿骨顆を通過する線を基準として使用して、大腿骨頸部に焦点を合わせます。その他は、小転子²³に第3の基準点を追加する。マーフィーの方法は、最良の臨床 - 放射線学的関係を有するため、臨床診療において最も信頼性があり、第3の基準点^25,26

ディスカッション

この研究の最も重要な発見は、3D技術が近位外回転性大腿骨骨切り術の計画を可能にすることです。このテクノロジーは、コンピューター上で特定の患者に対して実行される手術をシミュレートできます。これは、ほとんどのコンピューターに適応できるソフトウェアを使用する、シンプルで再現可能で無料の手法です。唯一の技術的な問題は、3DビルダーソフトウェアがWindowsオペレーティ?...

資料

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