회전 제거 근위 대퇴 절골술의 3차원 수술 전 가상 계획

Caterina Chiappe; Alejandro Roselló-Añón; Vicente Sanchis-Alfonso

doi:10.3791/64774

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기사 소개

요약
초록
서문
프로토콜
결과
토론
공개
감사의 말
자료
참고문헌
재인쇄 및 허가

요약

이 작업은 무료 오픈 소스 소프트웨어와 함께 3D 기술을 사용하여 상세한 수술 계획 프로토콜을 제시합니다. 이 프로토콜은 대퇴골 전향을 정확하게 정량화하고 전방 무릎 통증 치료를 위한 회전 제거 근위 대퇴 절골술을 시뮬레이션하는 데 사용할 수 있습니다.

초록

전방 무릎 통증 (AKP)은 청소년과 성인에게 흔한 병리학입니다. 증가된 대퇴골 전향(FAV)은 AKP를 포함한 많은 임상 증상을 나타냅니다. 증가된 FAV가 AKP의 기원에 중요한 역할을 한다는 증거가 늘어나고 있습니다. 또한, 이 동일한 증거는 좋은 임상 결과가 보고되었기 때문에 회전 탈회전 대퇴 절골술이 이러한 환자에게 유익하다는 것을 시사합니다. 그러나 이러한 유형의 수술은 정형외과 의사들 사이에서 널리 사용되지 않습니다.

정형외과 의사를 회전 절골술 분야로 끌어들이는 첫 번째 단계는 수술 전 수술 계획을 단순화하고 컴퓨터에서 수술 개입 결과를 미리 시각화할 수 있는 방법론을 제공하는 것입니다. 이를 위해 우리 실무 그룹은 3D 기술을 사용합니다. 수술 계획에 사용되는 영상 데이터 세트는 환자의 CT 스캔을 기반으로 합니다. 이 3D 방법은 오픈 액세스(OA)이므로 모든 정형외과 의사가 경제적 비용 없이 액세스할 수 있습니다. 또한 대퇴골 비틀림의 정량화뿐만 아니라 가상 수술 계획을 수행할 수 있습니다. 흥미롭게도 이 3D 기술은 전자간 회전 대퇴 절골술의 크기가 기형 교정과 1:1 관계를 나타내지 않는다는 것을 보여줍니다. 또한 이 기술은 절골술의 크기와 기형 교정 사이의 관계가 1:1이 되도록 절골술을 조정할 수 있습니다. 이 백서에서는 이 3D 프로토콜에 대해 간략하게 설명합니다.

서문

전방 무릎 통증(AKP)은 청소년과 젊은 성인에게 흔한 임상 문제입니다. 증가된 대퇴골 전향(FAV)이 AKP 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11의 기원에 중요한 역할을 한다는 증거가 늘어나고 있습니다 . 또한, 이 동일한 증거는 좋은 임상 결과가 보고되었기 때문에 회전 탈회전 대퇴 절골술이 이러한 환자에게 유익하다는 것을 시사합니다 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11 . 그러나, 이러한 유형의 수술은 정형외과 의사들 사이에서 일상적인 임상 실습에서 널리 사용되지 않으며, 특히 전방 무릎 통증을 앓고 있는 청소년 및 젊은 활동적인 환자의 경우²⁷, 많은 논란의 여지가 있는 측면이 불확실성을 야기하기 때문이다. 예를 들어, 절골술 후 얻은 교정이 이전에 계획된 것과 다른 경우가 있습니다. 즉, 절골술을 시행할 때 계획된 회전량과 교정된 FAV의 양 사이에 항상 1:1 비율이 있는 것은 아닙니다. 이 발견은 현재까지 연구되지 않았습니다. 따라서 본 논문의 주제입니다. 절골술로 시행한 회전의 크기와 FAV의 교정 크기 사이의 불일치를 설명하기 위해 절골술의 회전축과 대퇴골의 회전축이 일치하지 않을 수 있다는 가설을 세웠다.

해결해야 할 주요 문제 중 하나는 대퇴골 회전축과 절골술의 회전축을 정확하게 찾는 것입니다. 첫 번째 대퇴축은 환자의 진단 당시 CT 스캔에서 측정한 대퇴축이고, 두 번째 대퇴축은 절골술을 시행한 후 측정한 대퇴축입니다. 지난 10년 동안 3D 기술은 수술 전 계획, 특히 정형외과 수술 및 외상학에서 수술 기법을 단순화하고 최적화하기 위해 점점 더 중요해지고 있습니다^15,16. 3D 기술의 발전은 CT와 같은 3D 영상 검사에 기초한 해부학적 바이오모델의 생성을 지원해 왔으며, 이 시험에서는 맞춤형 보철 임플란트를 적용할 수 있고^17,18,19 골절의 경우 골합성 플레이트 를 성형할 수 있다^(20,21,22). 또한, 3D 계획은 대퇴골¹⁴의 일방적인 비틀림 변형에서 기형의 기원을 분석하기 위해 이전 연구에서 이미 사용되었습니다. 현재 시중에 나와 있는 대부분의 컴퓨터와 3D 프린터에 완전히 무료이며 적용할 수 있는 여러 소프트웨어 프로그램이 있으므로 전 세계 대부분의 외과의가 이 기술에 쉽게 액세스할 수 있습니다. 이 3D 계획을 통해 전자간 절골술을 시행한 후 대퇴골의 초기 회전축과 대퇴골의 회전축을 정확하게 계산할 수 있습니다. 이 연구의 주요 목적은 대퇴골 전자간 절골술의 회전축과 대퇴골의 회전축이 일치하지 않음을 입증하는 것입니다. 이 3D 기술을 사용하면 축 간의 이러한 불일치를 시각화하고 절골술 조정을 통해 수정할 수 있습니다. 궁극적인 목표는 이러한 유형의 수술에 대한 정형외과 의사의 더 큰 관심을 자극하는 것입니다.

3D 방법론을 사용하는 이 프로토콜은 네 가지 기본 단계로 수행됩니다. 먼저 CT 영상을 다운로드하고 CT 스캔의 DICOM(Digital Imaging and Communication in Medicine) 파일에서 3D 바이오 모델을 만듭니다. 고품질 CT 스캔은 더 나은 바이오모델을 허용하지만 환자가 더 많은 전리 방사선을 받는다는 것을 의미합니다. 바이오 모델을 사용한 수술 계획의 경우 기존 CT의 품질로 충분합니다. CT 스캔의 DICOM 영상은 CT 컷마다 하나의 파일이 있는 다양한 파일이 있는 폴더로 구성됩니다. 이러한 각 파일에는 CT 컷의 그래픽 정보뿐만 아니라 메타데이터 (이미지와 관련된 데이터)도 포함되어 있습니다. 이미지를 열려면 시리즈의 모든 파일(CT)이 있는 폴더가 있어야 합니다. 바이오모델은 파일 전체로부터 추출된다.

둘째, 3D 바이오 모델을 얻으려면 많은 유틸리티가 포함된 오픈 소스 프로그램인 3D Slicer 컴퓨터 프로그램을 다운로드해야 합니다. 또한 이것은 국제 3D 실험실에서 가장 널리 사용되는 컴퓨터 소프트웨어이며 비용이 전혀 들지 않고 메인 페이지에서 다운로드할 수 있다는 장점이 있습니다. 이 소프트웨어는 X-ray 이미지 뷰어이므로 DICOM 이미지를 프로그램으로 가져와야 합니다.

셋째, 3D 슬라이서로 얻은 첫 번째 바이오 모델은 CT 테이블이나 뼈 및 부드러운 부분과 같이 관심 없는 영역이 근처에 있기 때문에 최종 바이오 모델과 일치하지 않습니다. 바이오 모델은 3D 디자인 소프트웨어인 MeshMixer를 사용하여 거의 자동으로 "청소"되며, 공식 웹사이트에서 직접 무료로 다운로드할 수도 있습니다. 마지막으로 대퇴골 전향이 계산되고 Windows Store의 다른 무료 소프트웨어인 3D Builder를 사용하여 절골술을 시뮬레이션합니다.

프로토콜

이 연구는 우리 기관의 윤리위원회의 승인을 받았습니다(참조 2020-277-1). 환자는 CT 스캔 정보에 입각한 동의서에 서명했습니다.

1. CT 영상 다운로드

PACS(Picture Archiving and Communication System)에 액세스할 수 있습니다.
참고: 각 소프트웨어 패키지에는 PACS에 액세스하는 방법이 다르지만 모두 DICOM 형식으로 스터디를 다운로드할 수 있는 방법이 있습니다. 이것이 어떻게 수행되는지에 대한 질문이 있으면 센터의 시스템 관리자 또는 센터의 방사선 전문의에게 문의하십시오.
환자의 익명성을 유지하면서 DICOM 형식의 전체 CT 스캔을 다운로드하십시오.

2. 3D 바이오모델 획득 (보충 파일 1-그림 S1)

소프트웨어 3D 슬라이서를 다운로드하십시오 ( 재료 표 참조). 컴퓨터에 프로그램을 설치합니다.
CT 이미지를 DICOM 형식으로 가져옵니다.
1. 화면 왼쪽 상단 모서리에 있는 DCM 아이콘을 클릭합니다.
2. 화면 왼쪽의 DICOM 파일 가져오기를 클릭하고 CT 스터디가 DICOM 형식으로 저장된 폴더를 선택할 수 있는 창이 열릴 때까지 기다립니다.
3. 화면 오른쪽 상단의 "DummyPatName!"을 클릭합니다. 폴더에 CT 스터디가 두 개 이상 있는 경우 화면 하단에 가장 많은 이미지가 있는 "DummySeriesDesc!" 시리즈를 클릭합니다.
4. 오른쪽 하단 여백에 있는 로드 를 클릭합니다.
3D 바이오 모델을 만듭니다.
1. 화면 상단의 메뉴 모음을 클릭하고 DICOM이 나타날 때까지 기다립니다.
2. 드롭다운 메뉴에서 Legacy | 편집기 옵션. 표시되는 메시지에서 확인을 누릅니다(보충 File 1-그림 S2).
3. 화면 왼쪽에 새 메뉴가 나타날 때까지 기다립니다. 임계값 효과(Threshold Effect ) 아이콘을 클릭합니다.
4. 오른쪽 이미지에 뼈만 그려질 때까지 아래쪽 상자의 막대를 이동합니다. 이러한 방식으로 모델에 포함할 Hounsfield 단위의 값을 선택합니다.
5. 원하는 페인트 수준에 도달하면 적용을 클릭합니다. 선택 항목은 녹색으로 표시됩니다(보충 파일 1-그림 S3).
6. 사이드 메뉴에서 Make Model Effect 옵션을 선택합니다 (이전과 동일). 적용 (보충 파일 1-그림 S4)을 선택합니다.
7. 오른쪽 위 창에서 3D 모델이 생성됩니다. 황금색 프레임을 클릭하고 장면의 3D 뷰를 가운데에 배치하여 이미지를 창 중앙에 배치합니다(보충 파일 1-그림 S4).
바이오모델을 저장합니다(보충 파일 1-그림 S5).
1. 왼쪽 위 여백에서 저장을 클릭합니다.
2. 표시되는 상자에서 "tissue" 파일만 선택합니다(보충 파일 1-그림 S5).
3. 두 번째 열의 드롭다운 메뉴에서 STL을 선택합니다.
4. 세 번째 열의 드롭다운 메뉴에서 STL 파일을 저장할 위치를 선택합니다. Save( 저장)를 클릭합니다. 이 파일은 다음 단계에서 사용됩니다.

3. 바이오모델의 제조

MeshMixer 소프트웨어를 다운로드합니다( 재료 표 참조). 컴퓨터에 프로그램을 설치합니다.
1. 화면 중앙에 있는 가져오기 옵션을 선택하여 STL 이미지를 가져옵니다(보충 파일 1-그림 S6).
바이오 모델을 선택합니다.
1. 왼쪽 메뉴에서 선택 옵션을 찾습니다. 다음 주요 방법 중 하나를 사용하여 선택합니다.
2. 선택 도구를 사용하여 브러시의 두께를 선택하고 대퇴골을 두 번 클릭합니다(보충 파일 1-그림 S7). 대퇴골 만 분리 할 수 없다면 다른 뼈 구조나 부드러운 부분과 직접 접촉한다는 의미입니다. 이 경우 편집 | 메뉴에서 얼굴 그룹을 생성합니다(보충 파일 1-그림 S7). 각도 임계값 옵션을 사용하고 서로 다른 구조가 서로 다른 색상을 가질 때까지 막대를 움직여 조각이 분리된 것으로 인식되었음을 나타냅니다(보충 파일 1-그림 S8).
  1. 선택 도구를 사용하여 마우스 왼쪽 버튼을 누른 채 관심 있는 바이오모델 부분을 페인팅합니다.
  2. 선택 도구를 사용하여 모델 바깥쪽의 점을 클릭하고 마우스 왼쪽 버튼을 누른 채 관심 있는 부품이 포함된 원을 그립니다.
3. [선택] 도구를 사용하여 관심 있는 부분을 선택합니다. 선택 | 수정 | 사이드 메뉴에서 반전하고 Delete (보충 File 1-그림 S9)를 눌러 선택하지 않은 부분을 삭제합니다. 이 시점에서 깨끗한 대퇴골의 바이오모델을 얻습니다(보충 파일 1-그림 S9).
4. 모델을 솔리드로 만듭니다(보충 파일 1-그림 S10).
5. Edit( 편집) | 솔리드 만들기 | 솔리드 타입| 정확한.
6. 솔리드 정확도(Solid Accuracy) 및 메쉬 밀도(Mesh Density) 값을 최대화합니다.
바이오모델을 저장합니다. 측면 메뉴에서 내보내기 옵션을 선택합니다. STL 형식 과 바이오모델을 내보낼 폴더를 선택합니다.

4. 근위 대퇴골 전향의 계산

3D Builder 소프트웨어를 다운로드합니다( 재료 표 참조). 컴퓨터에 프로그램을 설치합니다.
참고: 이 프로그램은 컴퓨터의 운영 체제가 Windows인 경우에만 다운로드할 수 있습니다.
화면 상단의 삽입 아이콘을 클릭합니다(보충 파일 1-그림 S11). 추가를 클릭하여 바이오모델을 장면으로 가져옵니다(보충 파일 1-그림 S12).
참고: 마우스 왼쪽 버튼을 사용하면 개체를 회전하여 360° 보기로 볼 수 있습니다. 오른쪽 버튼을 사용하여 개체를 따라 스크롤 할 수 있습니다. 마우스의 중앙 휠을 사용하여 확대할 수 있습니다.
개체 | 물체를 작업 평면에 고정하여 대퇴골 과두와 trochanter 시장에 놓이도록하십시오.
알림: 물체를 y축에 수직으로 평행하고 작업 평면에 표시된 x축에 수직으로 배치하는 것이 좋습니다(보충 File 1-그림 S13).
대퇴 절골술을 시행하십시오.
1. Edit( 편집) | 상단 메뉴에서 분할 . 직사각형 컷 평면이 나타나면 둘 다 유지 (보충 파일 1-그림 S14)를 선택합니다.
  1. 화면 하단 여백에 있는 막대의 이동 모드 버튼을 사용하여 절단면을 수평 및 수직으로 이동합니다.
2. 화면 하단 여백에 있는 막대의 회전 모드 버튼을 사용하여 대퇴골 주위로 평면을 회전 합니다(롤: 90°, 피치: 0°, 요: 0°)(보충 File 1-그림 S14).
3. 절단면을 x축에 평행하고 y축에 수직으로 놓습니다. 스플릿을 클릭합니다. 이 경우, 경미한 전자기(intertrochanteric) 위의 절골술을 시행한다(보충 파일 1-그림 S15).
대퇴골 전향을 계산하십시오.
1. Murphy의 방법에 따라 프로그램의 3D 환경에서 이미지의 대퇴골 전향을 측정하기 위한 기준점을 설정하는 데 도움이 되는 가이드를 삽입합니다(보충 파일 1-그림 S16A,B). 가이드를 삽입하려면 삽입 | Add(추가)를 선택하고 3mf Supplementary File(3mf 추가 파일) 2를 선택합니다.
  참고: 이 가이드는 사내에서 설계되었으며 3mf 파일 보충 파일 2 는 이 문서에서 제공하는 보충 자료로 액세스할 수 있습니다. Murphy 3D 방법은 종래의 방법(¹¹ )과 동일한 방식으로 3D 환경에서 3개의 측정 지점을 설정하여 구현되었습니다. 대퇴골 두 수준의 일반적인 원주는 구체로 대체되었고, 측정은 trochanter minor의 수준에서 원주에 의해 설정되었습니다. 원위 참조로서, 원래의 Murphy 방법에서 정의 된대로 후방 과간 선이 취해졌습니다.
2. 화면 오른쪽에서 대퇴골의 근위 부분 만 선택하고 CTRL + X 를 클릭하여 선택 항목을 잘라냅니다. 이것이 대퇴골 골단이 나타나는 방식입니다(보충 파일 1-그림 S17).
3. 화면 오른쪽에서 빨간색 원형 안내선과 보라색 원형 안내 선(이렇게 하면 함께 있음)을 선택합니다. 아래쪽 여백 패널의 명령을 사용하여 안내선을 이동합니다.
  참고: 빨간색 안내선은 절골술의 회전축을 나타내고 보라색 안내선은 대퇴골의 회전축을 나타냅니다.
4. 가이드를 대퇴골 골격의 중앙에 놓고 아래쪽 가장자리 패널의 명령을 사용하여 크기를 조정합니다. 모든 가장자리가 뼈의 피질에 닿는지 확인하십시오(보충 파일 1-그림 S18).
  참고: 빨간색 원주와 보라색 원주의 두 개의 가이드를 처음 사용할 때 FAV를 측정하기 위해 마치 하나의 가이드처럼 블록으로 움직이도록 함께 선택되고 절골술 라인에서 작은 전자기 바로 위의 대퇴골 골절에 배치됩니다.
5. CTRL + V를 클릭하여 근위 대퇴골을 다시 붙여넣습니다(보충 파일 1-그림 S19).
6. 화면 오른쪽에 있는 구 만 선택합니다. 아래쪽 여백 패널의 명령을 사용하여 구 를 이동하고 대퇴골두 위에 배치합니다. 뼈 피질에 닿는 모든 가장자리를 포함하여 크기를 조정합니다(보충 파일 1-그림 S20).
7. 오른쪽의 근위 대퇴골을 선택하고 잘라냅니다 (CTRL + X).
8. 화면 오른쪽에 있는 빨간색 평면 만 선택합니다(보충 파일 1-그림 S21).
9. 아래쪽 여백 패널의 명령을 사용하여 빨간색 평면을 이동하고 구 의 중심과 원형 안내선의 중심을 통과하도록 배치합니다.
  참고: 하단 여백의 패널로 표시된 등급은 Murphy의 방법을 사용하여 CT에서 계산된 병리학적 대퇴골 전향과 일치합니다.
10. CTRL + V를 눌러 근위 대퇴골을 다시 붙여넣습니다(보충 File 1-그림 S22 A,B) .
근위 대퇴골의 회전 절골술을 시행합니다.
1. 근위 대퇴골 + 빨간색 둘레 (빨간색만) + 오른쪽의 구를 선택합니다.
2. 20°의 내부 회전 제거 근위 대퇴 절골술을 만듭니다(하단 여백 패널의 명령 사용, 피치에 20 추가)(보충 파일 1-그림 S23).
3. 새로운 대퇴골 전향을 측정합니다(보충 파일 1-그림 S24).
  참고: 두 개의 가이드는 절골술을 수행하는 데 다시 사용됩니다. 이 경우 근위 대퇴골과 함께 빨간색 안내선만 선택되고(근위 대퇴골이 회전할 때 빨간색 안내선도 회전함, 4.6.1단계), 보라색 안내선은 선택되지 않습니다(보충 파일 1-그림 S25). 이러한 방식으로 보라색 가이드는 대퇴골 골격에 남아 있으며 근위 대퇴골의 회전에 참여하지 않습니다.
  1. 근위 대퇴골 + 빨간색 둘레를 선택하고 CTRL + X 를 눌러 이 두 요소를 자릅니다.
  2. 빨간색 평면만 선택하고 구의 중심과 자주색 원형 안내선의 중심을 통과하도록 배치합니다.
    참고: 절골술의 크기와 기형 교정 사이의 1:1 관계는 근위 대퇴골의 회전 해제가 대퇴골의 해부학적 축을 따르지 않기 때문에 달성되지 않습니다.
회전 절골술의 조정을 수행하십시오.
1. 대퇴골 골격 + 빨간색 평면을 선택합니다. Ctrl + X 를 눌러 잘라냅니다(그림 27). (보충 파일 1-그림 S25).
2. 근위 대퇴골 + 구 + 빨간색 둘레를 선택합니다.
3. 빨간색 원주의 중심이 보라색 원주의 중심과 일치하도록 세 요소를 일괄적으로 이동합니다(보충 파일 1-그림 S26).
4. 조정을 통해 새로운 대퇴골 전전을 다시 계산합니다(보충 파일 1-그림 S27).
  참고: 이 3D 방법을 통해 대퇴골의 회전축과 절골술의 회전축이 일치하지 않는 것을 알 수 있습니다. 이러한 이유로 원래의 대퇴 축과 절골 축이 일치하도록 두 가이드를 재정렬하는 조정이 필요합니다.

결과

대퇴골 전향은 다른 방법으로 측정 할 수 있습니다. 그들 중 일부는 목 중앙을 통과하는 선과 대퇴골 과두를 통과하는 선을 참조로 사용하여 대퇴골 경부에 초점을 맞춥니다. 다른 사람들은 더 작은 trochanter²³에 세 번째 기준점을 추가합니다. 임상-방사선학적 관계가 가장 우수하기 때문에 임상에서 가장 신뢰할 수 있는 Murphy의 방법은 세 번째 기준점^25,26

토론

이 연구의 가장 중요한 발견은 3D 기술을 통해 근위 외부 회전 제거 대퇴 절골술을 계획할 수 있다는 것입니다. 이 기술은 컴퓨터에서 특정 환자에게 수행될 수술을 시뮬레이션할 수 있습니다. 대부분의 컴퓨터에 적용할 수 있는 소프트웨어를 사용하는 간단하고 재현 가능하며 자유로운 기술입니다. 유일한 기술적 문제는 3D 빌더 소프트웨어가 Windows 운영 체제에서만 작동한다는 것입니다. 주요 한...

공개

저자는 공개할 이해 상충이 없습니다.

감사의 말

저자는 인정하지 않습니다.

자료

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

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