Planejamento Virtual Tridimensional Pré-Operatório na Osteotomia Femoral Proximal Derotacional

Resumo

Este trabalho apresenta um protocolo detalhado de planejamento cirúrgico utilizando tecnologia 3D com software livre de código aberto. Este protocolo pode ser utilizado para quantificar corretamente a anteversão femoral e simular a osteotomia femoral proximal derotacional para o tratamento da dor anterior do joelho.

Resumo

A dor anterior no joelho (KA) é uma patologia comum entre adolescentes e adultos. O aumento da anteversão femoral (FAV) tem muitas manifestações clínicas, incluindo AKP. Há evidências crescentes de que o aumento da FAV desempenha um papel importante na gênese do AKP. Além disso, essas mesmas evidências sugerem que a osteotomia femoral derotacional é benéfica para esses pacientes, uma vez que bons resultados clínicos têm sido relatados. Entretanto, esse tipo de cirurgia não é muito utilizado entre os cirurgiões ortopédicos.

O primeiro passo para atrair cirurgiões ortopédicos para o campo da osteotomia rotacional é dar-lhes uma metodologia que simplifique o planejamento cirúrgico pré-operatório e permita a pré-visualização dos resultados das intervenções cirúrgicas em computadores. Para isso, nosso grupo de trabalho utiliza a tecnologia 3D. O conjunto de dados de imagem usado para o planejamento cirúrgico é baseado em uma tomografia computadorizada do paciente. Este método 3D é de acesso aberto (OA), ou seja, é acessível a qualquer cirurgião ortopédico sem custo econômico. Além disso, permite não só a quantificação da torção femoral, mas também a realização de planejamento cirúrgico virtual. Curiosamente, esta tecnologia 3D mostra que a magnitude da osteotomia femoral rotacional intertrocantérica não apresenta uma relação de 1:1 com a correção da deformidade. Além disso, essa tecnologia permite o ajuste da osteotomia para que a relação entre a magnitude da osteotomia e a correção da deformidade seja de 1:1. Este artigo descreve este protocolo 3D.

Introdução

A dor anterior no joelho (AKP) é um problema clínico comum entre adolescentes e adultos jovens. Há um crescente corpo de evidências de que o aumento da anteversão femoral (FAV) desempenha um papel importante na gênese do AKP 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11 . Além disso, essas mesmas evidências sugerem que a osteotomia femoral derotacional é benéfica para esses pacientes, uma vez que bons resultados clínicos têm sido relatados1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11 . Entretanto, esse tipo de cirurgia não é amplamente utilizado na prática clínica diária entre os cirurgiões ortopédicos, principalmente nos casos de adolescentes e pacientes jovens ativos com dor anterior no^joelho27, pois os muitos aspectos controversos geram incertezas. Por exemplo, observou-se que, algumas vezes, a correção obtida após a osteotomia não é a planejada anteriormente. Ou seja, nem sempre há uma relação de 1:1 entre a quantidade de rotação planejada na realização da osteotomia e a quantidade de FAV corrigida. Esse achado não foi estudado até o momento. Portanto, é o tema do presente artigo. Para explicar a discrepância entre a magnitude da rotação realizada com a osteotomia e a magnitude da correção da FAV, hipotetizou-se que o eixo de rotação da osteotomia e o eixo de rotação do fêmur podem não coincidir.

Um dos principais problemas a serem resolvidos é a localização precisa do eixo de rotação femoral e do eixo de rotação da osteotomia. O primeiro eixo femoral é o eixo femoral medido na TC no momento do diagnóstico do paciente, enquanto o segundo eixo femoral é o eixo femoral medido após a realização da osteotomia. Na última década, a tecnologia 3D tornou-se cada vez mais importante no planejamento pré-operatório, especialmente em cirurgia e traumatologia ortopédicas, por simplificar e otimizar as técnicas^{cirúrgicas15,16}. O desenvolvimento da tecnologia 3D tem apoiado a criação de biomodelos anatômicos baseados em exames de imagem 3D, como a TC, em que implantes protéticos personalizados podem ser adaptados^17,18,19 e placas de osteossíntese podem ser moldadas no caso de fraturas^20,21,22. Além disso, o planejamento 3D já foi utilizado em estudos anteriores para analisar a origem da deformidade nas alterações torcionais unilaterais do^fêmur14. Atualmente, existem diversos softwares totalmente gratuitos e adaptáveis à maioria dos computadores e impressoras 3D do mercado, tornando essa tecnologia facilmente acessível à maioria dos cirurgiões do mundo. Esse planejamento 3D permite o cálculo preciso do eixo inicial de rotação do fêmur e do eixo de rotação do fêmur após a realização da osteotomia intertrocantérica. O objetivo principal deste estudo é demonstrar que o eixo de rotação da osteotomia intertrocantérica femoral e o eixo de rotação do fêmur não coincidem. Essa tecnologia 3D permite visualizar essa discrepância entre os eixos e corrigi-la através de um ajuste da osteotomia. O objetivo final é estimular um maior interesse dos cirurgiões ortopédicos por esse tipo de cirurgia.

Este protocolo com metodologia 3D é conduzido em quatro etapas fundamentais. Primeiro, as imagens de TC são baixadas, e o biomodelo 3D é criado a partir dos arquivos DICOM (Digital Imaging and Communication in Medicine) da tomografia computadorizada. Exames de TC de maior qualidade permitem melhores biomodelos, mas significam que o paciente recebe mais radiação ionizante. Para o planejamento cirúrgico com biomodelos, a qualidade da TC convencional é suficiente. A imagem DICOM de uma tomografia computadorizada consiste em uma pasta com muitos arquivos diferentes, com um arquivo para cada corte de TC feito. Cada um desses arquivos contém não apenas as informações gráficas do corte CT, mas também os metadados (dados associados à imagem). Para abrir a imagem, é essencial ter uma pasta com todos os arquivos da série (o CT). O biomodelo é extraído da totalidade dos arquivos.

Em segundo lugar, para obter o biomodelo 3D, é necessário baixar o programa de computador 3D Slicer, um programa de código aberto com muitas utilidades. Além disso, este é o software de computador mais utilizado em laboratórios 3D internacionais e tem a vantagem de ser totalmente gratuito e descarregável a partir da sua página principal. Como este software é um visualizador de imagens de raios-X, a imagem DICOM deve ser importada para o programa.

Terceiro, o primeiro biomodelo obtido com o 3D Slicer não coincidirá com o definitivo, pois haverá regiões como a mesa de TC ou ossos e partes moles próximos que não são de interesse. O biomodelo é "limpo" quase automaticamente com o software de design 3D, MeshMixer, que também pode ser baixado diretamente de seu site oficial gratuitamente. Finalmente, a anteversão femoral é calculada, e a osteotomia é simulada usando outro software livre da Windows Store, o 3D Builder.

Protocolo

O estudo foi aprovado pelo comitê de ética de nossa instituição (referência 2020-277-1). Os pacientes assinaram o termo de consentimento livre e esclarecido da TC.

1. Download das imagens da TC

1. Obtenha acesso a um sistema de arquivamento e comunicação de imagens (PACS).
   NOTA: Cada pacote de software tem uma maneira diferente de acessar um PACS, mas todos eles têm uma maneira de baixar um estudo no formato DICOM. Se houver alguma dúvida sobre como isso é feito, pergunte ao administrador do sistema do centro ou aos radiologistas do centro.
2. Faça o download da tomografia computadorizada completa no formato DICOM, mantendo o anonimato do paciente.

2. Obtenção do biomodelo 3D (Arquivo Suplementar 1-Figura S1)

1. Faça o download do software 3D Slicer (consulte a Tabela de Materiais). Instale o programa no computador.
2. Importe as imagens de TC no formato DICOM.
   1. Clique no ícone do DCM no canto superior esquerdo da tela.
   2. Clique em Importar arquivos DICOM no lado esquerdo da tela, e aguarde a abertura de uma janela que possibilite escolher a pasta onde o estudo de TC é salvo no formato DICOM.
   3. Clique em "DummyPatName!" no canto superior direito da tela. Se a pasta tiver mais de um estudo de TC, clique na série "DummySeriesDesc!" com o maior número de imagens na parte inferior da tela.
   4. Clique em Carregar na margem inferior direita.
3. Crie o biomodelo 3D.
   1. Clique na barra de menus na parte superior da tela e aguarde até que o DICOM apareça.
   2. No menu suspenso, escolha o Legado | Opção de editor . Pressione ok na mensagem que aparece (Arquivo Suplementar 1-Figura S2).
   3. Aguarde até que um novo menu apareça no lado esquerdo da tela. Clique no ícone Efeito de limiar .
   4. Mova a barra na caixa inferior até que apenas o osso seja pintado nas imagens à direita. Dessa forma, selecione o valor das unidades Hounsfield a serem incluídas no modelo.
   5. Quando o nível de pintura desejado for atingido, clique em Aplicar. A seleção é marcada com a cor verde (Arquivo Suplementar 1-Figura S3).
   6. Selecione a opção Fazer efeito de modelo no menu lateral (o mesmo que o anterior). Selecione Aplicar (Arquivo Suplementar 1-Figura S4).
   7. Na janela superior direita, o modelo 3D é gerado. Clique na moldura dourada, centralize a visualização 3D na cena, para centralizar a imagem no centro da janela (Arquivo Suplementar 1-Figura S4).
4. Salve o biomodelo (Arquivo Suplementar 1-Figura S5).
   1. Clique em Salvar na margem superior esquerda.
   2. Na caixa que aparece, selecione apenas o arquivo "tissue" (Arquivo Suplementar 1-Figura S5).
   3. Na segunda coluna, no menu suspenso, selecione STL.
   4. Na terceira coluna, no menu suspenso, escolha onde salvar o arquivo STL. Clique em Salvar. Este é o arquivo que será usado nas etapas a seguir.

3. Preparação do biomodelo

1. Faça o download do software MeshMixer (consulte a Tabela de Materiais). Instale o programa no computador.
   1. Importe a imagem STL selecionando a opção Importar no centro da tela (Arquivo Suplementar 1-Figura S6).
2. Selecione o biomodelo.
   1. Procure a opção Selecionar no menu do lado esquerdo. Use qualquer um dos seguintes métodos principais para selecionar.
   2. Use a ferramenta Selecionar , selecione a espessura do pincel e clique duas vezes no fêmur (Arquivo Suplementar 1-Figura S7). Se não for possível separar apenas o fêmur, significa que ele tem contato direto com outras estruturas ósseas ou partes moles; nesse caso, selecione Editar | Gere grupos de faces a partir do menu (Arquivo Suplementar 1-Figura S7). Use a opção Limiar de ângulo e mova a barra até que as diferentes estruturas tenham uma cor diferente, indicando que as peças foram reconhecidas como separadas (Arquivo Suplementar 1-Figura S8).
      1. Com a ferramenta Selecionar , mantenha pressionado o botão esquerdo do mouse enquanto pinta a parte do biomodelo de interesse.
      2. Com a ferramenta Selecionar , clique em um ponto fora do modelo e mantenha pressionado o botão esquerdo do mouse enquanto pinta um círculo que inclui a parte de interesse.
   3. Use a ferramenta Selecionar para selecionar a parte de interesse. Procure a opção Selecionar | Modificar | Inverta no menu lateral e pressione Delete (Supplementary File 1-Figure S9) para excluir as partes não selecionadas. Nessa conjuntura, obtém-se o biomodelo do fêmur limpo (Arquivo Suplementar 1-Figura S9).
   4. Torne o modelo sólido (Arquivo Suplementar 1-Figura S10).
   5. Navegue até Editar | Fazer Sólido | Tipo Sólido| Exato.
   6. Maximize os valores de Precisão de Sólidos e Densidade de Malha .
3. Salve o biomodelo. Selecione a opção Exportar no menu lateral. Selecione o formato STL e a pasta para a qual o biomodelo é exportado.

4. Cálculo da anteversão femoral proximal

1. Faça o download do software 3D Builder (consulte a Tabela de Materiais). Instale o programa no computador.
   Observação : O programa só pode ser baixado se o sistema operacional do computador é Windows.
2. Clique no ícone Inserir na parte superior da tela (Arquivo Suplementar 1-Figura S11). Clique em Adicionar para importar o biomodelo para a cena (Arquivo Suplementar 1-Figura S12).
   Observação : o botão esquerdo do mouse torna possível girar o objeto para vê-lo em uma exibição de 360 °. Com o botão direito, é possível rolar ao longo do objeto. A roda central do mouse permite o zoom.
3. Clique em Objeto | Acomode-se para fixar o objeto no plano de trabalho de modo que ele descanse sobre os côndilos femorais e o trocanter mayor.
   NOTA: É aconselhável colocar o objeto verticalmente paralelo ao eixo y e perpendicular ao eixo x marcado no plano de trabalho (Arquivo Suplementar 1-Figura S13).
4. Realizar a osteotomia femoral.
   1. Clique em Editar | Divida a partir do menu superior. Quando um plano de corte retangular for exibido, selecione Manter ambos (Arquivo suplementar 1-Figura S14).
      1. Use o botão Modo de Movimentação na barra na margem inferior da tela para mover o plano de corte horizontal e verticalmente.
   2. Use o botão Girar Modo na barra na margem inferior da tela para girar o plano ao redor do fêmur (Rolo: 90°, Inclinação: 0°, Inclinação: 0°) (Arquivo Suplementar 1-Figura S14).
   3. Coloque o plano de corte paralelo ao eixo x e perpendicular ao eixo y. Clique em Dividir. Neste caso, realizar a osteotomia acima do trocanter menor (intertrocantérico) (Arquivo Suplementar 1-Figura S15).
5. Calcular a anteversão femoral.
   1. Inserir as guias, que ajudam a estabelecer os pontos de referência para medir a anteversão femoral na imagem no ambiente 3D do programa de acordo com o método de Murphy (Arquivo Suplementar 1-Figura S16A,B). Para inserir os guias, clique em Inserir | Adicione e escolha o Arquivo Suplementar 3mf 2.
      NOTA: Esses guias foram projetados internamente e o arquivo 3mf Arquivo Suplementar 2 está acessível como um material suplementar fornecido neste artigo. O método 3D de Murphy foi implementado estabelecendo-se três pontos de medida da mesma forma que no método^{convencional11} , porém em ambiente 3D. A circunferência habitual ao nível da cabeça femoral foi substituída por uma esfera, e a medida foi estabelecida por uma circunferência ao nível do trocanter menor. Como referência distal, tomou-se a linha intercondilar posterior, conforme definido no método de Murphy original.
   2. Selecione apenas a parte proximal do fêmur no lado direito da tela e clique em CTRL + X para cortar a seleção. É assim que surge a diáfise femoral (Arquivo Suplementar 1-Figura S17).
   3. Selecione a guia circular vermelha e a guia circular roxa (isso significa que elas estarão juntas) no lado direito da tela. Use os comandos no painel de margem inferior para mover as guias.
      OBS: A guia vermelha representa o eixo de rotação da osteotomia, enquanto a guia violeta representa o eixo de rotação do fêmur.
   4. Coloque as guias no centro da diáfise femoral e use os comandos do painel da margem inferior para ajustar o tamanho. Certifique-se de que todas as bordas tocam o córtex do osso (Arquivo Suplementar 1-Figura S18).
      OBS: Quando os dois guias, a circunferência vermelha e a circunferência roxa, são utilizados pela primeira vez, eles são selecionados juntos para que se movam em bloco, como se fossem um guia, para medir a FAV, e são colocados na diáfise femoral logo acima do trocanter menor na linha da osteotomia.
   5. Clique em CTRL + V para colar novamente o fêmur proximal (Arquivo Suplementar 1-Figura S19).
   6. Selecione apenas a esfera no lado direito da tela. Use os comandos no painel da margem inferior para mover a esfera e colocá-la no topo da cabeça femoral. Ajuste o tamanho, incluindo todas as bordas que tocam o córtex ósseo (Arquivo Suplementar 1-Figura S20).
   7. Selecionar o fêmur proximal do lado direito e cortá-lo (CTRL + X).
   8. Selecione apenas o plano vermelho no lado direito da tela (Arquivo Suplementar 1-Figura S21).
   9. Use os comandos no painel da margem inferior para mover o plano vermelho e coloque-o de modo que ele passe pelo centro da esfera e pelo centro das guias circulares.
      OBS: Os graus marcados pelo painel na margem inferior correspondem à anteversão femoral patológica calculada na TC pelo método de Murphy.
   10. Pressione CTRL + V para colar o fêmur proximal novamente (Arquivo Suplementar 1-Figura S22 A,B) .
6. Realizar a osteotomia rotacional do fêmur proximal.
   1. Selecione o fêmur proximal + a circunferência vermelha (somente a vermelha) + a esfera do lado direito.
   2. Realizar uma osteotomia femoral proximal derotacional interna de 20° (utilizar os comandos no painel da margem inferior; acrescentar 20 no Pitch) (Arquivo Suplementar 1-Figura S23).
   3. Medir a nova anteversão femoral (Arquivo Suplementar 1-Figura S24).
      OBS: Os dois guias são utilizados novamente para a realização da osteotomia. Neste caso, apenas o guia vermelho é selecionado juntamente com o fêmur proximal (de modo que, quando o fêmur proximal gira, o guia vermelho também gira; passo 4.6.1), enquanto o guia violeta não é selecionado (Arquivo Suplementar 1-Figura S25). Dessa forma, o guia violeta permanece na diáfise femoral e não participa da rotação do fêmur proximal.
      1. Selecione o fêmur proximal + a circunferência vermelha e pressione CTRL + X para cortar esses dois elementos.
      2. Selecione apenas o plano vermelho e coloque-o de modo que ele passe pelo centro da esfera e pelo centro da guia circular roxa.
         OBS: Não se consegue uma relação de 1:1 entre a magnitude da osteotomia e a correção da deformidade, pois a derotação do fêmur proximal não segue o eixo anatômico do fêmur.
7. Realizar o ajuste da osteotomia rotacional.
   1. Selecione a diáfise femoral + o plano vermelho. Pressione CTRL + X para cortar (Figura 27). (Arquivo Suplementar 1-Figura S25).
   2. Selecione o fêmur proximal + a esfera + a circunferência vermelha.
   3. Mova os três elementos em bloco para que o centro da circunferência vermelha corresponda ao centro da circunferência roxa (Arquivo Suplementar 1-Figura S26).
   4. Recalcular a nova anteversão femoral com o ajuste realizado (Arquivo Suplementar 1-Figura S27).
      OBS: Através deste método 3D, mostra-se que o eixo de rotação do fêmur e o eixo de rotação da osteotomia não coincidem. Por esse motivo, é necessário fazer um ajuste que envolva o realinhamento dos dois guias para que o eixo femoral original e o eixo da osteotomia coincidam.

Resultados

A anteversão femoral pode ser medida por diferentes métodos. Alguns deles enfocam o colo femoral, tendo como referência a linha que passa pelo centro do pescoço e outra que passa pelos côndilos femorais. Outros acrescentam um terceiro ponto de referência no trocanter menor²³. O método de Murphy, o mais confiável na prática clínica por apresentar a melhor relação clínico-radiológica, é um desses métodos utilizando um terceiro ponto de^{referência25,26}

Discussão

O achado mais importante deste estudo é que a tecnologia 3D permite o planejamento da osteotomia femoral externa derotacional proximal. Essa tecnologia pode simular a cirurgia que será realizada em um paciente específico no computador. É uma técnica simples, reprodutível e gratuita que utiliza softwares adaptáveis à maioria dos computadores. O único problema técnico pode ser que o software construtor 3D funciona apenas com o sistema operacional Windows. A principal limitação é a curva de aprendizado. Este pr...

Materiais

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