Трехмерное предоперационное виртуальное планирование при деротационной проксимальной остеотомии бедренной кости

Резюме

В этой работе представлен подробный протокол хирургического планирования с использованием 3D-технологий с бесплатным программным обеспечением с открытым исходным кодом. Этот протокол может быть использован для правильной количественной оценки антеверсии бедренной кости и моделирования деротационной проксимальной остеотомии бедренной кости для лечения боли в передней части колена.

Аннотация

Боль в переднем колене (АКП) является распространенной патологией среди подростков и взрослых. Повышенная антеверсия бедренной кости (FAV) имеет множество клинических проявлений, включая AKP. Появляется все больше доказательств того, что увеличение FAV играет важную роль в генезисе ПСР. Кроме того, эти же данные свидетельствуют о том, что деротационная остеотомия бедренной кости полезна для этих пациентов, поскольку сообщалось о хороших клинических результатах. Однако этот вид хирургического вмешательства не получил широкого распространения среди хирургов-ортопедов.

Первым шагом в привлечении хирургов-ортопедов в область ротационной остеотомии является предоставление им методики, упрощающей предоперационное хирургическое планирование и позволяющей предварительно визуализировать результаты хирургических вмешательств на компьютерах. Для этого наша рабочая группа использует 3D-технологии. Набор данных визуализации, используемый для хирургического планирования, основан на компьютерной томографии пациента. Этот 3D-метод имеет открытый доступ (OA), что означает, что он доступен любому хирургу-ортопеду без каких-либо экономических затрат. Кроме того, он позволяет не только количественно оценить перекрут бедренной кости, но и провести виртуальное хирургическое планирование. Интересно, что эта 3D-технология показывает, что величина межвертельной ротационной остеотомии бедренной кости не представляет соотношения 1:1 с коррекцией деформации. Кроме того, эта технология позволяет корректировать остеотомию таким образом, чтобы соотношение между величиной остеотомии и коррекцией деформации составляло 1:1. В этой статье описывается этот 3D-протокол.

Введение

Боль в передней части колена (AKP) является распространенной клинической проблемой среди подростков и молодых людей. Появляется все больше доказательств того, что повышенная антеверсия бедренной кости (FAV) играет важную роль в генезисе AKP 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11 . Кроме того, эти же данные свидетельствуют о том, что деротационная остеотомия бедренной кости полезна для этих пациентов, поскольку были зарегистрированы хорошие клинические результаты 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11 . Однако этот тип хирургического вмешательства не получил широкого распространения в повседневной клинической практике хирургов-ортопедов, особенно в случаях подростков и молодых активных пациентов с болью в передней части колена²⁷, поскольку многие спорные аспекты порождают неопределенность. Например, было замечено, что иногда коррекция, полученная после остеотомии, не такая, как планировалось ранее. То есть не всегда существует соотношение 1:1 между величиной вращения, запланированной при выполнении остеотомии, и величиной скорректированного FAV. Этот вывод до настоящего времени не изучен. Таким образом, он является предметом настоящего документа. Чтобы объяснить несоответствие величины вращения, выполняемого при остеотомии, и величины коррекции FAV, была выдвинута гипотеза, что ось вращения остеотомии и ось вращения бедренной кости могут не совпадать.

Одной из основных проблем, требующих решения, является точное определение оси вращения бедренной кости и оси вращения остеотомии. Первая бедренная ось — это бедренная ось, измеренная на компьютерной томографии во время постановки диагноза пациенту, а вторая бедренная ось — это бедренная ось, измеренная после выполнения остеотомии. За последнее десятилетие 3D-технологии приобретают все большее значение в предоперационном планировании, особенно в ортопедической хирургии и травматологии, для упрощения и оптимизации хирургических методов^15,16. Развитие 3D-технологий поддержало создание анатомических биомоделей на основе тестов 3D-визуализации, таких как КТ, в которых индивидуальные ортопедические имплантаты могут быть адаптированы^17,18,19, а пластины остеосинтеза могут быть отлиты в случае переломов^20,21,22. Кроме того, 3D-планирование уже использовалось в предыдущих исследованиях для анализа происхождения деформации при односторонних торсионных изменениях бедренной кости¹⁴. В настоящее время существует несколько программ, которые полностью бесплатны и адаптируются к большинству компьютеров и 3D-принтеров на рынке, что делает эту технологию легко доступной для большинства хирургов в мире. Это 3D-планирование позволяет точно рассчитать начальную ось вращения бедренной кости и ось вращения бедренной кости после выполнения межвертельной остеотомии. Основная цель данного исследования – продемонстрировать, что ось вращения бедренной межвертельной остеотомии и ось вращения бедренной кости не совпадают. Эта 3D-технология позволяет визуализировать это несоответствие между осями и исправить его с помощью регулировки остеотомии. Конечная цель состоит в том, чтобы стимулировать больший интерес со стороны хирургов-ортопедов к этому типу хирургии.

Этот протокол с 3D-методологией проводится в четыре основных этапа. Сначала загружаются снимки КТ, и создается 3D-биомодель из файлов DICOM (Digital Imaging and Communication in Medicine) компьютерной томографии. Более качественная компьютерная томография позволяет получить лучшие биомодели, но означает, что пациент получает больше ионизирующего излучения. Для хирургического планирования с использованием биомоделей достаточно качества обычной КТ. DICOM-изображение компьютерной томографии состоит из папки с множеством различных файлов, по одному файлу для каждого сделанного разреза КТ. Каждый из этих файлов содержит не только графическую информацию о разрезе КТ, но и метаданные (данные, связанные с изображением). Чтобы открыть изображение, необходимо иметь папку со всеми файлами серии (CT). Биомодель извлекается из совокупности файлов.

Во-вторых, чтобы получить 3D-биомодель, необходимо загрузить компьютерную программу 3D Slicer, программу с открытым исходным кодом и множеством утилит. Кроме того, это наиболее широко используемое компьютерное программное обеспечение в международных 3D-лабораториях, которое имеет то преимущество, что оно совершенно бесплатно и может быть загружено с его главной страницы. Поскольку это программное обеспечение является средством просмотра рентгеновских изображений, изображение DICOM должно быть импортировано в программу.

В-третьих, первая биомодель, полученная с помощью 3D Slicer, не будет совпадать с окончательной, потому что поблизости будут такие области, как стол КТ или кости и мягкие части, которые не представляют интереса. Биомодель «очищается» почти автоматически с помощью программного обеспечения для 3D-дизайна MeshMixer, которое также можно бесплатно загрузить прямо с официального сайта. Наконец, вычисляется антеверсия бедренной кости, и остеотомия моделируется с помощью другого бесплатного программного обеспечения из Магазина Windows, 3D Builder.

протокол

Исследование было одобрено комитетом по этике нашего учреждения (ссылка 2020-277-1). Пациенты подписывали информированное согласие на компьютерную томографию.

1. Загрузка снимков КТ

1. Получите доступ к системе архивирования и передачи изображений (PACS).
   ПРИМЕЧАНИЕ: Каждый программный пакет имеет свой способ доступа к PACS, но все они имеют способ загрузки исследования в формате DICOM. Если есть вопрос относительно того, как это делается, задайте его системному администратору центра или рентгенологам центра.
2. Загрузите полный снимок КТ в формате DICOM, сохраняя анонимность пациента.

2. Получение 3D-биомодели (дополнительный файл 1-рисунок S1)

1. Загрузите программу 3D Slicer (см. Таблицу материалов). Установите программу на компьютер.
2. Импортируйте снимки КТ в формате DICOM.
   1. Нажмите на значок DCM в верхнем левом углу экрана.
   2. Нажмите « Импорт файлов DICOM» в левой части экрана и дождитесь открытия окна, позволяющего выбрать папку, в которой будет сохранено исследование КТ в формате DICOM.
   3. Нажмите «DummyPatName!» в правом верхнем углу экрана. Если в папке есть более одного исследования КТ, нажмите на серию «DummySeriesDesc!» с наибольшим количеством изображений в нижней части экрана.
   4. Нажмите « Загрузить » в правом нижнем углу.
3. Создайте 3D-биомодель.
   1. Щелкните строку меню в верхней части экрана и дождитесь появления DICOM.
   2. В раскрывающемся меню выберите Наследие | Опция редактора . Нажмите OK в появившемся сообщении (дополнительный файл 1-рисунок S2).
   3. Подождите, пока в левой части экрана не появится новое меню. Нажмите на значок «Пороговый эффект ».
   4. Перемещайте полосу в нижнем поле до тех пор, пока на изображениях справа не будет нарисована только кость. Таким образом, выберите значение единиц Hounsfield, которые будут включены в модель.
   5. Как только желаемый уровень краски будет достигнут, нажмите «Применить». Выделение помечено зеленым цветом (дополнительный файл 1-рисунок S3).
   6. Выберите опцию «Создать эффект модели» в боковом меню (то же, что и в предыдущем). Выберите «Применить» (дополнительный файл 1-рисунок S4).
   7. В правом верхнем окне создается 3D-модель. Нажмите на золотую рамку, центрируйте 3D-вид на сцене, чтобы центрировать изображение в центре окна (дополнительный файл 1-рисунок S4).
4. Сохраните биомодель (дополнительный файл 1-рисунок S5).
   1. Нажмите « Сохранить » в верхнем левом поле.
   2. В появившемся окне выберите только файл «ткань» (Supplementary File 1-Figure S5).
   3. Во втором столбце в выпадающем меню выберите STL.
   4. В третьем столбце в выпадающем меню выберите, где сохранить файл STL. Нажмите « Сохранить». Это файл, который будет использоваться на следующих шагах.

3. Подготовка биомодели

1. Загрузите программное обеспечение MeshMixer (см. Таблицу материалов). Установите программу на компьютер.
   1. Импортируйте изображение STL, выбрав опцию «Импорт » в центре экрана (дополнительный файл 1-рисунок S6).
2. Выберите биомодель.
   1. Найдите опцию « Выбрать » в меню слева. Используйте любой из следующих основных методов для выбора.
   2. Используйте инструмент « Выделение », выберите толщину кисти и дважды щелкните бедренную кость (дополнительный файл 1-рисунок S7). Если нет возможности отделить только бедренную кость, значит, она имеет непосредственный контакт с другими костными структурами или мягкими частями; в этом случае выберите «Правка» | Сгенерируйте группы лиц из меню (дополнительный файл 1-рисунок S7). Используйте параметр « Порог угла» и перемещайте полосу до тех пор, пока различные структуры не приобретут разный цвет, указывая на то, что части были распознаны как отдельные (дополнительный файл 1-рисунок S8).
      1. С помощью инструмента « Выделение » удерживайте левую кнопку мыши, рисуя интересующую часть биомодели.
      2. С помощью инструмента « Выделение » щелкните точку за пределами модели и, удерживая левую кнопку мыши, рисуйте круг, включающий интересующую деталь.
   3. Используйте инструмент « Выделение », чтобы выбрать интересующую часть. Найдите опцию Выбрать | Изменить | Инвертируйте в боковом меню и нажмите Delete (дополнительный файл 1-рисунок S9), чтобы удалить невыбранные части. На этом этапе получена биомодель чистой бедренной кости (дополнительный файл 1-рисунок S9).
   4. Сделайте модель сплошной (дополнительный файл 1-рисунок S10).
   5. Перейдите в раздел «Правка» | Сделать твердым | Сплошной тип | Точно.
   6. Увеличьте значения точности твердого тела и плотности сетки .
3. Сохраните биомодель. Выберите опцию «Экспорт » в боковом меню. Выберите формат STL и папку, в которую экспортируется биомодель.

4. Расчет проксимальной антеверсии бедренной кости

1. Загрузите программное обеспечение 3D Builder (см. Таблицу материалов). Установите программу на компьютер.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Программа может быть загружена только в том случае, если операционная система компьютера - Windows.
2. Нажмите на значок «Вставить » в верхней части экрана (дополнительный файл 1-рисунок S11). Нажмите « Добавить », чтобы импортировать биомодель в сцену (дополнительный файл 1-рисунок S12).
   ПРИМЕЧАНИЕ: Левая кнопка мыши позволяет повернуть объект, чтобы увидеть его в обзоре на 360°. С помощью правой кнопки можно прокручивать объект. Центральное колесико мыши позволяет увеличивать масштаб.
3. Нажмите на Объект | Поселитесь , чтобы закрепить предмет на рабочей плоскости так, чтобы он опирался на мыщелки бедренной кости и вертел.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Желательно размещать объект вертикально параллельно оси Y и перпендикулярно оси X, отмеченной на рабочей плоскости (дополнительный файл 1-рисунок S13).
4. Выполните остеотомию бедренной кости.
   1. Нажмите « Изменить» | Разделите из верхнего меню. Когда появится прямоугольная плоскость разреза, выберите «Сохранить оба » (дополнительный файл 1-рисунок S14).
      1. Используйте кнопку «Режим перемещения» на панели в нижнем поле экрана, чтобы перемещать плоскость резки по горизонтали и вертикали.
   2. Используйте кнопку «Режим поворота» на панели в нижнем поле экрана, чтобы повернуть плоскость вокруг бедренной кости (крен: 90°, тангаж: 0°, рыскание: 0°) (дополнительный файл 1-рисунок S14).
   3. Поставьте плоскость резки параллельно оси X и перпендикулярно оси y. Нажмите « Разделить». В этом случае выполняют остеотомию над малым вертелом (межвертельный) (дополнительный файл 1-рисунок S15).
5. Рассчитайте бедренную антеверсию.
   1. Вставьте направляющие, которые помогают установить опорные точки для измерения бедренной антеверсии на изображении в 3D-среде программы по методу Мерфи (дополнительный файл 1-рисунок S16A,B). Чтобы вставить направляющие, нажмите «Вставка» | Добавьте и выберите 3mf Дополнительный файл 2.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Эти руководства были разработаны собственными силами, и файл 3mf Supplementary File 2 доступен в качестве дополнительного материала, представленного в этой статье. Метод Мерфи 3D был реализован путем установления трех точек измерения таким же образом, как и в обычном методе¹¹ , но в 3D-среде. Обычная окружность на уровне головки бедренной кости была заменена сферой, а измерение было установлено окружностью на уровне малого вертела. В качестве дистального эталона была взята задняя межмыщелковая линия, как определено в оригинальном методе Мерфи.
   2. Выделите только проксимальную часть бедренной кости в правой части экрана и нажмите CTRL + X , чтобы вырезать выделение. Так появляется бедренный диафиз (дополнительный файл 1-рисунок S17).
   3. Выберите красную круговую направляющую и фиолетовую круговую направляющую (это означает, что они будут вместе) в правой части экрана. Используйте команды на панели нижних полей для перемещения направляющих.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Красный направляющий представляет ось вращения остеотомии, а фиолетовый направляющий представляет ось вращения бедренной кости.
   4. Поместите направляющие в центр бедренного диафиза и используйте команды нижней панели краев, чтобы отрегулировать размер. Убедитесь, что все края касаются коры кости (дополнительный файл 1-рисунок S18).
      ПРИМЕЧАНИЕ: Когда две направляющие, красная окружность и фиолетовая окружность, используются впервые, они выбираются вместе так, чтобы они двигались как блок, как если бы они были одной направляющей, для измерения FAV, и они помещаются в бедренный диафиз чуть выше малого вертела на линии остеотомии.
   5. Нажмите CTRL + V , чтобы снова вставить проксимальный отдел бедренной кости (дополнительный файл 1-рисунок S19).
   6. Выберите только сферу в правой части экрана. Используйте команды на нижней панели полей, чтобы переместить сферу и поместить ее поверх головки бедренной кости. Отрегулируйте размер, включая все края, соприкасающиеся с корой костей (дополнительный файл 1-рисунок S20).
   7. Выделите проксимальный отдел бедренной кости с правой стороны и разрежьте его (CTRL + X).
   8. Выберите только красную плоскость в правой части экрана (дополнительный файл 1-рисунок S21).
   9. Используйте команды на нижней панели полей, чтобы переместить красную плоскость, и расположите ее так, чтобы она проходила через центр сферы и через центр круговых направляющих.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Оценки, отмеченные панелью в нижнем поле, соответствуют патологической антеверсии бедренной кости, рассчитанной на КТ по методу Мерфи.
   10. Нажмите CTRL + V , чтобы снова вставить проксимальный отдел бедренной кости (дополнительный файл 1-рисунок S22 A,B).
6. Выполняют ротационную остеотомию проксимального отдела бедренной кости.
   1. Выделите проксимальный отдел бедренной кости + красную окружность (только красную) + сферу с правой стороны.
   2. Сделайте внутреннюю деротационную проксимальную остеотомию бедренной кости под углом 20° (используйте команды на панели нижнего поля; добавьте 20 на шаге) (дополнительный файл 1-рисунок S23).
   3. Измерьте новую антеверсию бедренной кости (дополнительный файл 1-рисунок S24).
      ПРИМЕЧАНИЕ: Два направляющих снова используются для выполнения остеотомии. В этом случае вместе с проксимальным отделом бедренной кости выбирается только красная направляющая (так что при вращении проксимального отдела бедренной кости красная направляющая также вращается; шаг 4.6.1), в то время как фиолетовая направляющая не выбирается (дополнительный файл 1-рисунок S25). Таким образом, фиолетовый направляющий остается в бедренном диафизе и не участвует во вращении проксимального отдела бедренной кости.
      1. Выделите проксимальный отдел бедренной кости + красную окружность и нажмите клавиши CTRL+X , чтобы разрезать эти два элемента.
      2. Выделите только красную плоскость и расположите ее так, чтобы она проходила через центр сферы и через центр фиолетовой круговой направляющей.
         ПРИМЕЧАНИЕ: Соотношение 1:1 между величиной остеотомии и коррекцией деформации не достигается, потому что дерация проксимального отдела бедренной кости не следует анатомической оси бедренной кости.
7. Выполните коррекцию ротационной остеотомии.
   1. Выделите бедренный диафиз + красную плоскость. Нажмите CTRL + X , чтобы вырезать (рисунок 27). (Дополнительный файл 1-рисунок S25).
   2. Выделите проксимальный отдел бедренной кости + сфера + красную окружность.
   3. Переместите три элемента в блок так, чтобы центр красной окружности совпадал с центром фиолетовой окружности (дополнительный файл 1-рисунок S26).
   4. Пересчитайте новую антеверсию бедренной кости с внесенной корректировкой (дополнительный файл 1-рисунок S27).
      ПРИМЕЧАНИЕ: С помощью этого 3D-метода показано, что ось вращения бедренной кости и ось вращения остеотомии не совпадают. По этой причине необходимо выполнить корректировку, которая включает в себя выравнивание двух направляющих таким образом, чтобы исходная ось бедренной кости и ось остеотомии совпадали.

Результаты

Бедренная антеверсия может быть измерена различными методами. Некоторые из них сосредотачиваются на шейке бедренной кости, используя линию, проходящую через центр шеи, и линию, проходящую через мыщелки бедренной кости в качестве ориентиров. Другие добавляют третью точку отсчета на ма?...

Обсуждение

Наиболее важным выводом этого исследования является то, что 3D-технология позволяет планировать проксимальную наружную деротационную остеотомию бедренной кости. Эта технология может имитировать операцию, которая должна быть выполнена на конкретном пациенте на компьютере. Это проста?...

Материалы

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