Derotasyonel Proksimal Femoral Osteotomide Üç Boyutlu Preoperatif Sanal Planlama

Özet

Bu çalışma, ücretsiz açık kaynaklı yazılım ile 3D teknolojisini kullanan ayrıntılı bir cerrahi planlama protokolü sunmaktadır. Bu protokol, femoral anteversiyon ölçümünü doğru bir şekilde ölçmek ve ön diz ağrısının tedavisi için derotasyonel proksimal femoral osteotomiyi simüle etmek için kullanılabilir.

Özet

Ön diz ağrısı (AKP) adolesan ve erişkinler arasında sık görülen bir patolojidir. Artmış femoral anteversiyon (FAV) AKP de dahil olmak üzere birçok klinik bulguya sahiptir. FAV'ın artmasının AKP'nin oluşumunda önemli bir rol oynadığına dair kanıtlar artmaktadır. Ayrıca, aynı kanıtlar, iyi klinik sonuçlar bildirildiği için derotasyonel femoral osteotominin bu hastalar için yararlı olduğunu göstermektedir. Bununla birlikte, bu tip ameliyatlar ortopedik cerrahlar arasında yaygın olarak kullanılmamaktadır.

Ortopedik cerrahları rotasyonel osteotomi alanına çekmenin ilk adımı, onlara ameliyat öncesi cerrahi planlamayı basitleştiren ve cerrahi müdahalelerin sonuçlarının bilgisayarlarda önceden görselleştirilmesine izin veren bir metodoloji vermektir. Bu amaçla, çalışma grubumuz 3D teknolojisini kullanmaktadır. Cerrahi planlama için kullanılan görüntüleme veri kümesi, hastanın BT taramasına dayanmaktadır. Bu 3D yöntem açık erişimlidir (OA), yani herhangi bir ortopedik cerrah tarafından hiçbir ekonomik maliyet olmadan erişilebilir. Ayrıca, sadece femoral torsiyonun nicelleştirilmesine değil, aynı zamanda sanal cerrahi planlamanın yapılmasına da izin verir. İlginç bir şekilde, bu 3D teknolojisi, intertrokanterik rotasyonel femoral osteotominin büyüklüğünün, deformitenin düzeltilmesi ile 1: 1 arasında bir ilişki göstermediğini göstermektedir. Ek olarak, bu teknoloji osteotominin ayarlanmasına izin verir, böylece osteotominin büyüklüğü ile deformitenin düzeltilmesi arasındaki ilişki 1: 1'dir. Bu makale bu 3B protokolünü özetlemektedir.

Giriş

Ön diz ağrısı (AKP) adolesan ve genç erişkinlerde sık görülen bir klinik sorundur. Artmış femoral anteversiyon (FAV)'nin AKP'nin oluşumunda önemli bir rol oynadığına dair giderek artan sayıda kanıt vardır 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11 . Ek olarak, aynı kanıt, iyi klinik sonuçlar bildirildiği için derotasyonel femoral osteotominin bu hastalar için yararlı olduğunu göstermektedir 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11 . Bununla birlikte, bu tip cerrahi, ortopedik cerrahlar arasında günlük klinik pratikte, özellikle de ön diz ağrısı olan ergenler ve genç aktif hastalarda yaygın olarak kullanılmamaktadır²⁷, çünkü birçok tartışmalı yön belirsizlik yaratmaktadır. Örneğin, bazen osteotomi sonrası elde edilen düzeltmenin daha önce planlandığı gibi olmadığı gözlemlenmiştir. Yani, osteotomi yapılırken planlanan rotasyon miktarı ile düzeltilen FAV miktarı arasında her zaman 1: 1'lik bir oran yoktur. Bu bulgu bugüne kadar çalışılmamıştır. Bu nedenle, bu makalenin konusudur. Osteotomi ile yapılan rotasyonun büyüklüğü ile FAV'ın düzeltilmesinin büyüklüğü arasındaki tutarsızlığı açıklamak için, osteotominin dönme ekseni ile femurun dönme ekseninin çakışmayabileceği varsayılmıştır.

Ele alınması gereken ana problemlerden biri, femoral rotasyon eksenini ve osteotominin dönme eksenini doğru bir şekilde bulmaktır. Birinci femoral eksen hastanın tanı anında BT taramasında ölçülen femoral eksen, ikinci femoral eksen ise osteotomi yapıldıktan sonra ölçülen femoral eksendir. Son on yılda, 3D teknolojisi, cerrahi teknikleri basitleştirmek ve optimize etmek için ameliyat öncesi planlamada, özellikle ortopedik cerrahi ve travmatolojide giderek daha önemli hale gelmiştir^15,16. 3D teknolojisinin gelişmesi, BT gibi 3D görüntüleme testlerine dayalı, özelleştirilmiş protez implantların uyarlanabildiği 17,18,19 ve kırık durumunda osteosentez plakalarının kalıplanabildiği anatomik biyomodellerin oluşturulmasını desteklemiştir ^20,21,22. Ek olarak, femur^14'ün tek taraflı torsiyonel değişikliklerinde deformitenin kökenini analiz etmek için önceki çalışmalarda 3D planlama zaten kullanılmıştır. Şu anda, piyasadaki çoğu bilgisayara ve 3D yazıcıya tamamen ücretsiz ve uyarlanabilir birkaç yazılım programı vardır, bu da bu teknolojiyi dünyadaki çoğu cerrah için kolayca erişilebilir hale getirmektedir. Bu 3D planlama, intertrokanterik osteotomi yapıldıktan sonra femurun başlangıç dönme ekseninin ve femurun dönme ekseninin doğru bir şekilde hesaplanmasını sağlar. Bu çalışmanın temel amacı, femoral intertrokanterik osteotominin rotasyon ekseni ile femurun dönme ekseninin örtüşmediğini göstermektir. Bu 3D teknolojisi, eksenler arasındaki bu tutarsızlığı görselleştirmeyi ve osteotominin ayarlanmasıyla düzeltmeyi mümkün kılar. Nihai amaç, ortopedik cerrahların bu tür ameliyatlara daha fazla ilgi duymasını sağlamaktır.

3D metodolojiye sahip bu protokol dört temel adımda gerçekleştirilir. İlk olarak, BT görüntüleri indirilir ve 3D biyomodel, BT taramasının DICOM (Tıpta Dijital Görüntüleme ve İletişim) dosyalarından oluşturulur. Daha yüksek kaliteli BT taramaları daha iyi biyomodellere izin verir, ancak hastanın daha fazla iyonlaştırıcı radyasyon aldığı anlamına gelir. Biyomodellerle cerrahi planlama için konvansiyonel BT'nin kalitesi yeterlidir. BT taramasının DICOM görüntüsü, yapılan her BT kesimi için bir dosya ile birçok farklı dosya içeren bir klasörden oluşur. Bu dosyaların her biri yalnızca CT kesiminin grafik bilgilerini değil, aynı zamanda meta verileri (görüntüyle ilişkili veriler) de içerir. Görüntüyü açmak için, serinin tüm dosyalarını (CT) içeren bir klasöre sahip olmak önemlidir. Biyomodel, dosyaların toplamından çıkarılır.

İkincisi, 3D biyomodeli elde etmek için, birçok yardımcı programa sahip açık kaynaklı bir program olan 3D Slicer bilgisayar programını indirmek gerekir. Ayrıca, uluslararası 3D laboratuvarlarında en çok kullanılan bilgisayar yazılımıdır ve tamamen ücretsiz ve ana sayfasından indirilebilir olma avantajına sahiptir. Bu yazılım bir X-ışını görüntü görüntüleyici olduğundan, DICOM görüntüsünün programa aktarılması gerekir.

Üçüncüsü, 3D Dilimleyici ile elde edilen ilk biyomodel kesin olanla eşleşmeyecektir, çünkü BT tablosu veya kemikler ve yumuşak parçalar gibi ilgi çekici olmayan bölgeler olacaktır. Biyomodel, doğrudan resmi web sitesinden ücretsiz olarak indirilebilen 3D tasarım yazılımı MeshMixer ile neredeyse otomatik olarak "temizlenir". Son olarak, femoral anteversiyon hesaplanır ve osteotomi, Windows Mağazası'ndan başka bir ücretsiz yazılım olan 3D Builder kullanılarak simüle edilir.

Protokol

Çalışma kurumumuz etik kurulu tarafından onaylanmıştır (referans 2020-277-1). Hastalar BT taramasını imzalayarak onamlarını aydınlattılar.

1. BT görüntülerini indirme

1. Resim arşivleme ve iletişim sistemine (PACS) erişim kazanın.
   NOT: Her yazılım paketinin bir PACS'a erişmenin farklı bir yolu vardır, ancak hepsinin bir çalışmayı DICOM formatında indirmek için bir yolu vardır. Bunun nasıl yapıldığına dair bir soru varsa merkezin sistem yöneticisine veya merkezin radyologlarına sorunuz.
2. Hasta anonimliğini koruyarak BT taramasının tamamını DICOM formatında indirin.

2. 3D biyomodelin elde edilmesi (Ek Dosya 1-Şekil S1)

1. 3D Dilimleyici yazılımını indirin ( Malzeme Tablosuna bakın). Programı bilgisayara yükleyin.
2. CT görüntülerini DICOM formatında içe aktarın.
   1. Ekranın sol üst köşesindeki DCM simgesine tıklayın.
   2. Ekranın sol tarafındaki DICOM Dosyalarını İçe Aktar'a tıklayın ve BT etüdünün DICOM formatında kaydedildiği klasörü seçmeyi mümkün kılan bir pencerenin açılmasını bekleyin.
   3. Ekranın sağ üst köşesindeki "DummyPatName!" üzerine tıklayın. Klasörde birden fazla BT çalışması varsa, ekranın altında en fazla görüntünün bulunduğu "DummySeriesDesc!" serisine tıklayın.
   4. Sağ alt kenar boşluğundaki Yükle'ye tıklayın.
3. 3B biyomodeli oluşturun.
   1. Ekranın üst kısmındaki menü çubuğuna tıklayın ve DICOM'un görünmesini bekleyin.
   2. Açılır menüde Eski | Düzenleyici seçeneği. Görüntülenen mesajda Tamam'a basın (Ek Dosya 1-Şekil S2).
   3. Ekranın sol tarafında yeni bir menünün görünmesini bekleyin. Eşik Etkisi simgesine tıklayın.
   4. Sağdaki resimlerde yalnızca kemik boyanana kadar alt kutudaki çubuğu hareket ettirin. Bu şekilde, modele dahil edilecek Hounsfield birimlerinin değerini seçin.
   5. İstenilen boya seviyesine ulaşıldıktan sonra, Uygula'ya tıklayın. Seçim yeşil renkle işaretlenmiştir (Ek Dosya 1-Şekil S3).
   6. Yan menüden Model Efekti Yap seçeneğini seçin (öncekiyle aynı). Uygula'yı seçin (Ek Dosya 1-Şekil S4).
   7. Sağ üst pencerede, 3B model oluşturulur. Altın çerçeveye tıklayın, görüntüyü pencerenin ortasına ortalamak için 3B görünümü sahneye ortalayın (Ek Dosya 1-Şekil S4).
4. Biyomodeli kaydedin (Ek Dosya 1-Şekil S5).
   1. Sol üst kenar boşluğundaki Kaydet'e tıklayın.
   2. Görünen kutuda, yalnızca "doku" dosyasını seçin (Ek Dosya 1-Şekil S5).
   3. İkinci sütunda, açılır menüden STL'yi seçin.
   4. Üçüncü sütunda, açılır menüde, ithe STL dosyasının nereye kaydedileceğini seçin. Kaydet'e tıklayın. Bu, aşağıdaki adımlarda kullanılacak dosyadır.

3. Biyomodelin hazırlanması

1. MeshMixer yazılımını indirin ( Malzeme Tablosuna bakın). Programı bilgisayara yükleyin.
   1. Ekranın ortasındaki İçe Aktar seçeneğini belirleyerek STL görüntüsünü içe aktarın (Ek Dosya 1-Şekil S6).
2. Biyomodeli seçin.
   1. Sol taraftaki menüde Seç seçeneğini bulun. Seçmek için aşağıdaki ana yöntemlerden birini kullanın.
   2. Seç aracını kullanın, fırçanın kalınlığını seçin ve femura çift tıklayın (Ek Dosya 1-Şekil S7). Sadece femuru ayırmak mümkün değilse, diğer kemik yapıları veya yumuşak kısımlarla doğrudan teması olduğu anlamına gelir; bu durumda, Düzenle | Menüden yüz Grupları oluşturun (Ek Dosya 1-Şekil S7). Açı Eşiği seçeneğini kullanın ve farklı yapılar farklı bir renge sahip olana kadar çubuğu hareket ettirin, bu da parçaların ayrı olarak tanındığını gösterir (Ek Dosya 1-Şekil S8).
      1. Seç aracıyla, ilgilendiğiniz biyomodelin bir bölümünü boyarken farenin sol düğmesini basılı tutun.
      2. Seç aracıyla, modelin dışındaki bir noktaya tıklayın ve ilgilenilen parçayı içeren bir daireyi boyarken farenin sol düğmesini basılı tutun.
   3. İlgilendiğiniz bölümü seçmek için Seç aracını kullanın. Seç | Değiştir | Yan menüde ters çevirin ve seçilmemiş parçaları silmek için Delete (Ek Dosya 1-Şekil S9) tuşuna basın. Bu noktada, temiz femur biyomodeli elde edilir (Ek Dosya 1-Şekil S9).
   4. Modeli katı hale getirin (Ek Dosya 1-Şekil S10).
   5. Düzenle'ye gidin | Sağlam Hale Getirin | Katı Tip | Doğru.
   6. Katı Doğruluk ve Mesh Yoğunluğu değerlerini en üst düzeye çıkarın.
3. Biyomodeli kaydedin. Yan menüden Dışa Aktar seçeneğini belirleyin. STL formatını ve biyomodelin dışa aktarıldığı klasörü seçin.

4. Proksimal femoral anteversiyonun hesaplanması

1. 3D Builder yazılımını indirin ( Malzeme Tablosuna bakın). Programı bilgisayara yükleyin.
   NOT: Program yalnızca bilgisayarın işletim sistemi Windows ise indirilebilir.
2. Ekranın üst kısmındaki Ekle simgesine tıklayın (Ek Dosya 1-Şekil S11). Biyomodeli sahneye aktarmak için Ekle'ye tıklayın (Ek Dosya 1-Şekil S12).
   NOT: Farenin sol düğmesi, nesneyi 360° görünümde görmek için döndürmeyi mümkün kılar. Sağ tuşla, nesne boyunca kaydırmak mümkündür. Farenin orta tekerleği yakınlaştırmaya izin verir.
3. Nesne'ye tıklayın | Nesneyi çalışma düzlemine sabitlemek için yerleşin, böylece femoral kondillere ve trokanter belediye başkanına dayanır.
   NOT: Nesnenin y eksenine dikey olarak paralel ve çalışma düzleminde işaretlenmiş x eksenine dik olarak yerleştirilmesi önerilir (Ek Dosya 1-Şekil S13).
4. Femoral osteotomiyi gerçekleştirin.
   1. Düzenle'ye tıklayın | Üst menüden bölün . Dikdörtgen kesim düzlemi göründüğünde, Her İkisini de Koru'yu seçin (Ek Dosya 1-Şekil S14).
      1. Kesme düzlemini yatay ve dikey olarak hareket ettirmek için ekranın alt kenar boşluğundaki çubukta bulunan Hareket Modu düğmesini kullanın.
   2. Düzlemi femur etrafında döndürmek için ekranın alt kenar boşluğundaki çubukta bulunan Döndürme Modu düğmesini kullanın (Rulo: 90°, Perde: 0°, Yaw: 0°) (Ek Dosya 1-Şekil S14).
   3. Kesme düzlemini x eksenine paralel ve y eksenine dik olarak yerleştirin. Böl'e tıklayın. Bu durumda, osteotomiyi trokanter minör (intertrokanter) üzerinde gerçekleştirin (Ek Dosya 1-Şekil S15).
5. Femoral anteversiyon hesaplayın.
   1. Murphy'nin yöntemine göre programın 3D ortamında görüntüdeki femoral anteversiyonu ölçmek için referans noktalarını oluşturmaya yardımcı olan kılavuzları ekleyin (Ek Dosya 1-Şekil S16A, B). Kılavuzları eklemek için, Ekle | Ekleyin ve 3mf Ek Dosya 2'yi seçin.
      NOT: Bu kılavuzlar şirket içinde tasarlanmıştır ve 3mf dosyası Ek Dosya 2'ye bu makalede sağlanan ek bir materyal olarak erişilebilir. Murphy 3D yöntemi, geleneksel yöntem^11'de olduğu gibi ancak 3D bir ortamda üç ölçüm noktası oluşturularak uygulandı. Femur başı seviyesindeki olağan çevre bir küre ile değiştirildi ve ölçüm, trokanter minör seviyesinde bir çevre ile kuruldu. Distal referans olarak, orijinal Murphy yönteminde tanımlandığı gibi posterior interkondiler çizgi alındı.
   2. Ekranın sağ tarafındaki femurun sadece proksimal kısmını seçin ve seçimi kesmek için CTRL + X'e tıklayın. Femoral diyafiz bu şekilde ortaya çıkar (Ek Dosya 1-Şekil S17).
   3. Ekranın sağ tarafındaki kırmızı dairesel kılavuzu ve mor dairesel kılavuzu (bunu yapmak, birlikte olacakları anlamına gelir) seçin. Kılavuzları taşımak için alt kenar boşluğu panelindeki komutları kullanın.
      NOT: Kırmızı kılavuz osteotominin dönme eksenini, mor kılavuz ise femurun dönme eksenini temsil eder.
   4. Kılavuzları femoral diyafizin ortasına yerleştirin ve boyutu ayarlamak için alt kenar boşluğu panelinin komutlarını kullanın. Tüm kenarların kemiğin korteksine temas ettiğinden emin olun (Ek Dosya 1-Şekil S18).
      NOT: İki kılavuz, kırmızı çevre ve mor çevre ilk kez kullanıldığında, FAV'ı ölçmek için tek bir kılavuzmuş gibi bir blok olarak hareket etmeleri için birlikte seçilirler ve osteotomi hattındaki daha küçük trokanterin hemen üstündeki femoral diyafize yerleştirilirler.
   5. Proksimal femuru tekrar yapıştırmak için CTRL + V tuşlarına tıklayın (Ek Dosya 1-Şekil S19).
   6. Yalnızca ekranın sağ tarafındaki küreyi seçin. Küreyi hareket ettirmek ve femur başının üstüne yerleştirmek için alt kenar boşluğu panelindeki komutları kullanın. Kemik korteksine dokunan tüm kenarlar da dahil olmak üzere boyutu ayarlayın (Ek Dosya 1-Şekil S20).
   7. Sağ taraftaki proksimal femuru seçin ve kesin (CTRL + X).
   8. Yalnızca ekranın sağ tarafındaki kırmızı düzlemi seçin (Ek Dosya 1-Şekil S21).
   9. Kırmızı düzlemi hareket ettirmek için alt kenar boşluğu panelindeki komutları kullanın ve kürenin merkezinden ve dairesel kılavuzların merkezinden geçecek şekilde yerleştirin.
      NOT: Alt kenar boşluğunda panel tarafından işaretlenen dereceler, Murphy yöntemi kullanılarak BT'de hesaplanan patolojik femoral anteversiyona karşılık gelir.
   10. Proksimal femuru tekrar yapıştırmak için CTRL + V tuşlarına basın (Ek Dosya 1-Şekil S22 A,B) .
6. Proksimal femurun rotasyonel osteotomisini gerçekleştirin.
   1. Proksimal femur + kırmızı çevreyi (sadece kırmızı) + sağ taraftaki küreyi seçin.
   2. 20°'lik bir internal derotasyonel proksimal femoral osteotomi yapın (alt kenar boşluğunun panelindeki komutları kullanın; Pitch'e 20 ekleyin) (Ek Dosya 1-Şekil S23).
   3. Yeni femoral anteversiyon ölçümü (Ek Dosya 1-Şekil S24).
      NOT: İki kılavuz osteotomiyi gerçekleştirmek için tekrar kullanılır. Bu durumda, proksimal femur ile birlikte sadece kırmızı kılavuz seçilir (böylece proksimal femur döndüğünde, kırmızı kılavuz da döner; adım 4.6.1), mor kılavuz seçilmez (Ek Dosya 1-Şekil S25). Bu şekilde, menekşe kılavuzu femoral diyafizde kalır ve proksimal femurun rotasyonuna katılmaz.
      1. Proksimal femur + kırmızı çevreyi seçin ve bu iki öğeyi kesmek için CTRL + X tuşlarına basın.
      2. Sadece kırmızı düzlemi seçin ve kürenin merkezinden ve mor dairesel kılavuzun merkezinden geçecek şekilde yerleştirin.
         NOT: Proksimal femurun derotasyonu femurun anatomik eksenini takip etmediği için osteotominin büyüklüğü ile deformitenin düzeltilmesi arasında 1: 1'lik bir ilişki elde edilememektedir.
7. Rotasyonel osteotominin ayarlanmasını gerçekleştirin.
   1. Femoral diyafiz + kırmızı düzlemi seçin. Kesmek için CTRL + X tuşlarına basın (Şekil 27). (Ek Dosya 1-Şekil S25).
   2. Proksimal femur + küre + kırmızı çevreyi seçin.
   3. Kırmızı çevrenin merkezi mor çevrenin merkeziyle eşleşecek şekilde üç öğeyi blok halinde hareket ettirin (Ek Dosya 1-Şekil S26).
   4. Yapılan ayarlama ile yeni femoral anteversiyon yeniden hesaplanır (Ek Dosya 1-Şekil S27).
      NOT: Bu 3D yöntem ile femurun dönme ekseni ile osteotominin dönme ekseninin çakışmadığı gösterilmiştir. Bu nedenle, orijinal femoral eksen ve osteotomi ekseninin çakışması için iki kılavuzun yeniden hizalanmasını içeren bir ayarlama yapmak gerekir.

Sonuçlar

Femoral anteversiyon farklı yöntemlerle ölçülebilir. Bazıları femur boynuna odaklanır, boynun ortasından geçen çizgiyi ve femoral kondillerden geçen çizgiyi referans olarak kullanır. Diğerleri, daha küçük trokanter^23'e üçüncü bir referans noktası ekler. En iyi klinik-radyolojik ilişkiye sahip olduğu için klinik pratikte en güvenilir olan Murphy yöntemi, üçüncü bir referans noktası^{olan 25,26'yı} kullanan yö...

Tartışmalar

Bu çalışmanın en önemli bulgusu, 3D teknolojisinin proksimal eksternal derotasyonel femoral osteotominin planlanmasına olanak sağlamasıdır. Bu teknoloji, bilgisayarda belirli bir hastaya yapılacak ameliyatı simüle edebilir. Çoğu bilgisayara uyarlanabilen yazılımı kullanan basit, tekrarlanabilir ve ücretsiz bir tekniktir. Tek teknik sorun, 3D oluşturucu yazılımının yalnızca Windows işletim sistemiyle çalışması olabilir. En büyük sınırlama öğrenme eğrisidir. Bu protokol hala ön çalış...

Malzemeler

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