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方法文章

股骨近端去旋转截骨术的三维术前虚拟规划

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DOI：

10.3791/64774

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2023年2月17日

 ,  , 
1Department of Orthopaedics, Hospital Arnau de Vilanova

本文内容

摘要

本研究展示了一种利用免费开源软件结合3D技术进行详细外科手术规划的方案。该方案可用于准确量化股骨前倾角，并模拟用于治疗膝前疼痛的股骨近端去旋转截骨术。

摘要

膝前疼痛（AKP）是青少年和成人中常见的病理状况。股骨前倾角增大（FAV）具有多种临床表现，包括膝前疼痛。越来越多的证据表明，股骨前倾角增大在膝前疼痛的发生中起着重要作用。此外，这些证据还提示，股骨去旋转截骨术对这类患者有益，已有研究报道了良好的临床效果。然而，这种手术在骨科医生中尚未得到广泛应用。

吸引骨科医生进入旋转截骨领域的第一步是为他们提供一种简化术前手术规划的方法，并能够在计算机上预先可视化手术干预的结果。为此，我们的研究团队采用三维（3D）技术。用于手术规划的影像数据集基于患者的CT扫描。这种3D方法是开放获取（OA）的，意味着任何骨科医生均可免费使用。此外，该技术不仅能够量化股骨扭转角，还可实现虚拟手术规划。有趣的是，该3D技术显示，转子间股骨旋转截骨的幅度与畸形矫正程度之间并不存在1:1的关系。此外，该技术允许调整截骨方案，使截骨幅度与畸形矫正程度之间达到1:1的对应关系。本文详细阐述了这一3D操作流程。

引言

膝前疼痛（AKP）是青少年和年轻成人中常见的临床问题。越来越多的证据表明，股骨前倾角增大（FAV）在膝前疼痛的发生中起着重要作用1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11。此外，现有证据还表明，对于此类患者，股骨去旋转截骨术具有良好的临床疗效1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11。然而，这种手术在骨科医生的日常临床实践中尚未广泛应用，尤其是在患有膝前疼痛的青少年和年轻活跃患者中27，因为存在诸多争议，导致临床决策上的不确定性。例如，有观察发现，截骨术后实际获得的矫正角度有时与术前计划的角度不一致。也就是说，截骨时计划的旋转量与实际矫正的FAV角度之间并不总是保持1:1的关系。这一现象迄今尚未得到系统研究，因此成为本文的研究主题。为解释截骨术中实施的旋转幅度与FAV矫正幅度之间的差异，本文提出假设：截骨术的旋转轴线与股骨自身的旋转轴线可能并不重合。

需要解决的主要问题之一是准确定位股骨的旋转轴以及截骨术的旋转轴。第一个股骨轴是指在患者诊断时通过CT扫描测量得到的股骨轴，而第二个股骨轴则是在完成截骨术后测量得到的股骨轴。在过去十年中，3D技术在术前规划中变得越来越重要，尤其是在骨科手术和创伤学领域，有助于简化和优化外科技术15,16。3D技术的发展推动了基于CT等3D影像检查的解剖生物模型的创建，在这些模型中可适配定制的假体植入物17,18,19，并在骨折情况下对骨接合板进行塑形20,21,22。此外，已有研究使用3D规划来分析单侧股骨扭转畸形的起源14。目前，已有多种完全免费且可适配大多数市售计算机和3D打印机的软件，使全球大多数外科医生都能便捷地获取该技术。这种3D规划能够精确计算股骨初始旋转轴以及转子间截骨术后股骨的旋转轴。本研究的主要目的是证明股骨转子间截骨术的旋转轴与股骨本身的旋转轴并不重合。该3D技术能够直观显示两轴之间的偏差，并通过调整截骨方案予以纠正。最终目标是激发骨科外科医生对这类手术更大的兴趣。

本方案采用三维方法，共分为四个基本步骤。首先，下载CT图像，并根据CT扫描的DICOM（医学数字成像和通信）文件创建三维生物模型。高质量的CT扫描可生成更精确的生物模型，但患者接受的电离辐射剂量也更高。对于利用生物模型进行手术规划而言，常规CT的质量已足够。CT扫描的DICOM图像由包含多个不同文件的文件夹组成，每次CT切片对应一个文件。每个文件不仅包含该CT切片的图像信息，还包含元数据（与图像相关联的数据）。要打开图像，必须拥有包含该序列（即CT扫描）所有文件的文件夹。生物模型的提取依赖于全部文件的完整集合。

其次，为了获得三维生物模型，需要下载3D Slicer计算机程序，这是一个具有多种功能的开源程序。此外，该软件是国际上3D实验室使用最广泛的计算机软件，其优势在于完全免费，可从其主页面下载。由于该软件是一种X射线图像查看器，因此必须将DICOM图像导入该程序中。

第三，使用 3D Slicer 获得的第一个生物模型将与最终模型不一致，因为其中会包含一些无关区域，例如 CT 检查床、邻近的骨骼和软组织。该生物模型可通过 3D 设计软件 MeshMixer 几乎自动地进行"清理"，MeshMixer 可直接从其官方网站免费下载。最后，使用 Windows 商店中的另一款免费软件 3D Builder 计算股骨前倾角并模拟截骨手术。

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方案

本研究已获得本机构伦理委员会批准（批件编号 2020-277-1）。患者已签署CT扫描知情同意书。

1. 下载CT图像

  1. 获取图像归档与通信系统（PACS）的访问权限。
    注意：每个软件包访问 PACS 的方式不同，但都提供以 DICOM 格式下载影像检查数据的功能。如果对此操作流程存在疑问，请咨询该中心的系统管理员或放射科医师。
  2. 以 DICOM 格式下载完整的 CT 扫描数据，同时确保患者的匿名性。

2. 获取三维生物模型（补充文件1-图S1）

  1. 下载 3D Slicer 软件（参见材料表），并在计算机上安装该程序。
  2. 导入 DICOM 格式的 CT 图像。
    1. 单击屏幕左上角的DCM 图标。
    2. 单击屏幕左侧的Import DICOM Files，等待窗口打开，以便选择保存 DICOM 格式 CT 检查数据的文件夹。
    3. 单击屏幕右上角的"DummyPatName!"。如果文件夹中包含多个 CT 检查序列，选择屏幕底部图像数量最多的序列"DummySeriesDesc!"。
    4. 单击右下角的Load 按钮。
  3. 创建 3D 生物模型。
    1. 单击屏幕顶部的菜单栏，等待 DICOM 数据加载显示。
    2. 在下拉菜单中选择Legacy | Editor选项，然后点击弹出消息中的ok 按钮（补充文件 1-图 S2）。
    3. 等待屏幕左侧出现新菜单，单击Threshold Effect 图标。
    4. 移动下方框中的滑块，直到右侧图像中仅骨骼部分被着色。通过此操作选择需包含在模型中的 Hounsfield 单位值。
    5. 达到理想着色水平后，单击Apply。所选区域将以绿色标记（补充文件 1-图 S3）。
    6. 从侧边菜单中选择Make Model Effect 选项（与前一步相同），然后选择Apply （补充文件 1-图 S4）。
    7. 在右上角窗口中将生成 3D 模型。单击金色边框的Center the 3D view on the scene按钮，使图像居中显示于窗口中央（补充文件 1-图 S4）。
  4. 保存生物模型（补充文件 1-图 S5）。
    1. 单击左上角的Save 按钮。
    2. 在弹出的对话框中，仅选择文件"tissue"（补充文件 1-图 S5）。
    3. 在第二列的下拉菜单中选择 STL 格式。
    4. 在第三列的下拉菜单中选择 STL 文件的保存位置，然后单击Save。此文件将在后续步骤中使用。

3. 生物模型的制备

  1. 下载 MeshMixer 软件（参见材料表），并在计算机上安装该程序。
    1. 通过点击屏幕中央的导入选项，导入 STL 图像（补充文件1-图S6）。
  2. 选择生物模型。
    1. 在左侧菜单中找到选择选项。使用以下任一主要方法进行选择。
    2. 使用选择工具，设定画笔厚度，然后在股骨上双击（补充文件1-图S7）。如果无法仅分离出股骨，说明其与其他骨结构或软组织直接接触；此时，请从菜单中选择编辑 | 生成面组（补充文件1-图S7）。使用角度阈值选项，移动滑块直至不同结构呈现不同颜色，表明各部件已被识别为独立个体（补充文件1-图S8）。
      1. 使用选择工具，按住鼠标左键并涂抹感兴趣区域的生物模型部分。
      2. 使用选择工具，点击模型外部某一点，按住鼠标左键并绘制一个包含目标区域的圆圈。
    3. 使用选择工具选中感兴趣区域。在侧边菜单中找到选择 | 修改 | 反选选项，然后按下Delete （补充文件1-图S9），以删除未选中的部分。此时即可获得清洁后的股骨生物模型（补充文件1-图S9）。
    4. 将模型转为实体（补充文件1-图S10）。
    5. 进入编辑 | 转为实体 | 实体类型 | 精确。
    6. 最大化实体精度和网格密度的数值。
  3. 保存生物模型。从侧边菜单中选择导出选项，选择STL 格式以及导出目标文件夹。

4. 股骨近端前倾角的计算

  1. 下载 3D Builder 软件（参见 材料表）。在计算机上安装该程序。
    注意：仅当计算机的操作系统为 Windows 时，方可下载该程序。
  2. 点击 插入 屏幕顶部的图标（补充文件1-图S11）。点击 添加 将生物模型导入场景（补充文件1-图S12).
    注意：使用鼠标左键可旋转物体，以实现360°视角观察；使用右键可在物体上滚动浏览；鼠标中键滚轮可用于放大。
  3. 点击 物体 | 沉降 将物体固定在工作平面上，使其置于股骨髁和大转子上。
    注意：建议将物体垂直放置，使其与工作平面上标记的 y 轴平行，与 x 轴垂直补充文件1-图S13).
  4. 进行股骨截骨术。
    1. 点击 编辑 | 拆分 从顶部菜单中选择。当出现矩形切割平面时，选择 保持两者 (补充文件1-图S14).
      1. 使用 移动模式 单击屏幕下边缘工具栏上的按钮，以水平和垂直移动切面。
    2. 使用 旋转模式 点击屏幕下方工具栏中的按钮，围绕股骨旋转平面（Roll：90°，Pitch：0°，Yaw：0°）（补充文件1-图S14).
    3. 将切割平面设置为与x轴平行，与y轴垂直。点击 分离。在此情况下，应在小转子上方（转子间）进行截骨术（补充文件1-图S15).
  5. 计算股骨前倾角。
    1. 插入 指南，这些参考点有助于根据墨菲法（Murphy's method）在程序的三维环境中测量图像中的股骨前倾角补充文件1-图S16A,B）。插入 指南，点击 插入 | 添加，并选择 3mf 补充文件 2.
      注意：这些引物由本实验室自行设计，且 3mf 文件 补充文件 2 可作为本文提供的补充材料获取。Murphy 3D 方法通过以与传统方法相同的方式建立三个测量点来实施。11 但在三维环境中，股骨头水平的常规周长被一个球面所取代，测量改在小转子水平的周长进行。远端参考采用原始Murphy方法中定义的髁间后连线。
    2. 仅选择屏幕右侧股骨的近端部分，然后点击 CTRL + X 切割选区。这是股骨骨干的外观（补充文件1-图S17).
    3. 选择 红色圆形引导器 和 紫色环形引导器 （这样做可使它们并置）在屏幕右侧。使用底部边距面板中的命令来移动参考线。
      注：红色导线代表截骨的旋转轴，紫色导线代表股骨的旋转轴。
    4. 放入 指南 在股骨干的中心位置，使用下边缘面板的命令调整大小，确保所有边缘均接触骨皮质。补充文件1-图S18).
      注意：首次使用红色周长线和紫色周长线这两个引导线时，需同时选中，使其作为一个整体同步移动，以测量股骨轴向角（FAV），并将它们置于小转子上方股骨干的截骨线处。
    5. 点击 CTRL + V 再次粘贴股骨近端（补充文件1-图S19).
    6. 仅选择 球体 屏幕右侧。使用底部边距面板中的命令来移动 球体 并将其置于股骨头顶部。调整大小，确保所有边缘均与骨皮质接触（补充文件1-图S20).
    7. 选择右侧近端股骨并进行切割（CTRL + X).
    8. 仅选择 红色平面 在屏幕右侧补充文件1-图S21).
    9. 使用下侧边栏中的命令来移动 红色平面，并将其放置，使其穿过中心 球体 并通过中心的 圆形导引器.
      注意：侧边标注的等级对应于使用Murphy法通过CT计算得出的病理性股骨前倾角。
    10. 按压 CTRL + V 再次粘贴股骨近端（补充文件1-图S22 A,B) .
  6. 进行股骨近端旋转截骨术。
    1. 选择近端股骨 + 红色圆周 (仅红色部分) + 球体 在右侧。
    2. 进行20°内旋截骨的股骨近端截骨术（使用下方边缘面板上的命令；添加 20 在 音高) (补充文件1-图S23).
    3. 测量新的股骨前倾角（补充文件1-图S24).
      注意：再次使用这两个导板进行截骨。在此情况下，仅选择红色导板与股骨近端（以便股骨近端旋转时，红色导板随之同步旋转；步骤 4.6.1），而紫色导板不被选中（补充文件1-图S25这样，紫色导向器保留在股骨干内，不随股骨近端旋转。
      1. 选择近端股骨 + 红色圆周，然后按压 CTRL + X 切割这两个元件。
      2. 仅选择 红色平面，并将其放置为穿过中心的 球体 并通过中心的 紫色圆形引导器.
        注意：截骨的幅度与畸形矫正程度之间并不存在1:1的对应关系，因为股骨近端的去旋转并不沿股骨的解剖轴进行。
  7. 进行旋转截骨的调整。
    1. 选取股骨骨干 + 红色平面. 按压 CTRL + X 切割（图27). (补充文件1-图S25).
    2. 选择近端股骨 + 球体 + 红色圆周.
    3. 移动这三个元件 整块 使得中心的 红色圆周 与中心对齐 紫色周长 (补充文件1-图S26).
    4. 根据调整后的情况重新计算新的股骨前倾角补充文件1-图S27).
      注意：通过该三维方法可知，股骨的旋转轴与截骨的旋转轴并不重合。因此，必须进行调整，重新对齐两个导引装置，使原始股骨轴线与截骨轴线重合。

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结果

股骨前倾角可通过多种方法进行测量。其中一些方法聚焦于股骨颈，采用通过股骨颈中心的直线以及通过股骨髁的直线作为参考。另一些方法则在小转子处增加第三个参考点23。墨菲法（Murphy's method）因具有最佳的临床-放射学相关性，是临床实践中最可靠的方法之一，该方法即使用了第三个参考点25,26。此外，股骨的扭转分量在骨的不同节段中存在差异，也会影响股骨前倾角（FAV）的计算24。

在一项初步研究中，采用 Murphy 法在 10 个三维生物模型上测量了股骨前倾角（FAV）12。随后，在每个三维生物模型上分别模拟进行 10°、20° 和 30° 的股骨粗隆间旋转截骨术（第 I 组）。完成截骨术后，重新测量 FAV，结果发现股骨的旋转轴线与第 I 组中截骨的旋转轴线并不重合。

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讨论

本研究最重要的发现是，3D 技术可用于规划近端外侧股骨去旋转截骨术。该技术可在计算机上模拟即将在特定患者身上实施的手术。这是一种简单、可重复且免费的技术，所用软件可适配大多数计算机。唯一的技术限制是，3D 建模软件仅支持 Windows 操作系统。主要局限在于学习曲线较长。该方案目前仍处于初步研究阶段，未来无疑可进一步优化，但目前已是一种可供使用的资源，能够辅助外科医生进行决策。此外，该技术还可提高手术的精确性。同时，3D 技术有助于提高外科医生对该手术技术的依从性。考虑到目前尚无其他可用于股骨去旋转截骨术的术前规划方法，这一点尤为重要。

三维手术规划过程中的关键步骤可概括为三个阶段。首先，必须获得一个良好且干净的三维生物模型，其中仅选择对规划有用的解剖部分。为此，在执行第3.3-3.3.2步操作规程时应尽可能精确。其次，必须正确实施转子间截骨术，确保股骨与x轴平行，并与y轴垂直。这些坐标轴已在3D建模软件的工作平面中绘制完成（操作规程第4.4.1-4.4.1.3步）。第三，必须在截骨前首次测量以及截骨后，正确计算股骨前倾角。为此，应正确放置所提供的测量导板。具体操作时需确保

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披露

作者声明无利益冲突。

材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
3D 建模工具Microsoft Corporation, Washington, USA开源程序；https://apps.microsoft.com/store/detail/3d-builder/9WZDNCRFJ3T6?hl=en-us&gl=us
3D Slicer3D Slicer 哈佛医学院, Massachusetts, USA开源程序；https://download.slicer.org
MeshMixer Autodesk Inc 开源程序；https://meshmixer.com/download.html

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