Dreidimensionale präoperative virtuelle Planung in der derotationalen proximalen Femurosteotomie
17. Februar 2023
In dieser Arbeit wird ein detailliertes chirurgisches Planungsprotokoll unter Verwendung von 3D-Technologie mit freier Open-Source-Software vorgestellt. Dieses Protokoll kann verwendet werden, um die femorale Anteversion korrekt zu quantifizieren und eine derotationale proximale Femurosteotomie zur Behandlung von vorderen Knieschmerzen zu simulieren.
In diesem Protokoll zeigen wir, dass die Rotationsachse der Femurosteotomie und die Rotationsachse des Femurs nicht übereinstimmen. Dieses Protokoll ermöglicht es, es zu visualisieren und zu korrigieren. Durch den Einsatz der kostenlosen 3D-Software in dieser Studie kann der Chirurg die Operation planen und die Präzision der Osteotomie erhöhen.
Diese Technik ist mit einfachen Schritten leicht reproduzierbar. Wir empfehlen, es viele Male zu üben, um fließend zu werden. Importieren Sie zunächst die CT-Bilder im DICOM-Format, indem Sie auf das DCM-Symbol in der oberen linken Ecke des Bildschirms und anschließend auf DICOM-Dateien importieren auf der linken Seite des Bildschirms klicken.
Klicken Sie anschließend oben rechts auf dem Bildschirm auf Dummy-Patientenname und am unteren rechten Rand auf Laden. Um ein 3D-Biomodell zu erstellen, wählen Sie im Dropdown-Menü die Optionen "Legacy" und "Editor" aus. Drücken Sie OK in der angezeigten Meldung und warten Sie, bis ein neues Menü auf der linken Seite des Bildschirms angezeigt wird.
Klicken Sie auf das Symbol für den Schwelleneffekt und verschieben Sie den Balken im unteren Feld, bis in den Bildern rechts nur noch der Knochen gemalt ist. Wählen Sie auf diese Weise den Wert der Hounsfield-Einheiten aus, die in das Modell einbezogen werden sollen. Sobald die gewünschte Farbstufe erreicht ist, klicken Sie auf Anwenden.
Die Auswahl ist hier mit der Farbe Grün gekennzeichnet. Wählen Sie im Seitenmenü die Option Modelleffekt erzeugen und wählen Sie Anwenden, wodurch das 3D-Modell im oberen rechten Fenster generiert wird. Klicken Sie auf den goldenen Rahmen.
Zentrieren Sie die 3D-Ansicht auf der Szene, um das Bild im Fenster zu zentrieren. Um das erstellte 3D-Biomodell zu speichern, klicken Sie am oberen linken Rand auf Speichern. Deaktivieren Sie im angezeigten Feld andere Dateien und wählen Sie nur die Datei Tissue aus.
Wählen Sie in der zweiten Spalte des Dropdown-Menüs STL aus. Importieren Sie das STL-Bild, indem Sie die Option Importieren in der Mitte des Bildschirms auswählen. Suchen Sie im Menü auf der linken Seite nach der Option Auswählen.
Wählen Sie die Dicke des Pinsels mit dem Auswahlwerkzeug aus und doppelklicken Sie auf den Oberschenkelknochen. Verwenden Sie das Auswahlwerkzeug, um den gewünschten Teil auszuwählen. Suchen Sie im Seitenmenü nach den Optionen Ändern und Invertieren und drücken Sie dann die Löschtaste auf der Tastatur.
Navigieren Sie dann zu Bearbeiten, Flächengruppen generieren und verschieben Sie den Balken des Winkelschwellenwerts, bis die verschiedenen Strukturen eine andere Farbe haben. Doppelklicken Sie anschließend mit dem Auswahlwerkzeug auf den Oberschenkelknochen, ändern Sie, invertieren Sie ihn und drücken Sie die Entf-Taste auf der Tastatur. Um ein Volumenkörpermodell zu erstellen, navigieren Sie zu Bearbeiten, Volumenkörper, Volumenkörpertyp und Genau.
Maximieren Sie dann die Werte für die Volumenkörpergenauigkeit und die Netzdichte. Wählen Sie die Option Exportieren aus dem Seitenmenü und wählen Sie das STL-Format und den Ordner aus, in den das Biomodell exportiert wird. Klicken Sie in der 3D-Builder-Software oben auf dem Bildschirm auf das Symbol Einfügen.
Klicken Sie dann auf Hinzufügen, um das Biomodell in die Szene zu importieren. Klicken Sie auf Objekt und dann auf Absetzen, um das Objekt an der Arbeitsebene zu fixieren. Um die Femurosteotomie durchzuführen, klicken Sie im oberen Menü auf Bearbeiten und Teilen.
Wenn eine rechteckige Schnittebene angezeigt wird, wählen Sie Beides beibehalten aus. Verwenden Sie die Schaltfläche Verschieben-Modus in der Leiste am unteren Rand des Bildschirms, um die Schnittebene horizontal und vertikal zu verschieben. Verwenden Sie die Schaltfläche "Rotationsmodus" in der Leiste am unteren Rand des Bildschirms, um die Ebene um den Oberschenkelknochen zu drehen.
Legen Sie die Schnittebene parallel zur x-Achse und senkrecht zur Y-Achse. Klicken Sie auf Teilen. Um die femorale Anteversion zu berechnen, fügen Sie die Hilfslinien ein, indem Sie auf Einfügen, Hinzufügen klicken und die 3MF-Datei auswählen.
Wählen Sie nur den proximalen Teil des Oberschenkelknochens auf der rechten Seite des Bildschirms aus und drücken Sie Strg+X auf der Tastatur, um die Auswahl auszuschneiden. Die Oberschenkeldiaphyse sieht so aus. Wählen Sie die rote kreisförmige Hilfslinie und die violette kreisförmige Hilfslinie zusammen auf der rechten Seite des Bildschirms aus.
Verwenden Sie die Befehle im unteren Randbereich, um die Hilfslinien zu verschieben und sie in der Mitte der Oberschenkeldiaphyse zu platzieren. Verwenden Sie dann die Befehle für den unteren Randbereich, um die Größe anzupassen und sicherzustellen, dass alle Kanten die Rinde des Knochens berühren. Drücken Sie Strg+V auf der Tastatur, um den proximalen Femur erneut einzufügen.
Wählen Sie nur die Kugel auf der rechten Seite des Bildschirms aus und passen Sie die Größe an, einschließlich aller Kanten, die die Knochenrinde berühren. Wählen Sie den proximalen Femur auf der rechten Seite aus und schneiden Sie ihn ab, indem Sie Strg+X auf der Tastatur drücken. Wählen Sie nur die rote Ebene auf der rechten Seite des Bildschirms aus und platzieren Sie sie so, dass sie durch die Mitte der Kugel und die Mitte der kreisförmigen Hilfslinien verläuft.
Drücken Sie Strg+V auf der Tastatur, um den proximalen Femur erneut einzufügen. Um die Rotationsosteotomie des proximalen Femurs durchzuführen, wählen Sie den proximalen Femur, den roten Umfang und die Kugel auf der rechten Seite aus. Führen Sie eine interne derotationale proximale Femurosteotomie von 20 Grad durch, indem Sie mit den Befehlen auf der Tafel des unteren Randes 20 zur Steigung hinzufügen.
Um die neue femorale Anteversion zu messen, wählen Sie den proximalen Femur und den roten Umfang aus und drücken Sie Strg+X auf der Tastatur, um diese beiden Elemente auszuschneiden. Wählen Sie nur die rote Ebene aus und platzieren Sie sie so, dass sie durch die Mitte der Kugel und die Mitte der violetten kreisförmigen Hilfslinie verläuft. Kleben Sie den proximalen Femur und den roten Umfang ein.
Um die Anpassung der Rotationsosteotomie durchzuführen, wählen Sie die Femurdiaphyse und die rote Ebene aus und drücken Sie Strg+X auf der Tastatur, um zu schneiden. Wählen Sie den proximalen Femur, die Kugel und den roten Umfang aus, und verschieben Sie diese drei Elemente en bloc, sodass die Mitte des roten Umfangs mit der Mitte des violetten Umfangs übereinstimmt. Berechnen Sie die neue femorale Anteversion mit der vorgenommenen Anpassung neu.
Die Daten hier beschreiben die Werte der femoralen Anteversion, die in zwei Gruppen für die drei Größen der Rotationsosteotomie (10, 20 und 30 Grad) erhalten wurden. Wenn die Anpassung so vorgenommen wurde, dass die Rotationsachse des Femurs und die Rotationsachse der Osteotomie übereinstimmten, war das Verhältnis zwischen der geplanten Korrektur und der endgültigen Korrektur ein Verhältnis von eins zu eins in den drei Korrekturgrößen, aber das gleiche trat in Gruppe 1 nicht auf. Das Wichtigste, woran Sie denken sollten, ist die Genauigkeit bei der Durchführung des Eingriffs, insbesondere bei der Erstellung des Knochenmodells, der Auswahl nur des interessierenden Knochens und der Durchführung der Osteotomiemessung vor und nach der Anpassung.
Im Bereich der Rotationsdeformitäten des Femurs eröffnet diese Technik den Weg, den Bereich dieser Deformitäten und die Konsequenzen, die sie auf den potenziellen Femurdruck und die vorderen Knieschmerzen haben, zu untersuchen.
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Überblick
Diese Arbeit präsentiert ein detailliertes chirurgisches Planungsprotokoll unter Verwendung von 3D-Technologie mit freier Open-Source-Software. Dieses Protokoll kann verwendet werden, um die femorale Anteversion korrekt zu quantifizieren und eine derotationale proximale femorale Osteotomie zur Behandlung von vorderen Knieschmerzen zu simulieren.
Wichtige Studienkomponenten
Wissenschaftsbereich
- Chirurgie
- Orthopädie
- 3D-Bildgebung
Hintergrund
- Die femorale Osteotomie ist ein chirurgisches Verfahren zur Korrektur von Deformitäten.
- Eine korrekte Ausrichtung ist entscheidend für erfolgreiche Ergebnisse.
- 3D-Technologie kann die chirurgische Planung und Präzision verbessern.
- Kostenlose Software-Tools können fortgeschrittene Techniken zugänglich machen.
Zweck der Studie
- Ein reproduzierbares chirurgisches Planungsprotokoll zu entwickeln.
- Die Genauigkeit von femoralen Osteotomie-Verfahren zu verbessern.
- Open-Source-Software für eine verbesserte chirurgische Visualisierung zu nutzen.
Verwendete Methoden
- Importieren von CT-Bildern im DICOM-Format.
- Verwendung von 3D-Software für die chirurgische Planung.
- Visualisierung der Rotationsachsen zur Korrektur.
- Üben des Protokolls zur Erreichung der Fluenz in der Ausführung.
Hauptergebnisse
- Das Protokoll ermöglicht die Visualisierung der Achse der femoralen Osteotomie.
- Chirurgen können Operationen mit erhöhter Präzision planen.
- Die Reproduzierbarkeit der Technik wird betont.
- Das Üben der Methode verbessert die chirurgische Fluenz.
Schlussfolgerungen
- Das entwickelte Protokoll ist effektiv für die chirurgische Planung.
- 3D-Technologie verbessert die Genauigkeit von Osteotomien.
- Open-Source-Software bietet zugängliche Werkzeuge für Chirurgen.
Häufig gestellte Fragen
Executive Industry Relevance
Three-dimensional preoperative virtual planning for derotational proximal femoral osteotomy addresses a critical need for precision and reproducibility in orthopedic surgical interventions. By enabling accurate quantification and correction of femoral anteversion, this protocol supports mechanistic de-risking and enhances predictive confidence at the interface of surgical planning and translational research. The open-access, software-driven workflow positions this methodology as a reusable capability for portfolio-wide orthopedic innovation.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables quantitative interrogation of femoral torsion and its biomechanical impact.
- Supports functional validation of surgical targets through virtual simulation.
- Facilitates mechanistic de-risking by clarifying the relationship between osteotomy magnitude and deformity correction.
Screening & Assay Development
- Prepares validated 3D anatomical models for downstream surgical simulation workflows.
- Standardizes measurement of femoral anteversion and correction outcomes.
- Enables reproducible virtual testing of surgical parameters across patient datasets.
Translational & Preclinical Research
- Aligns virtual planning outputs with disease-relevant biomechanical endpoints such as anterior knee pain.
- Supports continuity from computational modeling to preclinical validation of surgical interventions.
- Provides a platform for risk-adjusted advancement of novel orthopedic procedures.
Pipeline & Workflow Integration
This 3D planning protocol integrates into the orthopedic innovation continuum from discovery of biomechanical targets to preclinical validation of surgical techniques.
- Discovery Biology: Quantifies and visualizes femoral torsion to support hypothesis-driven intervention design.
- Screening: Delivers standardized, reproducible 3D models for comparative analysis of surgical corrections.
- Analytics: Provides quantitative readouts of anteversion correction and alignment accuracy.
- Translational Research: Bridges virtual planning with in vivo and ex vivo validation of biomechanical outcomes.
- Enterprise Reuse: Offers an open-access, scalable workflow adaptable across orthopedic research portfolios.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in surgical planning.
- Operational Value: Standardizes and scales preoperative workflows using accessible 3D software.
- Strategic Value: Enables data-driven go/no-go decisions for surgical innovation and technology adoption.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization of orthopedic interventions across development pipelines.
Implementation Considerations
- Requires expertise in 3D imaging, anatomical modeling, and virtual surgical planning.
- Depends on access to CT imaging infrastructure and compatible open-source software.
- Demands cross-team standardization of measurement and modeling protocols.
- Adaptable to various femoral deformity models with attention to anatomical accuracy.
- Accuracy is contingent on precise model creation and measurement at each workflow stage.
