Summary
这项工作提出了使用3D技术和免费开源软件的详细手术计划方案。该方案可用于正确量化股骨前倾并模拟去旋转近端股骨截骨术以治疗膝关节前部疼痛。
Abstract
膝关节前部疼痛（AKP）是青少年和成人的常见病理。股骨前倾增加 （FAV） 有许多临床表现，包括 AKP。越来越多的证据表明，增加的FAV在AKP的起源中起着重要作用。此外，同样的证据表明，去旋转股骨截骨术对这些患者有益，因为已经报告了良好的临床结果。然而，这种类型的手术在整形外科医生中并未广泛使用。
吸引整形外科医生进入旋转截骨术领域的第一步是为他们提供一种方法，简化术前手术计划，并允许在计算机上预先模拟手术干预的结果。为此，我们的工作组使用3D技术。用于手术计划的成像数据集基于患者的CT扫描。这种3D方法是开放获取（OA），这意味着任何整形外科医生都可以免费获得它。此外，它不仅可以量化股骨扭转，还可以进行虚拟手术计划。有趣的是，这项3D技术表明，股骨粗隆间旋转截骨术的大小与畸形矫正没有1：1的关系。此外，该技术允许调整截骨术，使截骨术的大小与畸形矫正之间的关系为1：1。本文概述了此 3D 协议。
Introduction
膝前疼痛（AKP）是青少年和年轻人常见的临床问题。越来越多的证据表明，股骨前倾（FAV）增加在AKP的发生中起重要作用1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11.此外，同样的证据表明，去旋转股骨切开术对这些患者有益，因为已经报告了良好的临床结果1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11.然而，这种类型的手术在整形外科医生的日常临床实践中并未广泛使用，特别是在青少年和年轻活跃的膝关节前部疼痛患者中27，因为许多有争议的方面产生了不确定性。例如，已经观察到，有时截骨术后获得的矫正不是先前计划的。也就是说，进行截骨术时计划的旋转量与矫正的 FAV 量之间并不总是有 1：1 的比例。迄今为止，尚未对这一发现进行研究。因此，这是本文件的主题。为了解释截骨术旋转的大小与FAV矫正的大小之间的差异，假设截骨术的旋转轴和股骨的旋转轴可能不一致。
要解决的主要问题之一是准确定位股骨旋转轴和截骨术旋转轴。第一股骨轴是患者诊断时在CT扫描上测量的股骨轴，而第二股骨轴是进行截骨术后测量的股骨轴。在过去的十年中，3D技术在术前计划中变得越来越重要，特别是在骨科手术和创伤学中，以简化和优化手术技术15，16。3D技术的发展支持了基于CT等3D成像测试的解剖生物模型的创建，其中可以适应定制的假体植入物17，18，19，并且可以在骨折的情况下模制骨合成板20，21，22.此外，3D规划已经在以前的研究中用于分析股骨14单侧扭转改变畸形的起源。目前，有几个软件程序是完全免费的，可以适应市场上的大多数计算机和3D打印机，使世界上大多数外科医生都可以轻松使用这项技术。这种 3D 规划允许在进行转子间截骨术后准确计算股骨的初始旋转轴和股骨的旋转轴。本研究的主要目的是证明股骨粗隆间截骨术的旋转轴和股骨的旋转轴不重合。这种3D技术可以可视化轴之间的这种差异，并通过调整截骨术来纠正它。最终目标是激发整形外科医生对此类手术的更大兴趣。
该协议采用3D方法，分四个基本步骤进行。首先，下载CT图像，并从CT扫描的DICOM（医学数字成像和通信）文件创建3D生物模型。更高质量的CT扫描允许更好的生物模型，但意味着患者接受更多的电离辐射。对于使用生物模型的手术计划，常规CT的质量就足够了。CT扫描的DICOM图像由一个包含许多不同文件的文件夹组成，每个CT切割都有一个文件。这些文件中的每一个不仅包含CT切口的图形信息，还包含 元数据 （与图像相关的数据）。要打开图像，必须有一个包含该系列所有文件的文件夹（CT）。生物模型是从整个文件中提取的。
其次，要获得3D生物模型，需要下载3D Slicer计算机程序，这是一个具有许多实用程序的开源程序。此外，这是国际3D实验室中使用最广泛的计算机软件，其优点是完全免费并且可以从其主页下载。由于该软件是X射线图像查看器，因此必须将DICOM图像导入程序。
第三，使用3D Slicer获得的第一个生物模型与最终的生物模型不匹配，因为CT台或附近的骨骼和柔软部位等区域将不感兴趣。生物模型几乎是用3D设计软件MeshMixer自动“清理”的，该软件也可以直接从其官方网站免费下载。最后，计算股骨前倾，并使用Windows应用商店中的另一个免费软件3D Builder模拟截骨术。
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Protocol
该研究已获得我们机构伦理委员会的批准（参考编号2020-277-1）。患者签署了CT扫描知情同意书。
1. 下载 CT 图像
- 访问图片存档和通信系统 （PACS）。
注意：每个软件包都有访问 PACS 的不同方式，但它们都有下载 DICOM 格式研究的方法。如果对如何完成此操作有疑问，请咨询中心的系统管理员或中心的放射科医生。 - 下载DICOM格式的完整CT扫描，同时保持患者匿名。
2. 获取3D生物模型（补充文件1-图S1）
- 下载软件 3D 切片器（请参阅 材料表）。在计算机上安装程序。
- 导入 DICOM 格式的 CT 图像。
- 单击屏幕左上角的 DCM 图标。
- 单击屏幕左侧的导入DICOM文件，然后等待打开一个窗口，可以选择以 DICOM 格式保存CT研究的文件夹。
- 点击屏幕右上角的“DummyPatName！”。如果文件夹有多个CT研究，请单击屏幕底部图像最多的“DummySeriesDesc！”系列。
- 单击右下角的 “加载 ”。
- 创建 3D 生物模型。
- 单击屏幕顶部的菜单栏，然后等待 DICOM 出现。
- 在下拉菜单中，选择 旧版 |编辑器 选项。在出现的消息上按 确定 （补充文件 1 图 S2）。
- 等待屏幕左侧出现新菜单。单击 阈值效果 图标。
- 移动下部框中的条形图，直到右侧图像中仅绘制骨骼。这样，选择要包含在模型中的霍恩斯菲尔德单位的值。
- 达到所需的油漆水平后，单击 “应用”。所选内容标有绿色（补充文件 1-图 S3）。
- 从侧边菜单中选择 选项“使模型效果 ”（与上一个相同）。选择 应用 （补充文件 1 图 S4）。
- 在右上方窗口中，将生成 3D 模型。单击黄金框，将 3D 视图居中显示在场景中，使图像在窗口中心居中（补充文件 1-图 S4）。
- 保存生物模型（补充文件1-图S5）。
- 单击左上角的 保存 。
- 在出现的框中，仅选择文件“组织”（补充文件 1-图 S5）。
- 在第二列的下拉菜单中，选择 STL。
- 在第三列的下拉菜单中，选择保存 STL 文件的位置。点击 保存。这是将在以下步骤中使用的文件。
3. 生物模型的制备
- 下载 MeshMixer 软件（参见 材料表）。在计算机上安装程序。
- 通过选择屏幕中央的 “导入 ”选项（补充文件 1-图 S6）导入 STL 图像。
- 选择生物模型。
- 寻找 选择 左侧 菜单中的选项。使用以下任一主要方法进行选择。
- 使用选择工具， 选择 刷子的粗细，然后 双击 股骨（补充文件 1-图 S7）。如果不能只分离股骨，则意味着它与其他骨骼结构或软部件直接接触;在这种情况下，请选择“ 编辑 |从菜单生成面组 （补充文件 1 图 S7）。使用 “角度阈值 ”选项并移动条形图，直到不同的结构具有不同的颜色，表示这些部分已被识别为单独的（补充文件 1-图 S8）。
- 使用 选择 工具，按住鼠标左键，同时绘制感兴趣的生物模型部分。
- 使用 “选择” 工具，单击模型外部的点，按住鼠标左键，同时绘制包含感兴趣零件的圆。
- 使用选择工具 选择 感兴趣的部分。查找选项“ 选择|”修改 | 在侧边菜单中反转，然后按 Delete 键（补充文件 1-图 S9）删除未选择的部分。此时，获得清洁股骨的生物模型（补充文件1-图S9）。
- 使模型成为实体（补充文件 1-图 S10）。
- 导航到 “编辑 |打造固体 |实体类型|准确。
- 最大化 实体精度 和 网格密度 值。
- 保存生物模型。选择 出口 侧边菜单中的选项。选择 STL 格式 和将生物模型导出到的文件夹。
4.股骨近端前倾的计算
- 下载 3D 生成器软件（请参阅 材料表）。在计算机上安装程序。
注意：仅当计算机的操作系统是Windows时，才能下载该程序。 - 单击屏幕顶部的 插入 图标（补充文件 1 图 S11）。单击 “添加 ”将生物模型导入场景（补充文件 1-图 S12）。
注意：鼠标左键可以旋转对象以 360° 视图查看它。使用右键，可以沿着对象滚动。鼠标的中央滚轮允许放大。 - 点击 对象 |将 物体固定在工作平面上，使其搁在股骨髁和转子上。
注意：建议将物体垂直平行于y轴并垂直于工作平面上标记的x轴放置（补充文件1-图S13）。 - 进行股骨截骨术。
- 点击 编辑 | 从顶部菜单拆分。当出现矩形切割平面时，选择“ 同时保留两者 ”（补充文件 1 图 S14）。
- 使用屏幕下边距栏中的“移动 模式” 按钮水平和垂直移动切割平面。
- 使用屏幕下边缘栏上的旋转模式按钮围绕股骨 旋转 平面（滚动：90°，俯仰：0°，偏航：0°）（补充文件 1 图 S14）。
- 将切割平面平行于 x 轴并垂直于 y 轴放置。点击 拆分。在这种情况下，在转子小（转子间）上方进行截骨术（补充文件1-图S15）。
- 点击 编辑 | 从顶部菜单拆分。当出现矩形切割平面时，选择“ 同时保留两者 ”（补充文件 1 图 S14）。
- 计算股骨前倾。
- 插入 指南，这有助于建立参考点，以根据墨菲的方法（补充文件1-图S16A，B）在程序的3D环境中测量图像中的股骨前倾。要插入 参考线，请单击 “插入 |添加并选择 3mf 补充文件 2。
注意：这些指南是内部设计的， 3mf 文件补充 文件 2 可作为本文提供的补充材料访问。墨菲3D方法是通过建立三个测量点来实现的，其方式与传统方法11 相同，但在3D环境中。股骨头水平的通常周长被球体取代，测量由转子小转子水平的周长建立。作为远端参考，采用后髁间线，如原始墨菲方法中所定义。 - 仅选择屏幕右侧股骨的近端部分，然后单击 CTRL + X 剪切选择。这就是股骨骨干的出现方式（补充文件1-图S17）。
- 选择屏幕右侧的红色圆形参考线和紫色圆形参考线（这样做意味着它们将在一起）。使用下边距面板中的命令移动参考线。
注意：红色导板代表截骨术的旋转轴，而紫色导板代表股骨的旋转轴。 - 将 导板 放在股骨干的中心，并使用下缘面板的命令调整大小。确保所有边缘都接触骨骼皮层（补充文件 1-图 S18）。
注意：当红色周长和紫色周长这两个导轨首次使用时，将它们一起选择，以便它们作为一个块移动，就好像它们是一个导轨一样，以测量 FAV，并将它们放置在截骨线处小转子上方的股骨骨干中。 - 单击 CTRL + V 再次粘贴股骨近端（补充文件 1-图 S19）。
- 仅选择屏幕右侧的 球体 。使用下边距面板中的命令移动 球体 并将其放在股骨头的顶部。调整大小，包括接触骨皮层的所有边缘（补充文件 1-图 S20）。
- 选择右侧的股骨近端，然后切开（CTRL + X）。
- 仅选择屏幕右侧的 红色平面 （补充文件 1 图 S21）。
- 使用下边距面板中的命令移动红色平面，并放置 红色平面，使其穿过 球 体中心和 圆形参考线的中心。
注意：下图在下缘标记的等级对应于使用墨菲方法在CT上计算的病理性股骨前倾。 - 按 CTRL + V 再次粘贴股骨近端（补充文件 1-图 S22 A，B）。
- 插入 指南，这有助于建立参考点，以根据墨菲的方法（补充文件1-图S16A，B）在程序的3D环境中测量图像中的股骨前倾。要插入 参考线，请单击 “插入 |添加并选择 3mf 补充文件 2。
- 进行股骨近端旋转截骨术。
- 选择股骨近端+红色 周长 （仅红色）+右侧的 球 体。
- 进行 20° 的内旋转近端股骨截骨术（使用下缘面板上的命令;在俯仰上添加 20）（补充文件 1 图 S23）。
- 测量新的股骨前倾（补充文件 1-图 S24）。
注意：这两个指南再次用于进行截骨术。在这种情况下，仅选择红色导板与股骨近端一起（这样当股骨近端旋转时，红色导板也会旋转;步骤4.6.1），而没有选择紫色导板（补充文件1-图S25）。这样，紫色导板留在股骨骨干中，不参与股骨近端的旋转。- 选择股骨近端 + 红色周长，然后按 CTRL + X 剪切这两个元素。
- 仅选取 红色平面，并放置它，使其穿过 球 体中心并穿过 紫色圆形参考线的中心。
注意：截骨术的大小与畸形矫正之间的1：1关系未实现，因为股骨近端的旋转不遵循股骨的解剖轴。
- 进行旋转截骨术的调整。
- 选择股骨干+ 红色平面。按 CTRL + X 进行剪切（图 27）。（补充文件1-图S25）。
- 选择股骨近端+ 球体 + 红周长。
- 整体移动三个元素，使红色圆周的中心与紫色圆周的中心相匹配（补充文件 1-图 S26）。
- 通过所做的调整重新计算新的股骨前倾（补充文件 1-图 S27）。
注意：通过这种3D方法，表明股骨的旋转轴和截骨术的旋转轴不一致。出于这个原因，有必要进行调整，包括重新对齐两个导轨，以使原始股骨轴和截骨轴重合。
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Representative Results
股骨前倾可以通过不同的方法测量。其中一些专注于股骨颈，使用穿过颈部中心的线和穿过股骨髁的线作为参考。其他人在小转子23处添加了第三个参考点。墨菲方法在临床实践中最可靠，因为它具有最佳的临床 - 放射学关系，是一种使用第三个参考点25，26的方法。此外，股骨的扭转分量在骨骼的不同部分有所不同，有助于计算FAV24。
在初步研究中，使用墨菲的方法 12在10个3D生物模型中测量了FAV。然后，在每个3D生物模型（I组）上模拟10°，20°和30°转子旋转股骨截骨术。进行截骨手术后，重新测量FAV，并观察到股骨的旋转轴与I组中截骨术的旋转轴不一致。
通过 3D 参考线，可以看到两个轴不重合，因为红色参考线与紫色参考线不匹配（3D 构建器，补充文件 1）。红色导板代表截骨术的旋转轴，而紫色导板代表股骨的旋转轴。因此，有必要进行调整，包括重新对齐两个导轨，以使股骨的旋转轴和截骨术的旋转轴重合（3D Builder，步骤4.8.1-4.8.3，补充文件1）（图1）。
因此，进行了另一次截骨手术模拟，并且需要重置以使股骨旋转轴与截骨术的旋转轴相匹配。再次测量所得的FAV（第II组）。 表1 详细列出了每组旋转截骨术的三个量级（10°，20°和30°）获得的FAV值。变量“校正”被定义为初始FAV与截骨术后测量的FAV之间的差异。当进行调整以使股骨的旋转轴和截骨的旋转轴重合时，计划矫正与最终矫正之间的关系在三个矫正幅度（10°，20°和30°）中为1：1（表2）。在第1组中没有发生同样的情况，其中没有达到1：1的比例（表2）。
| 组 1 | 第 2 组 | P 值 | |
| 视距 10° | 22° （±9.1º） | 17.9° （±8.8º） | <0.001 |
| 视线 20° | 15.8° （±8.7º） | 7.7° （±9.6º） | <0.001 |
| 视距 30° | 8.9° （±8.9º） | -2.2° （±10.3º） | <0.001 |
表 1：组 1 和组 2 之间的 FAV 比较。 给出了平均值和 SD 值。缩写：FAV = 股骨前倾。
| 去旋转（校正） | 组 1 | 第 2 组 | P 值 |
| 10° | 6.9° （±1.4º） | 11.1° （±2.8º） | <0.001 |
| 20° | 13.1° （±3.2º） | 21.3° （±6.0º） | <0.001 |
| 30° | 20° （±5.1º） | 31.3° （±8.3º） | <0.001 |
表2：第1组和第2组之间的校正比较。 给出了平均值和 SD 值。
图1：最终结果：调整后的截骨术结果。有六个面板，应该从左到右和从上到下阅读。第一组：使用墨菲方法在CT中计算股骨前倾。第二组：股骨近端旋转截骨术（内旋20°）。第三组：股骨近端旋转截骨术后新的股骨前倾（最终矫正与计划的矫正不一致）。第四个面板：参考线不匹配。第五个面板：匹配指南。第六组：新的股骨前倾与所做的调整（最终矫正与计划的矫正一致）。请点击此处查看此图的大图。
补充文件1：软件说明。 3D切片器软件（获取和创建生物模型）;网格混合器软件（制作实体模型）;3D Builder软件（导入生物模型，进行股骨截骨术并计算股骨前倾）。 请点击此处下载此文件。
补充文件2：截骨指南。 包含红色圆形参考线、紫色圆形参考线、球体和红色平面 （https://www.dropbox.com/work/JoVE%20Review/File%20requests/64474?preview=Guides+osteotomy+Caterina+Chiappe.3mf） 的 3mf 文件。
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Discussion
这项研究最重要的发现是3D技术可以计划近端外旋转股骨截骨术。该技术可以在计算机上模拟要对特定患者进行的手术。它是一种简单、可复制且免费的技术，它使用适用于大多数计算机的软件。唯一的技术问题可能是3D构建器软件仅适用于Windows操作系统。主要限制是学习曲线。该协议仍处于初步研究阶段，将来肯定可以改进，但它已经是一种可用的资源，可以帮助外科医生做出决策。该技术还提高了手术的精度。此外，3D技术可以提高外科医生对这种手术技术的依从性。考虑到目前没有其他去旋转股骨截骨术的术前计划方法，这一点也很重要。
3D手术计划期间的关键程序可以概括为三个步骤。首先，重要的是要获得一个好的、干净的3D生物模型，其中只选择对规划有用的解剖部分。为此，有必要在协议步骤3.3-3.3.2期间尽可能准确。其次，必须正确进行转子间截骨术，确保股骨平行于x轴并垂直于y轴。这些轴已经在3D构建器软件的工作计划中绘制（协议步骤4.4.1-4.4.1.3）。第三，股骨前倾必须在第一次测量和截骨术后正确计算。为此，应正确定位所提供的指南。这是通过确保圆周导轨（紫色和红色）和球体与骨骼皮层的三个点接触并且红色平面正好穿过球体中心和圆周导轨中心来完成的（协议步骤4.5.1-4.5.9）。
在第一组和第二组之间观察到的差异可以解释如下。截骨术的股骨旋转轴和旋转轴之间没有一致性。当两个轴在3D规划中重合时，称为“调整”，计划校正与获得的最终校正之间的关系确实重合。因此，这种3D技术提供了对两个轴的可靠评估。在这项研究中，要纠正的内容与实际纠正的内容之间存在高达10°的差异。这些程度的差异对膝盖可能是灾难性的，因为髌股压力会显着恶化13，并且作为咨询原因的患者疼痛将无法解决。此外，3D技术使得在手术室中进行截骨手术和适当的“调整”，使股骨的旋转轴与截骨术的旋转轴重合成为可能。
这项研究的主要局限性是缺乏对观察者内部和观察者间变异性的评估，这将使结果更加一致。综上所述，使用3D技术进行股骨近端去旋转截骨术的手术计划可以提高这种手术技术的精度，并为整形外科医生提供更多的确定性，使这种手术对他们更具吸引力。
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Disclosures
作者没有利益冲突需要披露。
Acknowledgments
作者没有承认。
Materials
| 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 |
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