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Medicine

Dreidimensionale präoperative virtuelle Planung in der derotationalen proximalen Femurosteotomie

Published: February 17, 2023 doi: 10.3791/64774
Automatic Translation
1, 1, 1
1Department of Orthopaedics, Hospital Arnau de Vilanova

Summary

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.

Abstract

Der vordere Knieschmerz (AKP) ist eine häufige Pathologie bei Jugendlichen und Erwachsenen. Die erhöhte femorale Anteversion (FAV) hat viele klinische Manifestationen, einschließlich AKP. Es gibt immer mehr Hinweise darauf, dass eine erhöhte FAV eine wichtige Rolle bei der Entstehung der AKP spielt. Darüber hinaus deuten dieselben Beweise darauf hin, dass die derotationale femorale Osteotomie für diese Patienten von Vorteil ist, da gute klinische Ergebnisse berichtet wurden. Diese Art der Operation ist jedoch bei orthopädischen Chirurgen nicht weit verbreitet.

Der erste Schritt, um orthopädische Chirurgen für das Gebiet der Rotationsosteotomie zu gewinnen, besteht darin, ihnen eine Methodik an die Hand zu geben, die die präoperative Operationsplanung vereinfacht und die Vorvisualisierung der Ergebnisse chirurgischer Eingriffe am Computer ermöglicht. Zu diesem Zweck nutzt unsere Arbeitsgruppe die 3D-Technologie. Der Bilddatensatz, der für die Operationsplanung verwendet wird, basiert auf einem CT-Scan des Patienten. Diese 3D-Methode ist Open Access (OA), d.h. sie ist für jeden orthopädischen Chirurgen ohne wirtschaftliche Kosten zugänglich. Darüber hinaus ermöglicht es nicht nur die Quantifizierung der Femurtorsion, sondern auch die Durchführung einer virtuellen Operationsplanung. Interessanterweise zeigt diese 3D-Technologie, dass das Ausmaß der intertrochantären Femurrotationsosteotomie keinen 1:1-Zusammenhang mit der Korrektur der Deformität aufweist. Darüber hinaus ermöglicht diese Technologie die Anpassung der Osteotomie, so dass das Verhältnis zwischen dem Ausmaß der Osteotomie und der Korrektur der Deformität 1:1 beträgt. In diesem Artikel wird dieses 3D-Protokoll beschrieben.

Introduction

Schmerzen im vorderen Knie (AKP) sind ein häufiges klinisches Problem bei Jugendlichen und jungen Erwachsenen. Es gibt immer mehr Hinweise darauf, dass eine erhöhte femorale Anteversion (FAV) eine wichtige Rolle bei der Entstehung von AKP spielt 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11 . Darüber hinaus deutet dieselbe Evidenz darauf hin, dass eine derotationale femorale Osteotomie für diese Patienten von Vorteil ist, da gute klinische Ergebnisse berichtet wurden 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11 . Diese Art der Operation ist jedoch im klinischen Alltag unter orthopädischen Chirurgen nicht weit verbreitet, insbesondere bei Jugendlichen und jungen aktiven Patienten mit vorderen Knieschmerzen27, da die vielen umstrittenen Aspekte Unsicherheit erzeugen. Zum Beispiel wurde beobachtet, dass die Korrektur, die nach der Osteotomie erhalten wird, manchmal nicht dem entspricht, was zuvor geplant war. Das heißt, es gibt nicht immer ein Verhältnis von 1:1 zwischen der bei der Durchführung der Osteotomie geplanten Rotationsmenge und der korrigierten Menge an FAV. Dieser Befund ist bisher nicht untersucht worden. Daher ist sie Gegenstand der vorliegenden Arbeit. Um die Diskrepanz zwischen dem Ausmaß der mit der Osteotomie durchgeführten Rotation und dem Ausmaß der Korrektur der FAV zu erklären, wurde die Hypothese aufgestellt, dass die Rotationsachse der Osteotomie und die Rotationsachse des Femurs möglicherweise nicht übereinstimmen.

Eines der Hauptprobleme, das es zu lösen gilt, ist die genaue Lokalisierung der Rotationsachse des Oberschenkels und der Rotationsachse der Osteotomie. Die erste Femurachse ist die Femurachse, die auf dem CT-Scan zum Zeitpunkt der Diagnose des Patienten gemessen wird, während die zweite Femurachse die Femurachse ist, die nach der Durchführung der Osteotomie gemessen wurde. In den letzten zehn Jahren hat die 3D-Technologie in der präoperativen Planung, insbesondere in der orthopädischen Chirurgie und Traumatologie, zunehmend an Bedeutung gewonnen, um Operationstechniken zu vereinfachen und zu optimieren15,16. Die Entwicklung der 3D-Technologie hat die Erstellung anatomischer Biomodelle auf der Grundlage von 3D-Bildgebungstests wie CT unterstützt, bei denen maßgeschneiderte prothetische Implantate angepasst werden können17,18,19 und Osteosyntheseplatten bei Frakturen geformt werden können 20,21,22. Darüber hinaus wurde die 3D-Planung bereits in früheren Studien eingesetzt, um den Ursprung der Deformität bei einseitigen Torsionsveränderungen des Femurs14 zu analysieren. Derzeit gibt es mehrere Softwareprogramme, die völlig kostenlos und an die meisten Computer und 3D-Drucker auf dem Markt anpassbar sind, so dass diese Technologie für die meisten Chirurgen auf der Welt leicht zugänglich ist. Diese 3D-Planung ermöglicht die genaue Berechnung der anfänglichen Rotationsachse des Femurs und der Rotationsachse des Femurs nach Durchführung der intertrochantären Osteotomie. Das Hauptziel dieser Studie ist es, zu zeigen, dass die Rotationsachse der femoralen intertrochantären Osteotomie und die Rotationsachse des Femurs nicht übereinstimmen. Diese 3D-Technologie ermöglicht es, diese Diskrepanz zwischen den Achsen sichtbar zu machen und durch eine Anpassung der Osteotomie zu korrigieren. Das ultimative Ziel ist es, das Interesse der orthopädischen Chirurgen an dieser Art von Operation zu wecken.

Dieses Protokoll mit einer 3D-Methodik wird in vier grundlegenden Schritten durchgeführt. Zuerst werden CT-Bilder heruntergeladen und das 3D-Biomodell aus den DICOM-Dateien (Digital Imaging and Communication in Medicine) des CT-Scans erstellt. Qualitativ hochwertigere CT-Scans ermöglichen bessere Biomodelle, bedeuten aber, dass der Patient mehr ionisierende Strahlung erhält. Für die Operationsplanung mit Biomodellen ist die Qualität der konventionellen CT ausreichend. Das DICOM-Bild eines CT-Scans besteht aus einem Ordner mit vielen verschiedenen Dateien, wobei für jeden CT-Schnitt eine Datei erstellt wird. Jede dieser Dateien enthält nicht nur die grafischen Informationen des CT-Schnitts, sondern auch die Metadaten (Daten, die mit dem Bild verknüpft sind). Um das Bild zu öffnen, ist es wichtig, einen Ordner mit allen Dateien der Serie (dem CT) zu haben. Das Biomodell wird aus der Gesamtheit der Dateien extrahiert.

Zweitens ist es notwendig, das Computerprogramm 3D Slicer herunterzuladen, um das 3D-Biomodell zu erhalten, ein Open-Source-Programm mit vielen Dienstprogrammen. Darüber hinaus ist dies die am weitesten verbreitete Computersoftware in internationalen 3D-Laboren und hat den Vorteil, dass sie völlig kostenlos ist und von der Hauptseite heruntergeladen werden kann. Da es sich bei dieser Software um einen Röntgenbildbetrachter handelt, muss das DICOM-Bild in das Programm importiert werden.

Drittens stimmt das erste Biomodell, das mit dem 3D-Slicer erstellt wurde, nicht mit dem endgültigen überein, da sich in der Nähe Bereiche wie der CT-Tisch oder Knochen und Weichteile befinden, die nicht von Interesse sind. Das Biomodell wird fast automatisch mit der 3D-Designsoftware MeshMixer "bereinigt", die auch direkt von der offiziellen Website kostenlos heruntergeladen werden kann. Schließlich wird die femorale Anteversion berechnet und die Osteotomie mit einer anderen kostenlosen Software aus dem Windows Store, 3D Builder, simuliert.

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Protocol

Die Studie wurde von der Ethikkommission unserer Institution genehmigt (Referenz 2020-277-1). Die Patienten unterschrieben die Einverständniserklärung des CT-Scans.

1. Herunterladen der CT-Bilder

  1. Erhalten Sie Zugang zu einem Bildarchivierungs- und Kommunikationssystem (PACS).
    HINWEIS: Jedes Softwarepaket hat eine andere Möglichkeit, auf ein PACS zuzugreifen, aber alle haben eine Möglichkeit, eine Studie im DICOM-Format herunterzuladen. Wenn Sie Fragen dazu haben, wie dies geschieht, wenden Sie sich an den Systemadministrator des Zentrums oder an die Radiologen des Zentrums.
  2. Laden Sie den vollständigen CT-Scan im DICOM-Format herunter und wahren Sie dabei die Anonymität des Patienten.

2. Beschaffung des 3D-Biomodells (Ergänzungsdatei 1-Abbildung S1)

  1. Laden Sie die Software 3D Slicer herunter (siehe Materialtabelle). Installieren Sie das Programm auf dem Computer.
  2. Importieren Sie die CT-Bilder im DICOM-Format.
    1. Klicken Sie auf das DCM-Symbol in der oberen linken Ecke des Bildschirms.
    2. Klicken Sie auf der linken Seite des Bildschirms auf DICOM-Dateien importieren und warten Sie, bis sich ein Fenster öffnet, in dem Sie den Ordner auswählen können, in dem die CT-Studie im DICOM-Format gespeichert ist.
    3. Klicken Sie oben rechts auf dem Bildschirm auf "DummyPatName!". Wenn der Ordner mehr als eine CT-Studie enthält, klicken Sie am unteren Bildschirmrand auf die Serie "DummySeriesDesc!" mit den meisten Bildern.
    4. Klicken Sie am unteren rechten Rand auf Laden .
  3. Erstellen Sie das 3D-Biomodell.
    1. Klicken Sie auf die Menüleiste am oberen Bildschirmrand und warten Sie, bis DICOM angezeigt wird.
    2. Wählen Sie im Dropdown-Menü die Option Legacy | Editor-Option . Drücken Sie OK in der angezeigten Meldung (Ergänzungsdatei 1-Abbildung S2).
    3. Warten Sie, bis ein neues Menü auf der linken Seite des Bildschirms angezeigt wird. Klicken Sie auf das Symbol Schwellenwerteffekt .
    4. Verschieben Sie den Balken im unteren Feld, bis nur noch der Knochen in den Bildern rechts dargestellt ist. Wählen Sie auf diese Weise den Wert der Hounsfield-Einheiten aus, die in das Modell einbezogen werden sollen.
    5. Sobald die gewünschte Farbstufe erreicht ist, klicken Sie auf Anwenden. Die Selektion ist mit der Farbe Grün gekennzeichnet (Ergänzungsdatei 1-Ziffer S3).
    6. Wählen Sie die Option Modelleffekt erzeugen aus dem Seitenmenü (wie im vorherigen). Wählen Sie Anwenden (Ergänzungsdatei 1-Abbildung S4).
    7. Im oberen rechten Fenster wird das 3D-Modell generiert. Klicken Sie auf den goldenen Rahmen, Zentrieren Sie die 3D-Ansicht auf der Szene, um das Bild in der Mitte des Fensters zu zentrieren (Ergänzungsdatei 1-Abbildung S4).
  4. Speichern Sie das Biomodell (Ergänzungsdatei 1-Abbildung S5).
    1. Klicken Sie oben links auf Speichern .
    2. Wählen Sie im erscheinenden Feld nur die Datei "tissue" aus (Ergänzungsdatei 1-Abbildung S5).
    3. Wählen Sie in der zweiten Spalte im Dropdown-Menü die Option STL aus.
    4. Wählen Sie in der dritten Spalte im Dropdown-Menü aus, wo die STL-Datei gespeichert werden soll. Klicken Sie auf Speichern. Dies ist die Datei, die in den folgenden Schritten verwendet wird.

3. Erstellung des Biomodells

  1. Laden Sie die MeshMixer-Software herunter (siehe Materialtabelle). Installieren Sie das Programm auf dem Computer.
    1. Importieren Sie das STL-Bild, indem Sie die Option Importieren in der Mitte des Bildschirms auswählen (Ergänzungsdatei 1-Abbildung S6).
  2. Wählen Sie das Biomodell aus.
    1. Suchen Sie im Menü auf der linken Seite nach der Option Auswählen . Verwenden Sie eine der folgenden Hauptmethoden zur Auswahl.
    2. Verwenden Sie das Auswahlwerkzeug, wählen Sie die Dicke des Pinsels aus und doppelklicken Sie auf den Femur (Ergänzungsdatei 1-Abbildung S7). Wenn es nicht möglich ist, nur den Femur zu trennen, bedeutet dies, dass er direkten Kontakt mit anderen Knochenstrukturen oder Weichteilen hat. Wählen Sie in diesem Fall Bearbeiten | Erzeugen Sie Flächengruppen aus dem Menü (Ergänzungsdatei 1-Abbildung S7). Verwenden Sie die Option Winkelschwelle und verschieben Sie den Balken, bis die verschiedenen Strukturen eine unterschiedliche Farbe haben, was anzeigt, dass die Teile als getrennt erkannt wurden (Ergänzungsdatei 1-Abbildung S8).
      1. Halten Sie mit dem Auswahlwerkzeug die linke Maustaste gedrückt, während Sie den gewünschten Teil des Biomodells malen.
      2. Klicken Sie mit dem Auswahlwerkzeug auf einen Punkt außerhalb des Modells und halten Sie die linke Maustaste gedrückt, während Sie einen Kreis zeichnen, der das gewünschte Teil enthält.
    3. Verwenden Sie das Auswahlwerkzeug, um den gewünschten Teil auszuwählen. Suchen Sie nach der Option Auswählen | Modifizieren | Invertieren im Seitenmenü und drücken Sie die Entf-Taste (Ergänzungsdatei 1-Ziffer S9), um die nicht ausgewählten Teile zu löschen. An dieser Stelle wird das Biomodell des sauberen Femurs erstellt (Ergänzungsdatei 1-Abbildung S9).
    4. Machen Sie das Modell fest (Ergänzungsdatei 1-Bild S10).
    5. Navigieren Sie zu Bearbeiten | Fest machen | Solider Typ| Genau.
    6. Maximieren Sie die Werte für Volumenkörpergenauigkeit und Netzdichte .
  3. Speichern Sie das Biomodell. Wählen Sie die Option Exportieren aus dem Seitenmenü. Wählen Sie das STL-Format und den Ordner aus, in den das Biomodell exportiert werden soll.

4. Berechnung der proximalen femoralen Anteversion

  1. Laden Sie die 3D Builder-Software herunter (siehe Materialtabelle). Installieren Sie das Programm auf dem Computer.
    HINWEIS: Das Programm kann nur heruntergeladen werden, wenn das Betriebssystem des Computers Windows ist.
  2. Klicken Sie auf das Symbol Einfügen am oberen Bildschirmrand (Ergänzungsdatei 1-Abbildung S11). Klicken Sie auf Hinzufügen , um das Biomodell in die Szene zu importieren (Ergänzungsdatei 1-Abbildung S12).
    HINWEIS: Mit der linken Maustaste können Sie das Objekt drehen, um es in einer 360°-Ansicht zu sehen. Mit der rechten Maustaste ist es möglich, entlang des Objekts zu scrollen. Das zentrale Mausrad ermöglicht das Heranzoomen.
  3. Klicken Sie auf Objekt | Fixieren Sie das Objekt so auf der Arbeitsebene, dass es auf den Femurkondylen und dem Trochanter mayor aufliegt.
    HINWEIS: Es ist ratsam, das Objekt vertikal parallel zur y-Achse und senkrecht zur x-Achse zu platzieren, die in der Arbeitsebene markiert ist (Ergänzungsdatei 1-Abbildung S13).
  4. Führen Sie die Femurosteotomie durch.
    1. Klicken Sie auf Bearbeiten | Teilen Sie aus dem oberen Menü . Wenn eine rechteckige Schnittebene angezeigt wird, wählen Sie Beides beibehalten (Ergänzungsdatei 1-Abbildung S14).
      1. Verwenden Sie die Schaltfläche "Bewegungsmodus " in der Leiste am unteren Rand des Bildschirms, um die Schnittebene horizontal und vertikal zu verschieben.
    2. Verwenden Sie die Schaltfläche "Rotationsmodus " in der Leiste am unteren Rand des Bildschirms, um die Ebene um den Oberschenkelknochen zu drehen (Rollen: 90°, Nicken: 0°, Gieren: 0°) (Ergänzungsdatei 1-Abbildung S14).
    3. Legen Sie die Schnittebene parallel zur x-Achse und senkrecht zur y-Achse. Klicken Sie auf Teilen. In diesem Fall wird die Osteotomie oberhalb des Trochanter minor (intertrochantär) durchgeführt (Ergänzungsdatei 1-Abbildung S15).
  5. Berechnen Sie die femorale Anteversion.
    1. Fügen Sie die Hilfslinien ein, die helfen, die Referenzpunkte für die Messung der femoralen Anteversion im Bild in der 3D-Umgebung des Programms nach der Methode von Murphy festzulegen (Supplementary File 1-Figure S16A,B). Um die Hilfslinien einzufügen, klicken Sie auf Einfügen | Fügen Sie hinzu, und wählen Sie die 3mf-Zusatzdatei 2 aus.
      HINWEIS: Diese Leitfäden wurden intern entwickelt, und die 3mf-Datei Supplementary File 2 ist als ergänzendes Material in diesem Artikel verfügbar. Die Murphy-3D-Methode wurde implementiert, indem drei Messpunkte auf die gleiche Weise wie bei der herkömmlichen Methode11 festgelegt wurden, jedoch in einer 3D-Umgebung. Der übliche Umfang auf Höhe des Hüftkopfes wurde durch eine Kugel ersetzt, und die Messung wurde durch einen Umfang auf Höhe des Trochanter minor festgelegt. Als distale Referenz wurde die posteriore interkondyläre Linie genommen, wie sie in der ursprünglichen Murphy-Methode definiert war.
    2. Wählen Sie nur den proximalen Teil des Femurs auf der rechten Seite des Bildschirms aus und klicken Sie auf STRG + X , um die Auswahl auszuschneiden. So sieht die Femurdiaphyse aus (Ergänzungsdatei 1-Abbildung S17).
    3. Wählen Sie die rote kreisförmige Hilfslinie und die violette kreisförmige Hilfslinie (dies bedeutet, dass sie zusammen sind) auf der rechten Seite des Bildschirms. Verwenden Sie die Befehle im unteren Randbereich, um die Hilfslinien zu verschieben.
      HINWEIS: Die rote Führung stellt die Rotationsachse der Osteotomie dar, während die violette Führung die Rotationsachse des Femurs darstellt.
    4. Platzieren Sie die Schablonen in der Mitte der Oberschenkeldiaphyse und verwenden Sie die Befehle des unteren Randfelds, um die Größe anzupassen. Achten Sie darauf, dass alle Kanten die Rinde des Knochens berühren (Ergänzungsdatei 1-Abbildung S18).
      HINWEIS: Wenn die beiden Hilfslinien, der rote und der violette Umfang, zum ersten Mal verwendet werden, werden sie zusammen so ausgewählt, dass sie sich als Block bewegen, als wären sie eine Führung, um den FAV zu messen, und sie werden in der Femurdiaphyse direkt über dem Trochanter minor an der Osteotomielinie platziert.
    5. Klicken Sie auf STRG + V , um den proximalen Femur wieder einzufügen (Ergänzungsdatei 1-Abbildung S19).
    6. Wählen Sie nur die Kugel auf der rechten Seite des Bildschirms aus. Verwenden Sie die Befehle im unteren Randbereich, um die Kugel zu verschieben und auf dem Hüftkopf zu platzieren. Passen Sie die Größe an, einschließlich aller Kanten, die die Knochenrinde berühren (Ergänzungsdatei 1-Abbildung S20).
    7. Wählen Sie den proximalen Femur auf der rechten Seite aus und schneiden Sie ihn ab (STRG + X).
    8. Wählen Sie nur die rote Ebene auf der rechten Seite des Bildschirms aus (Ergänzungsdatei 1-Abbildung S21).
    9. Verwenden Sie die Befehle im unteren Randbereich, um die rote Ebene zu verschieben, und platzieren Sie sie so, dass sie durch die Mitte der Kugel und durch die Mitte der kreisförmigen Hilfslinien verläuft.
      ANMERKUNG: Die durch das Panel am unteren Rand markierten Grade entsprechen der pathologischen femoralen Anteversion, die im CT mit der Murphy-Methode berechnet wurde.
    10. Drücken Sie STRG + V , um den proximalen Femur wieder einzufügen (Ergänzungsdatei 1-Figur S22 A,B) .
  6. Führen Sie die Rotationsosteotomie des proximalen Femurs durch.
    1. Wählen Sie den proximalen Femur + den roten Umfang (nur den roten) + die Kugel auf der rechten Seite.
    2. Führen Sie eine interne derotative proximale Femurosteotomie von 20° durch (verwenden Sie die Befehle auf dem Feld des unteren Randes; fügen Sie 20 auf Pitch hinzu) (Ergänzungsdatei 1-Abbildung S23).
    3. Messen Sie die neue femorale Anteversion (Ergänzungsdatei 1-Abbildung S24).
      HINWEIS: Die beiden Schablonen werden erneut verwendet, um die Osteotomie durchzuführen. In diesem Fall wird nur die rote Führung zusammen mit dem proximalen Femur ausgewählt (so dass sich bei der Rotation des proximalen Femurs auch die rote Führung dreht; Schritt 4.6.1), während die violette Führung nicht ausgewählt ist (Ergänzungsdatei 1-Abbildung S25). Auf diese Weise verbleibt die violette Führung in der Femurdiaphyse und nimmt nicht an der Rotation des proximalen Femurs teil.
      1. Wählen Sie den proximalen Femur + den roten Umfang aus und drücken Sie STRG + X , um diese beiden Elemente zu schneiden.
      2. Wählen Sie nur die rote Ebene aus, und platzieren Sie sie so, dass sie durch die Mitte der Kugel und durch die Mitte der violetten kreisförmigen Hilfslinie verläuft.
        HINWEIS: Ein Verhältnis von 1:1 zwischen der Größe der Osteotomie und der Korrektur der Deformität wird nicht erreicht, da die Derotation des proximalen Femurs nicht der anatomischen Achse des Femurs folgt.
  7. Führen Sie die Anpassung der Rotationsosteotomie durch.
    1. Wählen Sie die Femurdiaphyse + die rote Ebene aus. Drücken Sie STRG + X , um zu schneiden (Abbildung 27). (Ergänzungsdatei 1-Abbildung S25).
    2. Wählen Sie den proximalen Femur + die Kugel + den roten Umfang.
    3. Verschieben Sie die drei Elemente en bloc so, dass die Mitte des roten Umfangs mit der Mitte des violetten Umfangs übereinstimmt (Ergänzungsdatei 1-Abbildung S26).
    4. Berechnen Sie die neue femorale Anteversion mit der vorgenommenen Anpassung neu (Ergänzungsdatei 1-Abbildung S27).
      HINWEIS: Durch diese 3D-Methode wird gezeigt, dass die Rotationsachse des Femurs und die Rotationsachse der Osteotomie nicht übereinstimmen. Aus diesem Grund ist es notwendig, eine Anpassung vorzunehmen, bei der die beiden Führungen neu ausgerichtet werden, so dass die ursprüngliche Femurachse und die Osteotomieachse übereinstimmen.

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Representative Results

Die femorale Anteversion kann mit verschiedenen Methoden gemessen werden. Einige von ihnen konzentrieren sich auf den Oberschenkelhals, wobei die Linie, die durch die Mitte des Halses verläuft, und eine Linie, die durch die Femurkondylen verläuft, als Referenzen dienen. Andere fügen einen dritten Bezugspunkt am Trochanter minor23 hinzu. Die Murphy-Methode, die in der klinischen Praxis am zuverlässigsten ist, weil sie die beste klinisch-radiologische Beziehung aufweist, ist eine solche Methode, die einen dritten Referenzpunktverwendet 25,26. Darüber hinaus trägt die Torsionskomponente des Femurs, die in den verschiedenen Knochensegmenten variiert, zur Berechnung des FAV24 bei.

In einer Vorstudie wurde der FAV in 10 3D-Biomodellen mit Murphys Methode 12 vermessen. Anschließend wurde eine 10°-, 20°- und 30°-intertrochantäre femorale Rotationsosteotomie auf jedem der 3D-Biomodelle (Gruppe I) simuliert. Nachdem die Osteotomie durchgeführt wurde, wurde der FAV erneut gemessen, und es wurde beobachtet, dass die Rotationsachse des Femurs nicht mit der Rotationsachse der Osteotomie in Gruppe I übereinstimmte.

Durch die 3D-Hilfslinien kann man sehen, dass die beiden Achsen nicht zusammenfallen, weil die rote Führung nicht mit der violetten Führung übereinstimmt (3D Builder, Supplementary File 1). Die rote Führung stellt die Rotationsachse der Osteotomie dar, während die violette Führung die Rotationsachse des Femurs darstellt. Aus diesem Grund ist es notwendig, eine Anpassung vorzunehmen, bei der die beiden Führungen neu ausgerichtet werden, so dass die Rotationsachse des Femurs und die Rotationsachse der Osteotomie übereinstimmen (3D Builder, Schritte 4.8.1-4.8.3, Ergänzungsdatei 1) (Abbildung 1).

Daher wurde eine weitere chirurgische Simulation der Osteotomie durchgeführt, und es war ein Reset erforderlich, um die Rotationsachse des Oberschenkels mit der Rotationsachse der Osteotomie in Einklang zu bringen. Der resultierende FAV wurde erneut gemessen (Gruppe II). Tabelle 1 zeigt die Werte des FAV, die in jeder Gruppe für die drei Größenordnungen der Rotationsosteotomie (10°, 20° und 30°) ermittelt wurden. Die Variable "Korrektur" wurde definiert als die Differenz zwischen dem initialen FAV und dem nach der Osteotomie gemessenen FAV. Wenn die Anpassung so vorgenommen wurde, dass die Rotationsachse des Femurs und die Rotationsachse der Osteotomie übereinstimmten, betrug das Verhältnis zwischen der geplanten Korrektur und der endgültigen Korrektur 1:1 in den drei Korrekturgrößen (10°, 20° und 30°) (Tabelle 2). In Gruppe 1, in der das Verhältnis 1:1 nicht erreicht wurde, war dies nicht der Fall (Tabelle 2).

Gruppe 1 Gruppe 2 P-Wert
FAV 10° 22° (±9.1º) 17,9° (±8,8º) <0,001
FAV 20° 15.8° (±8.7º) 7,7° (±9,6º) <0,001
FAV 30° 8,9° (±8,9º) -2.2° (±10.3º) <0,001

Tabelle 1: FAV-Vergleich zwischen Gruppe 1 und Gruppe 2. Die Mittelwerte und SD-Werte werden dargestellt. Abkürzung: FAV = femorale Anteversion.

Derotation (Korrektur) Gruppe 1 Gruppe 2 P-Wert
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

Tabelle 2: Korrekturvergleich zwischen Gruppe 1 und Gruppe 2. Die Mittelwerte und SD-Werte werden dargestellt.

Figure 1
Abbildung 1: Das Endergebnis: Das Ergebnis der Osteotomie nach der Anpassung. Es gibt sechs Tafeln, die von links nach rechts und von oben nach unten gelesen werden sollten. Erstes Panel: Femuranteversion, die im CT nach der Murphy-Methode berechnet wurde. Zweites Panel: Rotationsosteotomie des proximalen Femurs (Innenrotation von 20°). Drittes Panel: Neue femorale Anteversion nach der Rotationsosteotomie des proximalen Femurs (die endgültige Korrektur fällt nicht mit der geplanten Korrektur zusammen). Viertes Feld: Die Hilfslinien stimmen nicht überein. Fünftes Feld: Passend zu den Führungen. Sechstes Panel: Neue femorale Anteversion mit der vorgenommenen Anpassung (die endgültige Korrektur fällt mit der geplanten Korrektur zusammen). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Ergänzungsdatei 1: Software-Anweisungen. Die 3D-Slicer-Software (Abrufen und Erstellen des Biomodells); die MeshMixer-Software (Erstellung des Volumenmodells); die 3D Builder-Software (Importieren des Biomodells, Durchführen der Femurosteotomie und Berechnen der femoralen Anteversion). Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Ergänzungsdatei 2: Osteotomie-Anleitungen. Eine 3mf-Datei, die die rote kreisförmige Hilfslinie, die violette kreisförmige Hilfslinie, die Kugel und die rote Ebene (https://www.dropbox.com/work/JoVE%20Review/File%20requests/64474?preview=Guides+osteotomy+Caterina+Chiappe.3mf) enthält.

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Discussion

Die wichtigste Erkenntnis dieser Studie ist, dass die 3D-Technologie die Planung einer proximalen externen derotationalen Femurosteotomie ermöglicht. Diese Technologie kann die Operation, die an einem bestimmten Patienten durchgeführt werden soll, am Computer simulieren. Es handelt sich um eine einfache, reproduzierbare und kostenlose Technik, die Software verwendet, die an die meisten Computer angepasst werden kann. Das einzige technische Problem kann sein, dass die 3D-Builder-Software nur mit dem Windows-Betriebssystem funktioniert. Die größte Einschränkung ist die Lernkurve. Dieses Protokoll befindet sich noch in der Vorstudienphase und kann sicherlich in Zukunft verbessert werden, aber es ist bereits eine verfügbare Ressource, die Chirurgen bei der Entscheidungsfindung helfen kann. Die Technologie erhöht auch die Präzision der Operation. Darüber hinaus kann die 3D-Technologie die Adhärenz der Chirurgen bei dieser Operationstechnik erhöhen. Dies ist auch wichtig, wenn man bedenkt, dass es derzeit keine anderen präoperativen Planungsmethoden für die derotationale Femurosteotomie gibt.

Die kritischen Eingriffe während der 3D-Operationsplanung lassen sich in drei Schritten zusammenfassen. Zunächst ist es wichtig, ein gutes, sauberes 3D-Biomodell zu erhalten, bei dem nur der für die Planung nützliche anatomische Teil ausgewählt wird. Dazu ist es notwendig, in den Protokollschritten 3.3-3.3.2 so genau wie möglich zu sein. Zweitens muss die intertrochantäre Osteotomie korrekt durchgeführt werden, wobei darauf zu achten ist, dass der Femur parallel zur x-Achse und senkrecht zur y-Achse steht. Diese Achsen sind bereits im Arbeitsplan der 3D-Builder-Software eingezeichnet (Protokollschritte 4.4.1-4.4.1.3). Drittens muss die femorale Anteversion bei der ersten Messung und nach der Osteotomie korrekt berechnet werden. Dazu sollten die mitgelieferten Führungen richtig positioniert werden. Dies geschieht, indem sichergestellt wird, dass die Umfangsführungen (violett und rot) und die Kugel mit drei Punkten der Rinde des Knochens in Kontakt stehen und dass die rote Ebene genau durch das Zentrum der Kugel und das Zentrum der Umfangsführungen verläuft (Protokollschritte 4.5.1-4.5.9).

Die beobachteten Unterschiede zwischen Gruppe I und Gruppe II lassen sich wie folgt erklären. Es gab keine Übereinstimmung zwischen der femoralen Rotationsachse und der Rotationsachse der Osteotomie. Wenn beide Achsen in der 3D-Planung, die als "Justage" bezeichnet wird, zusammenfielen, stimmte das Verhältnis zwischen der geplanten Korrektur und der erzielten endgültigen Korrektur überein. Somit liefert diese 3D-Technologie eine zuverlässige Auswertung beider Achsen. In dieser Studie gab es Unterschiede von bis zu 10° zwischen dem, was korrigiert werden sollte, und dem, was tatsächlich korrigiert wurde. Diese Unterschiede können für das Knie katastrophal sein, da sich der patellofemorale Druck deutlich verschlechtert13 und die Schmerzen des Patienten, die die Ursache der Konsultation sind, nicht behoben werden. Darüber hinaus ermöglicht die 3D-Technologie, den gedruckten Oberschenkelknochen im Operationssaal mit der durchgeführten Osteotomie und mit der entsprechenden "Anpassung" so durchführen zu lassen, dass die Rotationsachse des Oberschenkelknochens mit der Rotationsachse der Osteotomie übereinstimmt.

Die Haupteinschränkung dieser Studie ist das Fehlen einer Bewertung der Variabilität innerhalb und zwischen Beobachtern, was den Ergebnissen mehr Konsistenz verleihen würde. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Einsatz der 3D-Technologie für die chirurgische Planung der proximalen femoralen Derotationsosteotomie die Präzision dieser Operationstechnik verbessert und den orthopädischen Chirurgen mehr Sicherheit bietet, was diese Operation für sie attraktiver macht.

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Disclosures

Die Autoren haben keine Interessenkonflikte offenzulegen.

Acknowledgments

Die Autoren haben keine Danksagungen.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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Diesen Monat in JoVE Ausgabe 192
Dreidimensionale präoperative virtuelle Planung in der derotationalen proximalen Femurosteotomie
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Chiappe, C.,… More

Chiappe, C., Roselló-Añón, A., Sanchis-Alfonso, V. Three-Dimensional Preoperative Virtual Planning in Derotational Proximal Femoral Osteotomy. J. Vis. Exp. (192), e64774, doi:10.3791/64774 (2023).

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