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Corrective Surgery Using Virtual Surgical Simulation and a Three-Dimensional Printed Osteotomy Guide: A Case Report
J Korean Foot Ankle Soc 2023;27:112-116
Published online September 15, 2023;  https://doi.org/10.14193/jkfas.2023.27.3.112
© 2023 Korean Foot and Ankle Society

Gi Won Choi, Gi Jun Shin

Department of Orthopedic Surgery, Korea University Ansan Hospital, Ansan, Korea
Correspondence to: Gi Won Choi
Department of Orthopedic Surgery, Korea University Ansan Hospital, 123 Jeokgeum-ro, Danwon-gu, Ansan 15355, Korea
Tel: 82-31-412-4944, Fax: 82-31-487-9502, E-mail: barefoot@korea.ac.kr
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-7384-8382

The point of this thesis was presented by 2023 Spring Congress of Korean Foot and Ankle Society.
Received August 2, 2023; Accepted August 10, 2023.
This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
Abstract
A 74-year-old female patient, who underwent surgery for a left distal tibiofibular fracture 40 years earlier, visited the hospital with an ankle varus deformity due to malunion. The patient complained of discomfort while walking due to the ankle and hindfoot varus deformity but did not complain of ankle pain. Therefore, correction using supramalleolar osteotomy was planned, and through virtual surgical simulation, it was predicted that a correction angle of 24° and an osteotomy gap open of 12 mm would be necessary. An osteotomy guide and an osteotomy gap block were made using three-dimensional (3D) printing to perform the osteotomy and correct the deformity according to the predicted goal. One year after surgery, it was observed that the ankle varus was corrected according to the surgical simulation, and the patient was able to walk comfortably. Thus, for correction of deformity, virtual surgical simulation and a 3D-printed osteotomy guide can be used to predict the target value for correction. This is useful for increasing the accuracy of correction of the deformity.
Keywords : Virtual surgical simulation, Three-dimensional printing, Osteotomy
Body

3차원(three-dimensional, 3D) 프린팅 기술은 1980년대 디자인 및 공학 분야에 처음 사용되기 시작한 이후 현재 의료 분야에서도 급속히 발전하고 있다.1,2) 의료 분야에서는 상악안면 수술에 처음 시도되었고 이후 수술 전 계획, 의학 교육, 수술용 임플란트와 인공 관절 치환물의 제작 등 다양한 분야에서 사용되고 있다.2,3) 하지 변형의 교정을 위한 절골술을 계획할 때는 주로 단순 방사선 사진을 사용하기 때문에 2차원적인 평가 및 수술 계획만 가능하고 정확한 절골술의 위치와 방향, 교정의 목표치를 예측하는 데는 어려움이 많다.

저자들은 족관절 내반 변형을 교정하기 위해 virtual surgical simulation을 이용한 3차원적인 수술 전 계획을 수립하고, 3D 프린팅으로 제작한 절골술 가이드와 블록을 이용하여 수술함으로써 보다 정확한 교정 목표치에 대한 예측이 가능하고 수술이 용이하였던 경험을 하여 이를 보고하는 바이다. 본 증례 보고는 저자들의 소속기관 윤리위원회의 심의를 통과하였다.

증례 보고

40년 전 좌측 원위부 경비골 골절로 수술 받은 과거력이 있는 74세 여성 환자가 좌측 족관절의 내반 변형을 주소로 내원하였다(Fig. 1). 환자는 좌측 발목의 통증은 호소하지 않았고 내반 변형으로 보행 시 발이 내측으로 기울어져서 보행이 불편하다는 것이 주된 증상이었다. 족관절 기립 전후면 단순 방사선 사진에서 족관절의 관절염 소견과 경골-거골각(tibiotalar angle)은 내반 66°로 측정되었고 후족부 정렬상 후족부 모멘트암(hindfoot moment arm)은 내측 58.8 mm로 측정되었다(Fig. 2). 좌측 족관절에서 관절염 소견은 관찰되었지만 발목 통증은 없었고 족관절의 내반 변형으로 인한 보행의 불편을 해결하기 위해 환자와 상의한 후 족관절 내반 변형에 대한 교정 수술만을 계획하였다. 수술 계획을 위해 체중부하 족관절 컴퓨터 단층촬영(computed tomography, CT) 후 CT 다이콤(digital imaging and communications in medicine, DICOM) 파일과 3-Matics 소프트웨어(Materialise NV, Leuven, Belgium)를 이용한 virtual surgical simulation을 통해 교정 목표치를 예측하고, 3D 프린팅으로 절골술 가이드를 제작하여 계획한 위치와 방향대로 절골술을 시행하고자 하였다. Center of rotation axis에서 절골술을 시행하고(Fig. 3) 교정 후에 근위 경골 축과 원위 경골 축이 일치해져서 족관절면이 지면과 평행해지는 것을 교정의 목표로 계획하였다. 경골 절골술 시 외측 피질골 일부는 남겨야 하기 때문에 외측 피질골에서 내측으로 3 mm되는 지점을 center of rotation으로 정하여 시뮬레이션을 하였다(Fig. 4). 교정 후 근위와 원위 경골 축이 일치하기 위해서는 24°의 교정 각이 필요하고(Fig. 5) 교정을 위한 경골 절골면의 개방 높이는 후방 부위에서는 10.3 mm, 중간 부위에서는 12.7 mm, 전방 부위에서는 10.1 mm가 필요한 것으로 예측되었다(Fig. 6). 교정 후 3D 영상에서 경골의 원위와 근위 축이 일치하고 족관절면이 지면과 평행함을 확인할 수 있었다(Fig. 7). Virtual surgical simulation상의 절골술 위치와 방향대로 절골술을 하고 절골면을 개방하기 위해 3D 프린팅으로 절골술 가이드와 절골면 블록을 제작하였다(Fig. 8). 수술은 전신마취하에 앙와위에서 시행되었으며 원위 경골 내측면을 노출시킨 후 절골술 가이드를 경골에 K-강선을 이용하여 고정을 한 후 절골술 가이드를 따라 sawing을 시행하였다(Fig. 9). 이후 경골의 절골면과 동일한 위치에서 비골에 사선형의 절골술을 시행하였다. 절골술 가이드를 제거하고 절골면을 개방한 후 전방과 후방에 3D 프린팅 절골면 블록을 삽입한 후 C-arm상에서 목표로 하는 정도로 교정이 이루어졌음을 확인할 수 있었다(Fig. 10). 경골 절골면에는 자가 장골 삼피질골 이식술을 시행한 후 경골과 비골 순으로 절골면을 Ohtofix SMO plate (OhtoMedical Company, Goyang, Korea)를 이용하여 고정하였다. 수술 직후 촬영한 족관절 전후면 단순 방사선 사진에서 족관절면이 중립위로 교정되었음을 확인할 수 있었다(Fig. 11).

Figure 1. Initial clinical photographs.
Figure 2. Preoperative standing anteroposterior radiograph of the ankle (A) and hindfoot alignment view (B).
Figure 3. The red line indicates the osteotomy plane, which passes through the center of rotation axis.
Figure 4. The light green dot, which is the center of rotation, is located 3 mm medially from the lateral cortex.
Figure 5. A correction angle of 24° was predicted to align the proximal and distal tibial axes after correction.
Figure 6. Prediction of opening height (mm) of tibial osteotomy site for correction.
Figure 7. After correction, the distal and proximal axes of the tibia align with each other on the 3-dimensional image.
Figure 8. Three-dimensional printed osteotomy guide (A) and blocks (B).
Figure 9. Sawing along the osteotomy guide.
Figure 10. After inserting the 3-dimensional printed osteotomy blocks in the anterior and posterior regions (A), it was confirmed that the target degree of correction was achieved on the C-arm (B).
Figure 11. An anteroposterior radiograph of the ankle taken immediately after surgery.

수술 후 8주간 단하지 석고 고정하에 목발을 이용한 비체중부하 보행을 유지하였으며 이후 석고 고정을 제거하고 단하지 보행 부츠 착용하에 부분체중부하 보행부터 서서히 시작하였다. 수술 후 4개월째에는 절골 부위의 유합을 확인한 후에 보행 부츠를 제거하였다.

수술 후 1년째 촬영한 단순 방사선 사진상 경골-거골각은 90.2°로 후족부 모멘트암은 외측 10.9 mm로 교정되었다(Fig. 12). 환자는 수술 후 보행이 편해져서 수술에 만족하였으며 발목 통증은 호소하지 않았다.

Figure 12. Standing anteroposterior radiograph of the ankle (A), and hindfoot alignment view (B) taken 1 year after surgery. Clinical photographs of the hindfoot before (C) and after surgery at 1 year (D).
고 찰

족관절염의 치료를 위한 과상부 절골술이나 하지 변형의 교정을 위한 절골술에서 수술 전 계획을 통해 교정의 목표치를 예측하고 이를 반영하여 수술하는 것은 매우 중요하다. 수술을 계획할 때 포토샵과 같은 영상 편집 소프트웨어를 사용하여 엑스레이를 편집하고 교정의 목표치를 예측하거나 교정 후 상태를 시뮬레이션 할 수 있다. 하지만 이는 엑스레이를 이용한 2차원적인 평가와 시뮬레이션만 가능하기 때문에 수술 전 계획과 교정 후 시뮬레이션을 위해 얻을 수 있는 정보는 제한적이어서 결국에는 실제 수술 중 C-arm에 의존해 교정의 정도를 평가하고 결정하게 되는 것이 일반적이다.

본 증례에서는 CT 다이콤 파일과 3-Matics 소프트웨어를 이용하여 3차원적인 virtual surgical simulation을 통해 수술 전 계획을 수립하였다. 수술 전 3D 영상에서 정열 평가에 사용되는 엑스레이 평가 지표들을 측정할 수 있고 절골술의 시작 위치와 방향을 원하는 대로 설정할 수 있다. 절골술의 위치와 방향이 설정되면 계획한 교정 목표 기준을 달성하기 위해 필요한 절골면의 개방 높이를 예측할 수 있고 교정 후 정열 평가를 위한 엑스레이 평가 지표들을 다시 측정하여 교정의 정도를 평가할 수 있다. 본 증례에서는 절골술 이후 근위 경골 축과 원위 경골 축이 일치해져서 족관절면이 지면과 평행해지는 것을 교정의 목표로 계획하였다. 이를 위해 24°의 교정각이 필요한 것으로, 절골면의 개방 높이는 후방 부위에서는 10.3 mm, 중간 부위에서는 12.7 mm, 전방 부위에서는 10.1 mm가 필요한 것으로 예측되었다.

이렇게 수술 전 계획을 통해 교정의 목표치를 결정하여도 실제 수술 중에 절골술의 위치와 방향을 결정하기 위한 가이드 용 K-강선을 C-arm하에 삽입하는 과정이 필요하다. 이때 이상적인 위치에 K-강선을 한 번에 삽입하기는 어려워 여러 차례 시도가 필요하기도 하다. 이러한 어려움을 해결하고자 본 증례에서는 virtual surgical simulation을 통해 계획한 위치와 방향대로 절골술이 가능하도록 3D 프린팅으로 절골술 가이드를 제작하였다. 절골술 부위 경골의 외형에 맞춰 제작된 3D 프린팅 절골술 가이드를 원위 경골에 K-강선을 이용하여 고정한 후 절골술의 위치나 방향에 대한 고민 없이 절골술 가이드 방향 대로만 sawing하면 되기 때문에 계획한 대로 정확한 위치에 용이하게 절골술이 가능하였다. 절골술 후 계획한 높이만큼 절골면을 개방하고 이를 유지하기 위해 절골면의 전방과 후방에 삽입할 절골면 블록을 3D 프린팅으로 제작하였다. 절골면 블록을 사용함으로써 교정이 용이하였고 계획한 목표치 대로 정확한 교정도 가능하였다.

절골술을 이용한 교정 수술에서 virtual surgical simulation을 이용한 수술 전 계획은 3차원적인 교정 전, 후 평가가 가능하여 교정 목표치의 예측이 가능하고 3D 프린팅 절골술 가이드와 블록을 이용하면 교정 목표치 대로 정확한 교정이 가능하면서 수술도 용이한 장점이 있어 본 증례 보고를 통해 소개하고자 한다.

Financial support

None.

Conflict of interest
None.
References
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March 2024, 28 (1)
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