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. 2021 Feb 10;56(3):384–389. doi: 10.1055/s-0040-1718510

Treatment of Distal Radio Vicious Consolidation: Corrective Osteotomy Through 3D Printing Prototyping *

João Carlos Belloti 1,✉, Bernardo Vaz Peres Alves 1, Nicola Archetti 1, Luis Renato Nakachima 1, Flavio Faloppa 1, Marcel Jun Sugawara Tamaoki 1
PMCID: PMC8249062  PMID: 34239207

Abstract

Distal radial fractures are very common. Vicious consolidation can occur in up to one third of these fractures, resulting in wrist pain, restricted movement, and, eventually, physical limitation or disability. The treatment of this condition consists in corrective osteotomy, which requires careful preoperative planning due to its three-dimensional complexity, especially in injuries with joint involvement. Recently, prototyping based on three-dimensional (3D) reconstruction of computed tomography (CT) scans has been used for osteotomy planning in a 3D anatomical model. It allows a better understanding of the deformity in a realistic surgical approach, leading to safer, faster, and more predictable procedures. The aim of the present study is to present this technique and show its use in two clinical cases.

Keywords: radial deformity, radial fractures complications, x-ray tomography, three-dimensional printing

Introduction

Distal radial fractures are very common, accounting for up to 75% of forearm fractures. 1 Their distribution is bimodal, affecting mostly young men subjected to high-energy trauma, or patients > 65 years old, predominantly females, with bone fragility-osteopenia who suffered low-energy trauma. 1 2 An epidemiological study carried out from 1999 to 2010 in Sweden, with a population of 11.2 million inhabitants, revealed an incidence of 278 distal radial fractures for every 100,000 people, with a gender ratio of three women per man. 2 Correspondingly, the city of São Paulo, Brazil, with a population of 12.2 million inhabitants, would have > 41,000 fractures in the same period; considering that up to 33% of these fractures evolve with vicious consolidation, 3 4 approximately 13,000 patients would be affected. These figures demonstrate the importance of studies promoting the prevention and treatment of this clinical condition.

There is still no consensus on the best way to treat distal radial fractures .3 Despite constant developments in surgical techniques and implants, complications still occur; the most common include posttraumatic arthrosis, tendon rupture, median nerve compression, and vicious consolidation. 3 4 Vicious consolidation can occur in up to 33% of cases, 4 mostly after nonsurgical treatment.

Vicious distal radial consolidation can lead to a range of functional and painful limitations depending on the deformity type. Angular deformities result in an abnormal compensatory movement in the midcarpal joint that causes wrist instability followed by pain, limited movement, and degenerative arthrosis. Radial shortening deformities can lead to ulnocarpal impingement and instability of the distal radioulnar joint. Joint step deformities are highly probable of evolving with degenerative wrist changes. Knirk et al. 5 assessed functional outcomes from distal radial treatment in young adults and found out that joint congruence was a critical factor for success. Post-traumatic arthrosis occurred in 11% of patients with no joint step deformities, compared to 91% subjects with non-congruent joints. 5 These changes resulted in functional limitations that can lead to permanent work disability.

Corrective osteotomies for vicious distal radial consolidation aim to recover the normal bone anatomy for functional improvement and pain relief; in addition, these procedures prevent the progression of degenerative changes at the wrist joint. Since vicious consolidation presentations are widely variable, there are many corrective osteotomy techniques, but the common point for their indication is the presence of pain and functional limitation in patients with no advanced radiocarpal arthrosis. Surgical correction has a significant clinical benefit. 6

Clinical and radiological analysis are critical for the good outcome of deformity correction. In addition to posteroanterior and true lateral radiographic views of both the affected and contralateral wrist, the use of computed tomography (CT) is essential to assess joint impairment and improve surgical planning, especially in vicious consolidations with joint involvement. 7

Recently, CT with three-dimensional (3D) reconstruction has been used for prototyping in a 3D model using polylactic acid (PLA). It allows for a better understanding of the deformity, and it has great value for surgical planning. 6 7 Careful planning prior to the surgical procedure, in a 3D model with the actual dimensions from the patient, allows the surgeon to validate the type of implant to be used and to predict procedural steps and strategies. This approach reduces surgical time, improves implant selection and placement, and validates the exact location and direction of the osteotomy required for deformity correction. 7 8 About 2 years ago, a prototyping laboratory with 3D printing resources was implemented with the support from the São Paulo Research Foundation ( Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo [FAPESP, in the Portuguese acronym]), allowing us to start the development of studies using the technique described below.

Indications and Contraindications

Preoperative planning using 3D printing in a prototyped model (PLA) of distal radial vicious consolidation is recommended for all corrective surgeries due to the complex anatomical distortion related to this clinical condition. This strategy allows for a better 3D understanding and real correction in patients who present anatomical deformity and significant functional limitation.

Corrective osteotomies for distal radial vicious consolidation are contraindicated in patients with low demand for daily activities, mild anatomical deformity, little functional restriction, long-standing injury, or radiocarpal degenerative osteoarthritis. Thus, in deformities with sustained articular or extra-articular incongruence, we recommend a more specific assessment of the degree of joint cartilage degeneration using nuclear magnetic resonance or wrist arthroscopy; correction with osteotomy is contraindicated if severe joint degeneration is present.

Preoperative Technique

Bilateral CT scans of the wrists must be performed in 1 mm-thickness sections. The file is generated in Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM) format and standardization and then imported into a 3D medical image processing and reconstruction software (InVesalius version 3.1.1, Centro de Tecnologia da Informação Renato Archer, Campinas, SP, Brazil). This 3D model of the distal radio is exported as a Standart Tessellation Language/STereo-Lithography (STL) file and the Simplify3D software (Simplify3D: Cincinnati, Ohio, USA) translates the information from the .stl file into instructions for the 3D printer. The material for 3D printing is PLA.

The corrective osteotomy was planned after preparing prototypes from the deformed distal radius and the normal contralateral bone. Plate positioning, screw length, and osteotomy location must be evaluated using C-arm fluoroscopy for proper selection of surgical materials.

Surgical programming with 3D reconstruction and PLA model prototyping allows the surgeon to better understand the deformity, plan the exact osteotomy location under real perspective and determine the best type of implants and their specifications. As such, it anticipates and optimizes surgical stages, resulting in a safer, faster, more predictable deformity correction. This research project was analyzed and approved by the ethics committee under the number 9253251119.

Selected Cases

Case 1–Female patient, 46 years old, with sequelae from a left distal radial fracture. This injury occurred 4 years ago, when it was treated with plastered immobilization. She presents pain and limited flexion at the left wrist. Posteroanterior and true lateral radiographies of the left wrist show vicious consolidation ( Figure 1 ). Bilateral distal radius prototyping based on CT scans with 3D reconstruction improved deformity understanding and surgical planning ( Figure 2 ).

Fig. 1.

Fig. 1

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Posteroanterior (A) and true lateral (B) radiographies of the left wrist showing vicious consolidation with dorsal deviation, radial shortening, ulnar head deformity, and adaptive carpal instability.

Fig. 2.

Fig. 2

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Planning and surgery with prototyping in a PLA model: guidewires placement for osteotomy in model (A, B) and fluoroscopic control of model osteotomy (C, D), prototyping after corrective osteotomy and dorsal plate fixation (E, F). Postoperative follow-up radiographies (G, H).

Case 2–Male patient, 47 years old. The subject presented a distal fracture at the right radius 4 months ago, which was submitted to nonsurgical treatment. Wrist radiographs show vicious consolidation with loss of volar inclination and widening of the joint surface of the distal radius with radiocarpal joint step ( Figure 3 ). As in the previous case, a PLA model from both distal radial bones of the patient was printed and used to outline the osteotomy point and deformity correction. ( Figures 4 and 5 ).

Fig. 3.

Fig. 3

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Posteroanterior (A) and lateral (B) radiographies of the distal portion of the right radius showing vicious consolidation with radiocarpal joint step and loss of normal radial volar tilt.

Fig. 4.

Fig. 4

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Dorsal view: planning of the corrective articular osteotomy of the distal portion of the right radius in a printed model (A), and fluoroscopic image after locked dorsal plate fixation at the distal radius (B). Lateral view: articular osteotomy of the distal radius and locked dorsal plate fixation in a printed model (C), and fluoroscopic image with corrected radiographic parameters (D).

Fig. 5.

Fig. 5

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Posteroanterior (A) and lateral (B) radiographies 4 weeks after surgery. Joint step reduction and enlargement of the radial articular surface as performed during the preoperative planning in a PLA model.

Discussion

In the early 1980s, Charles Hull developed and conceptualized 3D printing, allowing the creation of objects based on material deposition layer by layer. Since then, 3D printing advanced and models present better resolution, faster production, and lower cost; in addition, there is a greater variety of materials for printing. 7

The use of 3D prototyping in orthopedic surgery allows for a better 3D understanding of the fracture or its vicious consolidation. Visualization and manipulation of models, which are true to the patient's anatomy, help surgical programming and intraoperative decision making.

Final Considerations

In cases of vicious consolidation of the distal portion of the radius, printing a model based on the 3D reconstruction of CT scans helps the surgeon to select proper implants and determine the direction and location for corrective osteotomy. This preoperative planning saves surgical time, resulting in a lower rate of complications and in a more favorable functional outcome.

Funding Statement

Financiamento O presente estudo foi desenvolvido no laboratório de Prototipagem com Impressão em 3D com recursos provenientes do projeto regular – Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo - FAPESP número 17/26283-0.

Conflito de Interesses Os autores não têm nenhum conflito de interesse a declarar.

*

Trabalho realizado pelo grupo de Cirurgia da Mão e Membro Superior, Departamento de Ortopedia e Traumatologia, Escola Paulista de Medicina, Universidade Federal de São Paulo, São Paulo, SP, Brasil.

*

The present study was performed by the Hand and Upper Limb Surgery group, Departamento de Ortopedia e Traumatologia, Escola Paulista de Medicina, Universidade Federal de São Paulo, São Paulo, Brazil.

Referências

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Rev Bras Ortop (Sao Paulo). 2021 Feb 10;56(3):384–389. [Article in Portuguese]

Tratamento da consolidação viciosa do rádio distal: Osteotomia corretiva mediante planejamento com prototipagem em impressão 3D *

Resumo

As fraturas da porção distal do rádio estão entre as mais comuns do esqueleto. A consolidação viciosa pode ocorrer em até um terço dessas fraturas e acarretar restrição de movimento e dor no punho, com consequente limitação ou incapacidade laboral. O tratamento desta condição implica em osteotomia corretiva das deformidades, o que necessita de um planejamento pré-operatório criterioso em virtude de sua complexidade tridimensional, notadamente naquelas em que há acometimento articular. Assim, recentemente, tem sido utilizada a prototipagem a partir da reconstrução 3D da tomografia computadorizada (TC), o que permite o planejamento com realização da osteotomia em modelo anatômico tridimensional, com o melhor entendimento da deformidade, aproximando-se da situação realística da cirurgia, o que torna o procedimento mais seguro, ágil e previsível. O objetivo do presente estudo é apresentar esta técnica e seu emprego em dois casos clínicos.

Palavras-chave: deformidade do rádio, complicações fraturas do rádio, tomografia por raios x, impressão tridimensional

Introdução

Fraturas do terço distal do rádio estão entre as mais comuns do corpo, atingindo até 75% das fraturas de antebraço. 1 Apresentam distribuição bimodal, acometendo jovens em sua maioria do sexo masculino decorrente de trauma de alta energia por um lado, e por outro, pacientes > 65 anos, predominantemente do sexo feminino, com trauma de baixa energia, decorrente da fragilidade óssea-osteopenia. 1 2 Um estudo epidemiológico realizado na Suécia, com 11,2 milhões de habitantes, entre os anos de 1999 a 2010, apontou incidência de 278 fraturas do terço distal do rádio a cada 100.000 indivíduos, com razão entre os sexos de 3 mulheres para cada homem. 2 Em uma correlação com a cidade de São Paulo, com cerca de 12,2 milhões de habitantes, teríamos > 41 mil fraturas no mesmo período; considerando-se que até 33% evoluam com consolidação viciosa, 3 4 teríamos cerca de 13 mil pacientes, o que demonstra a importância de estudos para promover a prevenção e o tratamento desta condição clínica.

Ainda não há consenso em relação à melhor forma de tratamento das fraturas do rádio distal, 3 e embora as técnicas cirúrgicas e implantes tenham uma evolução constante, as complicações com fraturas de rádio distal ainda persistem, sendo a artrose pós-traumática, a ruptura tendínea, a compressão do nervo mediano e a consolidação viciosa as mais freqüentes. 3 4 A consolidação viciosa pode ocorrer em até 33% dos casos, 4 sendo mais comum nos casos tratados de forma não cirúrgica.

As consolidações viciosas do rádio distal podem acarretar limitações funcionais e álgicas em diversos graus, segundo o tipo das deformidades. As deformidades angulares determinam um movimento compensatório anormal na articulação mediocárpica que evolui com instabilidade e consequente dor, limitação do movimento e artrose degenerativa do punho. As deformidades com encurtamento do rádio podem levar a impacto ulnocarpal e instabilidade da articulação radioulnar distal. Nas deformidades com degrau articular há grande probabilidade de evolução com alterações degenerativas do punho. Knirk et al. 5 avaliaram o resultado funcional após tratamento de rádio distal em adultos jovens, e a congruência articular foi o fator crítico para o bom resultado funcional. Nos casos em que não se observou degrau articular, artrose pós-traumática ocorreu em 11% dos pacientes versus 91% em casos de não congruência articular. 5 Estas alterações funcionais acarretam limitação funcional que podem significar a incapacidade laboral permanente do paciente.

As osteotomias corretivas para consolidação viciosa do rádio distal visam recuperar a anatomia óssea normal com o objetivo de melhora funcional e alívio da dor, além de prevenir a progressão de alterações degenerativas da articulação do punho. Muitas técnicas de osteotomia corretiva estão descritas devido à ampla variabilidade de apresentação das consolidações viciosas, porém o ponto comum para sua indicação é a presença de dor e de limitação funcional do paciente somado à ausência de artrose avançada na articulação radiocarpal, possibilitando um benefício clínico significativo com a correção cirúrgica. 6

A análise clínica e radiológica são fundamentais para o bom desfecho da correção das deformidades, além das radiografias com incidências posteroanterior e lateral verdadeiro do punho acometido e contralateral, o emprego da tomografia computadorizada (TC) é essencial para avaliar o comprometimento articular e o planejamento cirúrgico, principalmente nas consolidações viciosas com envolvimento da articulação. 7

Recentemente, a TC com reconstrução 3D para execução de prototipagem em modelo tridimensional utilizando o ácido polilático (PLA), permite o melhor entendimento da deformidade, além de ser de grande valia para o planejamento cirúrgico. 6 7 O cuidadoso planejamento, que é realizado previamente ao procedimento cirúrgico no modelo 3D em dimensões reais às do paciente, permite ao cirurgião validar o tipo de implante a ser utilizado e prever as etapas e estratégias do procedimento cirúrgico. Essa abordagem proporciona tempo cirúrgico reduzido, melhor escolha e o posicionamento dos implantes, além de validar o local e a direção exatas da osteotomia necessária para a correção da deformidade. 7 8 Há cerca de 2 anos, com apoio da Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP), foi implantado o laboratório de prototipagem com impressão em 3D, o que permitiu que pudéssemos iniciar o desenvolvimento de estudos com utilização desta técnica que vamos descrever a seguir.

Indicações e Contraindicações

A impressão 3D em modelo prototipado (PLA) da consolidação viciosa de rádio distal durante o planejamento pré-operatório é recomendada para todas as cirurgias corretivas de consolidação viciosa da porção distal do rádio devido à complexa distorção da anatomia que a condição clínica apresenta. Esta estratégia permite o melhor entendimento tridimensional e da real correção da deformidade em pacientes que apresentem deformidade anatômica e limitação funcional significativa.

As osteotomias corretivas para consolidação viciosa do rádio distal estão contraindicadas nos pacientes com baixa demanda de atividade diária, naqueles que tenham deformidade anatômica leve e que apresentem pouca restrição funcional; bem como nos pacientes com longa evolução da deformidade e que apresentem osteoartrite degenerativa radiocarpal. Assim, nas deformidades com incongruência articular ou extra-articular de longa evolução, recomendamos uma avaliação mais específica do grau de degeneração da cartilagem articular, utilizando-se da ressonância nuclear magnética (RNM) ou da artroscopia de punho; em vigência de degeneração articular grave, a correção com osteotomia está contraindicada.

Técnica Pré-Operatória

A TC bilateral dos punhos deve ser realizada com espaçamento entre os cortes de até 1mm de espessura. O arquivo gerado no formato e padronização Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM, na sigla em inglês) é importado para um software de processamento e reconstrução 3D de imagens médicas (InVesalius versão 3.1.1, Centro de Tecnologia da Informação Renato Archer, Campinas, SP, Brasil). Este modelo tridimensional do rádio distal é exportado como arquivo Standart Tessellation Language / STereo-Lithography (STL, na sigla em inglês), e posteriormente o software Simplify3D (Simplify3D: Cincinnati, Ohio, USA) traduz as informações contidas no arquivo .stl em instruções para a impressora 3D. O material usado para impressão 3D é o ácido polilático (PLA).

Após a confecção dos protótipos do rádio distal com a deformidade e do lado contralateral normal, realizamos o planejamento da osteotomia corretiva de rádio distal. O posicionamento da placa, comprimento dos parafusos e local da osteotomia devem ser avaliados com o auxílio da fluoroscopia - arco em C, para a correta escolha de materiais para o procedimento cirúrgico.

A realização da programação cirúrgica com reconstrução 3D e modelo prototipado em PLA permite ao cirurgião o melhor entendimento da deformidade, planejar com perspectiva real o local exato da osteotomia e determinar o melhor tipo e especificações dos implantes a serem utilizados no procedimento cirúrgico. Deste modo, antecipa e otimiza as etapas da operação, o que torna o procedimento mais seguro, ágil e a correção da deformidade mais previsível. Este projeto de pesquisa foi analisado e aprovado pelo comitê de ética sob o número 9253251119.

Casos Ilustrativos

Caso 1–Paciente feminina, 46 anos de idade, sequela de fratura da porção distal do rádio esquerdo há 4 anos, tratada na ocasião com imobilização gessada, evolui com quadro de dor e limitação de flexão do punho esquerdo. Radiografia posteroanterior e perfil absoluto do punho esquerdo demonstrando consolidação viciosa ( Figura 1 ). Prototipagem a partir da tomografia computadorizada com reconstrução 3D do rádio distal bilateral permitiu o melhor entendimento da deformidade e planejamento cirúrgico ( Figura 2 ).

Fig. 1.

Fig. 1

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Radiografia posteroanterior (A) e perfil absoluto (B) do punho esquerdo demonstrando consolidação viciosa com desvio dorsal, encurtamento do rádio e sequela com deformidade da cabeça da ulna, associado a instabilidade cárpica adaptativa.

Fig. 2.

Fig. 2

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Planejamento e cirurgia com prototipagem em modelo (PLA): colocação dos fios guia para osteotomia no modelo (A,B) e controle por escopia da osteotomia do modelo (C,D), prototipagem pós-osteotomia corretiva e fixação com placa dorsal (E,F). Imagens de controle radiográfico pós-operatório (G,H).

Caso 2–Paciente masculino, 47 anos de idade, pós-tratamento não cirúrgico de fratura da porção distal do rádio direito ocorrida há 4 meses. Nas radiografias do punho, evidencia-se consolidação viciosa com perda da inclinação volar e alargamento da superfície articular do rádio distal com degrau articular radiocarpal ( Figura 3 ). De forma semelhante ao caso anterior, imprimiu-se modelo em ácido polilático de ambos os rádios distais do paciente, onde foi esquematizado o ponto de osteotomia e correção da deformidade ( Figuras 4 e 5 ).

Fig. 3.

Fig. 3

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Radiografias em posteroanterior (A) e perfil (B) da porção distal do rádio direito, consolidação viciosa com degrau articular radiocarpal e perda da inclinação volar normal do rádio.

Fig. 4.

Fig. 4

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Vista dorsal: planejamento da osteotomia corretiva articular da porção distal do rádio direito no modelo impresso (A), e imagem fluoroscópica pós-fixação da placa dorsal bloqueada de rádio distal (B). Vista lateral: osteotomia articular da porção distal do rádio e fixação com placa dorsal bloqueada no modelo impresso (C) e imagem fluoroscópica com correção dos parâmetros radiográficos (D).

Fig. 5.

Fig. 5

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Radiografia pós-operatória com 4 semanas de evolução, posteroanterior (A) e perfil (B). Redução do degrau articular e do alargamento da superfície articular do rádio, conforme realizado no planejamento pós-operatório em modelo PLA.

Discussão

No começo da década de 80, Charles Hull desenvolveu e conceitualizou a impressão em 3D, o que permitiu a criação de objetos a partir de deposição de materiais camada a camada. Desde então, avanços têm sido feitos na impressão em 3D, resultando em modelos com melhor resolução, produção mais rápida e a menor custo, além de ter permitido variedade maior de materiais para impressão. 7

O uso da prototipagem em 3D na cirurgia ortopédica permite o melhor entendimento tridimensional da fratura ou consolidação viciosa. A possibilidade de visualizar e manipular os modelos, que são fidedignos à anatomia do paciente, ajuda na programação cirúrgica e na tomada de decisão intraoperatória.

Considerações Finais

Nos casos de consolidação viciosa da porção distal do rádio, a impressão do modelo a partir da reconstrução em 3D da tomografia computadorizada auxilia o cirurgião na correta escolha de implante, direção e local da osteotomia corretiva. Esse planejamento pré-operatório poupa tempo cirúrgico, o que está associado a um menor índice de complicações e resultado funcional mais favorável.

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