Summary
拡張現実技術は、大腿骨頭の骨壊死のためのコア減圧に適用され、この手術手順のリアルタイム可視化を実現した。この方法は、コア減圧の安全性と精度を効果的に向上させることができる。
Abstract
大腿骨頭の骨壊死(ONFH)は、若年および中年の患者に共通の関節疾患であり、生活や仕事に深刻な負担をかけています。初期段階のONFHにとって、コア減圧手術は古典的で効果的な股関節保存療法です。キルシュナー線によるコア減圧の従来の手順では、X線曝露、繰り返しの穿刺検証、正常な骨組織の損傷など、依然として多くの問題があります。穿刺プロセスの盲目さとリアルタイムの視覚化を提供できないことが、これらの問題の重要な理由です。
この手順を最適化するために、私たちのチームは拡張現実(AR)技術に基づいて術中ナビゲーションシステムを開発しました。この手術システムは、手術領域の解剖学的構造を直感的に表示し、術前の画像と仮想針を術中ビデオにリアルタイムでレンダリングすることができます。ナビゲーションシステムのガイドにより、外科医はKirschnerワイヤーを標的病変領域に正確に挿入し、付随的損傷を最小限に抑えることができます。本システムでコア減圧手術を10例実施しました。位置決めと透視の効率は従来の手順と比較して大幅に改善され、穿刺の精度も保証されています。
Introduction
大腿骨頭の骨壊死(ONFH)は、若年成人に起こる一般的な障害疾患である1。臨床的には、治療戦略を決定するために、X線、CT、およびMRIに基づいてONFHの病期分類を決定する必要がある(図1)。初期段階のONFHの場合、股関節保存療法は通常採用される2.コア減圧(CD)手術は、ONFHで最も頻繁に使用される股関節保存方法の1つです。初期段階のONFHの治療における骨移植の有無にかかわらずコア減圧の特定の治癒効果が報告されており、これはその後の股関節全関節形成術(THA)を長期間にわたって回避または遅延させることができる3、4、5。しかし、骨移植の有無にかかわらずCDの成功率は、以前の研究とは異なる方法で報告され、64%から95%まで6、7、8、9。この外科的技術、特に穿孔位置の精度は、股関節保存10の成功にとって重要である。穿刺および位置決め手順の失明のために、CDの伝統的な技術は、より長い透視時間、キルシュナーワイヤーを用いた反復穿刺、および正常な骨組織11、12の傷害などのいくつかの問題を有する。
近年、整形外科13において拡張現実(AR)支援法が導入されている。AR技術は、手術野の解剖学を視覚的に示し、手術手順を計画する際に外科医を導き、その結果、手術の困難さを軽減することができる。椎弓根スクリュー移植および関節関節形成術手術におけるAR技術の応用は、以前に報告されている14、15、16、17。本研究では、AR技術をCD手技に応用し、臨床現場での安全性・正確性・実現可能性を検証することを目的とする。
システム・ハードウェア・コンポーネント
ARベースのナビゲーション手術システムの主なコンポーネントには、(1)手術領域の真上に設置された深度カメラ(図2A)が含まれます。ビデオはここから撮影され、画像データの登録と協力のためにワークステーションに送り返されます。(2)穿刺装置(図2B)と非侵襲的な体表面マーキングフレーム(図2C)で、どちらもパッシブ赤外線反射器を備えています。マーキングボールの特殊な反射コーティング(図3)を赤外線機器で捕捉して、手術領域内の手術器具を正確に追跡することができます。(3)赤外線位置決め装置(図2D)は、手術領域内のマーカーを追跡し、体表面マーキングフレームと穿刺装置を高精度に照合する役割を担います(図4)。(4)ホストシステム(図2E)は、独自に開発されたAR支援整形外科手術システムを搭載した64ビットワークステーションです。股関節および大腿骨頭穿刺手術の拡張現実表示は、その支援によって完了することができる。
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Protocol
本試験は、中日友好病院倫理委員会(承認番号:2021-12-K04)により承認された。以下のステップのすべては、患者および外科医への傷害を避けるために標準化された手順に従って実施された。インフォームド・ペイシェントの同意がこの研究のために得られた。外科医は、不正確なナビゲーションまたは他の予期しない状況の場合に手術が伝統的な方法で実施されることを保証するために、従来のコア減圧手順に熟練していなければならない。
1. ONFHの術前診断とグレーディング
- ONFHの臨床症状を有する患者を同定する;同側股関節または膝放射痛を伴う鼠径部領域の持続性または断続的な痛みなどの典型的な症状。身体検査では、鼠径部の深い圧痛、パトリックの徴候、内部回転と外転の限られた股関節運動、またはX線、CT、MRIを使用して測定された大腿骨頭の壊死変化が示されました。
- 関連研究循環骨(ARCO)病期分類によれば、患者の股関節のX線、CT、およびMRIをレビューし、ONFHの病期分類を決定する。2人の医師がこの作業を独立して行います。意見の相違がある場合は、3人目の専門家に最終決定を依頼してください。
- アンケートを使用して術前の視覚的アナログスケール(VAS)およびハリス股関節スコアを記録する。
- 以下の基準を用いた患者を含む:1)ONFHを有する患者;2)画像検査(X線、CT、およびMRI)によって確認されたONFHのステージI、IIA、およびIIB;3)大腿骨頭芯減圧術が予定されている。1)患者がCD手術を拒否する場合、患者を除外する。2)術前の日常的な検査は、感染や基礎状態の悪さなどの外科的矛盾を示す。3)グループへの登録を拒否する患者。
2. システム登録と精度テスト
- AR支援整形外科手術システムを実行し(商品化の問題によりソフトウェアの詳細を提供できません)、 正投影ビデオ をクリックして深度カメラをアクティブにします。手術部位の画像が活性化後に画面に表示されます(図5A)。光学トラッキング装置の位置を、そのトラッキング領域が手術領域を完全に覆うことができるようにします(図5B)。
- NDI 設定 をクリックして、デバイスアクセスポートCOM4を選択します。仮想針 長設定 (通常、キルシュナー針の長さは180 mm)をクリックすると、ビデオの外科領域に仮想キルシュナー針画像が自動的に生成されます。
- 計画された外科的前頭領域を、各レベル30 cm x 30 cmのサイズで、レベル間の高低差が15 cmで上下のレベルに分割する。システムは、手術領域のこの空間情報をソフトウェアに自動的に入力します。
- 10の一致するポイントを持つすべてのレベルを均等に割り当てます。30 cm x 30 cm の領域ごとに、2つの部分がそれぞれ3つの点を持ち、1つの部分(左の部分)が4つの点を持つように、3つの等しい部分に分割します。アシスタントに、ポイントに応じて非侵襲的な体表面マーキングフレーム(図2C)を配置するように依頼します。完了したら、[ マッチ]をクリックします。登録用のシステム独自の特殊画像がマーキングフレームに自動的に重ね合わされます(図5C)。画像とマーキングフレームが完全に一致する場合、このポイントの登録が成功したと考えてください。
- フレームを次の基準点に移動し、手順 2.4 を繰り返します。すべての登録ポイントが完了するまで。穿刺装置を搭載したマーキングフレーム(図3A2)の形状は、非侵襲的な体表面マーキングフレームとまったく同じであるため、登録が完了すると、手術領域内の光学追跡装置によって前者を追跡することもできる。
- 穿刺装置を手術領域内でランダムに動かして、仮想針の一致度合と追跡遅延を検出します(図6)。赤青の仮想キルシュナー針体が手術領域の実際の針に自動的にフィットするため、キルシュナー針の拡張現実表示が成功します(図5D)。
注:登録プロセス中、光学トラッキングデバイスと深度カメラの位置は自由に変更しないでください。その場合、仮想手術の空間位置関係が変化し、仮想キルシュナー針と物理手術の一致が不正確になり、登録をやり直す必要があります。
3. 穿刺前の患者およびシステムの準備
- 手術室に入った後、患者に仰臥位で横になり、患部の下肢を固定するように依頼します(図7)。すべての患者に全身麻酔を投与する。
- ヨウ素と75%アルコールで手術部位を準備し、患者の罹患した股関節に非侵襲的な体表面位置決め装置(標準的な手順を使用して滅菌)を置きます。
- C-ARM透視鏡を手術台の横に移動し、ソースを股関節の上に置きます。ソースを深度カメラに合わせ、手術台の位置を位置1として記録します。
- 最初の透視検査の後、BMP形式のX線写真をシステムワークステーションにエクスポートし、 写真編集で開き、[ ライトスケール]オプションをクリックしてグレースケールを調整します。時計回りに回転し、対応するボタンをクリックして水平方向に1回反転してBMPに変換します。次に、[ ペイント3D ]をクリックして開き、非侵襲的な体表面マーキングフレームを含むJPG形式で保存し、画像1という名前を付けます(図8A)。
メモ: この変換プロセスは、システム識別の成功を促進するためのものです。画像変換の特別な要件のため、回転および反転のためにX線画像のグレースケールを調整する必要がある。 - デプスカメラのすぐ下の手術台を、位置2とマークされた操作領域までスライドさせます。位置 1 (ステップ 3.3) と位置 2 は、同じ水平面上の 2 つの点であり、30 cm 離れています。
- AR支援整形外科システムで、「 前線X線画像>ファイル」をクリックし、画像1を選択します。システムは、患者の皮膚表面上の非侵襲的な体表面マーキングフレームを自動的に識別し、この画像を手術ビデオ内の股関節に重畳する(図8B)。
- 上記で生成されたX線画像とリアルタイムビデオの拡張現実表示を使用して、外科医はこれに基づいて穿刺経路を計画する。
4. 外科システムによって補助される穿刺
- 外科医は罹患側に立って、以下のステップを実行する。穿刺装置を持ち、最適な挿入角度を決定します。手術ビデオの仮想キルシュナーワイヤーと股関節のX線画像に導かれて、皮膚表面上の挿入ポイントにマークを付けます。
- 直径 2.5 mm のキルシュナー線を選択し、挿入ポイントから突き刺します。ビデオの挿入深さと角度を観察し、タイムリーに調整します。
- 仮想針が壊死の対象領域に到達したら、穿刺処理を停止し、その後の穿刺精度評価のためにスクリーンショットを画像2(図9A)として保持する。
- 針を差し込む。2 回目の透視検査では手術台を 1 の位置に移動し、キルシュナー線の実際の穿刺状態を確認します。イメージ ファイルをイメージ 3 として記録します (図 9B)。
- 穿刺は、キルシュナーワイヤーの位置が外科医の要件をすべて満たしている場合に成功します。次に、ランセットを使用して針の周りの皮膚を切断し、転子下の骨を約3cmの深さまで露出させるまで、軟部組織のあらゆるレベルを分離します。キルシュナー線に沿って壊死領域を5mmのトレフィンで穴あけし、その後の手術(人工骨または自家骨移植)を完了します。
- すべての手順を終えたら、3-0の絹糸で皮膚を閉じ、滅菌ドレッシングで覆います(図10)。病棟に戻った後、感染予防、鎮痛、体液注入などの一般的な整形外科の術後薬を患者に提供します。合併症が起こらない場合は、手術の3日後に患者を退院させる。
5. 運用評価
- 画像 2 と画像 3 を画像処理ソフトウェアに読み込み、不透明度を 52% に調整します。
- マスキングボタンをクリックして2つの画像を重ね合わせ、次にルーラーボタンをクリックして、仮想先端と大腿皮質の穿刺点との間の距離(L仮想)、およびキルシュナー針の先端と大腿皮質の穿刺点との間の距離(Lture)を測定する。L仮想とLチュールの差を計算して、穿刺精度を評価します。
- 穿刺中、位置決め時間はキルシュナー線が皮膚を突き刺した時点から始まり、X線がキルシュナー線が大腿骨頭の標的領域に正常に到達したことを確認した時点で停止する。
- 手術から3ヶ月後、股関節X線(図11)を撮影し、視覚的アナログスケールとハリス股関節スコアを記録します。
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Representative Results
動作特性
外科的ナビゲーションシステムは、9人の患者の連続的な10の腰に適用された。手術の平均総位置決め時間は10.1分(中央値9.5分、範囲8.0〜14.0分)であった。平均C-ARM透視検査は5.5倍(中央値5.5倍、範囲4〜8倍)であった。穿刺精度の平均誤差は1.61mm(中央値1.2mm、範囲-5.76-19.73mm; 表1)。結果は、位置決め時間と透視時間が従来の手順と比較して明らかに短縮されていることを示しています。
臨床転帰評価
登録された9人の患者は、男性7人、女性2人で構成され、平均年齢は41.6±10.0歳であった。平均BMIは23.93±3.08kg/m2であった。評価されたヒップについて、2つのヒップはARCO Iステージにあり、4つのヒップはARCO IIAステージにあり、4つはARCO IIBステージであった。術前および術後の視覚的アナログスケールおよびハリス股関節スコアを用いて、転帰を評価した(表1)。術前平均VASスコアは6であり、術後平均スコアは3.75であった。術前平均ハリススコアは77.5、術後平均スコアは85.5であった。股関節X線は手術の3ヶ月後に検査した。患者は全員無事に病棟に戻った。感染、血腫、神経損傷などの術後合併症は認められなかった。これまでのところ、いずれの場合も大腿骨頭の虚脱は起こらず、股関節保存の長期的な機能と成功率はまだ追跡調査中です。外科的指標およびスコアを 表2に示す。
図1:大腿骨頭壊死の初期段階の画像化。(B)MRI画像。矢印は壊死の領域を示す。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図2:ARベースのナビゲーション手術システムの主要コンポーネント。(b)位置決めフレームを備えた穿刺装置。(C)独自に設計・開発された非侵襲的な体表面マーキングフレーム。(D)赤外線測位装置。(E) 外科システムワークステーション。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図3:パッシブ赤外線反射器の設置 。(A)穿刺装置に取り付けられた自己設計の位置決めフレーム。(b)リフレクタは、非侵襲的な体表面マーキングフレームの四隅に取り付けられています。(C) パッシブ赤外線反射器の仕様は、直径 10 mm の球面デバイスです。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図4:赤外線測位装置の動作原理 前記赤外線測位装置によって放射された赤外線は、前記パッシブ赤外線反射体によって反射され;そのデバイスの受信側は、反射信号を受信し、移動データをワークステーションに送信します。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図5:術前登録プロセスの概要 (A)AR支援整形外科手術システムの操作インターフェース。(B)手術領域は、非侵襲的な体表面マーキングフレームを用いて計画された。(C)手術ビデオ内の一致する点の1つを正常に登録するためのヒント。(D)すべてのマッチングポイントが正常にマッチングされた後、手術器具の追跡がテストされた。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図6:仮想キルシュナー針を実際のキルシュナー線に重ね合わせる(A-C)画像は、仮想キルシュナー針が物理的な針に正確に重ね合わされ、画面内でそれとともに移動することを示しています。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図7:手術シナリオの概要 (A)手術室におけるARベースの手術システムの主要コンポーネント。(B)大腿骨頭の壊死を有する患者が、外科系の助けを借りて治療されている。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図8:股関節画像化および拡張現実感ディスプレイ。(A)非侵襲的な体表面マーキングフレームを含む股関節のX線写真。黒い矢印はパッシブ赤外線リフレクターを示します。(B)X線写真はワークステーションで処理され、次いで手術システムによってスクリーン上の罹患した股関節の表面に重ね合わされる。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図9:穿刺効果のデモンストレーション。 (A)画像は穿刺後のスクリーンショットを示しており、黒-赤-青の線はシステム内の仮想キルシュナー線である(ステップ2.6)。(b)画像は穿刺終了後の股関節X線写真を示し、黒い線はX線で実際のキルシュナー線の画像である。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図10:ARベースの手術システムによって導かれる大腿骨頭部穿 刺。 (A)外科医は、画面表示に従って穿刺装置の位置を調整している。(B)キルシュナーワイヤーは皮膚を穿刺し、壊死を指し示す。(C)キルシュナー線に沿って壊死領域に5mmのトレフィンをドリルで開け、人工骨または自家骨移植を充填する。(D)傷口を塞ぐ。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図11:股関節の術後X線写真。(B)患者がカエルの位置にある。黒い矢印は、大腿骨頭部の人工骨インプラントを示す。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
| ケース | 性 | 年齢 | ティッカー | 病気 | アルコ |
| 1 | M | 22 | 28.40 | オンフ(左) | ティッカー |
| 2 | F | 21 | 22.40 | オンフ(右) | ティッカー |
| 3 | M | 42 | 19.56 | オンフ(左) | ティッカー |
| 4 | M | 51 | 22.10 | オンフ(左) | 私 |
| 5 | M | 31 | 24.34 | ONFH(二国間) | L:IIB |
| 6 | R:IIA | ||||
| 7 | M | 46 | 27.24 | オンフ(右) | ティッカー |
| 8 | F | 41 | 21.20 | オンフ(左) | ティッカー |
| 9 | M | 56 | 22.83 | オンフ(右) | 私 |
| 10 | M | 38 | 27.30 | オンフ(左) | ティッカー |
表1:基本的な患者情報 この表は、この研究に登録された10人の患者の情報を提供する。
| ケース | 位置決め時間(分) | 透視ショット | 位置決め誤差(mm) | ハリスヒップスコア | ビジュアルアナログスケール | ||
| 以前は | 後 | 以前は | 後 | ||||
| 1 | 13 | 6 | 2.83 | 82 | 89 | 6 | 4 |
| 2 | 9 | 6 | 0.35 | 86 | 85 | 4 | 3 |
| 3 | 9 | 4 | 2.05 | 88 | 89 | 5 | 3 |
| 4 | 10 | 5 | -5.01 | 73 | 85 | 7 | 4 |
| 5 | 8 | 6 | -1.52 | L:84 | L:88 | L:4 | L:3 |
| 6 | 14 | 4 | -4.13 | R:68 | R:82 | R:6 | R:4 |
| 7 | 11 | 7 | 3.97 | 74 | 84 | 7 | 4 |
| 8 | 10 | 5 | 3.55 | 81 | 89 | 5 | 3 |
| 9 | 9 | 8 | 19.73 | 74 | 82 | 6 | 4 |
| 10 | 8 | 4 | -5.76 | 62 | 81 | 8 | 5 |
表2:外科的指標およびスコア。 位置決め時間、透視時間、および穿刺精度を計算して示します。術前および術後のVASスコアおよびハリススコアもこの表に示されている。
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Discussion
THAは近年急速に発展し、ONFHの効果的な究極の方法となっていますが、股関節保存療法は依然として初期段階のONFHの治療に重要な役割を果たしています18,19。CDは基本的で効果的な股関節保存手術であり、股関節痛を解放し、大腿骨頭虚脱の発症を遅らせることができる20。局所壊死の穿刺位置決めは、手術の成功または失敗を決定するため、CDの重要な手順です。しかしながら、従来の穿刺位置決め方法には、反復穿刺、透視検査への曝露の増加、および動作時間の増加につながる可能性のあるいくつかの盲点がまだ含まれている10,11。多くの学者はまた、3D印刷の使用、股関節鏡検査の組み合わせ、およびロボット支援ナビゲーションシステムの使用など、この側面を改善するための努力をしてきた12,21,22,23。これらの方法は確かに穿刺位置決めの効率と精度を向上させますが、手術の複雑さを増したり、補助的な傷害を引き起こしたり、医療費を増加させたりするなど、他の側面にもいくつかの欠陥があります。
ここに示したシステムは、術前登録プロセスにおいて仮想手術領域を分割することができる。仮想手術領域では、電気光学ターゲット追跡装置の高精度トレースとキルシュナー線の仮想表示を実現できます。また、必要に応じて、第2のフィルムと重ね合わせ、股関節の角度を調整する際に行うこともできる。平均登録時間はわずか10.1分です。同じエリアで他の操作を行う場合、繰り返し登録する必要はありません。登録と位置決めの全プロセスは非侵襲的であり、したがって、高いレベルの安全性を確保し、侵襲性の低い外科的原理に適合する。
AR技術は、知覚できない情報をリアルタイムビデオフレームに重畳し、仮想性と現実性の組み合わせを実現する24。AR技術は、骨折縮小、骨腫瘍切除など、多くの整形外科手術に組み合わされています25,26,27。私たちの知る限り、これはCD手術にARを適用した最初の研究です。私たちのシステムの最大の利点は、手術の難易度を軽減し、外科医の学習曲線を短縮することができるリアルタイムの視覚化です。
この研究にはいくつかの制限もあります。第一に、この研究のサンプルサイズは非常に小さいため、結果は十分に説得力がありません。第二に、我々は初期の臨床転帰のみを報告する。患者にとっての真の利益を評価するために、さらなるフォローアップも必要である。確かに、このシステムにはまだ開発の余地があります。パフォーマンスの向上により、臨床現場により良いサービスを提供します。
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Disclosures
著者らは、競合する利害関係はないと宣言している。
Acknowledgments
この研究は、北京自然科学財団(7202183)、中国国家自然科学財団(81972107)、北京市科学技術委員会(D171100003217001)の支援を受けました。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| AR-assisted Orthopedic Surgery System | Self development | None | An operating software that implements AR for orthopedic surgery |
| Depth camera | Stereolabs | ZED depth camera(ZED mini) | shoot video and sent back to the workstation. |
| Image processing software | Adobe Systems Incorporated | Adobe Photoshop CS6 | Image processing software |
| Infrared positioning device | Northern Digital Inc. | NDI Polaris Spectra optical tracking device | Tracking markers in the surgical area. |
| Puncture device | Stryker | Stryker System 7 Cordless driver and Sabo | Insert kirschner wire into the necrotic area. |
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