混合现实在定制化翻修髋关节置换术中的应用：首例病例报告

摘要

采用定制假体和混合现实技术进行了一例复杂的髋关节翻修成形术。据作者所知，这是文献中首次报道此类手术。

摘要

3D打印与解剖结构可视化技术在医学多个领域正迅速发展。2019年1月，研究人员采用定制化假体与混合现实技术成功实施了一例复杂的髋关节翻修术。混合现实技术的应用实现了对解剖结构的清晰可视化，从而确保了假体植入的精确固定。据作者所知，这是首次报道将这两种创新技术联合应用于临床的病例。手术前的诊断为左侧髋关节髋臼部件松动。术中使用了由工程师制作的混合现实头戴设备与全息影像。手术顺利完成，术后患者早期实现直立活动并进入康复阶段。该团队认为，此类技术在关节置换术、创伤骨科及骨科肿瘤学领域均具有广阔的发展前景。

引言

三维（3D）打印与复杂结构可视化技术在医学多个领域正迅速发展，包括心血管外科、耳鼻喉科、颌面外科，尤其是骨科手术^1,2,3,4,5。目前，该技术在骨科手术中的应用不仅限于直接实施3D打印部件，还广泛用于手术培训、术前规划以及术中导航^6,7,8。

全髋关节置换术（THA）和全膝关节置换术（TKA）是全球范围内最常见的骨科外科手术之一。由于能显著改善患者的生活质量，THA 曾在先前的一项研究中被称为"世纪手术"⁹。2019年，波兰共实施了49,937例THA和30,615例TKA¹⁰。随着预期寿命的延长，髋关节和膝关节置换手术的预计数量呈上升趋势。为改进假体设计、手术技术以及术后护理，人们已做出巨大努力。这些进步显著提高了恢复患者功能的可能性，并降低了并发症风险^11,12,13,14。

然而，目前全球骨科医生面临的主要挑战是处理解剖结构异常的非标准患者，其髋关节的解剖缺陷使得即用型假体的植入变得极为困难，甚至无法实施¹⁵。骨缺损可能由严重创伤、伴有髋臼突入的进行性退行性骨关节炎、发育性髋关节发育不良、原发性骨癌或转移性肿瘤引起^{16,17,18,19,20}。假体选择问题尤其涉及那些面临多次翻修风险的患者，有时还需采用非常规治疗方案。在此类情况下，一种极具前景的解决方案是为特定患者和特定骨缺损定制的增材制造3D打印假体，可实现高度精确的解剖匹配²⁰。

在关节成形术领域，精确的假体植入及其长期固定至关重要。术前和术中三维可视化技术的进步已催生出增强现实与混合现实等卓越的解决方案^21,22,23,24。术中使用骨骼与假体的计算机断层扫描（CT）全息影像，可能比传统X线影像实现更精准的假体置入。这一新兴技术有望提高治疗有效性，并降低神经血管并发症的风险^21,25。

本病例报告描述了一名因无菌性松动接受髋关节翻修手术的患者。为解决多次假体失效导致的严重骨缺损，使用了定制的3D打印髋臼假体。在手术过程中，我们采用混合现实技术对假体位置进行可视化，以避免损伤邻近的神经血管结构。应用于混合现实头戴设备的程序支持语音和手势指令，使其能够在手术期间的无菌条件下使用。

一名57岁女性因初步诊断为左侧髋关节髋臼假体松动被收入科室。该患者的病史十分复杂。一生中，她曾接受过多次髋关节手术治疗。首次手术为因髋关节发育不良导致的骨关节炎而进行的髋关节表面置换术（1977年，15岁）；第二次手术因假体松动而行全髋关节置换术（1983年，21岁）；之后又进行了两次翻修手术（1998年和2000年，分别为37岁和39岁）。此外，该患者还患有因儿童期脑性瘫痪引起的左侧痉挛性偏瘫，并因左侧马蹄内翻足畸形多次接受手术治疗。她同时伴有胸腰段脊柱骨关节炎、腕管综合征以及控制良好的原发性高血压。在确定需进行下一次手术前的最终诊断为：因左侧髋关节髋臼假体松动导致的疼痛及功能障碍逐渐加重。该患者求治意愿强烈，身体活动能力良好，能够较好地应对自身残疾。

方案

该方案遵循华沙医科大学人类研究伦理委员会的指导原则。患者已签署知情同意书，同意接受该操作，并知晓操作过程将被记录。患者在操作前已对此表示同意。

注意：将患者纳入手术项目的基本标准是，由于解剖结构功能障碍，无法使用标准植入物，必须进行手术干预。混合现实技术旨在实现假体的更精准放置，提高手术成功的可能性。

1. 准备

1. 在患者住院前，准备定制的髋臼假体并规划手术方案。
   注意：在此案例研究中，由具备医学影像诊断专业知识的人员制备了定制的髋臼假体。
   1. 在计划入院前，于影像诊断单位进行X射线检查。
   2. 进行骨盆前后位X射线摄影。
   3. 根据X射线图像评估患者骨盆的当前状况。
   4. 将获得的影像与先前的X射线图像进行比较。
2. 按照协议进行骨盆CT扫描，并获取DICOM（医学数字成像与通信）文件。
   1. 将患者置于可移动的CT扫描平台上。
   2. 点击厚度按钮，选择512 x 512像素的扫描层厚。
   3. 点击设定1 mm层厚的参数选项。
   4. 点击开始程序，等待检查结果。
3. 请工程师设计假体方案，该方案可作为技术图纸或3D打印模型原型以数字形式发送（图1）。
   1. 在DICOM图像查看器中可视化CT扫描结果。
   2. 结合患者当前的解剖条件、生物力学特性及关节功能，确定假体实施的需求。
   3. 就假体设计（包括固定方式）向工程师咨询建议。
   4. 确认设计方案，并等待发货。
      注意：假体的最终形状是将患者CT扫描的3D数据与设计工程师和外科医生的意见相结合的结果。
4. 使用电子束熔融技术，以钛合金粉末（TiAl6V4）打印定制的3D假体^26,27。在含有少量TiAl6V4粉末的密闭腔室内，每次发射电子束时，材料会经历选择性熔化并逐层累积（等离子涂层）。
5. 检查假体是否已灭菌。试验用假体及最终假体的灭菌由制造商保证。

2. 术前检查

1. 进行标准的常规实验室检查及专科会诊。
   1. 排除存在假体周围关节感染可能的患者（无影像学特征、C反应蛋白正常（<10 mg/L），女性红细胞沉降率为1–10 mm/h，男性为3–15 mm/h）。
2. 检查感染的临床体征，如发热（全身性）、疼痛、肿胀、发红（局部）以及关节功能下降²⁸。
   1. 在临床检查中排除具有局部炎症体征的患者（发红、皮温升高、疼痛、肿胀和功能丧失提示局部炎症）。患者已对手术签署完全知情同意书。

3. 混合现实模型

注意：该过程旨在实现对植入物和骨盆的适当显像，以便术中使用。

1. 使用专用应用程序将盆腔CT的DICOM文件处理为全息影像。
   1. 从获取的CT DICOM文件中将CT图像载入混合现实头显。
      1. 打开全息DICOM查看器。
      2. 选择包含CT DICOM文件的文件夹。
      3. 查看头显开启时显示的IP地址，并将其输入全息DICOM查看器中指定的位置。
      4. 点击连接按钮，即可在混合现实头显中查看可视化图像。
   2. 分割盆骨组织结构。此操作通过使用剪刀工具手动完成。启用该工具后，用户按下鼠标左键并移动鼠标，以移除被该工具选中的结构。
      1. 再次点击鼠标左键结束选择，系统将弹出提示，供用户确认是否剪切所选结构。
         注：用户可在3D和2D视图中选择需要剪切的区域。可选择移除选区内或选区外的结构。重复此操作，直至仅显示CT图像中必要的部分。
   3. 从可用函数列表中点击名称选择专用于骨科手术的预设传递函数（颜色可视化参数）：CT Bone Endoprosthesis。如有需要，可通过在3D可视化窗口中使用鼠标右键并结合鼠标移动来调整窗宽和窗位，从而优化可视化效果。
   4. 连接头显以在3D全息空间中查看已准备好的可视化图像。使用语音命令进行图像调整：旋转（Rotate）、缩放（Zoom）、智能切割（Cut Smart）以及手势控制（Hand Gestures）。
   5. 使用智能切割命令，调用并调整一个垂直于用户视线的切割平面。用户头部越靠近全息影像，切割平面越深入。
   6. 执行上述操作以查看可视化图像的内部结构，因为位于切割平面前方的结构将不再显示。
      注：该视图对于评估结构之间的几何关系（骨盆、股骨和植入物）至关重要（图2 和 图3）。

4. 手术

1. 使用定制的髋臼假体和混合现实设备，对因髋臼部件无菌性松动而需进行翻修髋关节置换术的患者实施手术操作^14,16,29。手术中使用手术刀、带凝固功能的电外科刀、鲁尔工具和剪切器。
   1. 术前30分钟静脉注射1.5 g头孢曲松，以预防感染，并在手术当日追加给药两次。术前一日开始使用低分子肝素（LMWH）进行血栓预防，术后继续每日单次皮下注射40 mg依诺肝素，持续30天。
   2. 将患者置于全身麻醉下，仰卧于手术台上，并妥善固定体位。
   3. 采用Hardinge入路进入髋关节，松解软组织粘连，并取出松动的髋臼假体。
   4. 手术操作步骤与其他髋关节翻修术相同，但采用更广泛的手术入路。
   5. 彻底清除髋臼表面的所有软组织，使其形态与术前提供的模型完全一致，确保假体模型能够与髋臼骨面完美贴合。
   6. 使用专门设计的螺钉固定新型非骨水泥假体，以实现假体的稳定。
   7. 术后实施股神经阻滞镇痛。
2. 术中对处理后图像的全息可视化
   1. 将术前规划阶段准备好的DICOM格式CT扫描图像加载至混合现实应用程序中。
   2. 将混合现实头戴式设备连接至混合现实应用程序，以便在三维全息空间中查看已准备好的可视化图像。
   3. 利用术中全息可视化技术，精确准备骨盆骨面，并准确切除因髋臼部件松动而增生的过量结缔组织。
   4. 确保术者将全息可视化图像作为参考依据进行操作。
   5. 手术过程中使用手术刀、带凝固功能的电外科刀、鲁尔工具和剪切器。三维骨盆模型的可视化有助于最大限度降低损伤神经血管结构的风险，并减少假体植入位置错误的可能性。
   6. 确保头戴式显示器通过Wi-Fi网络与工作站连接。图像的处理与渲染由工作站完成，结果以全息图形式显示在头戴设备上。操作时使用手势和语音指令。如有需要，可请求工程师协助进行视点预览（POV preview）。

5. 术后护理

1. 让患者接受标准的康复和恢复方案，包括术后第一天即开始康复和活动^30,31,32。
   注：康复由一支在髋关节和膝关节置换术方面经验丰富的专职团队实施。
2. 实施药物性血栓预防。血栓预防于手术前一天开始，使用低分子量肝素（LMWH）。术后继续每日单次剂量40 mg依诺肝素，持续30天。

结果

图像预处理
由经验丰富的放射科技师使用现有软件中的阈值分割和区域生长算法，从CT的DICOM图像中对骨盆骨、股骨及假体内植物进行半自动分割，生成二值掩膜³³。生成的标签图还由放射科医生进行手动修正。这些标签图用于增强可视化效果，并在下一步中叠加至CT扫描图像上。该方法可将容积渲染（可在CT图像上显示骨结构及周围组织）与分割出的重要组织区域相结合。分割结果保留在原始图像序列中，避免了仅构建结构的三维图形模型，从而保留了所有亨氏单位（HU）值的信息。最终实现了交互式可视化，可根据手术情况同时或单独显示组织、植入物及骨分割结果（图1 和 图4 展示了固定植入物的可视化效果）。处理后的CT数据集通过专用软件以全息影像形式呈现。

术前规划与住院
根据计算机断层扫描（CT）数据及可视化图像，制定了手术方案。该方案包括以下重要参数：髋关节旋转中心、...

讨论

初次和翻修髋关节置换术可能需要个性化设计，以确保治疗的有效性。然而，与标准手术相比，使用定制假体需要更长的术前准备时间。定制的3D打印假体是一种解决方案，可为因疾病导致严重骨质破坏的非典型患者恢复功能提供机会²⁹。由于退行性病变进展迅速、原发性骨肿瘤或转移瘤引起的骨缺损，以及复杂的创伤或多次翻修手术等原因，标准假体往往无法满足临床需求¹⁶。定制假体针对特定患者进行完全个体化设计，充分考虑其解剖异常和当前临床状况。假体制作过程需要骨科医生与工程师密切合作，并基于计算机断层扫描（CT）或磁共振成像（MRI）数据进行。虚拟假体模型的构建过程较为复杂，由工程师精确分析假体与骨骼之间的受力关系后完成。初步的虚拟3D模型需与外科医生共同讨论，经确认批准后，开始定制假体的生产。最终的假体会随附供手术团队使用的PDF版操作说明，同时配备精确的骨盆骨骼及假体塑料模型，用于术前训练和术中比对适配。

术前规划至关重要，尤其是在翻修关节置换术的背景下。在确定患者是否适合接受该手术时，必须考虑其总体临床状况、合并...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
CarnaLifeHolo v. 1.5.2	MedApp S.A.
定制型三翼髋臼假体组件	BIOMET	货号 PM0001779
限制性模块化股骨头 + 锥度12/14的9mm颈长，钴铬钼合金，36mm规格	BIOMET	货号 14-107021
聚乙烯内衬 Freedom Ringloc-X 限制性线性 Ringloc-X 58mm，适用于36mm头 / 10 *	BIOMET	货号 11-263658