增强现实导航引导下股骨头坏死的髓芯减压术

摘要

将增强现实技术应用于股骨头坏死的髓芯减压术，以实现该手术过程的实时可视化。该方法可有效提高髓芯减压术的安全性和精确性。

摘要

股骨头坏死（ONFH）是中青年患者中常见的一种关节疾病，严重困扰着患者的生活和工作。对于早期ONFH，髓芯减压手术是一种经典且有效的保髋治疗方法。传统的克氏针髓芯减压术仍存在诸多问题，如X射线暴露、需反复穿刺验证以及对正常骨组织的损伤等。穿刺过程的盲操作以及无法提供实时可视化是导致这些问题的关键原因。

为了优化该手术流程，我们的团队基于增强现实（AR）技术开发了一套术中导航系统。该手术系统能够直观地显示手术区域的解剖结构，并将术前影像和虚拟穿刺针实时叠加到术中视频画面中。在导航系统的引导下，外科医生可准确地将克氏针插入目标病灶区域，同时最大限度地减少对周围组织的损伤。我们已使用该系统完成了10例髓芯减压手术。与传统手术方法相比，术中定位和透视的效率显著提高，穿刺的准确性也得到了有效保障。

引言

股骨头坏死（ONFH）是一种在青壮年人群中常见的致残性疾病¹。临床上，需根据X线、CT和MRI检查结果对ONFH进行分期，以确定治疗方案（图1）。对于早期ONFH，通常采用保髋治疗²。髓芯减压术（CD）是治疗ONFH最常用的保髋方法之一。已有研究报道，无论是否联合植骨，髓芯减压在治疗早期ONFH方面具有一定疗效，可长期避免或延迟行全髋关节置换术（THA）^3,4,5。然而，既往研究中报道的单纯或联合植骨的CD手术成功率差异较大，范围为64%至95%^6,7,8,9。手术技术，尤其是钻孔位置的准确性，对保髋治疗的成功至关重要¹⁰。由于穿刺与定位过程具有盲性，传统CD技术存在诸多问题，如透视时间较长、需反复使用克氏针穿刺以及损伤正常骨组织等^11....

方案

本研究经中日友好医院伦理委员会批准（批准号：2021-12-K04）。所有后续步骤均按照标准化流程进行，以避免对患者和外科医生造成伤害。本研究已获得患者的知情同意。外科医生必须熟练掌握传统的病灶清除术操作，以确保在导航不准确或其他意外情况下仍可采用传统方式进行手术。

1. 股骨头坏死的术前诊断与分期

1. 识别具有股骨头坏死（ONFH）临床症状的患者；典型症状包括腹股沟区域持续性或间歇性疼痛，并伴有同侧髋部或膝部放射性疼痛。体格检查显示腹股沟区域深部压痛、Patrick征阳性、髋关节内旋和外展活动受限，或通过X线、CT及MRI检查发现股骨头坏死改变。
2. 根据国际骨循环协会（ARCO）分期标准，回顾患者的髋关节X线、CT和MRI影像，确定ONFH的分期。由两名医生独立完成评估，若存在分歧，则由第三位专家做出最终判定。
3. 通过问卷方式记录患者术前的视觉模拟评分（VAS）和Harris髋关节评分。
4. 纳入标准如下：1）确诊为ONFH的患者；2）经影像学检查（X线、CT和MRI）确认为ONFH I期、IIA期或IIB期；3）计划接受股骨头髓芯减压术。排除标准为：1）患者拒绝接受髓芯减压（CD）手术；2）术前常规检查提示存在手术禁忌证，如感染或基础状况差；3）患者拒绝参与本研究。

2. 系统配准与准确....

结果

操作特性
手术导航系统应用于9例患者的连续10个髋关节手术中。手术平均总定位时间为10.1分钟（中位数为9.5分钟，范围为8.0–14.0分钟）。平均C形臂X线透视次数为5.5次（中位数为5.5次，范围为4–8次）。穿刺定位平均误差为1.61 mm（中位数为1.2 mm，范围为-5.76–19.73 mm；表1）。结果表明，与传统手术方法相比，定位时间与透视次数均显著减少。

临床结果评估
纳入研究的9例患者中，男性7例，女性2例，平均年龄为41.6 ± 10.0岁，平均体重指数（BMI）为23.93 ± 3.08 kg/m²。在评估的髋关节中，2个髋关节处于ARCO I期，4个处于ARCO IIA期，4个处于ARCO IIB期。术前与术后采用视觉模拟评分（VAS）和Harris髋关节评分来评估治疗效果（表1）。术前平均VAS评分为6分，术后平均评分为3.75分；术前平均Harris评分为77.5分，术后.......

讨论

尽管全髋关节置换术（THA）近年来发展迅速，并已成为治疗股骨头坏死（ONFH）的有效终末期手段，但保髋治疗在早期ONFH的治疗中仍具有重要作用^18，19。核心减压术（CD）是一种基础且有效的保髋手术，能够缓解髋部疼痛并延缓股骨头塌陷的进展²⁰。病灶穿刺定位是CD手术的关键步骤，直接决定手术成败。然而，传统的穿刺定位方法仍存在一些盲区，可能导致重复穿刺、增加X线透视暴露时间以及延长手术时间^10，11。许多学者也致力于改进这一环节，例如采用3D打印技术、联合髋关节镜技术以及使用机器人辅助导航系统^{12，21，22，23}

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
增强现实辅助骨科手术系统	自主开发	无	一种用于骨科手术的增强现实实施操作软件
深度相机	Stereolabs	ZED 深度相机（ZED mini）	拍摄视频并回传至工作站
图像处理软件	Adobe Systems Incorporated	Adobe Photoshop CS6	图像处理软件
红外定位装置	Northern Digital Inc.	NDI Polaris Spectra 光学追踪装置	追踪手术区域内的标记物
穿刺装置	Stryker	Stryker System 7 无线驱动器与 Sabo	将克氏针插入坏死区域