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^11,12。

近年来，增强现实（AR）辅助技术已引入骨科手术领域¹³。AR 技术能够直观显示手术区域的解剖结构，指导外科医生规划手术操作，从而降低手术难度。AR 技术在椎弓根螺钉置入术和关节置换术中的应用已有前期报道^14,15,16,17。本研究旨在将 AR 技术应用于 CD 手术，并验证其在临床实践中的安全性、准确性和可行性。

系统硬件组件
基于增强现实（AR）的导航手术系统的主要组件包括以下部分：（1）安装在手术区域正上方的深度相机（图2A），用于采集视频并回传至工作站，以实现与影像数据的配准和协同。（2）穿刺装置（图2B）和无创体表标记框架（图2C），二者均配备被动式红外反射器。标记球上的特殊反射涂层（图3）可被红外设备捕捉，从而实现对手术区域内手术器械的精确定位跟踪。（3）红外定位装置（图2D）负责追踪手术区域内的标记点，高精度匹配体表标记框架与穿刺装置（图4）。（4）主机系统（图2E）为一台64位工作站，安装有自主开发的增强现实辅助骨科手术系统，可在其协助下完成髋关节及股骨头穿刺操作的增强现实显示。

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. 系统配准与准确性测试

1. 运行AR辅助骨科手术系统（由于商业化问题，无法提供软件细节），点击正交视频以激活深度相机。激活后，手术区域的图像将显示在屏幕上（图5A）。调整光学追踪设备的位置，使其追踪范围能够完全覆盖手术区域（图5B）。
2. 点击NDI设置，选择设备接入端口COM4。点击虚拟针长设置（通常克氏针长度为180 mm），视频中手术区域将自动生成虚拟克氏针图像。
3. 将规划的手术正位区域分为上下两层，每层大小为30 cm × 30 cm，两层之间高度差为15 cm。系统将自动在软件中输入该手术区域的空间信息。
4. 在每一层均匀分配10个配准点；对于每个30 cm × 30 cm的区域，将其均分为三部分，其中两部分各设3个点，另一部分（左侧部分）设4个点。请助手根据这些点放置无创体表标记框（图2C）。完成后，点击配准。系统特有的注册图像将自动叠加在标记框上（图5C）。当图像与标记框完全重合时，视为该点配准成功。
5. 将标记框移至下一个配准点，并重复步骤2.4，直至完成所有配准点。由于配备穿刺装置的标记框（图3A2）形状与无创体表标记框完全相同，因此一旦完成配准，前者也可被光学追踪设备在手术区域内进行追踪。
6. 在手术区域内随机移动穿刺装置，检测虚拟针与追踪延迟的匹配程度（图6）。当红色-蓝色的虚拟克氏针体自动与手术区域中的实际针体完全贴合时，表明克氏针的增强现实显示成功（图5D）。
   注意：在配准过程中，不得随意更改光学追踪设备和深度相机的位置。否则，虚拟手术的空间位置关系将发生变化，导致虚拟克氏针与实际针体之间匹配不准确，必须重新进行配准。

3. 穿刺前的患者与系统准备

1. 进入手术室后，嘱患者仰卧位躺下，并固定患侧下肢（图7）。对所有患者实施全身麻醉。
2. 用碘伏和75%酒精对手术区域进行消毒，并将经标准程序灭菌的无创体表定位装置放置于患者患侧髋部。
3. 将C形臂X光机移至手术台侧方，使射线源位于髋关节上方。将射线源与深度相机对齐，并记录此时手术台位置为位置1。
4. 完成第一次透视后，将BMP格式的X光图像导出至系统工作站，在图像编辑中打开，通过点击亮度标度选项调整其灰度。点击相应按钮顺时针旋转并水平翻转一次，转换为BMP格式。然后点击三维绘图打开图像，另存为包含无创体表标记框的JPG格式图像，并命名为图像1（图8A）。
   注意：此转换过程旨在提高系统识别成功率。由于图像转换的特殊要求，需对X光图像进行灰度调整以实现旋转和翻转。
5. 将手术台直接滑动至深度相机正下方的操作区域，标记为位置2。位置1（步骤3.3中）与位置2位于同一水平面，相距30 cm。
6. 在增强现实辅助骨科手术系统中，点击文件 > 正位X光图像，选择图像1。系统将自动识别患者皮肤表面的无创体表标记框，并将该图像叠加至手术视频中的髋关节位置（图8B）。
7. 外科医生根据上述增强现实显示的X光图像与实时视频，规划穿刺路径。

4. 手术系统辅助穿刺

1. 术者站立于患侧，执行以下步骤：手持穿刺器械，确定最佳进针角度，根据手术视频中髋关节的虚拟克氏针及X线图像，在皮肤表面标记进针点。
2. 选取直径为2.5 mm的克氏针，从标记的进针点穿刺进入，观察视频中显示的进针深度与角度，并及时调整。
3. 当虚拟针尖到达坏死区域的目标位置时，停止穿刺操作，并保留截图作为图像2（图9A），用于后续穿刺准确性的评估。
4. 留置克氏针，移动手术床至位置1，进行第二次透视，以确认克氏针实际穿刺情况，并将图像文件记录为图像3（图9B）。
5. 当克氏针位置完全满足术者要求时，视为穿刺成功。随后使用手术刀在针周切开皮肤，逐层分离软组织，直至暴露转子下骨质，深度约为3 cm。沿克氏针方向使用直径5 mm的环钻进入坏死区域，完成后续操作（人工骨或自体骨植入）。
6. 完成所有操作后，使用3-0丝线缝合皮肤，并覆盖无菌敷料（图10）。术后返回病房，给予患者常规骨科术后药物治疗，包括预防感染、镇痛及补液。若无并发症发生，术后3天可安排出院。

5. 操作评估

1. 将图像2和图像3导入图像处理软件，并将不透明度调整为52%。
2. 点击遮罩按钮以叠加两张图像，然后点击标尺按钮，测量虚拟针尖与股骨皮质穿刺点之间的距离（L_virtual），以及克氏针针尖与股骨皮质穿刺点之间的距离（L_ture）。计算L_virtual与L_ture之间的差值，以评估穿刺准确性。
3. 在穿刺过程中，按以下方式测量定位时间：定位时间从克氏针穿透皮肤时开始，至X射线确认克氏针成功到达股骨头目标区域时结束。
4. 术后三个月，拍摄髋关节X光片（图11），并记录视觉模拟评分和Harris髋关节评分。

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型臂X光机透视次数为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，该技术显著缩短了定位时间与透视次数。

临床结局评估
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个为ARCO IIA期，4个为ARCO IIB期。术前及术后采用视觉模拟评分（VAS）和Harris髋关节评分评估疗效（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，术后平均评分为85.5分。...

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