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Methodenartikel

Der Einsatz von Mixed Reality in der maßgeschneiderten Revisions-Hüftendoprothetik: Ein erster Fallbericht

3K Ansichten

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DOI:

10.3791/63654

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4. August 2022

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1Department of Orthopaedics and Traumatology of the Musculoskeletal System, Infant Jesus Teaching Hospital, Medical University of Warsaw, 2Department of Human Anatomy, Medical University of Silesia, 3Department of Measurement and Electronics, AGH University of Science and Technology, 4MedApp S.A.

In diesem Artikel

Zusammenfassung

Eine komplexe Revisions-Hüftendoprothetik wurde mit einem maßgeschneiderten Implantat und Mixed-Reality-Technologie durchgeführt. Nach Kenntnis der Autoren ist dies der erste Bericht über ein solches Verfahren, der in der Literatur beschrieben wird.

Zusammenfassung

Die Technologie des 3D-Drucks und der Visualisierung anatomischer Strukturen wächst in verschiedenen Bereichen der Medizin rasant. Ein maßgeschneidertes Implantat und Mixed Reality wurden im Januar 2019 verwendet, um eine komplexe Revisions-Hüftendoprothetik durchzuführen. Der Einsatz von Mixed Reality ermöglichte eine sehr gute Visualisierung der Strukturen und führte zu einer präzisen Implantatfixierung. Nach Kenntnis der Autoren ist dies der erste beschriebene Fallbericht über den kombinierten Einsatz dieser beiden Innovationen. Die Diagnose, die der Qualifikation für den Eingriff vorausging, war die Lockerung der Hüftkomponente der linken Hüfte. Mixed-Reality-Headsets und Hologramme, die von Ingenieuren vorbereitet wurden, wurden während der Operation verwendet. Die Operation war erfolgreich, gefolgt von einer frühen Vertikalisierung und Patientenrehabilitation. Das Team sieht Chancen für die Technologieentwicklung in der Gelenkendoprothetik, Trauma und orthopädischen Onkologie.

Einleitung

Die Technologie des dreidimensionalen (3D) Drucks und der Visualisierung komplexer Strukturen wächst in verschiedenen Bereichen der Medizin rasant. Dazu gehören die Herz-Kreislauf-Chirurgie, die Hals-Nasen-Ohren-Heilkunde, die Kiefer- und Gesichtschirurgieund vor allem die orthopädische Chirurgie 1,2,3,4,5. Derzeit wird diese Technologie in der orthopädischen Chirurgie nicht nur bei der direkten Umsetzung von 3D-gedruckten Elementen, sondern auch in der chirurgischen Ausbildung, präoperativen Planung oder intraoperativen Navigation eingesetzt 6,7,8.

Die Hüftendoprothetik (THA) und die Knieendoprothetik (TKA) gehören zu den am häufigsten durchgeführten orthopädischen chirurgischen Eingriffen weltweit. Aufgrund der signifikanten Verbesserung der Lebensqualität des Patienten wurde THA in einer früheren Publikation als "Chirurgie des Jahrhunderts" bezeichnet9. In Polen wurden 2019 49.937 THA und 30.615 TKA durchgeführt10. Mit steigender Lebenserwartung gibt es einen Aufwärtstrend bei der prognostizierten Anzahl von Hüft- und Knieendoprothetikoperationen. Es wurden große Anstrengungen unternommen, um das Implantatdesign, die Operationstechnik und die postoperative Versorgung zu verbessern. Diese Fortschritte führten zu einer besseren Chance, die Patientenfunktion wiederherzustellen und das Risiko von Komplikationen zu verringern11,12,13,14.

Die große Herausforderung für orthopädische Chirurgen weltweit ist jedoch die Arbeit mit Nicht-Standard-Patienten, deren anatomische Defekte im Hüftgelenk es sehr schwierig oder sogar unmöglich machen, ein Standardimplantat zu implementieren15. Knochenverlust kann auf ein signifikantes Trauma, progressive degenerative Osteoarthritis mit einem Acetabularvorsprung, Entwicklungshüftdysplasie, primären Knochenkrebs oder Metastasen zurückzuführensein 16,17,18,19,20. Das Problem der Implantatauswahl betrifft insbesondere Patienten, bei denen das Risiko mehrerer Revisionen besteht, die manchmal auch eine unkonventionelle Behandlung benötigen. In solchen Fällen ist eine vielversprechende Lösung ein additiv hergestelltes 3D-gedrucktes Implantat, das für einen bestimmten Patienten und Knochendefekt entwickelt wurde und eine sehr präzise anatomische Passform ermöglicht20.

Im Bereich der Endoprothetik sind ein präzises Implantat und seine nachhaltige Fixierung entscheidend. Fortschritte in der präoperativen und intraoperativen 3D-Visualisierung haben zu hervorragenden Lösungen wie Augmented und Mixed Realitygeführt 21,22,23,24. Die intraoperative Verwendung von Knochen- und Implantat-Computertomographie-Hologrammen (CT) kann eine bessere Prothesenplatzierung ermöglichen als herkömmliche Röntgenbilder. Diese neue Technologie kann die Chancen auf Therapiewirksamkeit erhöhen und das Risiko neurovaskulärer Komplikationen verringern21,25.

Dieser Fallbericht betrifft einen Patienten, der aufgrund einer aseptischen Lockerung einer Hüftrevision unterzogen wurde. Um einen signifikanten Knochenverlust durch mehrere Implantatfehler zu beheben, wurde das maßgeschneiderte 3D-gedruckte Acetabularimplantat verwendet. Während des Eingriffs verwendeten wir Mixed Reality, um die Implantatposition zu visualisieren, um eine Beschädigung der gefährdeten neurovaskulären Strukturen zu vermeiden. Die Anwendung, die in ein Mixed-Reality-Headset implementiert ist, ermöglicht die Abgabe von Sprach- und Gestenbefehlen, wodurch es möglich ist, es unter sterilen Bedingungen während des chirurgischen Eingriffs zu verwenden.

Eine 57-jährige Frau wurde mit einer vorläufigen Diagnose in die Abteilung eingeliefert: Lockerung der Hüftkomponente der linken Hüfte. Die Krankheitsgeschichte des Patienten war umfangreich. Im Laufe ihres Lebens unterzog sie sich zahlreichen chirurgischen Eingriffen des Hüftgelenks. Die erste Behandlung war die Hüfterneuerung aufgrund von Arthrose durch Hüftdysplasie (1977-15 Jahre alt), die zweite war eine totale Hüftendoprothetik aufgrund einer Implantatlockerung (1983-21 Jahre alt) und zwei weitere Revisionsoperationen (1998, 2000-37 und 39 Jahre alt). Darüber hinaus litt die Patientin an einer spastischen linksseitigen Hemiplegie, die durch Zerebralparese im Kindesalter verursacht wurde, und sie wurde wiederholt wegen einer Deformität des linken Klumpfußes operiert. Sie war auch mit Arthrose der thorakolumbalen Wirbelsäule, Karpaltunnelsyndrom und gut kontrollierter arterieller Hypertonie belastet. Die endgültige Diagnose, die der Qualifikation für den nächsten Eingriff vorausging, war der Schmerz und die zunehmende Funktionseinschränkung, die durch eine Lockerung der Hüftkomponente der linken Hüfte verursacht wurden. Der Patient war hoch motiviert, körperlich aktiv und mit Behinderung zurecht.

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Protokoll

Das Protokoll folgt den Richtlinien des Ethikkomitees für Humanforschung der Medizinischen Universität Warschau. Der Patient gab eine informierte Zustimmung zu dem Verfahren und bestätigte die Tatsache, dass es aufgezeichnet wird. Der Patient stimmte dem vor dem Eingriff zu.

HINWEIS: Das grundlegende Kriterium für die Einbeziehung des Patienten in das OP-Projekt war die Notwendigkeit des Eingreifens aufgrund der anatomischen Dysfunktion, die es unmöglich machte, ein Standardimplantat zu verwenden. Mixed Reality zielte auf eine bessere Platzierung der Prothese ab, was die Chancen auf eine erfolgreiche Operation erhöhte.

1. Vorbereitung

  1. Bereiten Sie ein maßgeschneidertes Acetabularimplantat vor und planen Sie den chirurgischen Eingriff vor dem Krankenhausaufenthalt des Patienten.
    HINWEIS: In dieser Fallstudie haben Fachleute auf dem Gebiet der medizinischen Bilddiagnostik das maßgeschneiderte Acetabularimplantat hergestellt.
    1. Führen Sie vor der geplanten Aufnahme in das Krankenhaus eine Röntgenaufnahme in der diagnostischen Bildgebungseinheit durch.
    2. Führen Sie eine Beckenröntgenaufnahme in einer vorder-posterioren Projektion durch.
    3. Beurteilen Sie den aktuellen Zustand des Beckens des Patienten anhand der Röntgenaufnahme.
    4. Vergleichen Sie das aufgenommene Bild mit den früheren Röntgenbildern.
  2. Machen Sie einen Becken-CT-Scan und erwerben Sie DICOM-Dateien (Digital Imaging and Communications in Medicine) gemäß dem Protokoll.
    1. Platzieren Sie den Patienten auf der beweglichen CT-Scanplattform.
    2. Klicken Sie auf die Schaltfläche Dicke und wählen Sie 512 x 512 px Dicke für die Scans.
    3. Klicken Sie auf den Parameter, der die Dicke der 1 mm großen Schicht bestimmt.
    4. Starten Sie den Vorgang durch Klicken und warten Sie auf das Testergebnis.
  3. Bitten Sie einen Ingenieur, einen Implantatvorschlag zu entwerfen, der digital als technisches Schema gesendet werden kann, oder einen 3D-gedruckten Modellprototyp (Abbildung 1).
    1. Visualisieren Sie das Computertomographie-Ergebnis im DICOM-Viewer.
    2. Bestimmen Sie die Anforderungen für die Implementierung des Implantats unter Berücksichtigung der aktuellen anatomischen Bedingungen des Patienten, der Biomechanik und der Funktion des Gelenks.
    3. Wenden Sie sich an den Techniker, um Vorschläge zu Implantaten, einschließlich der Fixierung, zu erhalten.
    4. Genehmigen Sie das Projekt und warten Sie auf den Versand.
      HINWEIS: Die endgültige Form des Implantats beinhaltet die Kombination von 3D-Daten aus dem CT-Scan eines Patienten mit dem Input eines Entwicklungsingenieurs und eines Chirurgen.
  4. Drucken Sie das maßgeschneiderte 3D-Implantat aus dem Titanlegierungspulver (TiAl6V4) mit der Elektronenstrahltechnologie26,27. In einer Kammer, die kleine Mengen TiAl6V4-Pulver enthält, kommt es bei jedem Abfeuern des Elektronenstrahls zu einem selektiven Schmelzen und Ansammeln von Material (Plasmabeschichtung).
  5. Überprüfen Sie, ob das Implantat sterilisiert wurde. Die Sterilisation der Implantatversuche und des endgültigen Implantats wurde vom Hersteller garantiert.

2. Voroperative Untersuchungen

  1. Führen Sie Labortests und Fachberatungen durch.
    1. Schließen Sie Patienten mit einer möglichen periprothetischen Gelenkinfektion aus (keine radiologischen Merkmale, normales c-reaktives Protein (<10 mg/L) und Blutsenkungsgeschwindigkeit von 1-10 mm/h für Frauen, 3-15 mm/h für Männer).
  2. Überprüfen Sie auf die klinischen Anzeichen einer Infektion wie Fieber (systemisch), Schmerzen, Schwellungen, Rötungen (lokal) und eingeschränkte Gelenkfunktion28.
    1. Schließen Sie Patienten aus, die während der klinischen Untersuchungen Anzeichen einer lokalen Entzündung aufweisen (Rötung, Temperaturerhöhung, Schmerzen, Schwellungen und Funktionsverlust weisen auf eine lokale Entzündung hin). Der Patient gab seine vollständige Einwilligung nach Aufklärung zur Operation.

3. Mixed-Reality-Modell

HINWEIS: Der Prozess wird durchgeführt, um eine korrekte Implantat- und Beckenvisualisierung zu erreichen, die intraoperativ verwendet wird.

  1. Verarbeiten Sie die Becken-CT-DICOM-Datei mit einer speziellen Anwendung zu einer holographischen Darstellung.
    1. Laden Sie das CT-Bild aus den erfassten CT-DICOM-Dateien in ein Mixed-Reality-Headset.
      1. Öffnen Sie den holografischen DICOM-Viewer.
      2. Wählen Sie den Ordner mit CT-DICOM-Dateien aus.
      3. Überprüfen Sie die IP-Adresse, die beim Einschalten des Headsets angezeigt wird, und geben Sie sie an einer bestimmten Stelle im holografischen DICOM-Viewer ein.
      4. Klicken Sie auf die Schaltfläche Verbinden , um die Visualisierung im Mixed-Reality-Headset sehen zu können.
    2. Segmentieren Sie die Strukturen des Beckenknochengewebes. Dies erfolgt manuell mit der Option Schere . Wenn die Option aktiviert ist, klickt der Benutzer mit der linken Maustaste und bewegt die Maus, um die mit diesem Werkzeug ausgewählten Strukturen zu entfernen.
      1. Beenden Sie die Auswahl mit einem weiteren Klick der linken Maustaste, wodurch ein Pop-up erstellt wird, in dem der Benutzer bestätigt, dass er die ausgewählten Strukturen ausschneiden möchte.
        HINWEIS: Der Benutzer kann Bereiche auswählen, die sowohl in der 3D- als auch in der 2D-Ansicht aus der Visualisierung ausgeschnitten werden sollen. Es ist möglich, die Strukturen innerhalb oder außerhalb der Auswahl zu entfernen. Dies wird wiederholt, bis nur noch die notwendigen Teile des CT-Bildes sichtbar sind.
    3. Wählen Sie eine vordefinierte Transferfunktion (Farbvisualisierungsparameter) für orthopädische Eingriffe aus der Liste der verfügbaren Funktionen, indem Sie auf ihren Namen klicken: CT Bone Endoprosthesis. Passen Sie die Visualisierung bei Bedarf an, indem Sie das Fenster und die Ebene mit der rechten Maustaste ändern, die mit der Mausbewegung im 3D-Visualisierungsfenster verbunden ist.
    4. Verbinden Sie sich mit dem Headset, um die vorbereitete Visualisierung im holografischen 3D-Raum zu sehen. Passen Sie das Bild mit Sprachbefehlen an: Drehen, Zoomen, Smart schneiden und Handgesten.
    5. Verwenden Sie den Befehl "Smart schneiden ", um eine Schnittebene zu verwenden und anzupassen, die senkrecht zur Sichtlinie des Benutzers steht. Je näher der Nutzer den Kopf in das Hologramm bewegt, desto tiefer geht das Flugzeug.
    6. Führen Sie diese Bewegungen aus, um die inneren Teile der Visualisierung zu sehen, da Strukturen, die sich vor der Ebene befinden, nicht visualisiert werden.
      HINWEIS: Diese Ansicht ist wichtig, um die geometrischen Beziehungen zwischen Strukturen (Becken, Femur und Implantat) zu beurteilen (Abbildung 2 und Abbildung 3).

4. Chirurgie

  1. Führen Sie den chirurgischen Eingriff der Revisions-Hüftendoprothetik aufgrund einer aseptischen Lockerung der Acetabularkomponente mit einem maßgeschneiderten Acetabularimplantat und einem Mixed-Reality-Gerät14,16,29 durch. Verwenden Sie ein Skalpell, ein elektrochirurgisches Messer mit Koagulator, ein Luer-Werkzeug und Cutter für die Operation.
    1. Geben Sie 1,5 g Ceftriaxon intravenös 30 Minuten vor dem Hautschnitt, und zwei weitere Dosen sind am Tag der Operation zu verabreichen, um eine Infektion zu verhindern. Beginnen Sie am Tag vor der Operation mit der Thromboseprophylaxe mit niedermolekularem Heparin (LMWH). Setzen Sie die tägliche Einzeldosis von 40 mg Enoxaparin für 30 Tage nach dem Eingriff fort.
    2. Legen und sichern Sie den Patienten unter Vollnarkose liegend auf den Operationstisch.
    3. Lösen Sie die Bindegewebsverwachsungen über den Hardinge-Zugang zum Hüftgelenk und entfernen Sie das lose Hüftimplantat.
    4. Führen Sie die Operation auf die gleiche Weise wie andere Revisionsverfahren des Hüftgelenks durch, verwenden Sie jedoch einen breiteren Zugang.
    5. Entfernen Sie alle Weichteile von der Oberfläche der Hüftpfanne, so dass die Form genau die gleiche ist wie im bereitgestellten Modell. Das Implantatmodell muss perfekt auf der Oberfläche des Hüftknochens haften.
    6. Fixieren Sie das neue nicht zementierte Implantat mit speziell entwickelten Schrauben, die das Implantat stabilisieren.
    7. Führen Sie nach der Operation eine Femurnervenblockade durch.
  2. Intraoperative holographische Visualisierung von bearbeiteten Bildern
    1. Laden Sie die Visualisierung des DICOM CT-Scans, der in der vorprozeduralen Planung erstellt wurde, in die Mixed-Reality-Anwendung.
    2. Verbinden Sie das Mixed-Reality-Headset mit der Mixed-Reality-Anwendung, um die vorbereitete Visualisierung im holografischen 3D-Raum zu sehen.
    3. Verwenden Sie die intraoperative holographische Visualisierung der verarbeiteten Bilder, um eine adäquate und präzise Vorbereitung der Beckenknochenoberfläche zu erreichen sowie den Bindegewebsüberschuss zu entfernen, der als Reaktion auf die Lockerung der Acetabularkomponente entstanden ist.
    4. Stellen Sie sicher, dass der Bediener die holografische Visualisierung als Referenzbild betrachtet.
    5. Verwenden Sie ein Skalpell, ein elektrochirurgisches Messer mit Koagulator, ein Luer-Werkzeug und Cutter für die Operation. Die Visualisierung des 3D-Beckenmodells soll das Risiko von Schädigungen neurovaskulärer Strukturen und Fehlern bei der Implantatplatzierung minimieren.
    6. Stellen Sie sicher, dass das Head-Mounted-Display über ein WiFi-Netzwerk mit der Workstation verbunden ist. Die Verarbeitung der Bilder und das Rendering erfolgt am Arbeitsplatz und die Ergebnisse werden auf dem Headset als Hologramme angezeigt. Verwenden Sie Gesten und Sprachbefehle. Holen Sie sich bei Bedarf Hilfe von einem Ingenieur mit POV-Vorschau.

5. Nachsorge

  1. Lassen Sie den Patienten ein Standard-Rehabilitations- und Genesungsprotokoll durchlaufen, einschließlich Rehabilitation und Mobilisation am ersten Tag nach der Operation30,31,32.
    HINWEIS: Die Rehabilitation wurde von einem engagierten Team durchgeführt, das Erfahrung in der Hüft- und Knieendoprothetik hat.
  2. Führen Sie eine pharmakologische Thromboseprophylaxe durch. Die Thromboseprophylaxe wurde am Tag vor der Operation mit niedermolekularem Heparin (LMWH) eingeleitet. Die tägliche Einzeldosis von 40 mg Enoxaparin wurde 30 Tage nach dem Eingriff fortgesetzt.

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Ergebnisse

Bildvorverarbeitung
Binäre Masken des Beckenknochens, des Femurs und der Endoprothese wurden von erfahrenen radiologischen Technologen unter Verwendung von Schwellenwert- und Regionswachstumsalgorithmen mit verfügbarer Software halbautomatisch aus CT-DICOM-Bildern segmentiert33. Die vorbereiteten Etikettenkarten wurden ebenfalls manuell von einem Radiologen korrigiert. Beschriftungskarten wurden verwendet, um die Visualisierung zu verbessern, indem sie im nächsten Schritt dem C...

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Diskussion

Primäre und Revisions-Hüftendoprothetik kann eine Personalisierung erfordern, um die Wirksamkeit der Behandlung sicherzustellen. Die Verwendung von kundenspezifischen Implantaten erfordert jedoch eine längere Vorbereitung auf die Operation im Vergleich zu Standardverfahren. Maßgeschneiderte 3D-gedruckte Implantate sind die Lösung, die eine Chance zur Wiederherstellung der Funktion bei untypischen Patienten bietet, deren Krankheit eine signifikante Knochenzerstörung verursacht hat29. Standardprothe...

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Offenlegungen

Maciej Stanuch, Adriana Złahoda-Huzior und Andrzej Skalski sind Mitarbeiter von MedApp S.A. MedApp S.A. ist das Unternehmen, das die CarnaLifeHolo-Lösung herstellt.

Danksagungen

Nicht zutreffend.

Die Studie wurde im Rahmen einer nicht-kommerziellen Kooperation durchgeführt.

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
CarnaLifeHolo gegen 1.5.2MedApp S.A.
Maßgeschneidertes Implantat Typ Triflanged HüftpfanneBIOMETREF PM0001779
Head Constrained Modular Head + 9mm Hals für Cone 12/14, Co-Cr-Mo, Größe 36mmBIOMETREF 14-107021
Polyethylen Einsatz Freedom Ringloc-X Costrained Linear Ringloc-X 58mm für Kopf 36mm / 10 *BIOMETREF 11-263658

Referenzen

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