Articolo metodologico

Decompressione del nucleo guidata dalla navigazione in realtà aumentata per l'osteonecrosi della testa del femore

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DOI:

10.3791/63806

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12 aprile 2022

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1China-Japan Friendship School of Clinical Medicine, Peking University, 2Graduate School of Beijing University of Chinese Medicine, 3Department of Orthopedic Surgery, Beijing Key Lab of Immunes-Mediated Inflammatory Disease, China-Japan Friendship Hospital, 4Beijing Normal University, 5State Key Laboratory of Virtual Reality Technology and Systems, Beihang University

* These authors contributed equally

In questo articolo

Sommario

La tecnologia di realtà aumentata è stata applicata alla decompressione del nucleo per l'osteonecrosi della testa del femore per realizzare la visualizzazione in tempo reale di questa procedura chirurgica. Questo metodo può migliorare efficacemente la sicurezza e la precisione della decompressione del nucleo.

Abstract

L'osteonecrosi della testa del femore (ONFH) è una malattia articolare comune nei pazienti giovani e di mezza età, che grava seriamente sulla loro vita e sul loro lavoro. Per l'ONFH in fase iniziale, la chirurgia di decompressione del nucleo è una terapia di conservazione dell'anca classica ed efficace. Nelle procedure tradizionali di decompressione del nucleo con filo di Kirschner, ci sono ancora molti problemi come l'esposizione ai raggi X, la verifica ripetuta della puntura e il danno al normale tessuto osseo. La cecità del processo di foratura e l'incapacità di fornire una visualizzazione in tempo reale sono ragioni cruciali per questi problemi.

Per ottimizzare questa procedura, il nostro team ha sviluppato un sistema di navigazione intraoperatoria sulla base della tecnologia di realtà aumentata (AR). Questo sistema chirurgico può visualizzare intuitivamente l'anatomia delle aree chirurgiche e rendere le immagini preoperatorie e gli aghi virtuali al video intraoperatorio in tempo reale. Con la guida del sistema di navigazione, i chirurghi possono inserire con precisione i fili Kirschner nell'area della lesione mirata e ridurre al minimo il danno collaterale. Abbiamo condotto 10 casi di chirurgia di decompressione del nucleo con questo sistema. L'efficienza del posizionamento e della fluoroscopia è notevolmente migliorata rispetto alle procedure tradizionali e anche l'accuratezza della puntura è garantita.

Introduzione

L'osteonecrosi della testa del femore (ONFH) è una malattia invalidante comune che si verifica nei giovani adulti1. Clinicamente, è necessario determinare la stadiazione di ONFH basata su raggi X, TC e risonanza magnetica per decidere la strategia di trattamento (Figura 1). Per l'ONFH in fase iniziale, la terapia di conservazione dell'anca viene solitamente adottata2. La chirurgia di decompressione del nucleo (CD) è uno dei metodi di conservazione dell'anca più frequentemente utilizzati per l'ONFH. Sono stati riportati alcuni effetti curativi della decompressione del nucleo con o senza innesto osseo nel trattamento dell'ONFH in fase iniziale, che può evitare o ritardare la successiva artroplastica totale dell'anca (THA) per lungo tempo 3,4,5. Tuttavia, il tasso di successo della CD con o senza innesto osseo è stato riportato in modo diverso tra gli studi precedenti, dal 64% al 95%6,7,8,9. La tecnica chirurgica, in particolare la precisione della posizione di perforazione, è importante per il successo della conservazione dell'anca10. A causa della cecità della procedura di puntura e posizionamento, le tecniche tradizionali di CD hanno diversi problemi, come più tempo di fluoroscopia, puntura ripetuta con filo di Kirschner e lesione del tessuto osseo normale 11,12.

Negli ultimi anni, il metodo assistito da realtà aumentata (AR) è stato introdotto nella chirurgia ortopedica13. La tecnica AR può mostrare visivamente l'anatomia del campo chirurgico, guidare i chirurghi nella pianificazione della procedura operativa e di conseguenza ridurre la difficoltà dell'operazione. Le applicazioni della tecnica AR nell'impianto di viti peduncolari e nella chirurgia di artroplastica articolare sono state riportate in precedenza 14,15,16,17. In questo studio, miriamo ad applicare la tecnica AR alla procedura CD e verificarne la sicurezza, l'accuratezza e la fattibilità nella pratica clinica.

Componenti hardware del sistema
I componenti principali del sistema chirurgico di navigazione basato su AR includono quanto segue: (1) Una telecamera di profondità (Figura 2A) installata direttamente sopra l'area chirurgica; il video viene girato da questo e inviato alla workstation per la registrazione e la cooperazione con i dati di imaging. (2) Un dispositivo di perforazione (Figura 2B) e un telaio di marcatura della superficie corporea non invasivo (Figura 2C), entrambi con riflettori passivi a infrarossi. Uno speciale rivestimento riflettente delle sfere di marcatura (Figura 3) può essere catturato da apparecchiature a infrarossi per ottenere un tracciamento accurato delle apparecchiature chirurgiche nell'area chirurgica. (3) Un dispositivo di posizionamento a infrarossi (Figura 2D) è responsabile del tracciamento dei marcatori nell'area chirurgica, abbinando il telaio di marcatura della superficie corporea e il dispositivo di puntura con elevata precisione (Figura 4). (4) Il sistema host (Figura 2E) è una workstation a 64 bit, installata con il sistema di chirurgia ortopedica assistita da AR sviluppato in modo indipendente. La visualizzazione in realtà aumentata dell'articolazione dell'anca e dell'operazione di puntura della testa femorale può essere completata con la sua assistenza.

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Protocollo

Questo studio è stato approvato dal comitato etico del China-Japan Friendship Hospital (numero di approvazione: 2021-12-K04). Tutti i seguenti passaggi sono stati eseguiti secondo procedure standardizzate per evitare lesioni ai pazienti e ai chirurghi. Per questo studio è stato ottenuto il consenso informato del paziente. Il chirurgo deve essere esperto nelle procedure convenzionali di decompressione del nucleo per garantire che l'intervento chirurgico possa essere eseguito in modo tradizionale in caso di navigazione imprecisa o altre situazioni impreviste.

1. Diagnosi preoperatoria e classificazione dell'ONFH

  1. Identificare i pazienti con sintomi clinici di ONFH; sintomi tipici come dolore persistente o intermittente nella regione inguinale con dolore irradiante all'anca o al ginocchio ipsilaterale. L'esame fisico ha mostrato una profonda tenerezza nella regione inguinale, il segno di Patrick, un movimento limitato dell'anca di rotazione interna e abduzione, o cambiamenti di necrosi della testa del femore misurati usando raggi X, TC e risonanza magnetica.
  2. Secondo la ricerca dell'associazione di ricerca sulla stadiazione ossea della circolazione (ARCO), rivedere i raggi X, la TC e la risonanza magnetica dell'anca dei pazienti e determinare la stadiazione dell'ONFH. Due medici conducono questo lavoro in modo indipendente. In caso di disaccordi, chiedi a un terzo esperto di prendere la decisione finale.
  3. Registra la scala analogica visiva preoperatoria (VAS) e il punteggio dell'anca di Harris utilizzando un questionario.
  4. Includere i pazienti che utilizzano i seguenti criteri: 1) pazienti con ONFH; 2) stadio I, IIA e IIB di ONFH confermato dall'esame di imaging (raggi X, TC e risonanza magnetica); 3) è previsto l'intervento chirurgico di decompressione del nucleo della testa del femore. Escludere i pazienti quando: 1) i pazienti rifiutano l'intervento chirurgico CD; 2) l'esame di routine preoperatorio indica contraddizioni chirurgiche, come infezioni o cattive condizioni di base; 3) i pazienti rifiutano di essere arruolati nel gruppo.

2. Registrazione del sistema e test di accuratezza

  1. Eseguire il sistema di chirurgia ortopedica assistita da AR (a causa di problemi di commercializzazione non è possibile fornire i dettagli del software) e fare clic su Video ortografico per attivare la telecamera di profondità. Un'immagine dell'area chirurgica verrà visualizzata sullo schermo dopo l'attivazione (Figura 5A). Posizionare il dispositivo di tracciamento ottico in modo che la sua area di tracciamento possa coprire completamente l'area chirurgica (Figura 5B).
  2. Fare clic su Impostazione NDI per selezionare la porta di accesso al dispositivo, COM4. Fare clic sull'impostazione della lunghezza dell'ago virtuale (generalmente un ago Kirschner è lungo 180 mm) e un'immagine virtuale dell'ago Kirschner verrà generata automaticamente nell'area chirurgica nel video.
  3. Dividere l'area frontale chirurgica pianificata in livelli superiore e inferiore con ogni livello di 30 cm x 30 cm di dimensioni e con una differenza di altezza di 15 cm tra i livelli. Il sistema inserisce automaticamente queste informazioni spaziali dell'area chirurgica nel software.
  4. Assegna uniformemente ogni livello con 10 punti corrispondenti; per ogni area di 30 cm x 30 cm, dividerla in tre parti uguali, con due parti aventi tre punti ciascuna e una parte (parte sinistra) a quattro punti. Chiedere all'assistente di posizionare il telaio di marcatura della superficie corporea non invasivo (Figura 2C) in base ai punti. Una volta fatto, fai clic su Corrispondenza. L'immagine speciale del sistema per la registrazione verrà automaticamente sovrapposta al frame di marcatura (Figura 5C). Considera la registrazione di questo punto con successo quando l'immagine e la cornice di marcatura coincidono completamente.
  5. Spostate il fotogramma sul punto di registrazione successivo e ripetete il passaggio 2.4. fino al completamento di tutti i punti di registrazione. Poiché la forma del telaio di marcatura dotato del dispositivo di puntura (Figura 3A2) è esattamente la stessa del telaio di marcatura della superficie corporea non invasiva, una volta completata la registrazione, il primo può anche essere rintracciato dal dispositivo di tracciamento ottico nell'area chirurgica.
  6. Spostare il dispositivo di puntura in modo casuale nell'area chirurgica per rilevare il grado corrispondente di ago virtuale e ritardo di tracciamento (Figura 6). Poiché il corpo dell'ago Kirschner virtuale rosso-blu si adatta automaticamente all'ago reale nell'area chirurgica, il display in realtà aumentata dell'ago Kirschner ha successo (Figura 5D).
    NOTA: durante il processo di registrazione, la posizione del dispositivo di tracciamento ottico e della telecamera di profondità non deve essere modificata a piacimento. In tal caso, la relazione di posizione spaziale della chirurgia virtuale cambierà, causando una corrispondenza imprecisa tra l'ago virtuale di Kirschner e quello fisico, e la registrazione deve essere ricondotta.

3. Preparazione del paziente e del sistema prima della puntura

  1. Dopo essere entrati in sala operatoria, chiedere al paziente di sdraiarsi in posizione supina e fissare l'arto inferiore del lato interessato (Figura 7). Somministrare l'anestesia generale a tutti i pazienti.
  2. Preparare il sito chirurgico con iodio e alcol al 75% e posizionare il dispositivo di posizionamento della superficie corporea non invasivo (sterilizzato con procedure standard) sull'anca interessata del paziente.
  3. Spostare il fluoroscopio C-ARM sul lato del tavolo operatorio e posizionare la sorgente sopra l'articolazione dell'anca. Allineare la sorgente con la telecamera di profondità e registrare la posizione del tavolo chirurgico come posizione 1.
  4. Dopo la prima fluoroscopia, esportare la radiografia in formato BMP sulla workstation di sistema, aprirla in Fotoritocco e regolarne la scala di grigi facendo clic sull'opzione Scala luminosa. Ruotare in senso orario e capovolgere orizzontalmente una volta facendo clic sui pulsanti corrispondenti per convertire in BMP. Quindi, aprirlo facendo clic su Painting 3D e salvarlo come formato JPG, che conteneva una cornice di marcatura della superficie del corpo non invasiva, e denominarla immagine 1 (Figura 8A).
    NOTA: questo processo di conversione ha lo scopo di promuovere il successo dell'identificazione del sistema. A causa dei requisiti speciali della conversione dell'immagine, è necessario regolare la scala di grigi dell'immagine a raggi X per la rotazione e l'inversione.
  5. Far scorrere la tabella operatoria direttamente sotto la telecamera di profondità fino all'area operativa contrassegnata come posizione 2. La posizione 1 (al punto 3.3) e la posizione 2 sono due punti sullo stesso piano orizzontale, a 30 cm di distanza.
  6. Nel sistema di chirurgia ortopedica assistita da AR, fare clic su File >'immagine a raggi X anteriore e selezionare l'immagine 1. il sistema identifica automaticamente il fotogramma di marcatura della superficie corporea non invasiva sulla superficie cutanea del paziente e quindi sovrappone questa immagine all'articolazione dell'anca nel video chirurgico (Figura 8B).
  7. Utilizzando il display in realtà aumentata dell'immagine a raggi X e il video in tempo reale generato sopra, il chirurgo pianifica il percorso di puntura in base a questo.

4. Puntura assistita da sistema chirurgico

  1. Il chirurgo si trova sul lato interessato ed esegue i seguenti passaggi. Tenere premuto il dispositivo di foratura e determinare il miglior angolo di inserimento. Segna il punto di inserimento sulla superficie della pelle, guidato dal filo virtuale di Kirschner e dall'immagine a raggi X dell'articolazione dell'anca nel video chirurgico.
  2. Selezionare un filo Kirschner con un diametro di 2,5 mm e forarlo dal punto di inserimento. Osserva la profondità e l'angolo di inserimento nel video e regolalo tempestivamente.
  3. Quando l'ago virtuale ha raggiunto l'area target di necrosi, interrompere il processo di puntura e conservare la schermata come immagine 2 (Figura 9A) per la successiva valutazione dell'accuratezza della puntura.
  4. Abita l'ago. Spostare il tavolo operatorio in posizione 1 per la seconda fluoroscopia per verificare l'effettiva condizione di puntura del filo Di Kirschner. Registrare il file immagine come immagine 3 (Figura 9B).
  5. La puntura ha successo quando la posizione del filo Kirschner soddisfa tutti i requisiti del chirurgo. Quindi, utilizzare la lancetta per tagliare la pelle intorno all'ago e separare ogni livello di tessuto molle fino a esporre l'osso sub-trocantere, all'incirca a una profondità di 3 cm. Perforare l'area necrotica lungo il filo di Kirschner con una trefina di 5 mm per completare le operazioni successive (osso artificiale o impianto osseo autologo).
  6. Dopo aver terminato tutte le procedure, chiudere la pelle con filo di seta 3-0 e coprire con medicazione sterile (Figura 10). Dopo il ritorno in reparto, fornire ai pazienti i farmaci ortopedici postoperatori comuni accettati, come la prevenzione delle infezioni, l'analgesia e l'infusione di liquidi. Se non si verifica alcuna complicazione, dimettere i pazienti 3 giorni dopo l'intervento chirurgico.

5. Valutazione dell'operazione

  1. Importa l'immagine 2 e l'immagine 3 in un software di elaborazione delle immagini e regola l'opacità al 52%.
  2. Fare clic sul pulsante Mascheramento per sovrapporre le due immagini, quindi fare clic sul pulsante Righelli per misurare la distanza (Lvirtuale) tra la punta virtuale e il punto di puntura della corteccia femorale e la distanza (L) tra la punta dell'ago Kirschner e il punto di puntura della corteccia femorale. Calcola la differenza tra Lvirtuale e L ture per valutare l'accuratezza della foratura.
  3. Durante la puntura, misurare il tempo di posizionamento come segue: il tempo di posizionamento inizia dal momento in cui il filo di Kirschner perfora la pelle e si ferma quando la radiografia conferma che il filo di Kirschner ha raggiunto con successo l'area target della testa del femore.
  4. Tre mesi dopo l'intervento chirurgico, fai la radiografia dell'anca (Figura 11) e registra la scala analogica visiva e il punteggio dell'anca di Harris.

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Risultati

Caratteristiche operative
Il sistema di navigazione chirurgica è stato applicato in 10 fianchi continuativi di nove pazienti. Il tempo medio di posizionamento totale dell'intervento è stato di 10,1 minuti (mediana 9,5 minuti, intervallo 8,0-14,0 minuti). La fluoroscocopia C-ARM media è stata di 5,5 volte (mediana 5,5 volte, intervallo 4-8 volte). L'errore medio di precisione della foratura è stato di 1,61 mm (mediana 1,2 mm, intervallo -5,76-19,73 mm; Tabella 1). I risultati mostrano ...

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Discussione

Sebbene il THA si sia sviluppato rapidamente negli ultimi anni e sia diventato un metodo efficace per l'ONFH, la terapia di conservazione dell'anca svolge ancora un ruolo importante nel trattamento dell'ONFH18,19 in fase iniziale. Cd è un intervento chirurgico di conservazione dell'anca di base ed efficace, che può rilasciare il dolore all'anca e ritardare lo sviluppo del collasso della testa del femore20. Il posizionamento della puntura d...

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Dichiarazioni

Gli autori dichiarano di non avere interessi concorrenti.

Ringraziamenti

Questo lavoro è stato sostenuto dalla Beijing Natural Science Foundation (7202183), dalla National Natural Science Foundation of China (81972107) e dalla Beijing Municipal Science and Technology Commission (D171100003217001).

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Sistema di chirurgia ortopedica assistito da ARSviluppo autonomoNessunoUn software operativo che implementa l'AR per la chirurgia ortopedica
Telecamera di profonditàStereolabsZED depth camera (ZED mini)gira video e li invia alla postazione di lavoro.
Software di elaborazione delle immaginiAdobe Systems IncorporatedAdobe Photoshop CS6Software di elaborazione delle immagini
Dispositivo di posizionamento a infrarossiNorthern Digital Inc.Dispositivo di tracciamento ottico NDI Polaris SpectraMarcatori di tracciamento nell'area chirurgica.
Dispositivo di punturaStryker StrykerSystem 7 Avvitatore a batteria e SaboInserire il filo di kirschner nella zona necrotica.

Riferimenti

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