カスタムメイドの修正人工股関節形成術における複合現実感の使用:最初の症例報告

サマリー

複雑な修正人工股関節形成術は、カスタムメイドのインプラントと複合現実技術を使用して実行されました。著者の知識によると、これは文献に記載されているそのような手順の最初の報告です。

要約

解剖学的構造の3D印刷と視覚化の技術は、さまざまな医学分野で急速に成長しています。カスタムメイドのインプラントと複合現実を使用して、2019年1月に複雑な修正人工股関節形成術を実施しました。複合現実を使用することで、構造の非常に優れた視覚化が可能になり、正確なインプラント固定が可能になりました。著者の知識によると、これはこれら2つのイノベーションの併用の最初のケースレポートです。手術の資格に先立つ診断は、左股関節の寛骨臼成分の緩みでした。エンジニアが作成した複合現実ヘッドセットとホログラムが手術中に使用されました。手術は成功し、その後、早期の垂直化と患者のリハビリテーションが続きました。チームは、関節形成術、外傷、整形外科腫瘍学における技術開発の機会を見ています。

概要

3次元(3D)印刷と複雑な構造の視覚化の技術は、さまざまな医療分野で急速に成長しています。これらには、心臓血管外科、耳鼻咽喉科、顎顔面外科、そしてとりわけ整形外科手術が含まれます1,2,3,4,5。現在、この技術は整形外科手術において、3Dプリント要素の直接実装だけでなく、外科トレーニング、術前計画、または術中ナビゲーションにおいても使用されている^6,7,8。

人工股関節全置換術(THA)と人工膝関節全置換術(TKA)は、世界中で最も頻繁に行われる整形外科手術の1つです。患者の生活の質が大幅に向上したため、THAは以前の出版物で「世紀の手術」⁹と説明されていました。ポーランドでは、49.937 THAと30.615 TKAが2019¹⁰年に実行されました。平均余命が延びるにつれて、股関節および膝関節形成術の予測数は増加傾向にあります。インプラントの設計、手術技術、および術後ケアを改善するために多大な努力が払われてきました。これらの進歩は、患者の機能を回復し、合併症のリスクを減らす可能性を高めました^11,12,13,14。

しかし、世界中の整形外科医が現在直面している大きな課題は、股関節の解剖学的欠陥により、既製のインプラントを実装することが非常に困難または不可能でさえある非標準的な患者と協力することです¹⁵。骨量減少は、重大な外傷、寛骨臼突起を伴う進行性変性変形性関節症、発達性股関節形成不全、原発性骨癌、または転移が原因である可能性があります¹⁶、^17、18、^19、20。インプラント選択の問題は、特に複数の改訂のリスクがあり、時には型破りな治療を必要とする患者に関係しています。そのような場合、非常に有望な解決策は、特定の患者と骨の欠陥のために作成された付加的な3Dプリントインプラントであり、非常に正確な解剖学的フィットを可能にします²⁰。

関節形成術の分野では、正確なインプラントとその持続可能な固定が重要です。術前および術中の3Dビジュアライゼーションの進歩により、拡張現実および複合現実^{21、22、23、24}などの優れたソリューションが生まれました。骨およびインプラントコンピュータ断層撮影(CT)ホログラムの術中の使用は、従来のX線撮影画像よりも優れたプロテーゼ配置を可能にする可能性がある。この新しい技術は、治療効果の可能性を高め、神経血管合併症のリスクを減らす可能性があります^21,25。

この症例報告は、無菌緩みのために股関節修正手術を受けた患者に関するものです。複数のインプラントの失敗によって引き起こされる重大な骨量減少に対処するために、カスタムメイドの3Dプリント寛骨臼インプラントが使用されました。手順中、リスクのある神経血管構造の損傷を避けるために、複合現実を使用してインプラントの位置を視覚化しました。複合現実ヘッドセットに実装されたアプリケーションは、音声およびジェスチャーコマンドを与えることができ、外科手術中に無菌状態でそれを使用することを可能にする。

症例は57歳の女性で,左股関節寛骨臼の緩みという予備診断で来院した.患者の病歴は広範囲でした。彼女の人生を通して、彼女は股関節の多数の外科的処置を受けました。最初の治療は、股関節形成不全による変形性関節症による股関節リサーフェシング(1977-15歳)、2番目の治療はインプラントの緩みによる人工股関節全置換術(1983-21歳)、および他の2つの再手術(1998、2000-37、39歳)でした。また,小児脳性麻痺による痙性左側片麻痺を患っており,左内反足変形により手術を繰り返す.彼女はまた、胸腰椎の変形性関節症、手根管症候群、および十分に制御された動脈性高血圧症に悩まされていました。次術の資格取得前の最終診断は、左股関節の寛骨臼成分の緩みによる痛みと機能制限の増加でした。患者は意欲的で、身体的に活発で、障害に対処していました。

プロトコル

プロトコルは、ワルシャワ医科大学の人間研究倫理委員会のガイドラインに従います。患者は手順にインフォームドコンセントを与え、それが記録されるという事実を認めました。患者は手順の前にそれに同意しました。

注:手術プロジェクトに患者を含めるための基本的な基準は、解剖学的機能障害のために介入する必要性であり、標準的なインプラントを使用することは不可能でした。複合現実は、プロテーゼのより良い配置を目的とし、手術が成功する可能性を高めました。

1. 事前準備

1. カスタムメイドの寛骨臼インプラントを準備し、患者の入院前に外科的処置を計画します。
   注:このケーススタディでは、医用画像診断の当業者がカスタムメイドの寛骨臼インプラントを準備しました。
   1. 入院予定の前に、画像診断ユニットでX線撮影を行います。
   2. 前後投影で骨盤X線を実行します。
   3. X線に基づいて患者の骨盤の現在の状態を評価します。
   4. 得られた画像を以前のX線画像と比較してください。
2. 骨盤CTスキャンを行い、プロトコルに従ってDICOM(医学におけるデジタルイメージングおよび通信)ファイルを取得します。
   1. 患者を可動式CTスキャンプラットフォームに置きます。
   2. 厚さボタンをクリックして、スキャンに512 x 512ピクセルの厚さを選択します。
   3. 1 mmレイヤーの厚さを決定するパラメータをクリックします。
   4. クリックして手順を開始し、テスト結果を待ちます。
3. エンジニアに、技術スキームとしてデジタルで送信できるインプラント提案、または3Dプリントされたモデルのプロトタイプを設計するように依頼します(図1)。
   1. DICOMビューアでコンピュータ断層撮影結果を視覚化します。
   2. 患者の現在の解剖学的状態、生体力学、および関節の機能を考慮して、インプラントの実装の必要性を決定します。
   3. 固定を含むインプラントに関する提案については、エンジニアに相談してください。
   4. プロジェクトを承認し、出荷を待ちます。
      注:インプラントの最終的な形状には、患者のCTスキャンからの3Dデータと設計エンジニアおよび外科医の入力を組み合わせることが含まれます。
4. 電子ビーム技術^26,27を使用して、チタン合金粉末(TiAl6V4)からカスタムメイドの3Dインプラントを印刷します。少量のTiAl6V4粉末を含むチャンバー内では、電子ビームが発射されるたびに、選択的に溶融して材料の蓄積(プラズマコーティング)があります。
5. インプラントが滅菌されているかどうかを確認してください。インプラント試験と最終インプラントの滅菌はメーカーによって保証されました。

2.手術前検診

1. 標準治療の臨床検査と専門家による相談を行います。
   1. 人工関節周囲感染の可能性のある患者を除外します(放射線学的特徴なし、正常なc反応性タンパク質(<10 mg / L)、および赤血球沈降速度が女性の場合は1〜10 mm / h、男性の場合は3〜15 mm / h)。.
2. 発熱(全身)、痛み、腫れ、発赤(局所)、関節機能の低下などの感染の臨床的兆候を確認します²⁸。
   1. 臨床検査中に局所炎症の兆候がある患者を除外します(発赤、体温上昇、痛み、腫れ、機能喪失は局所炎症を示します)。患者は手術に完全なインフォームドコンセントを与えた。

3. 複合現実モデル

注:このプロセスは、術中に使用される適切なインプラントと骨盤の視覚化を実現するために実行されます。

1. 専用のアプリケーションを使用して、骨盤CT DICOMファイルをホログラフィック表現に処理します。
   1. 取得した CT DICOM ファイルから CT イメージを複合現実ヘッドセットに読み込みます。
      1. ホログラフィック DICOM ビューアーを開きます。
      2. CT DICOM ファイルを含むフォルダを選択します。
      3. ヘッドセットの電源を入れたときに表示されるIPを確認し、ホログラフィックDICOMビューアの指定された場所に入力します。
      4. [ 接続 ] ボタンをクリックすると、複合現実ヘッドセットで視覚化が表示されます。
   2. 骨盤骨組織構造をセグメント化します。これは、[ はさみ ] オプションを使用して手動で実行します。このオプションを有効にすると、ユーザーはマウスの左ボタンをクリックし、マウスを動かして、このツールで選択した構造を削除します。
      1. マウスの左ボタンをもう一度クリックすると、選択した構造を切り取ることを確認するためのポップアップが作成されます。
         注: ユーザーは、3D ビューと 2D ビューの両方でビジュアライゼーションから切り取る領域を選択できます。選択範囲の内側または外側から構造を削除することができます。CT画像の必要な部分だけが見えるまで、これを繰り返します。
   3. CT 骨内部人工装具の名前をクリックして、使用可能な機能のリストから整形外科手術専用の事前定義された伝達関数(色視覚化パラメータ)を選択します。必要に応じて、3D ビジュアライゼーション ウィンドウでマウスの動きに接続されたマウスの右ボタンを使用してウィンドウとレベルを変更して、ビジュアライゼーションを調整します。
   4. ヘッドセットに接続して、準備された視覚化を 3D ホログラフィック空間で確認します。音声コマンドを使用して画像を調整します:回転、ズーム、スマートカット、手のジェスチャー。
   5. [ スマートに切り取り ]コマンドを使用して、ユーザーの視線に垂直な切断面を使用および調整します。ユーザーが頭をホログラムに近づけるほど、平面は深くなります。
   6. 平面の前方に位置する構造物は視覚化されないため、これらの移動を実行すると、ビジュアライゼーションの内部部分が表示されます。
      注:このビューは、構造(骨盤、大腿骨、インプラント)間の幾何学的関係を評価するために重要です(図2 および 図3)。

4.手術

1. カスタムメイドの寛骨臼インプラントおよび複合現実性デバイス^14,16,29を使用して、寛骨臼コンポーネントの無菌緩みによる修正股関節形成術の外科的処置を行う。手術にはメス、凝固装置付きの電気外科用ナイフ、ルアーツール、カッターを使用してください。
   1. 皮膚切開の30分前に1.5gのセフトリアキソンを静脈内投与し、感染を防ぐために手術当日に2回投与する。低分子量ヘパリン(LMWH)による手術の前日に血栓予防を開始する。処置後30日間、40mgのエノキサパリンを1日1回投与し続ける。
   2. 手術台の上に横になって、全身麻酔下で患者を置き、固定します。
   3. 股関節へのハーディンジアクセスを使用して結合組織の癒着を解放し、緩んだ寛骨臼インプラントを取り除きます。
   4. 股関節の他の修正手順と同じ方法で操作を実行しますが、より広いアクセスを使用します。
   5. 寛骨臼の表面からすべての軟組織を取り除き、形状が提供されたモデルとまったく同じになるようにします。インプラントモデルは寛骨臼骨の表面に完全に付着しなければなりません。
   6. インプラントを安定させる特別に設計されたネジを使用して、新しいセメントなしのインプラントを固定します。
   7. 手術後に大腿神経ブロックを行います。
2. 処理画像の術中ホログラフィック可視化
   1. 事前手続き計画で準備された DICOM CT スキャンの視覚化を複合現実アプリケーションに読み込みます。
   2. 複合現実ヘッドセットを複合現実アプリケーションに接続して、準備された視覚化を 3D ホログラフィック空間で確認します。
   3. 処理された画像の術中ホログラフィック視覚化を使用して、適切かつ正確な骨盤骨表面処理を実現し、寛骨臼コンポーネントの緩みに対する反応として発生した過剰な結合組織を除去します。
   4. オペレーターがホログラフィック ビジュアライゼーションを参照画像として見ていることを確認します。
   5. メス、凝固装置付きの電気外科用ナイフ、ルアーツール、カッターを使用して操作します。3D骨盤モデルを視覚化することで、神経血管構造の損傷やインプラントの配置ミスのリスクを最小限に抑えることができます。
   6. ヘッドマウントディスプレイがWiFiネットワークを介してワークステーションに接続されていることを確認します。イメージの処理とレンダリングはワークステーションで実行され、結果はヘッドセットにホログラムとして表示されます。ジェスチャと音声コマンドを使用します。必要に応じて、POVプレビューでエンジニアの助けを得てください。

5.術後ケア

1. 患者に、手術後初日のリハビリテーションと動員を含む、標準的なリハビリテーションと回復のプロトコルを受けさせます^30,31,32。
   注:リハビリテーションは、股関節と膝関節形成術の経験がある専任チームによって実施されました。
2. 薬理学的血栓予防を実施する。低分子ヘパリン(LMWH)による手術の前日に血栓予防を開始した。40mgのエノキサパリンの1日単回投与を処置後30日間継続した。

結果

画像前処理
骨盤骨、大腿骨、および内部人工装具のバイナリマスクは、利用可能なソフトウェア³³を備えた閾値化および領域成長アルゴリズムを使用して、経験豊富な放射線技師によってCT DICOM画像から半自動的にセグメント化された。準備されたラベルマップも放射線科医によって手動で修正されました。ラベルマップは、次のステップでCTスキャンに追加することで視覚化を強化するために使用されました。このアプローチにより、CTスキャンで骨構造と周囲の組織を確認できる体積レンダリングを、重要な組織を示すセグメント化された部分とマージすることが可能になりました。セグメンテーションの結果は元のスタックで結論付けられ、構造の3Dグラフィカルモデルのみを構築する必要はなくなりましたが、すべてのハウンズフィールドユニット(HU)値に関する情報を維持することができました。その結果、固定インプラントの外科的状況に応じて、組織を表示し、移植し、骨のセグメンテーションを同時に、または一度に1つずつ行うことができるインタラクティブな視覚化が実現しました(

ディスカッション

一次および修正股関節形成術では、治療の有効性を確保するためにパーソナライズが必要になる場合があります。ただし、カスタムインプラントを使用すると、標準的な手順と比較して手術の準備に時間がかかります。カスタムメイドの3Dプリントインプラントは、病気が重大な骨破壊を引き起こした非典型的な患者の機能を回復する機会を与えるソリューションです²⁹。標準的な補綴物は、急速に進行する変性疾患、原発性骨腫瘍または転移によって引き起こされる骨欠損、ならびに複雑な損傷または複数の修正手順のために不十分である¹⁶。カスタムメイドのインプラントは、解剖学的異常と現在の臨床状態を考慮して完全に個別化された特定の患者のために準備されます。インプラントを作成するプロセスは、整形外科医とエンジニアの協力を必要とし、CTまたは磁気共鳴画像法(MRI)に基づいています。仮想インプラントモデルの準備は複雑です。これは、骨とインプラントの間に作用する力を正確に決定するエンジニアによって実行されます。予備の仮想3Dモデルは外科医と相談され、承認後、カスタムメイドのインプラントの製造が開...

材料

この記事で使用された材料の一覧

名前	会社	カタログ番号	コメント
CarnaLifeHolo v. 1.5.2	MedApp S.A.
オーダーメイドのインプラントタイプ トライフランジ付き寛骨臼コンポーネント	BIOMET	REF PM0001779
ヘッド拘束 モジュラーヘッド+9mm コーン用ネック 12/14, Co-Cr-Mo, サイズ 36mm	BIOMET	REF 14-107021
ポリエチレンインサート フリーダム Ringloc-X コストレイント リニア Ringloc-X 58mm for head 36mm/10 *	BIOMET	REF 11-263658