Augmented Reality Navigatie-geleide Kerndecompressie voor Osteonecrose van Heupkop

Summary

Augmented reality-technologie werd toegepast op kerndecompressie voor osteonecrose van de heupkop om real-time visualisatie van deze chirurgische procedure te realiseren. Deze methode kan de veiligheid en precisie van kerndecompressie effectief verbeteren.

Abstract

Osteonecrose van de heupkop (ONFH) is een veel voorkomende gewrichtsaandoening bij jonge en middelbare leeftijd patiënten, die hun leven en werk ernstig belast. Voor onfh in een vroeg stadium is kerndecompressiechirurgie een klassieke en effectieve heupconserveringstherapie. Bij traditionele procedures van kerndecompressie met Kirschner-draad zijn er nog steeds veel problemen, zoals blootstelling aan röntgenfoto's, herhaalde punctieverificatie en schade aan normaal botweefsel. De blindheid van het prikproces en het onvermogen om real-time visualisatie te bieden zijn cruciale redenen voor deze problemen.

Om deze procedure te optimaliseren, ontwikkelde ons team een intraoperatief navigatiesysteem op basis van augmented reality (AR) technologie. Dit chirurgische systeem kan intuïtief de anatomie van de chirurgische gebieden weergeven en preoperatieve beelden en virtuele naalden in realtime weergeven op intraoperatieve video. Met de gids van het navigatiesysteem kunnen chirurgen Kirschner-draden nauwkeurig in het beoogde laesiegebied inbrengen en de nevenschade minimaliseren. We hebben 10 gevallen van kerndecompressiechirurgie uitgevoerd met dit systeem. De efficiëntie van positionering en fluoroscopie is sterk verbeterd in vergelijking met de traditionele procedures en de nauwkeurigheid van de punctie is ook gegarandeerd.

Introduction

Osteonecrose van de heupkop (ONFH) is een veel voorkomende invaliderende ziekte die voorkomt bij jonge volwassenen¹. Klinisch is het noodzakelijk om de stadiëring van ONFH te bepalen op basis van röntgenfoto's, CT en MRI om de behandelingsstrategie te bepalen (figuur 1). Voor onfh in een vroeg stadium wordt meestal therapie voor heupbehoud toegepast². Core decompressie (CD) chirurgie is een van de meest gebruikte heupconserveringsmethoden voor ONFH. Bepaalde curatieve effecten van kerndecompressie met of zonder bottransplantatie bij de behandeling van ONFH in een vroeg stadium zijn gemeld, wat latere totale heupartroplastiek (THA) gedurende lange tijd kan voorkomen of vertragen ^3,4,5. Het succespercentage van CD met of zonder bottransplantatie werd echter anders gerapporteerd in eerdere studies, van 64% tot 95%6,7,8,9. De chirurgische techniek, met name de nauwkeurigheid van de boorpositie, is belangrijk voor het succes van heupbehoud¹⁰. Vanwege de blindheid van de punctie- en positioneringsprocedure hebben de traditionele technieken van CD verschillende problemen, zoals meer fluoroscopietijd, herhaalde punctie met Kirschner-draad en letsel van normaal botweefsel ^11,12.

In de afgelopen jaren is de augmented reality (AR)-geassisteerde methode geïntroduceerd in de orthopedische chirurgie¹³. De AR-techniek kan de anatomie van het chirurgische veld visueel weergeven, de chirurgen begeleiden bij het plannen van de operatieprocedure en bijgevolg de moeilijkheidsgraad van de operatie verminderen. De toepassingen van de AR-techniek bij pedikelschroefimplantatie en gewrichtsarthroplastiekchirurgie zijn eerder gemeld 14,15,16,17. In deze studie willen we de AR-techniek toepassen op de CD-procedure en de veiligheid, nauwkeurigheid en haalbaarheid ervan in de klinische praktijk verifiëren.

Hardwarecomponenten van het systeem
De belangrijkste componenten van het op AR gebaseerde chirurgische navigatiesysteem zijn het volgende: (1) Een dieptecamera (figuur 2A) die direct boven het operatiegebied is geïnstalleerd; de video wordt hiervan geschoten en teruggestuurd naar de werkplek voor registratie en samenwerking met de beeldgegevens. (2) Een prikinrichting (figuur 2B) en een niet-invasief frame voor het markeren van het lichaamsoppervlak (figuur 2C), beide met passieve infraroodreflectoren. Een speciale reflecterende coating van markeerballen (figuur 3) kan worden opgevangen door infraroodapparatuur om nauwkeurige tracking van chirurgische apparatuur in het operatiegebied te bereiken. (3) Een infrarood positioneringsapparaat (figuur 2D) is verantwoordelijk voor het volgen van markeringsmarkeringen in het operatiegebied, waarbij het markeringsframe van het lichaamsoppervlak en de punctievoorziening met hoge nauwkeurigheid worden afgestemd (figuur 4). (4) Het hostsysteem (figuur 2E) is een 64-bits werkstation, geïnstalleerd met het onafhankelijk ontwikkelde AR-geassisteerde orthopedische chirurgiesysteem. Augmented reality-weergave van heupgewricht en femurkoppunctieoperatie kan met zijn hulp worden voltooid.

Protocol

Deze studie werd goedgekeurd door de ethische commissie van het China-Japan Friendship Hospital (goedkeuringsnummer: 2021-12-K04). Alle volgende stappen werden uitgevoerd volgens gestandaardiseerde procedures om letsel bij de patiënten en de chirurgen te voorkomen. Voor dit onderzoek werd geïnformeerde toestemming van de patiënt verkregen. De chirurg moet bekwaam zijn in conventionele kerndecompressieprocedures om ervoor te zorgen dat de operatie op een traditionele manier kan worden uitgevoerd in geval van onnauwkeurige navigatie of andere onverwachte situaties.

1. Preoperatieve diagnose en sortering van ONFH

1. Identificeer patiënten met klinische symptomen van ONFH; typische symptomen zoals aanhoudende of intermitterende pijn in de liesstreek met ipsilaterale heup- of knieuitstralende pijn. Lichamelijk onderzoek toonde diepe gevoeligheid in de liesstreek, het teken van Patrick, een beperkte heupbeweging van interne rotatie en abductie, of necroseveranderingen van de heupkop gemeten met behulp van röntgenfoto's, CT en MRI.
2. Volgens de associatie onderzoek circulatie osseeuze (ARCO) stadiëring, bekijk de röntgenfoto, CT en MRI van de heup van patiënten en bepaal de stadiëring van ONFH. Twee artsen voeren dit werk onafhankelijk uit. Als er onenigheid ontstaat, vraag dan een derde deskundige om de uiteindelijke beslissing te nemen.
3. Noteer de preoperatieve visuele analoge schaal (VAS) en Harris heupscore met behulp van een vragenlijst.
4. Patiënten opnemen die de volgende criteria gebruiken: 1) patiënten met ONFH; 2) stadium I, IIA en IIB van ONFH bevestigd door beeldvormend onderzoek (röntgenfoto, CT en MRI); 3) de femorale hoofdkern decompressiechirurgie is gepland. Patiënten uitsluiten wanneer: 1) patiënten de CD-operatie afwijzen; 2) preoperatief routineonderzoek wijst op chirurgische tegenstrijdigheden, zoals infectie of slechte basisconditie; 3) patiënten weigeren te worden opgenomen in de groep.

2. Systeemregistratie en nauwkeurigheidstests

1. Voer het AR-geassisteerde orthopedische chirurgiesysteem uit (vanwege commercialiseringsproblemen kunnen softwaredetails niet worden verstrekt) en klik op Orthografische video om de dieptecamera te activeren. Een afbeelding van het operatiegebied wordt na activering op het scherm weergegeven (figuur 5A). Plaats het optische volgapparaat zo dat het volggebied het operatiegebied volledig kan bedekken (figuur 5B).
2. Klik op NDI-instelling om de toegangspoort van het apparaat, COM4, te selecteren. Klik op de virtuele naaldlengte-instelling (over het algemeen is een Kirschner-naald 180 mm lang) en een virtueel Kirschner-naaldbeeld wordt automatisch gegenereerd in het chirurgische gebied in de video.
3. Verdeel het geplande chirurgische frontale gebied in bovenste en onderste niveaus met elk niveau 30 cm x 30 cm groot en met een hoogteverschil van 15 cm tussen de niveaus. Het systeem voert deze ruimtelijke informatie van het operatiegebied automatisch in de software in.
4. Verdeel elk niveau gelijkmatig met 10 matching points; verdeel het voor elk gebied van 30 cm x 30 cm in drie gelijke delen, waarbij twee delen elk drie punten hebben en een deel (linkerdeel) vier punten heeft. Vraag de assistent om het niet-invasieve frame voor het markeren van het lichaamsoppervlak (figuur 2C) volgens de punten te plaatsen. Als u klaar bent, klikt u op Match. De eigen speciale afbeelding van het systeem voor registratie wordt automatisch op het markeringsframe geplaatst (figuur 5C). Beschouw de registratie van dit punt als succesvol wanneer de afbeelding en het markeringsframe volledig samenvallen.
5. Verplaats het frame naar het volgende registratiepunt en herhaal stap 2.4. totdat alle inschrijfpunten zijn ingevuld. Aangezien de vorm van het markeringsframe dat is uitgerust met de punctie-inrichting (figuur 3A2) precies hetzelfde is als het niet-invasieve markeringsframe voor het lichaamsoppervlak, kan de eerste na voltooiing van de registratie ook worden gevolgd door het optische volgapparaat in het chirurgische gebied.
6. Beweeg het prikapparaat willekeurig in het operatiegebied om de overeenkomende mate van virtuele naald en trackingvertraging te detecteren (figuur 6). Omdat het roodblauwe virtuele Kirschner-naaldlichaam automatisch past bij de eigenlijke naald in het operatiegebied, is de augmented reality-weergave van de Kirschner-naald succesvol (figuur 5D).
   OPMERKING: Tijdens het registratieproces mag de positie van het optische volgapparaat en de dieptecamera niet naar believen worden gewijzigd. Als dat zo is, zal de ruimtelijke positierelatie van virtuele chirurgie veranderen, waardoor de virtuele Kirschner-naald en de fysieke niet nauwkeurig overeenkomen en moet de registratie opnieuw worden uitgevoerd.

3. Voorbereiding van patiënt en systeem vóór punctie

1. Vraag de patiënt na het betreden van de operatiekamer om in rugligging te gaan liggen en de onderste ledemaat van de aangedane zijde te fixeren (figuur 7). Dien algemene anesthesie toe aan alle patiënten.
2. Bereid de operatieplaats voor met jodium en 75% alcohol en plaats het niet-invasieve positioneringsapparaat voor het lichaamsoppervlak (gesteriliseerd met behulp van standaardprocedures) op de aangetaste heup van de patiënt.
3. Verplaats de C-ARM fluoroscoop naar de zijkant van de operatietafel en plaats de bron boven het heupgewricht. Lijn de bron uit met de dieptecamera en noteer de positie van de operatietafel als positie 1.
4. Na de eerste fluoroscopie exporteert u de röntgenfoto in BMP-indeling naar het systeemwerkstation, opent u deze in Fotobewerking en past u de grijsschaal aan door op de optie Lichtschaal te klikken. Draai met de klok mee en draai eenmaal horizontaal door op de bijbehorende knoppen te klikken om naar BMP te converteren. Open het vervolgens door op 3D schilderen te klikken en sla het op als het JPG-formaat, dat een niet-invasief frame voor het markeren van het lichaamsoppervlak bevatte, en geef het afbeelding 1 (figuur 8A).
   OPMERKING: Dit conversieproces is bedoeld om het succes van de systeemidentificatie te bevorderen. Vanwege de speciale vereisten voor beeldconversie, is het noodzakelijk om de grijsschaal van het röntgenbeeld aan te passen voor rotatie en inversie.
5. Schuif de bedieningstafel direct onder de dieptecamera naar het bedieningsgebied dat is gemarkeerd als positie 2. Positie 1 (in stap 3.3) en positie 2 zijn twee punten op hetzelfde horizontale vlak, 30 cm uit elkaar.
6. Klik in het AR-geassisteerde orthopedische chirurgiesysteem op Bestand > röntgenfoto aan de voorkant en selecteer afbeelding 1. het systeem identificeert automatisch het niet-invasieve lichaamsoppervlakmarkeringsframe op het huidoppervlak van de patiënt en plaatst dit beeld vervolgens op het heupgewricht in de chirurgische video (figuur 8B).
7. Met behulp van de augmented reality-weergave van het röntgenbeeld en de real-time video die hierboven is gegenereerd, plant de chirurg op basis hiervan het punctiepad.

4. Punctie geholpen door chirurgisch systeem

1. De chirurg staat aan de aangedane kant en voert de volgende stappen uit. Houd de prikinrichting vast en bepaal de beste insteekhoek. Markeer het inbrengpunt op het huidoppervlak, geleid door de virtuele Kirschner-draad en het röntgenbeeld van het heupgewricht in de chirurgische video.
2. Selecteer een Kirschner-draad met een diameter van 2,5 mm en doorboort deze vanaf het insteekpunt. Observeer de invoegdiepte en -hoek in de video en pas deze tijdig aan.
3. Wanneer de virtuele naald het doelgebied van necrose heeft bereikt, stopt u het punctieproces en behoudt u de schermafbeelding als afbeelding 2 (figuur 9A) voor daaropvolgende evaluatie van de punctienauwkeurigheid.
4. Indwell de naald. Verplaats de operatietafel naar positie 1 voor de tweede fluoroscopie om de werkelijke punctieconditie van de Kirschner-draad te controleren. Neem het afbeeldingsbestand op als afbeelding 3 (figuur 9B).
5. Punctie is succesvol wanneer de locatie van de Kirschner-draad aan alle eisen van de chirurg voldoet. Gebruik vervolgens de lancet om de huid rond de naald te snijden en scheid elk niveau van zacht weefsel totdat het sub-trochanterbot wordt blootgesteld, ruwweg tot een diepte van 3 cm. Boor in het necrotische gebied langs de Kirschner-draad met een trephine van 5 mm om de daaropvolgende operaties (kunstmatige bot- of autologe botimplantatie) te voltooien.
6. Sluit na het voltooien van alle procedures de huid met 3-0 zijden draad en bedek met steriel verband (figuur 10). Na terugkeer op de afdeling, geef de patiënten geaccepteerde gemeenschappelijke orthopedische postoperatieve medicatie, zoals infectiepreventie, analgesie en vloeistofinfusie. Als er geen complicatie optreedt, ontsla de patiënten dan 3 dagen na de operatie.

5. Evaluatie van de werking

1. Importeer afbeelding 2 en afbeelding 3 in een beeldverwerkingssoftware en pas de dekking aan op 52%.
2. Klik op de knop Maskeren om de twee afbeeldingen te overlappen en klik vervolgens op de knop Linialen om de afstand (L_virtueel) tussen de virtuele punt en het punctiepunt van de femurcortex en de afstand (L_ture) tussen de punt van de Kirschner-naald en het punctiepunt van de femurcortex te meten. Bereken het verschil tussen L_virtueel en L_ture om de punctienauwkeurigheid te beoordelen.
3. Meet tijdens de punctie de positioneringstijd als volgt: de positioneringstijd begint vanaf het moment dat de Kirschner-draad de huid doorboort en stopt wanneer de röntgenfoto bevestigt dat de Kirschner-draad met succes het doelgebied van de heupkop heeft bereikt.
4. Neem drie maanden na de operatie de heupfoto (figuur 11) en noteer de visuele analoge schaal en harris heupscore.

Results

Werkingskenmerken
Het chirurgische navigatiesysteem werd toegepast in continu 10 heupen van negen patiënten. De gemiddelde totale positioneringstijd van de operatie was 10,1 min (mediaan 9,5 min, bereik 8,0-14,0 min). De gemiddelde C-ARM fluoroscopieën waren 5,5 keer (mediaan 5,5 keer, bereik 4-8 keer). De gemiddelde fout van leknauwkeurigheid was 1,61 mm (mediaan 1,2 mm, bereik -5,76-19,73 mm; Tabel 1). De resultaten laten zien dat de positioneringstijd en fluoroscopietijden duidelij...

Discussion

Hoewel THA zich de afgelopen jaren snel heeft ontwikkeld en een effectieve ultieme methode voor ONFH is geworden, speelt heupconserveringstherapie nog steeds een belangrijke rol bij de behandeling van ONFH^18,19 in een vroeg stadium. CD is een eenvoudige en effectieve heupbehoudsoperatie, die heuppijn kan loslaten en de ontwikkeling van het instorten van de heupkop kan vertragen²⁰. De punctiepositionering van de focale necrose is de crucial...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
AR-assisted Orthopedic Surgery System	Zelfontwikkeling	Geen	Een besturingssoftware die AR implementeert voor orthopedische chirurgie
Dieptecamera	Stereolabs	ZED-dieptecamera (ZED mini)	Video opnemen en terugsturen naar de werkstation.
Beeldverwerkingssoftware	Adobe Systems Incorporated	Adobe Photoshop CS6	Beeldverwerkingssoftware
Infrarood positioneerapparaat	Northern Digital Inc.	NDI Polaris Spectra optisch volgapparaat	Markeringen in het chirurgische gebied volgen.
Punctieapparaat	Stryker	Stryker System 7 draadloze driver en Sabo	Kirschner-draad inbrengen in het necrotische gebied.