Method Article

Динамическая декомпрессия ядра с навигацией дополненной реальности при остеонекрозе головки бедренной кости

DOI:

10.3791/63806

⸱

April 12th, 2022

 ,  ,  ,  ,  , 
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

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Технология дополненной реальности была применена для декомпрессии ядра при остеонекрозе головки бедренной кости для реализации визуализации этой хирургической процедуры в режиме реального времени. Этот метод может эффективно повысить безопасность и точность декомпрессии сердечника.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Остеонекроз головки бедренной кости (ОНФГ) является распространенным заболеванием суставов у пациентов молодого и среднего возраста, которое серьезно отягощает их жизнь и работу. Для ранней стадии ONFH операция по декомпрессии ядра является классической и эффективной терапией сохранения тазобедренного сустава. В традиционных процедурах декомпрессии ядра с помощью проволоки Киршнера все еще существует много проблем, таких как рентгеновское облучение, повторная проверка пункции и повреждение нормальной костной ткани. Слепота процесса прокола и неспособность обеспечить визуализацию в режиме реального времени являются важнейшими причинами этих проблем.

Для оптимизации этой процедуры наша команда разработала интраоперационную навигационную систему на основе технологии дополненной реальности (AR). Эта хирургическая система может интуитивно отображать анатомию хирургических областей и отображать предоперационные изображения и виртуальные иглы для интраоперационного видео в режиме реального времени. С помощью направляющей навигационной системы хирурги могут точно вставлять провода Киршнера в целевую область поражения и минимизировать сопутствующий ущерб. Мы провели 10 случаев операции по декомпрессии ядра с помощью этой системы. Эффективность позиционирования и рентгеноскопии значительно улучшена по сравнению с традиционными процедурами, а также гарантируется точность пункции.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Остеонекроз головки бедренной кости (ONFH) является распространенным инвалидизирующим заболеванием, встречающимся у молодых людей1. Клинически необходимо определить стадию ОНФГ на основе рентгена, КТ и МРТ для определения стратегии лечения (рисунок 1). Для ранней стадии ОНФГ обычно принимается терапия сохранения тазобедренного сустава2. Операция по декомпрессии ядра (CD) является одним из наиболее часто используемых методов сохранения тазобедренного сустава для ONFH. Сообщалось о некоторых лечебных эффектах декомпрессии ядра с или без костной пластики при лечении ОНФГ на ранней стадии, что может избежать или задержать последующую тотальную эндопротезирование тазобедренного сустава (THA) в течение длительного времени 3,4,5. Тем не менее, уровень успеха CD с или без костной трансплантации был зарегистрирован по-разному среди предыдущих исследований, от 64% до 95% 6,7,8,9. Хирургическая техника, особенно точность положения сверления, важна для успешного сохранения тазобедренного сустава10. Из-за слепоты процедуры пункции и позиционирования традиционные методы CD имеют несколько проблем, таких как увеличение времени рентгеноскопии, повторная пункция с использованием проволоки Киршнера и повреждение нормальнойкостной ткани 11,12.

В последние годы метод дополненной реальности (AR) был внедрен в ортопедическую хирургию13. Техника AR может визуально показать анатомию хирургического поля, направлять хирургов в планировании операционной процедуры и, следовательно, уменьшить сложность операции. О применении техники AR в имплантации винтов ножки и артропластике суставов сообщалось ранее 14,15,16,17. В этом исследовании мы стремимся применить технику AR к процедуре CD и проверить ее безопасность, точность и осуществимость в клинической практике.

Аппаратные компоненты системы
Основные компоненты навигационной хирургической системы на основе AR включают в себя следующее: (1) глубинная камера (рисунок 2A), установленная непосредственно над хирургической областью; видео снимается с этого и отправляется обратно на рабочую станцию для регистрации и взаимодействия с данными изображения. (2) Проколотое устройство (рисунок 2B) и неинвазивная рамка для маркировки поверхности тела (рисунок 2C) с пассивными инфракрасными отражателями. Специальное отражающее покрытие маркировочных шариков (рисунок 3) может быть захвачено инфракрасным оборудованием для достижения точного отслеживания хирургического оборудования в хирургической области. (3) Инфракрасное позиционирующее устройство (рисунок 2D) отвечает за отслеживание маркеров в хирургической области, с высокой точностью сопоставляя маркировочную рамку поверхности тела и проколотое устройство (рисунок 4). (4) Хост-система (рисунок 2E) представляет собой 64-разрядную рабочую станцию, установленную с независимо разработанной ортопедической хирургической системой AR. С его помощью можно завершить отображение в дополненной реальности операции по пункции тазобедренного сустава и головки бедренной кости.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Это исследование было одобрено комитетом по этике Больницы китайско-японской дружбы (номер одобрения: 2021-12-K04). Все следующие шаги были выполнены в соответствии со стандартизированными процедурами, чтобы избежать травм пациентов и хирургов. Для этого исследования было получено информированное согласие пациента. Хирург должен быть квалифицирован в обычных процедурах декомпрессии ядра, чтобы гарантировать, что операция может быть выполнена традиционным способом в случае неточной навигации или других неожиданных ситуаций.

1. Предоперационная диагностика и классификация ОНФГ

  1. Выявлять пациентов с клиническими симптомами ОНФГ; типичные симптомы, такие как постоянная или прерывистая боль в паховой области с ипсилатеральной болью в бедре или колене, излучающей боль. Физическое обследование показало глубокую болезненность в паховой области, признак Патрика, ограниченное движение бедра от внутреннего вращения и абдукции или изменения некроза головки бедренной кости, измеренные с помощью рентгена, КТ и МРТ.
  2. В соответствии с исследованием ассоциации костной циркуляции (ARCO) стадии, просмотрите рентген, КТ и МРТ тазобедренного сустава пациентов и определите стадию ONFH. Два врача проводят эту работу независимо друг от друга. Если возникнут разногласия, попросите третьего эксперта принять окончательное решение.
  3. Запишите предоперационную визуальную аналоговую шкалу (VAS) и оценку бедра Харриса с помощью опросника.
  4. Включить пациентов, использующих следующие критерии: 1) пациенты с ОНФГ; 2) I, IIA и IIB ОНФГ, подтвержденные визуальным исследованием (рентген, КТ, МРТ); 3) планируется операция по декомпрессии ядра головки бедренной кости. Исключить пациентов, когда: 1) пациенты отвергают операцию cd; 2) предоперационный профилактический осмотр указывает на хирургические противоречия, такие как инфекция или плохое базовое состояние; 3) пациенты отказываются от зачисления в группу.

2. Регистрация системы и проверка точности

  1. Запустите ортопедическую хирургическую систему с поддержкой AR (из-за проблем с коммерциализацией детали программного обеспечения не могут быть предоставлены) и нажмите « Орфографическое видео», чтобы активировать камеру глубины. Изображение хирургической области будет выведено на экран после активации (рисунок 5А). Расположите оптическое устройство слежения так, чтобы его область слежения могла полностью покрыть хирургическую область (рисунок 5B).
  2. Щелкните Настройка NDI , чтобы выбрать порт доступа к устройству COM4. Нажмите «Виртуальная настройка длины иглы » (обычно длина иглы Киршнера составляет 180 мм), и виртуальное изображение иглы Киршнера будет автоматически сгенерировано в хирургической области на видео.
  3. Разделите запланированную хирургическую фронтальную область на верхний и нижний уровни с каждым уровнем размером 30 см х 30 см и с разницей в высоту 15 см между уровнями. Система автоматически вводит эту пространственную информацию хирургической области в программное обеспечение.
  4. Равномерно распределяйте каждый уровень с 10 совпадающими очками; на каждые 30 см х 30 см площади разделите ее на три равные части, причем две части имеют по три точки каждая, а одна часть (левая часть) имеет четыре точки. Попросите помощника разместить неинвазивную маркировочную рамку поверхности тела (рисунок 2C) в соответствии с точками. Как только это будет сделано, нажмите «Матч». Собственное специальное изображение системы для регистрации будет автоматически наложено на маркировочную рамку (рисунок 5C). Считать регистрацию этой точки успешной, когда изображение и маркировочная рамка полностью совпадают.
  5. Переместите кадр в следующую точку регистрации и повторите шаг 2.4. до тех пор, пока не будут заполнены все пункты регистрации. Поскольку форма маркировочной рамы, оснащенной проколотым устройством (рисунок 3А2), точно такая же, как и у неинвазивной рамки маркировки поверхности тела, после завершения регистрации первый также может отслеживаться оптическим устройством слежения в хирургической области.
  6. Переместите устройство пункции случайным образом в хирургической области, чтобы определить степень соответствия виртуальной иглы и задержку отслеживания (рисунок 6). Поскольку красно-синее виртуальное тело иглы Киршнера автоматически совпадает с фактической иглой в хирургической области, отображение иглы Киршнера в дополненной реальности является успешным (рисунок 5D).
    ПРИМЕЧАНИЕ: В процессе регистрации положение оптического устройства слежения и глубинной камеры не должно изменяться по желанию. Если это так, отношения пространственного положения виртуальной хирургии изменятся, что приведет к неточному соответствию между виртуальной иглой Киршнера и физической, и регистрация должна быть проведена повторно.

3. Подготовка пациента и системы перед пункцией

  1. После входа в операционную попросите пациента лечь в лежачем положении и зафиксировать нижнюю конечность пораженной стороны (рисунок 7). Назначать общую анестезию всем пациентам.
  2. Подготовьте место операции йодом и 75% спиртом и поместите неинвазивное устройство позиционирования поверхности тела (стерилизованное с использованием стандартных процедур) на пораженное бедро пациента.
  3. Переместите флюороскоп C-ARM в сторону операционного стола и расположите источник над тазобедренным суставом. Выровняйте источник с камерой глубины и запишите положение хирургического стола как положение 1.
  4. После первой рентгеноскопии экспортируйте рентгенограмму формата BMP на системную рабочую станцию, откройте ее в разделе «Редактирование фотографий» и отрегулируйте шкалу серого, щелкнув параметр «Масштаб света». Поворачивайте по часовой стрелке и переворачивайте горизонтально один раз, нажимая соответствующие кнопки для преобразования в BMP. Затем откройте его, щелкнув Painting 3D , и сохраните в формате JPG, который содержал неинвазивную рамку для маркировки поверхности тела, и назовите его изображением 1 (рисунок 8A).
    ПРИМЕЧАНИЕ: Этот процесс преобразования должен способствовать успеху идентификации системы. Из-за особых требований к преобразованию изображения необходимо настроить шкалу серого рентгеновского изображения для поворота и инверсии.
  5. Сдвиньте рабочий стол непосредственно под камерой глубины в рабочую зону, обозначенную как положение 2. Положение 1 (на шаге 3.3) и положение 2 представляют собой две точки на одной горизонтальной плоскости, на расстоянии 30 см друг от друга.
  6. В системе ортопедической хирургии с поддержкой AR щелкните Файл > переднем рентгеновском снимке и выберите изображение 1. система автоматически идентифицирует неинвазивную маркировочную рамку поверхности тела на поверхности кожи пациента, а затем накладывает это изображение на тазобедренный сустав в хирургическом видео (рисунок 8B).
  7. Используя дисплей дополненной реальности рентгеновского изображения и видео в режиме реального времени, сгенерированное выше, хирург планирует путь пункции на основе этого.

4. Пункция с помощью хирургической системы

  1. Хирург встает на пораженную сторону и выполняет следующие шаги. Удерживайте проколовое устройство и определите наилучший угол вставки. Отметьте точку введения на поверхности кожи, ориентируясь на виртуальную проволоку Киршнера и рентгеновское изображение тазобедренного сустава на хирургическом видео.
  2. Выберите проволоку Киршнера диаметром 2,5 мм и проткните ее от точки вставки. Следите за глубиной вставки и углом в видео и своевременно корректируйте его.
  3. Когда виртуальная игла достигнет целевой области некроза, остановите процесс прокола и сохраните снимок экрана в виде изображения 2 (рисунок 9A) для последующей оценки точности прокола.
  4. Вставьте иглу. Переместите операционный стол в положение 1 для второй рентгеноскопии, чтобы проверить фактическое состояние прокола проволоки Киршнера. Запишите файл изображения как изображение 3 (рисунок 9B).
  5. Пункция успешна, когда расположение проволоки Киршнера соответствует всем требованиям хирурга. Затем используйте ланцет, чтобы разрезать кожу вокруг иглы, и отделите каждый уровень мягких тканей до обнажения субтрохантерной кости, примерно на глубину 3 см. Просверлите в некротическую область вдоль проволоки Киршнера трефином 5 мм для завершения последующих операций (имплантация искусственной кости или аутологичной кости).
  6. После окончания всех процедур закройте кожу 3-0 шелковой нитью и накройте стерильной повязкой (рисунок 10). После возвращения в палату предоставьте пациентам принятые общие ортопедические послеоперационные препараты, такие как профилактика инфекций, обезболивание и инфузия жидкости. Если осложнений не возникает, выписывают пациентов через 3 дня после операции.

5. Оценка работы

  1. Импортируйте изображения 2 и изображения 3 в программное обеспечение для обработки изображений и отрегулируйте непрозрачность до 52%.
  2. Нажмите кнопку «Маскировка», чтобы перекрыть два изображения, затем нажмите кнопку «Линейки», чтобы измерить расстояние (Lвиртуальный) между виртуальным кончиком и точкой прокола бедренной коры и расстояние (L-тур) между кончиком иглы Киршнера и точкой прокола коры бедренной кости. Рассчитайте разницу между Lвиртуальной и L-матрицей для оценки точности прокола.
  3. Во время пункции измерьте время позиционирования следующим образом: время позиционирования начинается с момента, когда провод Киршнера прокалывает кожу, и останавливается, когда рентген подтверждает, что провод Киршнера успешно достиг целевой области головки бедренной кости.
  4. Через три месяца после операции сделайте рентген тазобедренного сустава (рисунок 11) и запишите визуальную аналоговую шкалу и оценку тазобедренного сустава Харриса.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Эксплуатационные характеристики
Хирургическая навигационная система применялась в континуативных 10 бедрах девяти пациентов. Среднее общее время позиционирования операции составило 10,1 мин (медиана 9,5 мин, диапазон 8,0-14,0 мин). Среднее значение Фторскопии C-ARM составляло 5,5 раз (медиана 5,5 раз, диапазон 4-8 раз). Средняя погрешность точности прокола составила 1,61 мм (медиана 1,2 мм, дальность -5,76-19,73 мм; Таблица 1). Результаты показывают, что время позиционирования и время...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Хотя THA быстро развивалась в последние годы и стала эффективным методом для ONFH, терапия сохранения тазобедренного сустава по-прежнему играет важную роль в лечении ONFH18,19 на ранней стадии. CD является базовой и эффективной операцией по сохранению тазобедренного сустава, которая может снять боль в бедре и задержать развитие коллапса головки бедренной кости20. Пункционное позиционирование очагового некроза является важнейшей процедурой ...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Авторы заявляют, что у них нет конкурирующих интересов.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Эта работа была поддержана Пекинским фондом естественных наук (7202183), Национальным фондом естественных наук Китая (81972107) и Пекинской муниципальной комиссией по науке и технике (D171100003217001).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Система ортопедической хирургии с дополненной реальностьюСаморазработкаНетОперационное программное обеспечение, реализующее AR для ортопедической хирургии
Камера глубиныStereolabsZED камера глубины (ZED mini)снимает видео и отправляется обратно на рабочую станцию.
Программное обеспечение для обработки изображенийAdobe Systems IncorporatedAdobe Photoshop CS6Программное обеспечение для обработки изображений
Инфракрасное позиционирование устройстваNorthern Digital Inc.Оптическое устройство слежения NDI Polaris SpectraОтслеживание маркеров в операционной области.
Устройство для проколаStrykerStryker System 7 Cordless driver и SaboВставьте киршнеровскую проволоку в некротическую область.

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Cohen-Rosenblum, A., Cui, Q. Osteonecrosis of the femoral head. Orthopedic Clinics of North America. 50 (2), 139-149 (2019).
  2. Migliorini, F., et al. Prognostic factors in the management of osteonecrosis of the femoral head: A systematic review. The Surgeon: journal of the Royal Colleges of surgeons of Edinburgh and Ireland. (21), 00199(2022).
  3. Mont, M. A., Jones, L. C., Hungerford, D. S. Nontraumatic osteonecrosis of the femoral head: ten years later. The Journal of Bone and Joint Surgery. American Volume. 88 (5), 1117-1132 (2006).
  4. Wang, L., Tian, X., Li, K., Liu, C. Combination use of core decompression for osteonecrosis of the femoral head: A systematic review and meta-analysis using Forest and Funnel Plots. Computational and Mathematical Methods in Medicine. , 1284149(2021).
  5. Hua, K. C., et al. The efficacy and safety of core decompression for the treatment of femoral head necrosis: a systematic review and meta-analysis. Journal of Orthopaedic Surgery and Research. 14 (1), 306(2019).
  6. Ganz, R., Krushell, R. J., Jakob, R. P., Küffer, J. The antishock pelvic clamp. Clinical Orthopaedics and Related Research. 267, 71-78 (1991).
  7. Yoshikawa, K., et al. Training with hybrid assistive limb for walking function after total knee arthroplasty. Journal of Orthopaedic Surgery and Research. 13 (1), 163(2018).
  8. Wu, C. T., Yen, S. H., Lin, P. C., Wang, J. W. Long-term outcomes of Phemister bone grafting for patients with non-traumatic osteonecrosis of the femoral head. International Orthopaedics. 43 (3), 579-587 (2019).
  9. Mont, M. A., Marulanda, G. A., Seyler, T. M., Plate, J. F., Delanois, R. E. Core decompression and nonvascularized bone grafting for the treatment of early stage osteonecrosis of the femoral head. Instructional Course Lectures. 56, 213-220 (2007).
  10. Wang, W., et al. Patient-specific core decompression surgery for early-stage ischemic necrosis of the femoral head. PLoS One. 12 (5), 0175366(2017).
  11. Hoffmann, M. F., Khoriaty, J. D., Sietsema, D. L., Jones, C. B. Outcome of intramedullary nailing treatment for intertrochanteric femoral fractures. Journal of Orthopaedic Surgery and Research. 14 (1), 360(2019).
  12. Dennler, C., et al. Augmented reality-based navigation increases precision of pedicle screw insertion. Journal of Orthopaedic Surgery and Research. 15 (1), 174(2020).
  13. Yonezawa, H., et al. Low-grade myofibroblastic sarcoma of the levator scapulae muscle: a case report and literature review. BMC Musculoskeletal Disorders. 21 (1), 836(2020).
  14. Tsukada, S., et al. Augmented reality- vs accelerometer-based portable navigation system to improve the accuracy of acetabular cup placement during total hip arthroplasty in the lateral decubitus position. The Journal of Arthroplasty. 37 (3), 488-494 (2021).
  15. Raymond, J., et al. Pharmacogenetics of direct oral anticoagulants: a systematic review. Journal of Personalized Medicine. 11 (1), 37(2021).
  16. Bhatt, F. R., et al. Augmented reality-assisted spine surgery: an early experience demonstrating safety and accuracy with 218 screws. Global Spine Journal. , 21925682211069321 Advance online (2022).
  17. Weiss, H. R., Nan, X., Potts, M. A. Is there an indication for surgery in patients with spinal deformities? - A critical appraisal. The South African Journal of Physiotherapy. 77 (2), 1569(2021).
  18. Boontanapibul, K., Amanatullah, D. F., Huddleston, J. I., Maloney, W. J., Goodman, S. B. Outcomes of cemented total knee arthroplasty for secondary osteonecrosis of the knee. The Journal of Arthroplasty. 36 (2), 550-559 (2021).
  19. Bakircioglu, S., Atilla, B. Hip preserving procedures for osteonecrosis of the femoral head after collapse. J Clin Orthop Trauma. 23, 101636(2021).
  20. Ma, H. Y., et al. Core decompression with local administration of zoledronate and enriched bone marrow mononuclear cells for treatment of non-traumatic osteonecrosis of femoral head. Orthopaedic Surgery. 13 (6), 1843-1852 (2021).
  21. Hu, L., et al. Comparison of intramedullary nailing and plate fixation in distal tibial fractures with metaphyseal damage: a meta-analysis of randomized controlled trials. Journal of Orthopaedic Surgery and Research. 14 (1), 30(2019).
  22. Pierannunzii, L. Endoscopic and arthroscopic assistance in femoral head core decompression. Arthroscopy Techniques. 1 (2), 225-230 (2012).
  23. Salas, A. P., et al. Hip arthroscopy and core decompression for avascular necrosis of the femoral head using a specific aiming guide: a step-by-step surgical technique. Arthroscopy Techniques. 10 (12), 2775-2782 (2021).
  24. Beer, A. J., Dijkgraaf, I. Editorial European journal of nuclear medicine and molecular imaging. European Journal of Nuclear Medicine and Molecular Imaging. 44 (2), 284-285 (2017).
  25. Negrillo-Cárdenas, J., Jiménez-Pérez, J. R., Feito, F. R. The role of virtual and augmented reality in orthopedic trauma surgery: From diagnosis to rehabilitation. Computer Methods and Programs in Biomedicine. 191, 105407(2020).
  26. Brookes, M. J., et al. Surgical Advances in Osteosarcoma. Cancers. 13 (3), 388(2021).
  27. Cho, H. S., et al. Can augmented reality be helpful in pelvic bone cancer surgery? an in vitro study. Clinical Orthopaedics and Related Research. 476 (9), 1719-1725 (2018).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Augmented Reality NavigationCore DecompressionFemoral Head OsteonecrosisKirschner WireHip PreservationOrthopedic SurgeryIntraoperative NavigationC Arm FluoroscopyPuncture AccuracyThree Dimensional Reconstruction

Related Articles