Summary
Сложная ревизионная эндопротезирование тазобедренного сустава была выполнена с использованием изготовленного на заказ имплантата и технологии смешанной реальности. По данным авторов, это первое сообщение о подобной процедуре, описанное в литературе.
Abstract
Технология 3D-печати и визуализации анатомических структур стремительно развивается в различных областях медицины. Изготовленный на заказ имплантат и смешанная реальность были использованы для выполнения сложной ревизионной эндопротезирования тазобедренного сустава в январе 2019 года. Использование смешанной реальности позволило очень хорошо визуализировать структуры и привело к точной фиксации имплантата. По данным авторов, это первый описанный случай совместного использования этих двух нововведений. Диагнозом, предшествовавшим квалификации для процедуры, было ослабление вертлужной впадины левого бедра. Во время операции использовались гарнитура смешанной реальности и голограммы, подготовленные инженерами. Операция прошла успешно, за ней последовала ранняя вертикализация и реабилитация пациентов. Команда видит возможности для развития технологий в эндопротезировании суставов, травматологии и ортопедической онкологии.
Introduction
Технология трехмерной (3D) печати и визуализации сложных структур стремительно развивается в различных областях медицины. К ним относятся сердечно-сосудистая хирургия, оториноларингология, челюстно-лицевая хирургия и, прежде всего, ортопедическая хирургия 1,2,3,4,5. В настоящее время данная технология применяется в ортопедической хирургии не только при непосредственной реализации 3D-печатных элементов, но и в хирургической подготовке, предоперационном планировании или интраоперационной навигации 6,7,8.
Тотальная эндопротезирование тазобедренного сустава (THA) и тотальная эндопротезирование коленного сустава (TKA) являются одними из наиболее часто выполняемых ортопедических хирургических процедур во всем мире. В связи со значительным улучшением качества жизни пациента, THA была описана в предыдущей публикации как «хирургия века»9. В Польше в 2019 году было выполнено 49,937 THA и 30,615 TKA10. По мере увеличения продолжительности жизни наблюдается тенденция к росту прогнозируемого числа операций по эндопротезированию тазобедренного и коленного суставов. Большие усилия были предприняты для улучшения конструкции имплантатов, хирургической техники и послеоперационного ухода. Эти достижения привели к улучшению шансов на восстановление функции пациента и снижению риска осложнений 11,12,13,14.
Тем не менее, большой проблемой, с которой в настоящее время сталкиваются хирурги-ортопеды во всем мире, является работа с нестандартными пациентами, чьи анатомические дефекты в тазобедренном суставе делают очень трудным или даже невозможным внедрение готового имплантата15. Потеря костной массы может быть вызвана значительной травмой, прогрессирующим дегенеративным остеоартритом с протрузией вертлужной впадины, дисплазией тазобедренного сустава, первичным раком кости или метастазированием 16,17,18,19,20. Проблема выбора имплантата конкретно касается пациентов, которые подвержены риску многократных ревизий, иногда также требующих нетрадиционного лечения. В таких случаях очень перспективным решением является аддитивный 3D-печатный имплантат, созданный для конкретного пациента и костного дефекта, позволяющий получить очень точную анатомическую посадку20.
В области эндопротезирования решающее значение имеет точный имплантат и его устойчивая фиксация. Прогресс в предоперационной и интраоперационной 3D-визуализации привел к отличным решениям как дополненной, так и смешанной реальности 21,22,23,24. Интраоперационное использование голограмм костной и имплантационной компьютерной томографии (КТ) может позволить лучше установить протез, чем обычные рентгенографические изображения. Эта новая технология может увеличить шансы на эффективность терапии и снизить риск нейрососудистых осложнений 21,25.
Это сообщение о случае касается пациента, подвергшегося операции по ревизии тазобедренного сустава из-за асептического ослабления. Для устранения значительной потери костной массы, вызванной множественными отказами имплантатов, был использован изготовленный на заказ 3D-печатный вертлужный имплантат. Во время процедуры мы использовали смешанную реальность для визуализации положения имплантата, чтобы избежать повреждения нервно-сосудистых структур, подверженных риску. Приложение, реализованное в гарнитуре смешанной реальности, позволяет подавать голосовые и жестовые команды, что позволяет использовать ее в стерильных условиях во время хирургической процедуры.
В отделение поступила 57-летняя женщина с предварительным диагнозом: ослабление вертлужной впадины левого бедра. История болезни пациента была обширной. На протяжении всей своей жизни она перенесла многочисленные хирургические процедуры тазобедренного сустава. Первым лечением была шлифовка тазобедренного сустава из-за остеоартрита, вызванного дисплазией тазобедренного сустава (1977-15 лет), вторым была полная артропластика тазобедренного сустава из-за ослабления имплантата (1983-21 год) и две другие ревизионные операции (1998, 2000-37 и 39 лет). Более того, пациентка страдала спастической левосторонней гемиплегией, вызванной детским ДЦП, и ее неоднократно оперировали из-за деформации левой косолапости. Она также была обременена остеоартритом грудопоясничного отдела позвоночника, синдромом запястного канала и хорошо контролируемой артериальной гипертензией. Окончательным диагнозом, предшествовавшим квалификации для следующей процедуры, была боль и увеличение функционального ограничения, вызванного ослаблением вертлужной впадины левого бедра. Пациент был высоко мотивирован, физически активен и справлялся с инвалидностью.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Протокол следует руководящим принципам Комитета по этике исследований человека Варшавского медицинского университета. Пациент дал информированное согласие на процедуру и признал тот факт, что она будет записана. Пациент согласился на это до процедуры.
ПРИМЕЧАНИЕ: Основным критерием для включения пациента в хирургический проект была необходимость вмешательства из-за анатомической дисфункции, которая сделала невозможным использование стандартного имплантата. Смешанная реальность была направлена на лучшее размещение протеза, увеличивая шансы на успешную операцию.
1. Подготовка
- Подготовьте изготовленный на заказ имплантат вертлужной впадины и спланируйте хирургическую процедуру до госпитализации пациента.
ПРИМЕЧАНИЕ: В этом тематическом исследовании специалисты в области диагностики медицинских изображений подготовили изготовленный на заказ вертлужный имплантат.- Перед планируемой госпитализацией выполните рентген в диагностическом аппарате визуализации.
- Выполняют рентген малого таза в передне-задней проекции.
- Оценить текущее состояние таза пациента на основе рентгеновского снимка.
- Сравните полученное изображение с более ранними рентгеновскими снимками.
- Сделайте КТ органов малого таза и получите файлы DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine) в соответствии с протоколом.
- Поместите пациента на подвижную платформу КТ.
- Нажмите на кнопку толщины и выберите толщину 512 x 512 пикселей для сканирования.
- Нажмите на параметр, определяющий толщину слоя 1 мм.
- Начните процедуру, щелкнув, дождитесь результата теста.
- Попросите инженера разработать предложение по имплантату, которое может быть отправлено в цифровом виде в виде технической схемы или прототипа 3D-печатной модели (рисунок 1).
- Визуализируйте результат компьютерной томографии в средстве просмотра DICOM.
- Определить потребности в реализации имплантата с учетом текущего анатомического состояния пациента, биомеханики и функции сустава.
- Проконсультируйтесь с инженером для получения предложений по имплантатам, включая фиксацию.
- Одобрите проект и дождитесь отгрузки.
ПРИМЕЧАНИЕ: Окончательная форма имплантата включает в себя объединение 3D-данных из компьютерной томографии пациента с вводом инженера-конструктора и хирурга.
- Распечатайте изготовленный на заказ 3D-имплантат из порошка титанового сплава (TiAl6V4) с использованием электронно-лучевой технологии26,27. Внутри камеры, содержащей небольшое количество порошка TiAl6V4, каждый раз при обжиге электронного пучка происходит селективное плавление и накопление материала (плазменное покрытие).
- Проверьте, был ли имплантат стерилизован. Стерилизация имплантатов и окончательного имплантата была гарантирована производителем.
2. Предоперационные осмотры
- Выполняйте стандартные лабораторные исследования и консультации специалистов.
- Исключить пациентов с потенциальной перипротезной инфекцией суставов (отсутствие рентгенологических признаков, нормальный С-реактивный белок (<10 мг/л) и скорость оседания эритроцитов 1-10 мм/ч для женщин, 3-15 мм/ч для мужчин).
- Проверьте наличие клинических признаков инфекции, таких как лихорадка (системная), боль, отек, покраснение (местное) и снижение функции суставов28.
- Исключить пациентов, имеющих признаки местного воспаления, во время диспансеризации (покраснение, повышение температуры, боль, отек и потеря функции свидетельствуют о местном воспалении). Пациент дал полное информированное согласие на операцию.
3. Модель смешанной реальности
ПРИМЕЧАНИЕ: Процесс выполняется для достижения правильной визуализации имплантата и таза, которая будет использоваться интраоперационно.
- Обработайте файл DICOM КТ таза в голографическое представление с помощью специального приложения.
- Загрузите изображение CT в гарнитуру смешанной реальности из полученных файлов CT DICOM.
- Откройте голографический DICOM Viewer.
- Выберите папку, содержащую файлы CT DICOM.
- Проверьте IP-адрес, отображаемый при включении гарнитуры, и введите его в назначенное место в голографическом средстве просмотра DICOM.
- Нажмите кнопку Connect (Подключиться ), чтобы увидеть визуализацию в гарнитуре смешанной реальности.
- Сегментирование структур костной ткани таза. Это выполняется вручную с помощью параметра Ножницы . Когда эта опция включена, пользователь щелкает левой кнопкой мыши и перемещает мышь, чтобы удалить структуры, выбранные с помощью этого инструмента.
- Завершите выделение еще одним щелчком левой кнопки мыши, которая создает всплывающее окно для пользователя, чтобы подтвердить, что он / она хочет вырезать выбранные структуры.
ПРИМЕЧАНИЕ: Пользователь может выбрать области, которые будут вырезаны из визуализации как в 3D, так и в 2D-видах. Можно удалить структуры изнутри или вне выделения. Это повторяется до тех пор, пока не будут видны только необходимые части изображения КТ.
- Завершите выделение еще одним щелчком левой кнопки мыши, которая создает всплывающее окно для пользователя, чтобы подтвердить, что он / она хочет вырезать выбранные структуры.
- Выберите предопределенную функцию переноса (параметры визуализации цвета), предназначенную для ортопедических процедур, из списка доступных функций, нажав на ее название: CT Bone Endoprosthesis. При необходимости настройте визуализацию, изменив окно и уровень с помощью правой кнопки мыши, связанной с движением мыши в окне 3D-визуализации.
- Подключитесь к гарнитуре, чтобы увидеть подготовленную визуализацию в 3D-голографическом пространстве. Отрегулируйте изображение с помощью голосовых команд: «Поворот», «Масштаб», «Умная резка» и «Жесты рук».
- Используйте команду Cut Smart для использования и настройки плоскости резки, перпендикулярной прямой видимости пользователя. Чем ближе пользователь перемещает голову к голограмме, тем глубже уходит плоскость.
- Выполняйте эти движения, чтобы увидеть внутренние части визуализации, потому что структуры, расположенные спереди к плоскости, не визуализируются.
ПРИМЕЧАНИЕ: Этот взгляд важен для оценки геометрических отношений между структурами (таз, бедренная кость и имплантат) (рисунок 2 и рисунок 3).
- Загрузите изображение CT в гарнитуру смешанной реальности из полученных файлов CT DICOM.
4. Хирургия
- Выполнить хирургическую процедуру ревизионной эндопротезирования тазобедренного сустава за счет асептического ослабления вертлужной впадины с использованием изготовленного на заказ имплантата вертлужной впадины и аппарата смешанной реальности 14,16,29. Используйте для операции скальпель, электрохирургический нож с коагулятором, инструмент Luer и резаки.
- Дайте 1,5 г цефтриаксона внутривенно за 30 мин до разреза кожи, и две последующие дозы должны быть даны в день операции для предотвращения инфекции. Начните тромбопрофилактику за день до операции низкомолекулярным гепарином (НМГ). Продолжают прием однократной суточной дозы 40 мг эноксапарина в течение 30 дней после процедуры.
- Поместите и закрепите пациента под общим наркозом, лежа на операционном столе.
- Освободите соединительнотканные спайки с помощью доступа Хардинга к тазобедренному суставу и удалите свободный вертлужный имплантат.
- Выполняйте операцию так же, как и другие ревизионные процедуры тазобедренного сустава, но используйте более широкий доступ.
- Удалите все мягкие ткани с поверхности вертлужной впадины, чтобы форма была точно такой же, как в представленной модели. Модель имплантата должна идеально прилипать к поверхности вертлужной впадины.
- Закрепите новый нецементированный имплантат с помощью специально разработанных винтов, которые стабилизируют имплантат.
- Выполните блокаду бедренного нерва после операции.
- Интраоперационная голографическая визуализация обработанных изображений
- Загрузите визуализацию компьютерной томографии DICOM, подготовленную при предварительном процедурном планировании, в приложение смешанной реальности.
- Подключите гарнитуру смешанной реальности к приложению смешанной реальности, чтобы увидеть подготовленную визуализацию в 3D-голографическом пространстве.
- Используйте интраоперационную голографическую визуализацию обработанных изображений для достижения адекватной и точной подготовки поверхности тазовой кости, а также для удаления избытка соединительной ткани, который развился в ответ на ослабление вертлужной впадины.
- Убедитесь, что оператор смотрит на голографическую визуализацию как на эталонное изображение.
- Используйте скальпель, электрохирургический нож с коагулятором, инструмент luer и фрезы для операции. Визуализация 3D-модели таза должна минимизировать риск повреждения нервно-сосудистых структур и ошибок при установке имплантатов.
- Убедитесь, что головной дисплей подключен к рабочей станции через сеть Wi-Fi. Обработка изображений и рендеринг выполняется на рабочей станции, а результаты отображаются на гарнитуре в виде голограмм. Используйте жесты и голосовые команды. При необходимости обратитесь за помощью к инженеру с предварительным просмотром POV.
5. Послеоперационный уход
- Заставить пациента пройти стандартный протокол реабилитации и восстановления, включая реабилитацию и мобилизацию в первые сутки после операции 30,31,32.
ПРИМЕЧАНИЕ: Реабилитация была реализована специальной командой, имеющей опыт в эндопротезировании тазобедренного и коленного суставов. - Осуществляют фармакологическую тромбопрофилактику. Тромбопрофилактика была начата за день до операции низкомолекулярным гепарином (НМГ). Однократную суточную дозу 40 мг эноксапарина продолжали в течение 30 дней после процедуры.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Предварительная обработка изображений
Бинарные маски тазовой кости, бедренной кости и эндопротеза были полуавтоматически сегментированы из изображений CT DICOM опытными радиологическими технологами с использованием алгоритмов пороговых значений и увеличения региона с доступным программным обеспечением33. Подготовленные карты этикеток также были вручную скорректированы радиологом. Карты меток использовались для улучшения визуализации путем добавления их в компьютерную томографию на следующем шаге. Такой подход позволил объединить объемный рендеринг, который позволяет увидеть структуру кости и окружающие ткани на КТ, с сегментированными частями, указывающими на важные ткани. Результаты сегментации были заключены в исходном стеке, что позволило избежать построения только 3D-графической модели структур, но позволило сохранить информацию обо всех значениях Единиц Хаунсфилда (HU). Это привело к интерактивной визуализации, которая позволила отображать ткани, имплантировать и проводить сегментацию кости одновременно или по одной за раз, в зависимости от хирургической ситуации (Рисунок 1 и Рисунок 4) визуализации фиксированного имплантата. Обработанный набор данных КТ был визуализирован в виде голограмм с использованием специального программного обеспечения.
Предпроцедурное планирование и госпитализация
На основе данных компьютерной томографии и визуализаций был подготовлен план операции. План включал важные значения: центр вращения тазобедренного сустава, наклон вертлужной впадины, антеверсию, а также направление, способ и зоны установки имплантата. Положение имплантата определялось костными и анатомическими точками, при этом соответствующая конфигурация была дополнительно подтверждена после установки пробной головки протеза и клинической проверки стабильности имплантата во время процедуры. Послеоперационная КТ проводилась с целью подтверждения правильного положения имплантата. Положение винтов планировалось на основе КТ инженером и хирургом, что позволило избежать контакта винтов с сосудисто-нервными структурами и их повреждения (рисунок 5). Дефект вертлужной впадины был классифицирован как 3B Paprosky classification34. Тип 3В является наиболее тяжелым разрушением всех вертлужных структур, включая стены и колонны34. Клинический балл HHS до операции составлял 44 (таблица 1).
Мероприятия по подготовке пациента к процедуре включали консультацию по внутренним болезням и стандартные лабораторные анализы. Также были необходимы необходимы основные обследования: ЭКГ и рентген: рентген грудной клетки, рентген малого таза. Контрольный снимок также был сделан после операции. Пациент получал стандартную тромбопрофилактику (Клексан 40 мг, 1 х 1 с.к.) и антибиотикопрофилактику (Тарсим 3 х 1,5 г в.в.) во время госпитализации. Индивидуальная болеутоляющая терапия была включена. Все остальные лекарства принимались в соответствии со стандартными рекомендациями пациента.
В январе 2019 года была проведена ревизия артропластики левого тазобедренного сустава, которая включала замену рыхлого вертлужной впадины на заказ имплантатом: трифланговый вертлужной впадины, полиэтиленовая вставка, ограниченная, крепежные винты -10 штук, ограниченная модульная головка Co-Cr-Mo (36 мм) и шейка 9 мм.
Операция длилась 4 ч и была выполнена без осложнений. Вертикализация с помощью ходунков проходила на второй день после процедуры. Больного выписали на 14 день в хорошем общем состоянии (длительное время реабилитации из-за паралича стопы после ДЦП). Контрольные визиты состоялись после назначенных сроков. Радиологический контроль - КТ и рентген проводились до операции (Рисунок 3, Рисунок 6 и Рисунок 7), после операции (Рисунок 2 и Рисунок 8) и через 2 года (Рисунок 9). Установка имплантатов была выполнена в соответствии с предположениями проекта. Смещение, диапазон движения и длина конечностей были восстановлены. Функция и качество жизни пациента были относительно хорошими при последующем посещении и значительно улучшились с момента первоначального диагноза. Перед операцией пациент пересел в инвалидную коляску из-за боли — субъективная оценка пациента по 10-балльной визуальной аналоговой шкале интенсивности боли составила 8 (VAS 8). После операции, во время реабилитации, она перестала пользоваться двумя ортопедическими костылями. В настоящее время пациент ходит с одним костылем из-за паралича малоберцового нерва после предыдущей операции в другой больнице. По данным авторов, это была первая подобная процедура в Польше и одна из первых в мире. Именно студенческая исследовательская группа-медик предложила идею использования современных технологий на кафедре ортопедии и травматологии опорно-двигательного аппарата.
Анатомические структуры, требующие хирургического вмешательства, должны быть видны для адекватной фиксации имплантата, как и планировалось. В случае нестандартных пациентов со значительными костными дефектами и деформацией соответствующая визуализация и настройка протеза на заказ имеют принципиальное значение для процесса лечения. Правильная фиксация имплантата снижает риск послеоперационных осложнений, таких как ослабление или нестабильность. Технология смешанной реальности позволяет без риска и неинвазивным способом точно визуализировать таз, кости и мягкие ткани, увеличивая шансы на хорошую установку имплантатов и даже, возможно, сокращая время операции в будущем. Возможность манипулировать изображением, например, увеличивая выбранные фрагменты сложных анатомических структур, позволяет исключить несовершенства глаза хирурга (рисунок 10 и рисунок 11). Таким образом, была выполнена точная, полностью персонализированная комплексная ревизионная артропластика. Авторы видят возможности для дальнейшего развития смешанной реальности в ортопедии не только в артропластике и травматологии, но и в ортопедической онкологии, где часто приходится выполнять очень обширные резекции с высоким уровнем точности. Соответствующая визуализация труднодоступных анатомических областей с окружающими нервно-сосудистыми структурами может облегчить операцию хирургу и сделать ее более безопасной для пациента.
Рисунок 1: Визуализация неподвижного имплантата. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 2: Рентген через день после операции. Буква «L» представляет левую сторону тела на рентгеновском снимке. В этом случае фото левого бедра. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 3: Рентген перед операцией. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 4: Визуализация несъемного имплантата. Визуализация готовится в процессе предоперационного планирования. Он показывает потенциальную фиксацию имплантата. Синий цвет в визуализации является границей имплантата. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 5: 3D проект для установки винтов для фиксации имплантата. Цвета используются инженерами для лучшей и более точной визуализации. Это позволяет легко различать болты, имеющие разные параметры – длину, сечение. Также может быть принята во внимание последовательность монтажа. Цвета являются иллюстративными и используются в процессе предоперационного планирования. В процессе планирования установки имплантата важно исключить интраоперационное повреждение сосудов и нервов. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 6: Реконструкция CT-3D перед операцией показывает тазобедренные суставы и часть бедренной кости. Видимая дегенерация и разрушение костных структур, асимметрия органов малого таза. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 7: Реконструкция CT-3D перед операцией. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 8: Рентген через 6 недель после операции. Имплантат был установлен правильно, он не рассыпался. Виден эндопротез левого тазобедренного сустава с фиксирующими элементами. Рентген в сочетании с клиническим обследованием пациента подтверждает успешность операции. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 9: Рентген через 2 года после операции. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 10: Точка зрения пользователя смешанной реальности - таз спереди. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 11: Точка зрения пользователя смешанной реальности - таз со стороны. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 12: Точка зрения пользователя смешанной реальности - фотография, сделанная во время операции - голограмма показывает часть таза. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 13: Фотография, сделанная во время операции - главный оператор, профессор Ленгош использует технологию смешанной реальности. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
| ОЦЕНКА HSS | |||
| ПЕРЕД ОПЕРАЦИЕЙ | 6 НЕДЕЛЬ ПОСЛЕ ОПЕРАЦИИ | 6 МЕСЯЦЕВ ПОСЛЕ ОПЕРАЦИИ | 12 МЕСЯЦЕВ ПОСЛЕ ОПЕРАЦИИ |
| 44 | 74,5 | 80 | 82 |
Таблица 1: Таблица HHS Score - представление результатов пациента в соответствии с оценкой Харриса Тазобедренного сустава до процедуры, через 6 недель после процедуры, через 6 месяцев после процедуры, через 12 месяцев после процедуры.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Первичная и ревизионная эндопротезирование тазобедренного сустава может потребовать персонализации для обеспечения эффективности лечения. Однако использование пользовательских имплантатов требует более длительной подготовки к операции по сравнению со стандартными процедурами. Изготовленные на заказ 3D-печатные имплантаты являются решением, которое дает возможность восстановить функцию у нетипичных пациентов, чье заболевание вызвало значительное разрушение кости29. Стандартные протезы недостаточны из-за быстро развивающегося прогрессирующего дегенеративного заболевания, костных дефектов, вызванных первичными опухолями костей или метастазами, а также осложненных травм или множественных процедур ревизии16. Имплантаты на заказ готовятся для конкретного пациента с полной индивидуализацией с учетом анатомических аномалий и текущего клинического состояния. Процесс создания имплантата требует сотрудничества хирургов-ортопедов с инженерами и базируется на КТ или магнитно-резонансной томографии (МРТ). Подготовка виртуальной модели имплантата является сложной. Его выполняют инженеры, которые точно определяют силы, действующие между костью и имплантатом. Предварительная виртуальная 3D-модель консультируется с хирургом и после ее утверждения начинается изготовление имплантата на заказ. Правильный имплантат поставляется вместе с инструкциями в формате PDF для операционной команды. Он сопровождается точной пластической моделью тазовых костей и имплантатом для тренировочных целей и интраоперационной подгонки.
Предоперационное планирование имеет большое значение, особенно в контексте ревизионной артропластики. При квалификации пациента к процедуре необходимо учитывать его общее клиническое состояние, бремя сопутствующих заболеваний и текущую историю заболевания15. После того, как руководитель группы принимает решение, результаты компьютерной томографии отправляются производителю имплантата, после чего начинается 6-недельная процедура, которая включает в себя изготовление 3D-модели и окончательного варианта имплантата.
Смешанная реальность представляет собой гибрид реальной и виртуальной реальности, в котором физические объекты сосуществуют с цифровыми голограммами, а взаимодействие между ними возможно в режиме реального времени21. В настоящее время он широко используется в различных областях, включая медицину 35,36,37, и чаще всего используется для визуализации медицинских данных, таких как трехмерная компьютерная томография или МРТ 38,39,40. Эта технология позволяет более точно планировать лечение, быстро получать доступ к данным пациента в диагностике или лучше визуализировать хирургическое поле интраоперационно41. Смешанная реальность также нашла свое применение в образовании в области фундаментальных и клинических наук на каждом этапе обучения, включая студентов, медицинских ординаторов и консультантов.
Как и в случае с подготовкой имплантатов на заказ, первым этапом сотрудничества между врачами и инженерами являются данные медицинской визуализации, хранящиеся в стандарте DICOM. Более продвинутые методы, используемые в радиологии и одновременно разрабатывающие технологические решения, также позволяют интегрировать и использовать динамические данные визуализации, например, ультразвук в режиме реального времени. Следующим этапом является рендеринг-обработка полученных данных для создания трехмерных голограмм, отправляемых на устройство. Пользователь может видеть визуализацию как часть своего окружения и может легко взаимодействовать с ней. Гарнитура, размещенная на голове оператора или членов оперативной команды, оснащена датчиками (камерами, акселерометром, магнитометром, гироскопом), позволяющими рассматривать голографические данные как часть окружения (рисунок 12). Оператор может управлять голограммами с помощью жестов рук и голосовых команд, которые настраивают визуализацию в соответствии с его конкретными потребностями. Возможно изменение размера, структуры, положения при сохранении стерильных условий. HoloLens не оказывает негативного влияния на комфорт работы и не ограничивает поле зрения во время процедуры, когда голограммы не отображаются. Медицинская команда была предварительно подготовлена к операции через возможность ознакомления с точными и подробными моделями 3D-печати суставов и протезов, поставляемых вместе с имплантатом, а также путем обучения с командой инженеров. Использование очков смешанной реальности очень интуитивно понятно, а эффективное использование загруженных голограмм легко освоить. Смешанная реальность оказалась эффективным решением, как с точки зрения подготовки к операции, так и с точки зрения проведения процедуры.
По данным авторов, это первый доклад об использовании технологии смешанной реальности в хирургии ревизии тазобедренного сустава с использованием 3D-печатного вертлужного имплантата. Это было первое интраоперационное использование устройства в клиническом центре авторов (рисунок 13). Предыдущие публикации включают первичную эндопротезирование тазобедренного сустава с использованием технологии смешанной реальности. Он был представлен Lei Peng-fei et al. у 59-летнего пациента с интертрохантерическим переломом42. Изготовленные на заказ имплантаты и смешанная реальность становятся все более популярным решением, используемым в различных областях хирургии. Сочетание того и другого является инновацией с многообещающими результатами. В настоящее время эти виды лечения являются экспериментальными из-за высокой стоимости и необходимости соответствующей подготовки, не хватает количества для создания объективных оригинальных исследований; Однако в ближайшем будущем это станет возможным благодаря исследовательским грантам и растущему интересу клиницистов. В контексте существующих и широко используемых решений во время хирургических процедур рентгеновские или КТ-проекции, отображаемые на стандартном 2D-мониторе, имеют ограничения, поскольку они не позволяют просматривать анатомические структуры с другой точки зрения. Невозможно увеличить и изменить положение конструкции в пространстве. По мнению авторов, для сложной ревизионной артропластики, а также травматологии и ортопедической онкологии перспективен изготовленные на заказ имплантаты и технологии смешанной реальности. По мнению авторов, смешанная реальность также применима для пациентов, имеющих право на стандартные эндопротезы, включая первичные эндопротезы, которые не требуют индивидуальных имплантатов. Интраоперационная навигация, дополненная смешанной реальностью, позволяет лучше и точнее размещать имплантаты. В настоящее время проводятся пилотные исследования с многообещающими результатами43.
Каждый этап планирования процедуры и подготовки пациента очень важен и ни один из них нельзя недооценивать. Качество медицинской визуализации и соответствующее сотрудничество с инженерами, как при проектировании имплантата, так и при подготовке голограммы, важны для успеха операции. Критическим моментом во время процедуры является удаление старых компонентов имплантата и закрепление нового, персонализированного в заранее подготовленном месте. На этом этапе голограммы важны для того, чтобы процедура выполнялась очень точно.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Мацей Станух, Адриана Злахода-Хузиор и Анджей Скальский являются сотрудниками MedApp S.A. MedApp S.A. является компанией, которая производит решение CarnaLifeHolo.
Acknowledgments
Не применимо.
Исследование проводилось в рамках некоммерческого сотрудничества.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| CarnaLifeHolo v. 1.5.2 | MedApp S.A. | ||
| Custom-Made implant type Triflanged Acetabular Component | BIOMET | REF PM0001779 | |
| Head Constrained Modular Head + 9mm Neck for cone 12/14, Co-Cr-Mo, size 36mm | BIOMET | REF 14-107021 | |
| Polyethylene insert Freedom Ringloc-X Costrained Linear Ringloc-X 58mm for head 36mm / 10 * | BIOMET | REF 11-263658 |
References
- Smoczok, M., Starszak, K., Starszak, W. 3D printing as a significant achievement for application in posttraumatic surgeries: A literature review. Current Medical Imaging. 17 (7), 814-819 (2021).
- Farooqi, K. M., et al. 3D printing and heart failure: The present and the future. JACC: Heart Failure. 7 (2), 132-142 (2019).
- Canzi, P., et al. New frontiers and emerging applications of 3D printing in ENT surgery: A systematic review of the literature. Acta Otorhinolaryngologica Italica. 38 (4), 286-303 (2019).
- Lin, A. Y., Yarholar, L. M. Plastic surgery innovation with 3D printing for craniomaxillofacial operations. Missouri State Medical Association Journal. 117 (2), 136-142 (2020).
- Murphy, S. V., De Coppi, P., Atala, A. Opportunities and challenges of translational 3D bioprinting. Nature Biomedical Engineering. 4 (4), 370-380 (2020).
- Pugliese, L., et al. The clinical use of 3D printing in surgery. Updates in Surgery. 70 (3), 381-388 (2018).
- Yan, L., Wang, P., Zhou, H. 3D printing navigation template used in total hip arthroplasty for developmental dysplasia of the hip. Indian Journal of Orthopaedics. 54 (6), 856-862 (2020).
- Kuroda, S., Kobayashi, T., Ohdan, H. 3D printing model of the intrahepatic vessels for navigation during anatomical resection of hepatocellular carcinoma. International Journal of Surgery Case Reports. 41, 219-222 (2017).
- Learmonth, I. D., Young, C., Rorabeck, C. The operation of the century: total hip replacement. Lancet. 370 (9597), 1508-1519 (2007).
- Narodowy Fundusz Zdrowia (NFZ) – finansujemy zdrowie Polaków. , Available from: https://www.nfz.gov.pl/o-nfz/publikacje/ (2022).
- Ackerman, I. N., et al. The projected burden of primary total knee and hip replacement for osteoarthritis in Australia to the year 2030. Musculoskeletal Disorders. 20 (1), 90 (2019).
- Nemes, S., Gordon, M., Rogmark, C., Rolfson, O. Projections of total hip replacement in Sweden from 2013 to 2030. Acta Orthopaedica. 85 (3), 238-243 (2014).
- Sloan, M., Premkumar, A., Sheth, N. P. Projected volume of primary total joint arthroplasty in the U.S., 2014 to 2030. The Journal of Bone and Joint Surgery. 100 (17), 1455-1460 (2018).
- Schwartz, A. M., Farley, K. X., Guild, G. N., Bradbury, T. L. Jr Projections and epidemiology of revision hip and knee arthroplasty in the United States to 2030. Journal of Arthroplasty. 35 (6), 79-85 (2020).
- von Lewinski, G. Individuell angepasster Beckenteilersatz in der Hüftgelenksrevision. Der Orhopäde. 49, 417-423 (2020).
- Angelini, A., et al. Three-dimension-printed custom-made prosthetic reconstructions: from revision surgery to oncologic reconstructions. International Orthopaedics. 43 (1), 123-132 (2019).
- Wang, J., et al. Three-dimensional-printed custom-made hemipelvic endoprosthesis for the revision of the aseptic loosening and fracture of modular hemipelvic endoprosthesis: a pilot study. BMC Surgery. 21 (1), 262 (2021).
- Pal, C. P., et al. Metastatic adenocarcinoma of proximal femur treated by custom made hip prosthesis. Journal of Orthopaedic Case Reports. 2 (1), 3-6 (2012).
- Kostakos, T. A., et al. Acetabular reconstruction in oncological surgery: A systematic review and meta-analysis of implant survivorship and patient outcomes. Surgical Oncology. 38, 101635 (2021).
- Jacquet, C., et al. Long-term results of custom-made femoral stems. Der Orhopäde. 49 (5), 408-416 (2020).
- Verhey, J. T., Haglin, J. M., Verhey, E. M., Hartigan, D. E. Virtual, augmented, and mixed reality ap- plications in orthopedic surgery. The International Journal of Medical Robotics and Computer Assisted Surgery. 16 (2), 2067 (2020).
- Ayoub, A., Pulijala, Y. The application of virtual reality and augmented reality in oral & maxillofacial surgery. BMC Oral Health. 19 (1), 238 (2019).
- Chytas, D., Nikolaou, V. S. Mixed reality for visualization of orthopedic surgical anatomy. World Journal of Orthopedics. 12 (10), 727-731 (2021).
- Gao, Y., et al. Application of mixed reality technology in visualization of medical operations. Chinese Medical Sciences Journal. 34 (2), 103-109 (2019).
- Zhang, J., et al. Trends in the use of augmented reality, virtual reality, and mixed reality in surgical research: A global bibliometric and visualized analysis. Indian Journal of Surgery. , 1-18 (2022).
- Elsayed, H., et al. Direct ink writing of porous titanium (Ti6Al4V) lattice structures. Materials Science and Engineering C: Materials for Biological Applications. 103, 109794 (2019).
- Tamayo, J. A., et al. Additive manufacturing of Ti6Al4V alloy via electron beam melting for the development of implants for the biomedical industry. Heliyon. 7 (5), 06892 (2021).
- Izakovicova, P., Borens, O., Trampuz, A. Periprosthetic joint infection: current concepts and outlook. EFORT Open Reviews. 4 (7), 482-494 (2019).
- Chiarlone, F., et al. Acetabular custom-made implants for severe acetabular bone defect in revision total hip arthroplasty: a systematic review of the literature. Archives of Orthopaedic and Trauma Surgery. 140 (3), 415-424 (2020).
- Šťastný, E., Trč, T., Philippou, T. Rehabilitation after total knee and hip arthroplasty. The Journal of Czech Physicians. 155 (8), 427-432 (2016).
- Chua, M. J., et al. Early mobilisation after total hip or knee arthroplasty: A multicentre prospective observational study. Public Library of Science One. 12 (6), 0179820 (2017).
- Wu, J., Mao, L., Wu, J. Efficacy of exercise for improving functional outcomes for patients undergoing total hip arthroplasty: A meta-analysis. Medicine (Baltimore). 98 (10), 14591 (2019).
- 3D Slicer image computing platform. , Available from: www.slicer.org (2022).
- Telleria, J. J., Gee, A. O. Classifications in brief: Paprosky classification of acetabular bone loss. Orthopaedics and Related Research. 471 (11), 3725-3730 (2013).
- Tepper, O. M., et al. Mixed reality with HoloLens: Where virtual reality meets augmented reality in the operating room. Plastic and Reconstructive Surgery. 140 (5), 1066-1070 (2017).
- Joda, T., Gallucci, G. O., Wismeijer, D., Zitzmann, N. U. Augmented and virtual reality in dental medicine: A systematic review. Computers in Biology and Medicine. 108, 93-100 (2019).
- Goo, H. W., Park, S. J., Yoo, S. J. Advanced medical use of three-dimensional imaging in Congenital heart disease: Augmented reality, mixed reality, virtual reality, and three-dimensional printing. Korean Journal of Radiology. 21 (2), 133-145 (2020).
- Kasprzak, J. D., Pawlowski, J., Peruga, J. Z., Kaminski, J., Lipiec, P. First-in-man experience with real- time holographic mixed reality display of three-dimensional echocardiography during structural intervention: balloon mitral commissurotomy. European Heart Journal. 41 (6), 801 (2020).
- Li, G., et al. The clinical application value of mixed- reality-assisted surgical navigation for laparoscopic nephrectomy. Cancer Medicine. 9 (15), 5480-5489 (2020).
- Kang, S. L., et al. Mixed-reality view of cardiac specimens: a new approach to understanding complex intracardiac congenital lesions. Pediatric Radiology. 50 (11), 1610-1616 (2020).
- Wierzbicki, R., et al. 3D mixed-reality visualization of medical imaging data as a supporting tool for innovative, minimally invasive surgery for gastrointestinal tumors and systemic treatment as a new path in personalized treatment of advanced cancer diseases. Journal of Cancer Research and Clinical Oncology. 148 (1), 237-243 (2022).
- Lei, P. F., et al. Mixed reality combined with three - dimensional printing technology in total hip arthroplasty: An updated review with a preliminary case presentation. Orthopaedic Surgery. 11 (5), 914-920 (2019).
- Iacono, V., et al. The use of augmented reality for limb and component alignment in total knee arthroplasty: systematic review of the literature and clinical pilot study. Journal of Experimental Orthopedics. 8, 52 (2021).
