Summary
Eine komplexe Revisions-Hüftendoprothetik wurde mit einem maßgeschneiderten Implantat und Mixed-Reality-Technologie durchgeführt. Nach Kenntnis der Autoren ist dies der erste Bericht über ein solches Verfahren, der in der Literatur beschrieben wird.
Abstract
Die Technologie des 3D-Drucks und der Visualisierung anatomischer Strukturen wächst in verschiedenen Bereichen der Medizin rasant. Ein maßgeschneidertes Implantat und Mixed Reality wurden im Januar 2019 verwendet, um eine komplexe Revisions-Hüftendoprothetik durchzuführen. Der Einsatz von Mixed Reality ermöglichte eine sehr gute Visualisierung der Strukturen und führte zu einer präzisen Implantatfixierung. Nach Kenntnis der Autoren ist dies der erste beschriebene Fallbericht über den kombinierten Einsatz dieser beiden Innovationen. Die Diagnose, die der Qualifikation für den Eingriff vorausging, war die Lockerung der Hüftkomponente der linken Hüfte. Mixed-Reality-Headsets und Hologramme, die von Ingenieuren vorbereitet wurden, wurden während der Operation verwendet. Die Operation war erfolgreich, gefolgt von einer frühen Vertikalisierung und Patientenrehabilitation. Das Team sieht Chancen für die Technologieentwicklung in der Gelenkendoprothetik, Trauma und orthopädischen Onkologie.
Introduction
Die Technologie des dreidimensionalen (3D) Drucks und der Visualisierung komplexer Strukturen wächst in verschiedenen Bereichen der Medizin rasant. Dazu gehören die Herz-Kreislauf-Chirurgie, die Hals-Nasen-Ohren-Heilkunde, die Kiefer- und Gesichtschirurgieund vor allem die orthopädische Chirurgie 1,2,3,4,5. Derzeit wird diese Technologie in der orthopädischen Chirurgie nicht nur bei der direkten Umsetzung von 3D-gedruckten Elementen, sondern auch in der chirurgischen Ausbildung, präoperativen Planung oder intraoperativen Navigation eingesetzt 6,7,8.
Die Hüftendoprothetik (THA) und die Knieendoprothetik (TKA) gehören zu den am häufigsten durchgeführten orthopädischen chirurgischen Eingriffen weltweit. Aufgrund der signifikanten Verbesserung der Lebensqualität des Patienten wurde THA in einer früheren Publikation als "Chirurgie des Jahrhunderts" bezeichnet9. In Polen wurden 2019 49.937 THA und 30.615 TKA durchgeführt10. Mit steigender Lebenserwartung gibt es einen Aufwärtstrend bei der prognostizierten Anzahl von Hüft- und Knieendoprothetikoperationen. Es wurden große Anstrengungen unternommen, um das Implantatdesign, die Operationstechnik und die postoperative Versorgung zu verbessern. Diese Fortschritte führten zu einer besseren Chance, die Patientenfunktion wiederherzustellen und das Risiko von Komplikationen zu verringern11,12,13,14.
Die große Herausforderung für orthopädische Chirurgen weltweit ist jedoch die Arbeit mit Nicht-Standard-Patienten, deren anatomische Defekte im Hüftgelenk es sehr schwierig oder sogar unmöglich machen, ein Standardimplantat zu implementieren15. Knochenverlust kann auf ein signifikantes Trauma, progressive degenerative Osteoarthritis mit einem Acetabularvorsprung, Entwicklungshüftdysplasie, primären Knochenkrebs oder Metastasen zurückzuführensein 16,17,18,19,20. Das Problem der Implantatauswahl betrifft insbesondere Patienten, bei denen das Risiko mehrerer Revisionen besteht, die manchmal auch eine unkonventionelle Behandlung benötigen. In solchen Fällen ist eine vielversprechende Lösung ein additiv hergestelltes 3D-gedrucktes Implantat, das für einen bestimmten Patienten und Knochendefekt entwickelt wurde und eine sehr präzise anatomische Passform ermöglicht20.
Im Bereich der Endoprothetik sind ein präzises Implantat und seine nachhaltige Fixierung entscheidend. Fortschritte in der präoperativen und intraoperativen 3D-Visualisierung haben zu hervorragenden Lösungen wie Augmented und Mixed Realitygeführt 21,22,23,24. Die intraoperative Verwendung von Knochen- und Implantat-Computertomographie-Hologrammen (CT) kann eine bessere Prothesenplatzierung ermöglichen als herkömmliche Röntgenbilder. Diese neue Technologie kann die Chancen auf Therapiewirksamkeit erhöhen und das Risiko neurovaskulärer Komplikationen verringern21,25.
Dieser Fallbericht betrifft einen Patienten, der aufgrund einer aseptischen Lockerung einer Hüftrevision unterzogen wurde. Um einen signifikanten Knochenverlust durch mehrere Implantatfehler zu beheben, wurde das maßgeschneiderte 3D-gedruckte Acetabularimplantat verwendet. Während des Eingriffs verwendeten wir Mixed Reality, um die Implantatposition zu visualisieren, um eine Beschädigung der gefährdeten neurovaskulären Strukturen zu vermeiden. Die Anwendung, die in ein Mixed-Reality-Headset implementiert ist, ermöglicht die Abgabe von Sprach- und Gestenbefehlen, wodurch es möglich ist, es unter sterilen Bedingungen während des chirurgischen Eingriffs zu verwenden.
Eine 57-jährige Frau wurde mit einer vorläufigen Diagnose in die Abteilung eingeliefert: Lockerung der Hüftkomponente der linken Hüfte. Die Krankheitsgeschichte des Patienten war umfangreich. Im Laufe ihres Lebens unterzog sie sich zahlreichen chirurgischen Eingriffen des Hüftgelenks. Die erste Behandlung war die Hüfterneuerung aufgrund von Arthrose durch Hüftdysplasie (1977-15 Jahre alt), die zweite war eine totale Hüftendoprothetik aufgrund einer Implantatlockerung (1983-21 Jahre alt) und zwei weitere Revisionsoperationen (1998, 2000-37 und 39 Jahre alt). Darüber hinaus litt die Patientin an einer spastischen linksseitigen Hemiplegie, die durch Zerebralparese im Kindesalter verursacht wurde, und sie wurde wiederholt wegen einer Deformität des linken Klumpfußes operiert. Sie war auch mit Arthrose der thorakolumbalen Wirbelsäule, Karpaltunnelsyndrom und gut kontrollierter arterieller Hypertonie belastet. Die endgültige Diagnose, die der Qualifikation für den nächsten Eingriff vorausging, war der Schmerz und die zunehmende Funktionseinschränkung, die durch eine Lockerung der Hüftkomponente der linken Hüfte verursacht wurden. Der Patient war hoch motiviert, körperlich aktiv und mit Behinderung zurecht.
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Protocol
Das Protokoll folgt den Richtlinien des Ethikkomitees für Humanforschung der Medizinischen Universität Warschau. Der Patient gab eine informierte Zustimmung zu dem Verfahren und bestätigte die Tatsache, dass es aufgezeichnet wird. Der Patient stimmte dem vor dem Eingriff zu.
HINWEIS: Das grundlegende Kriterium für die Einbeziehung des Patienten in das OP-Projekt war die Notwendigkeit des Eingreifens aufgrund der anatomischen Dysfunktion, die es unmöglich machte, ein Standardimplantat zu verwenden. Mixed Reality zielte auf eine bessere Platzierung der Prothese ab, was die Chancen auf eine erfolgreiche Operation erhöhte.
1. Vorbereitung
- Bereiten Sie ein maßgeschneidertes Acetabularimplantat vor und planen Sie den chirurgischen Eingriff vor dem Krankenhausaufenthalt des Patienten.
HINWEIS: In dieser Fallstudie haben Fachleute auf dem Gebiet der medizinischen Bilddiagnostik das maßgeschneiderte Acetabularimplantat hergestellt.- Führen Sie vor der geplanten Aufnahme in das Krankenhaus eine Röntgenaufnahme in der diagnostischen Bildgebungseinheit durch.
- Führen Sie eine Beckenröntgenaufnahme in einer vorder-posterioren Projektion durch.
- Beurteilen Sie den aktuellen Zustand des Beckens des Patienten anhand der Röntgenaufnahme.
- Vergleichen Sie das aufgenommene Bild mit den früheren Röntgenbildern.
- Machen Sie einen Becken-CT-Scan und erwerben Sie DICOM-Dateien (Digital Imaging and Communications in Medicine) gemäß dem Protokoll.
- Platzieren Sie den Patienten auf der beweglichen CT-Scanplattform.
- Klicken Sie auf die Schaltfläche Dicke und wählen Sie 512 x 512 px Dicke für die Scans.
- Klicken Sie auf den Parameter, der die Dicke der 1 mm großen Schicht bestimmt.
- Starten Sie den Vorgang durch Klicken und warten Sie auf das Testergebnis.
- Bitten Sie einen Ingenieur, einen Implantatvorschlag zu entwerfen, der digital als technisches Schema gesendet werden kann, oder einen 3D-gedruckten Modellprototyp (Abbildung 1).
- Visualisieren Sie das Computertomographie-Ergebnis im DICOM-Viewer.
- Bestimmen Sie die Anforderungen für die Implementierung des Implantats unter Berücksichtigung der aktuellen anatomischen Bedingungen des Patienten, der Biomechanik und der Funktion des Gelenks.
- Wenden Sie sich an den Techniker, um Vorschläge zu Implantaten, einschließlich der Fixierung, zu erhalten.
- Genehmigen Sie das Projekt und warten Sie auf den Versand.
HINWEIS: Die endgültige Form des Implantats beinhaltet die Kombination von 3D-Daten aus dem CT-Scan eines Patienten mit dem Input eines Entwicklungsingenieurs und eines Chirurgen.
- Drucken Sie das maßgeschneiderte 3D-Implantat aus dem Titanlegierungspulver (TiAl6V4) mit der Elektronenstrahltechnologie26,27. In einer Kammer, die kleine Mengen TiAl6V4-Pulver enthält, kommt es bei jedem Abfeuern des Elektronenstrahls zu einem selektiven Schmelzen und Ansammeln von Material (Plasmabeschichtung).
- Überprüfen Sie, ob das Implantat sterilisiert wurde. Die Sterilisation der Implantatversuche und des endgültigen Implantats wurde vom Hersteller garantiert.
2. Voroperative Untersuchungen
- Führen Sie Labortests und Fachberatungen durch.
- Schließen Sie Patienten mit einer möglichen periprothetischen Gelenkinfektion aus (keine radiologischen Merkmale, normales c-reaktives Protein (<10 mg/L) und Blutsenkungsgeschwindigkeit von 1-10 mm/h für Frauen, 3-15 mm/h für Männer).
- Überprüfen Sie auf die klinischen Anzeichen einer Infektion wie Fieber (systemisch), Schmerzen, Schwellungen, Rötungen (lokal) und eingeschränkte Gelenkfunktion28.
- Schließen Sie Patienten aus, die während der klinischen Untersuchungen Anzeichen einer lokalen Entzündung aufweisen (Rötung, Temperaturerhöhung, Schmerzen, Schwellungen und Funktionsverlust weisen auf eine lokale Entzündung hin). Der Patient gab seine vollständige Einwilligung nach Aufklärung zur Operation.
3. Mixed-Reality-Modell
HINWEIS: Der Prozess wird durchgeführt, um eine korrekte Implantat- und Beckenvisualisierung zu erreichen, die intraoperativ verwendet wird.
- Verarbeiten Sie die Becken-CT-DICOM-Datei mit einer speziellen Anwendung zu einer holographischen Darstellung.
- Laden Sie das CT-Bild aus den erfassten CT-DICOM-Dateien in ein Mixed-Reality-Headset.
- Öffnen Sie den holografischen DICOM-Viewer.
- Wählen Sie den Ordner mit CT-DICOM-Dateien aus.
- Überprüfen Sie die IP-Adresse, die beim Einschalten des Headsets angezeigt wird, und geben Sie sie an einer bestimmten Stelle im holografischen DICOM-Viewer ein.
- Klicken Sie auf die Schaltfläche Verbinden , um die Visualisierung im Mixed-Reality-Headset sehen zu können.
- Segmentieren Sie die Strukturen des Beckenknochengewebes. Dies erfolgt manuell mit der Option Schere . Wenn die Option aktiviert ist, klickt der Benutzer mit der linken Maustaste und bewegt die Maus, um die mit diesem Werkzeug ausgewählten Strukturen zu entfernen.
- Beenden Sie die Auswahl mit einem weiteren Klick der linken Maustaste, wodurch ein Pop-up erstellt wird, in dem der Benutzer bestätigt, dass er die ausgewählten Strukturen ausschneiden möchte.
HINWEIS: Der Benutzer kann Bereiche auswählen, die sowohl in der 3D- als auch in der 2D-Ansicht aus der Visualisierung ausgeschnitten werden sollen. Es ist möglich, die Strukturen innerhalb oder außerhalb der Auswahl zu entfernen. Dies wird wiederholt, bis nur noch die notwendigen Teile des CT-Bildes sichtbar sind.
- Beenden Sie die Auswahl mit einem weiteren Klick der linken Maustaste, wodurch ein Pop-up erstellt wird, in dem der Benutzer bestätigt, dass er die ausgewählten Strukturen ausschneiden möchte.
- Wählen Sie eine vordefinierte Transferfunktion (Farbvisualisierungsparameter) für orthopädische Eingriffe aus der Liste der verfügbaren Funktionen, indem Sie auf ihren Namen klicken: CT Bone Endoprosthesis. Passen Sie die Visualisierung bei Bedarf an, indem Sie das Fenster und die Ebene mit der rechten Maustaste ändern, die mit der Mausbewegung im 3D-Visualisierungsfenster verbunden ist.
- Verbinden Sie sich mit dem Headset, um die vorbereitete Visualisierung im holografischen 3D-Raum zu sehen. Passen Sie das Bild mit Sprachbefehlen an: Drehen, Zoomen, Smart schneiden und Handgesten.
- Verwenden Sie den Befehl "Smart schneiden ", um eine Schnittebene zu verwenden und anzupassen, die senkrecht zur Sichtlinie des Benutzers steht. Je näher der Nutzer den Kopf in das Hologramm bewegt, desto tiefer geht das Flugzeug.
- Führen Sie diese Bewegungen aus, um die inneren Teile der Visualisierung zu sehen, da Strukturen, die sich vor der Ebene befinden, nicht visualisiert werden.
HINWEIS: Diese Ansicht ist wichtig, um die geometrischen Beziehungen zwischen Strukturen (Becken, Femur und Implantat) zu beurteilen (Abbildung 2 und Abbildung 3).
- Laden Sie das CT-Bild aus den erfassten CT-DICOM-Dateien in ein Mixed-Reality-Headset.
4. Chirurgie
- Führen Sie den chirurgischen Eingriff der Revisions-Hüftendoprothetik aufgrund einer aseptischen Lockerung der Acetabularkomponente mit einem maßgeschneiderten Acetabularimplantat und einem Mixed-Reality-Gerät14,16,29 durch. Verwenden Sie ein Skalpell, ein elektrochirurgisches Messer mit Koagulator, ein Luer-Werkzeug und Cutter für die Operation.
- Geben Sie 1,5 g Ceftriaxon intravenös 30 Minuten vor dem Hautschnitt, und zwei weitere Dosen sind am Tag der Operation zu verabreichen, um eine Infektion zu verhindern. Beginnen Sie am Tag vor der Operation mit der Thromboseprophylaxe mit niedermolekularem Heparin (LMWH). Setzen Sie die tägliche Einzeldosis von 40 mg Enoxaparin für 30 Tage nach dem Eingriff fort.
- Legen und sichern Sie den Patienten unter Vollnarkose liegend auf den Operationstisch.
- Lösen Sie die Bindegewebsverwachsungen über den Hardinge-Zugang zum Hüftgelenk und entfernen Sie das lose Hüftimplantat.
- Führen Sie die Operation auf die gleiche Weise wie andere Revisionsverfahren des Hüftgelenks durch, verwenden Sie jedoch einen breiteren Zugang.
- Entfernen Sie alle Weichteile von der Oberfläche der Hüftpfanne, so dass die Form genau die gleiche ist wie im bereitgestellten Modell. Das Implantatmodell muss perfekt auf der Oberfläche des Hüftknochens haften.
- Fixieren Sie das neue nicht zementierte Implantat mit speziell entwickelten Schrauben, die das Implantat stabilisieren.
- Führen Sie nach der Operation eine Femurnervenblockade durch.
- Intraoperative holographische Visualisierung von bearbeiteten Bildern
- Laden Sie die Visualisierung des DICOM CT-Scans, der in der vorprozeduralen Planung erstellt wurde, in die Mixed-Reality-Anwendung.
- Verbinden Sie das Mixed-Reality-Headset mit der Mixed-Reality-Anwendung, um die vorbereitete Visualisierung im holografischen 3D-Raum zu sehen.
- Verwenden Sie die intraoperative holographische Visualisierung der verarbeiteten Bilder, um eine adäquate und präzise Vorbereitung der Beckenknochenoberfläche zu erreichen sowie den Bindegewebsüberschuss zu entfernen, der als Reaktion auf die Lockerung der Acetabularkomponente entstanden ist.
- Stellen Sie sicher, dass der Bediener die holografische Visualisierung als Referenzbild betrachtet.
- Verwenden Sie ein Skalpell, ein elektrochirurgisches Messer mit Koagulator, ein Luer-Werkzeug und Cutter für die Operation. Die Visualisierung des 3D-Beckenmodells soll das Risiko von Schädigungen neurovaskulärer Strukturen und Fehlern bei der Implantatplatzierung minimieren.
- Stellen Sie sicher, dass das Head-Mounted-Display über ein WiFi-Netzwerk mit der Workstation verbunden ist. Die Verarbeitung der Bilder und das Rendering erfolgt am Arbeitsplatz und die Ergebnisse werden auf dem Headset als Hologramme angezeigt. Verwenden Sie Gesten und Sprachbefehle. Holen Sie sich bei Bedarf Hilfe von einem Ingenieur mit POV-Vorschau.
5. Nachsorge
- Lassen Sie den Patienten ein Standard-Rehabilitations- und Genesungsprotokoll durchlaufen, einschließlich Rehabilitation und Mobilisation am ersten Tag nach der Operation30,31,32.
HINWEIS: Die Rehabilitation wurde von einem engagierten Team durchgeführt, das Erfahrung in der Hüft- und Knieendoprothetik hat. - Führen Sie eine pharmakologische Thromboseprophylaxe durch. Die Thromboseprophylaxe wurde am Tag vor der Operation mit niedermolekularem Heparin (LMWH) eingeleitet. Die tägliche Einzeldosis von 40 mg Enoxaparin wurde 30 Tage nach dem Eingriff fortgesetzt.
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Representative Results
Bildvorverarbeitung
Binäre Masken des Beckenknochens, des Femurs und der Endoprothese wurden von erfahrenen radiologischen Technologen unter Verwendung von Schwellenwert- und Regionswachstumsalgorithmen mit verfügbarer Software halbautomatisch aus CT-DICOM-Bildern segmentiert33. Die vorbereiteten Etikettenkarten wurden ebenfalls manuell von einem Radiologen korrigiert. Beschriftungskarten wurden verwendet, um die Visualisierung zu verbessern, indem sie im nächsten Schritt dem CT-Scan hinzugefügt wurden. Dieser Ansatz ermöglichte es, das volumetrische Rendering, das es ermöglicht, die Knochenstruktur und das umgebende Gewebe auf den CT-Scans zu sehen, mit den segmentierten Teilen zusammenzuführen, die wichtige Gewebe anzeigen. Die Segmentierungsergebnisse wurden im ursprünglichen Stack abgeschlossen, wodurch vermieden wurde, nur ein grafisches 3D-Modell von Strukturen zu erstellen, sondern es ermöglichte, Informationen über alle Hounsfield Units (HU) -Werte beizubehalten. Das Ergebnis war eine interaktive Visualisierung, die es ermöglichte, Gewebe, Implantate und Knochensegmentierungen gleichzeitig oder einzeln anzuzeigen, abhängig von der chirurgischen Situation (Abbildung 1 und Abbildung 4) Visualisierungen des festsitzenden Implantats. Der verarbeitete CT-Datensatz wurde mit einer speziellen Software als Hologramme visualisiert.
Vorprozedurale Planung und Krankenhausaufenthalt
Auf Basis von Computertomographie-Daten und Visualisierungen wurde ein Operationsplan erstellt. Der Plan enthielt wichtige Werte: Hüftdrehzentrum, Acetabularneigung, Anteversion sowie Richtung, Methode und Zonen der Implantatmontage. Die Position des Implantats wurde durch knochen- und anatomische Punkte bestimmt, während die entsprechende Konfiguration zusätzlich nach dem Setzen des Versuchskopfes der Prothese und der klinischen Überprüfung der Stabilität des Implantats während des Eingriffs bestätigt wurde. Ein postoperatives CT wurde durchgeführt, um die korrekte Position des Implantats zu bestätigen. Die Position der Schrauben wurde auf der Grundlage des CT vom Ingenieur und Chirurgen geplant, wodurch der Kontakt der Schrauben mit den Gefäßnervenstrukturen und deren Schädigung vermieden werden konnte (Abbildung 5). Der Acetabulardefekt wurde als 3B Paprosky Klassifikation34 klassifiziert. Typ 3B ist die schwerste Zerstörung aller Acetabularstrukturen, einschließlich Wände und Säulen34. Der klinische HHS-Score vor der Operation betrug 44 (Tabelle 1).
Zu den Aktivitäten zur Vorbereitung des Patienten auf den Eingriff gehörten eine internistische Beratung und Standardlabortests. Notwendige Untersuchungen waren ebenfalls notwendig: EKG und Röntgen: Thoraxröntgen, Beckenröntgen. Das Kontrollbild wurde auch nach der Operation aufgenommen. Der Patient erhielt während des Krankenhausaufenthalts eine Standardthromboseprophylaxe (Clexane 40 mg, 1 x 1 s.c.) und eine Antibiotikaprophylaxe (Tarsime 3 x 1,5 g i.v.). Individualisierte Schmerztherapie wurde eingeschlossen. Alle anderen Medikamente wurden gemäß den Standardempfehlungen des Patienten eingenommen.
Im Januar 2019 wurde eine Endoprothetik der linken Hüfte durchgeführt, die den Ersatz einer losen Acetabularkomponente durch das maßgeschneiderte Implantat beinhaltete: Triflansch-Acetabularkomponente, Polyethyleneinsatz, eingeschränkt, Befestigungsschrauben - 10 Stück, Co-Cr-Mo eingeschränkter modularer Kopf (36 mm) und ein 9 mm Hals.
Die Operation dauerte 4 h und wurde ohne Komplikationen durchgeführt. Die Vertikalisierung mit Hilfe eines Rollators erfolgte am zweiten Tag nach dem Eingriff. Der Patient wurde am 14. Tag in einem guten Allgemeinzustand entlassen (lange Rehabilitationszeit aufgrund Fußlähmung nach Zerebralparese). Die Kontrollbesuche fanden nach den vereinbarten Terminen statt. Radiologische Kontroll-CTs und Röntgenaufnahmen wurden vor der Operation (Abbildung 3, Abbildung 6 und Abbildung 7), nach der Operation (Abbildung 2 und Abbildung 8) und nach 2 Jahren (Abbildung 9) durchgeführt. Die Implantatinsertion wurde in Übereinstimmung mit den Annahmen des Projekts durchgeführt. Der Versatz, der Bewegungsumfang und die Länge der Gliedmaßen wurden wiederhergestellt. Die Funktion und Lebensqualität des Patienten waren beim anschließenden Besuch relativ gut und verbesserten sich seit der Erstdiagnose deutlich. Vor der Operation wechselte der Patient wegen Schmerzen in den Rollstuhl - die subjektive Einschätzung des Patienten auf der 10-stufigen visuellen analogen Schmerzintensitätsskala betrug 8 (VAS 8). Nach der Operation, während der Rehabilitation, hörte sie auf, zwei orthopädische Krücken zu benutzen. Der Patient geht derzeit mit einer Krücke aufgrund einer Fußtropfen-Peronealnervenlähmung nach vorheriger Operation in einem anderen Krankenhaus. Nach Kenntnis der Autoren war es das erste derartige Verfahren in Polen und eines der ersten weltweit. Es war ein Medizinstudenten-Forschungsteam, das die Idee vorschlug, moderne Technologie in der Abteilung für Orthopädie und Traumatologie des Bewegungsapparates einzusetzen.
Anatomische Strukturen, die einen chirurgischen Eingriff erfordern, müssen für eine adäquate Implantatfixierung wie geplant sichtbar sein. Bei Nicht-Standard-Patienten mit signifikanten Knochendefekten und Deformationen sind die entsprechende Visualisierung und Anpassung einer maßgeschneiderten Prothese von grundlegender Bedeutung für den Behandlungsprozess. Die richtige Implantatfixierung reduziert das Risiko postoperativer Komplikationen wie Lockerung oder Instabilität. Die Technologie der Mixed Reality ermöglicht es ohne Risiko und auf nicht-invasive Weise, das Becken, die Knochen und die Weichteile genau zu visualisieren, was die Chancen auf eine gute Implantatplatzierung erhöht und möglicherweise sogar die Operationszeit in der Zukunft verkürzt. Die Möglichkeit, das Bild zu manipulieren, z. B. durch Zoomen der ausgewählten Fragmente der komplexen anatomischen Strukturen, ermöglicht es, die Unvollkommenheiten des Auges des Chirurgen auszuschließen (Abbildung 10 und Abbildung 11). Zusammenfassend wurde eine präzise, vollständig personalisierte komplexe Revisionsendoprothetik durchgeführt. Chancen für die Weiterentwicklung von Mixed Reality sehen die Autoren in der Orthopädie, nicht nur in der Endoprothetik und Traumatologie, sondern auch in der orthopädischen Onkologie, wo es oft notwendig ist, sehr umfangreiche Resektionen mit hoher Präzision durchzuführen. Die entsprechende Visualisierung schwer zugänglicher anatomischer Areale mit umgebenden neurovaskulären Strukturen kann die Operation für den Chirurgen erleichtern und für den Patienten sicherer machen.
Abbildung 1: Visualisierung des festsitzenden Implantats. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 2: Röntgenaufnahme einen Tag nach der Operation. Der Buchstabe "L" steht auf dem Röntgenbild für die linke Körperseite. In diesem Fall ein Foto der linken Hüfte. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 3: Röntgenaufnahme vor der Operation. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 4: Visualisierung des festsitzenden Implantats. Die Visualisierung wird im Prozess der präoperativen Planung vorbereitet. Es zeigt die mögliche Fixierung des Implantats. Die blaue Farbe in der Visualisierung ist der Rand des Implantats. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 5: 3D-Projekt zum Einsetzen von Implantatbefestigungsschrauben. Farben werden von Ingenieuren für eine bessere und genauere Visualisierung verwendet. Dies macht es einfach, Schrauben mit unterschiedlichen Parametern - Länge und Querschnitt - zu unterscheiden. Auch die Montagereihenfolge kann berücksichtigt werden. Die Farben sind illustrativ und werden im präoperativen Planungsprozess verwendet. Bei der Planung der Implantatmontage ist es wichtig, intraoperative Schäden an Blutgefäßen und Nerven auszuschließen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 6: CT-3D-Rekonstruktion vor der Operation zeigt die Hüftgelenke und einen Teil des Femurs. Sichtbare Degeneration und Zerstörung von Knochenstrukturen, Beckenasymmetrie. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 7: CT-3D-Rekonstruktion vor der Operation. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 8: Röntgenaufnahme 6 Wochen nach der Operation. Das Implantat wurde richtig eingesetzt, es löste sich nicht. Sichtbare linke Hüftendoprothese mit Befestigungselementen. Röntgen in Kombination mit der klinischen Untersuchung des Patienten bestätigt den Erfolg der Operation. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 9: Röntgenaufnahme 2 Jahre nach der Operation. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 10: Mixed-Reality-Nutzersicht - Becken von vorne. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 11: Mixed-Reality-Nutzersicht - Becken von der Seite. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 12: Aus Sicht des Mixed-Reality-Nutzers - das während der Operation aufgenommene Foto - das Hologramm zeigt einen Teil des Beckens. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 13: Das Foto, das während der Operation aufgenommen wurde - Hauptbediener, Prof. Łęgosz, verwendet Mixed-Reality-Technologie. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
| HSS-SCORE | |||
| VOR DER OPERATION | 6 WOCHEN NACH DER OPERATION | 6 MONATE NACH DER OPERATION | 12 MONATE NACH DER OPERATION |
| 44 | 74,5 | 80 | 82 |
Tabelle 1: HHS-Score-Tabelle - Darstellung der Ergebnisse des Patienten gemäß dem Harris-Hüft-Score vor dem Eingriff, 6 Wochen nach dem Eingriff, 6 Monate nach dem Eingriff, 12 Monate nach dem Eingriff.
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Discussion
Primäre und Revisions-Hüftendoprothetik kann eine Personalisierung erfordern, um die Wirksamkeit der Behandlung sicherzustellen. Die Verwendung von kundenspezifischen Implantaten erfordert jedoch eine längere Vorbereitung auf die Operation im Vergleich zu Standardverfahren. Maßgeschneiderte 3D-gedruckte Implantate sind die Lösung, die eine Chance zur Wiederherstellung der Funktion bei untypischen Patienten bietet, deren Krankheit eine signifikante Knochenzerstörung verursacht hat29. Standardprothesen sind unzureichend aufgrund einer sich schnell entwickelnden fortgeschrittenen degenerativen Erkrankung, Knochendefekten durch primäre Knochentumoren oder Metastasen sowie komplizierter Verletzungen oder mehrfacher Revisionsverfahren16. Maßgeschneiderte Implantate werden für einen bestimmten Patienten mit vollständiger Individualisierung unter Berücksichtigung anatomischer Anomalien und des aktuellen klinischen Zustands hergestellt. Der Prozess der Herstellung eines Implantats erfordert die Zusammenarbeit von orthopädischen Chirurgen mit Ingenieuren und basiert auf CT oder Magnetresonanztomographie (MRT). Die Erstellung des virtuellen Implantatmodells ist kompliziert. Es wird von Ingenieuren durchgeführt, die die Kräfte, die zwischen Knochen und Implantat wirken, genau bestimmen. Das vorläufige virtuelle 3D-Modell wird mit dem Chirurgen konsultiert und nach seiner Genehmigung beginnt die Produktion des maßgeschneiderten Implantats. Das richtige Implantat wird zusammen mit einer PDF-Dateianleitung für das OP-Team geliefert. Es wird von einem präzisen plastischen Modell der Beckenknochen und des Implantats für Trainingszwecke und intraoperative Anpassung begleitet.
Gerade im Rahmen der Revisionsendoprothetik ist die präoperative Planung von großer Bedeutung. Bei der Qualifizierung eines Patienten für das Verfahren ist es notwendig, seinen allgemeinen klinischen Zustand, die Belastung durch Komorbiditäten und die aktuelle Krankheitsgeschichte zu berücksichtigen15. Nachdem der Teamleiter die Entscheidung getroffen hat, werden die Ergebnisse der Computertomographie an den Hersteller des Implantats gesendet, und dann beginnt das 6-wöchige Verfahren, das die Erstellung eines 3D-Modells und der endgültigen Version des Implantats umfasst.
Mixed Reality ist ein Hybrid aus realer und virtueller Realität, in dem physische Objekte mit digitalen Hologrammen koexistieren und eine Interaktion zwischen ihnen in Echtzeit möglich ist21. Es ist heute in verschiedenen Bereichen weit verbreitet, einschließlich Medizin 35,36,37, und es wird am häufigsten verwendet, um medizinische Daten wie dreidimensionale CT-Scans oder MRT38,39,40 zu visualisieren. Diese Technologie ermöglicht es, Behandlungen präziser zu planen, schnell auf Patientendaten in der Diagnostik zuzugreifen oder das Operationsfeld intraoperativ besser zu visualisieren41. Mixed Reality hat auch seine Anwendung in der Ausbildung in den Grundlagen- und klinischen Wissenschaften in jeder Phase der Ausbildung gefunden, einschließlich Studenten, medizinischen Assistenzärzten und Beratern.
Wie bei der Herstellung von maßgeschneiderten Implantaten ist die erste Stufe der Zusammenarbeit zwischen Ärzten und Ingenieuren medizinische Bilddaten, die im DICOM-Standard gespeichert sind. Fortschrittlichere Techniken in der Radiologie und die gleichzeitige Entwicklung technologischer Lösungen ermöglichen auch die Integration und Nutzbarkeit dynamischer Bilddaten, z. B. Echtzeit-Ultraschall. Der nächste Schritt ist das Rendern und Verarbeiten der erhaltenen Daten, um dreidimensionale Hologramme zu erstellen, die an ein Gerät gesendet werden. Der Benutzer kann die Visualisierung als Teil seiner Umgebung sehen und leicht mit ihr interagieren. Das Headset, das auf dem Kopf des Bedieners oder der Mitglieder des Betriebsteams platziert ist, ist mit Sensoren (Kameras, Beschleunigungssensor, Magnetometer, Gyroskop) ausgestattet, so dass die holographischen Daten als Teil der Umgebung gesehen werden können (Abbildung 12). Der Bediener kann die Hologramme mit Handgesten und Sprachbefehlen steuern, die die Visualisierung an seine spezifischen Bedürfnisse anpassen. Es ist möglich, Größe, Struktur, Position unter Beibehaltung steriler Bedingungen zu ändern. Die HoloLens beeinträchtigt den Arbeitskomfort nicht und schränkt das Sichtfeld während des Eingriffs nicht ein, wenn die Hologramme nicht angezeigt werden. Das medizinische Team wurde zuvor durch die Möglichkeit, sich mit den präzisen und detaillierten 3D-Druck-Gelenk- und Prothesenmodellen vertraut zu machen, die zusammen mit dem Implantat geliefert wurden, sowie durch Schulungen mit einem Team von Ingenieuren auf die Operation vorbereitet. Die Verwendung von Mixed-Reality-Brillen ist sehr intuitiv und die effiziente Verwendung von hochgeladenen Hologrammen ist leicht zu erlernen. Die gemischte Realität war eine effektive Lösung, sowohl in Bezug auf die Vorbereitung auf die Operation als auch in Bezug auf die Durchführung des Verfahrens.
Nach Kenntnis der Autoren ist dies der erste Bericht über den Einsatz von Mixed-Reality-Technologie in der Hüftrevisionschirurgie unter Verwendung des 3D-gedruckten Acetabularimplantats. Es war der erste intraoperative Einsatz des Geräts im klinischen Zentrum der Autoren (Abbildung 13). Frühere Publikationen umfassen die primäre Hüftendoprothetik unter Verwendung von Mixed-Reality-Technologie. Es wurde von Lei Peng-fei et al. bei einem 59-jährigen Patienten mit intertrochantärer Fraktur42 vorgestellt. Maßgeschneiderte Implantate und Mixed Reality sind eine immer beliebtere Lösung, die in verschiedenen Bereichen der Chirurgie eingesetzt wird. Die Kombination aus beidem ist eine Innovation mit vielversprechenden Ergebnissen. Derzeit sind diese Arten von Behandlungen aufgrund hoher Kosten und der Notwendigkeit einer geeigneten Vorbereitung experimentell, es gibt nicht genug Quantität, um objektive Originalstudien zu erstellen; In naher Zukunft wird dies jedoch aufgrund der Forschungsstipendien und des wachsenden Interesses von Klinikern möglich sein. Im Kontext der bestehenden und häufig verwendeten Lösungen bei chirurgischen Eingriffen haben Röntgen- oder CT-Projektionen, die auf einem Standard-2D-Monitor angezeigt werden, Einschränkungen, da sie es nicht ermöglichen, anatomische Strukturen aus einer anderen Perspektive zu betrachten. Es ist nicht möglich, die Position der Struktur im Raum zu vergrößern und zu ändern. Maßgeschneiderte Implantate und Mixed-Reality-Technologie sind nach Ansicht der Autoren vielversprechend für die schwierige Revisionsendoprothetik sowie für die Traumatologie und orthopädische Onkologie. Laut den Autoren ist die Mixed Reality auch für Patienten anwendbar, die für Standard-Endoprothesen qualifiziert sind, einschließlich primärer Endoprothesen, die keine maßgeschneiderten Implantate benötigen. Die intraoperative Navigation ergänzt durch Mixed Reality ermöglicht eine bessere und präzisere Platzierung von Implantaten. Derzeit werden Pilotstudien mit vielversprechenden Ergebnissen durchgeführt43.
Jede Phase der Planung des Eingriffs und der Vorbereitung des Patienten ist sehr wichtig und keine von ihnen darf unterschätzt werden. Die Qualität der medizinischen Bildgebung und die entsprechende Zusammenarbeit mit Ingenieuren, sowohl beim Design des Implantats als auch bei der Erstellung des Hologramms, sind wichtig für den Erfolg der Operation. Der kritische Moment während des Eingriffs ist die Entfernung der alten Implantatkomponenten und die Fixierung der neuen, personalisierten an einem zuvor vorbereiteten Ort. In diesem Stadium sind Hologramme wichtig, damit das Verfahren sehr präzise durchgeführt werden kann.
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Disclosures
Maciej Stanuch, Adriana Złahoda-Huzior und Andrzej Skalski sind Mitarbeiter von MedApp S.A. MedApp S.A. ist das Unternehmen, das die CarnaLifeHolo-Lösung herstellt.
Acknowledgments
Nicht zutreffend.
Die Studie wurde im Rahmen einer nicht-kommerziellen Kooperation durchgeführt.
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
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