Summary
En komplex revision höftartroplastik utfördes med hjälp av ett skräddarsytt implantat och mixed reality-teknik. Enligt författarnas kunskap är detta den första rapporten om ett sådant förfarande som beskrivs i litteraturen.
Abstract
Tekniken för 3D-utskrift och visualisering av anatomiska strukturer växer snabbt inom olika medicinska områden. Ett skräddarsytt implantat och mixad verklighet användes för att utföra komplex revision höftartroplastik i januari 2019. Användningen av mixad verklighet möjliggjorde en mycket bra visualisering av strukturerna och resulterade i exakt implantatfixering. Enligt författarnas kunskap är detta den första beskrivna fallrapporten om den kombinerade användningen av dessa två innovationer. Diagnosen som föregick kvalificeringen för proceduren var lossningen av vänster höfts acetabulära komponent. Headset för mixad verklighet och hologram som utarbetats av tekniker användes under operationen. Operationen var framgångsrik och följdes av tidig vertikalisering och patientrehabilitering. Teamet ser möjligheter till teknikutveckling inom ledartroplastik, trauma och ortopedisk onkologi.
Introduction
Tekniken för tredimensionell (3D) utskrift och visualisering av komplexa strukturer växer snabbt inom olika medicinska områden. Dessa inkluderar kardiovaskulär kirurgi, otorhinolaryngologi, maxillofacial kirurgi och framför allt ortopedisk kirurgi 1,2,3,4,5. För närvarande används denna teknik i ortopedisk kirurgi, inte bara vid direkt implementering av 3D-tryckta element, utan också vid kirurgisk träning, preoperativ planering eller intraoperativ navigering 6,7,8.
Total höftartroplastik (THA) och total knäartroplastik (TKA) är ett av de vanligaste ortopediska kirurgiska ingreppen över hela världen. På grund av den signifikanta förbättringen av patientens livskvalitet hade THA beskrivits i en tidigare publikation som "århundradets kirurgi"9. I Polen utfördes 49.937 THA och 30.615 TKA 201910. När livslängden ökar finns det en uppåtgående trend i det beräknade antalet höft- och knäartroplastikoperationer. Stora ansträngningar har gjorts för att förbättra implantatdesign, kirurgisk teknik och postoperativ vård. Dessa framsteg ledde till en bättre chans att återställa patientens funktion och minska risken för komplikationer11,12,13,14.
Den stora utmaningen som ortopedkirurger över hela världen för närvarande står inför är dock att arbeta med icke-standardiserade patienter vars anatomiska defekter i höftleden gör det mycket svårt eller till och med omöjligt att implementera ett färdigt implantat15. Benförlust kan bero på betydande trauma, progressiv degenerativ artros med ett acetabulärt utsprång, utvecklingsmässig höftdysplasi, primär bencancer eller metastaser 16,17,18,19,20. Problemet med implantatval gäller specifikt patienter som riskerar flera revisioner, ibland också kräver okonventionell behandling. I sådana fall är en mycket lovande lösning ett additivt tillverkat 3D-tryckt implantat skapat för en specifik patient- och bendefekt, vilket möjliggör en mycket exakt anatomisk passform20.
Inom artroplastik är exakt implantat och dess hållbara fixering avgörande. Framsteg inom preoperativ och intraoperativ 3D-visualisering har resulterat i utmärkta lösningar som förstärkt och blandad verklighet21,22,23,24. Intraoperativ användning av ben- och implantatdatortomografi (CT) hologram kan möjliggöra bättre protesplacering än konventionella radiografibilder. Denna framväxande teknik kan öka chanserna för behandlingseffektivitet och minska risken för neurovaskulära komplikationer21,25.
Denna fallrapport gäller en patient som utsatts för höftrevisionskirurgi på grund av aseptisk lossning. För att hantera betydande benförlust orsakad av flera implantatfel användes det skräddarsydda 3D-tryckta acetabulära implantatet. Under proceduren använde vi mixad verklighet för att visualisera implantatpositionen för att undvika att skada de neurovaskulära strukturerna i riskzonen. Program som implementeras i headset för mixad verklighet gör det möjligt att ge röst- och gestkommandon, vilket gör det möjligt att använda det under sterila förhållanden under det kirurgiska ingreppet.
En 57-årig kvinna togs in på avdelningen med en preliminär diagnos: lossning av vänster höfts acetabulära komponent. Patientens sjukdomshistoria var omfattande. Under hela sitt liv genomgick hon många kirurgiska ingrepp i höftleden. Den första behandlingen var höftresurfacing på grund av artros orsakad av höftdysplasi (1977-15 år), den andra var en total höftartroplastik på grund av implantatlossning (1983-21 år gammal) och andra två revisionsoperationer (1998, 2000-37 och 39 år gamla). Dessutom led patienten av spastisk vänstersidig hemiplegi orsakad av cerebral pares i barndomen, och hon opererades upprepade gånger på grund av vänster klumpfotsdeformitet. Hon var också belastad med artros i thoracolumbar ryggraden, karpaltunnelsyndrom och välkontrollerad arteriell hypertoni. Den slutliga diagnosen som föregick kvalificeringen för nästa procedur var smärtan och den ökande funktionsbegränsningen orsakad av lossning av vänster höfts acetabulära komponent. Patienten var mycket motiverad, fysiskt aktiv och hanterade funktionshinder.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Protokollet följer riktlinjerna från etikkommittén för mänsklig forskning vid medicinska universitetet i Warszawa. Patienten gav sitt informerade samtycke till förfarandet och erkände att det kommer att registreras. Patienten gick med på det före ingreppet.
OBS: Det grundläggande kriteriet för att inkludera patienten i kirurgiprojektet var nödvändigheten att ingripa på grund av den anatomiska dysfunktionen, vilket gjorde det omöjligt att använda ett standardimplantat. Mixad verklighet syftade till bättre placering av protesen, vilket ökade chanserna för framgångsrik operation.
1. Förberedelse
- Förbered ett skräddarsytt acetabulärt implantat och planera det kirurgiska ingreppet före patientens sjukhusvistelse.
OBS: I denna fallstudie förberedde personer som är skickliga i konsten att medicinsk bilddiagnostik det skräddarsydda acetabulära implantatet.- Innan den planerade antagningen till sjukhuset, utför en röntgen i diagnostisk bildbehandlingsenhet.
- Utför en bäckenröntgen i en främre-bakre projektion.
- Bedöm det aktuella tillståndet i patientens bäcken baserat på röntgenstrålen.
- Jämför bilden som erhållits med de tidigare röntgenbilderna.
- Ta en CT-skanning i bäckenet och skaffa DICOM-filer (Digital Imaging and Communications in Medicine) enligt protokollet.
- Placera patienten på den rörliga CT-skanningsplattformen.
- Klicka på tjockleksknappen och välj 512 x 512 px tjocklek för skanningarna.
- Klicka på parametern som bestämmer tjockleken på 1 mm-skiktet.
- Starta proceduren genom att klicka, vänta på testresultatet.
- Be en ingenjör att utforma ett implantatförslag som kan skickas digitalt som ett tekniskt schema, eller en 3D-tryckt modellprototyp (figur 1).
- Visualisera datortomografiresultatet i DICOM-visaren.
- Bestäm behoven för genomförandet av implantatet, med hänsyn till patientens nuvarande anatomiska förhållanden, biomekanik och ledets funktion.
- Kontakta ingenjören för förslag på implantat, inklusive fixering.
- Godkänn projektet och vänta på leverans.
OBS: Den slutliga formen på implantatet innebär att man kombinerar 3D-data från en patients CT-skanning med inmatning från en designingenjör och en kirurg.
- Skriv ut det skräddarsydda 3D-implantatet från titanlegeringspulvret (TiAl6V4) med elektronstråleteknik26,27. Inuti en kammare som innehåller små mängder TiAl6V4-pulver, varje gång elektronstrålen avfyras, finns det selektiv smältning och ackumulering av material (plasmabeläggning).
- Kontrollera om implantatet steriliserades. Sterilisering av implantatförsök och det slutliga implantatet garanterades av tillverkaren.
2. Kontroller före operationen
- Utför en standard för vårdlaboratorietester och specialistkonsultationer.
- Exkludera patienter med potentiell periprostetisk ledinfektion (inga radiologiska egenskaper, normalt c-reaktivt protein (<10 mg/L) och erytrocytsedimenteringshastighet på 1-10 mm/h för kvinnor, 3-15 mm/h för män).
- Kontrollera om det finns kliniska tecken på infektion som feber (systemisk), smärta, svullnad, rodnad (lokal) och nedsatt ledfunktion28.
- Uteslut patienter som har tecken på lokal inflammation under de kliniska undersökningarna (rodnad, temperaturökning, smärta, svullnad och funktionsförlust indikerar lokal inflammation). Patienten gav fullständigt informerat samtycke till operationen.
3. Modell för mixad verklighet
OBS: Processen utförs för att uppnå korrekt visualisering av implantat och bäcken, som kommer att användas intraoperativt.
- Bearbeta bäcken-CT DICOM-filen till en holografisk representation med hjälp av ett dedikerat program.
- Läs in CT-avbildningen i headsetet för mixad verklighet från förvärvade CT DICOM-filer.
- Öppna holografisk DICOM-visare.
- Välj mappen som innehåller CT DICOM-filer.
- Kontrollera IP-adressen som visas när headsetet är påslaget och ange det på en angiven plats i den holografiska DICOM-visningsprogrammet.
- Klicka på knappen Anslut för att kunna se visualiseringen i headsetet för mixad verklighet.
- Segmentera bäckenbenvävnadsstrukturerna. Detta utförs manuellt med hjälp av saxalternativet . När alternativet är aktiverat klickar användaren på vänster musknapp och flyttar musen runt för att ta bort de strukturer som väljs med det här verktyget.
- Avsluta valet med ett annat klick på vänster musknapp, vilket skapar ett popup-fönster för användaren för att bekräfta att han / hon vill klippa ut de strukturer som väljs.
OBS: Användaren kan välja områden som ska klippas ut från visualiseringen i både 3D- och 2D-vyer. Det är möjligt att ta bort strukturerna från eller utanför urvalet. Detta upprepas tills endast de nödvändiga delarna av CT-bilden är synliga.
- Avsluta valet med ett annat klick på vänster musknapp, vilket skapar ett popup-fönster för användaren för att bekräfta att han / hon vill klippa ut de strukturer som väljs.
- Välj en fördefinierad överföringsfunktion (färgvisualiseringsparametrar) dedikerad till ortopediska procedurer från listan över tillgängliga funktioner genom att klicka på dess namn: CT Bone Endoprosthesis. Om det behövs justerar du visualiseringen genom att ändra fönster och nivå med höger musknapp som är kopplad till musrörelser i 3D-visualiseringsfönstret.
- Anslut till headsetet för att se den förberedda visualiseringen i det holografiska 3D-utrymmet. Justera bilden med röstkommandon: Rotera, Zooma, Klipp ut smart och Handgester.
- Använd kommandot Klipp ut smart om du vill använda och justera ett skärplan som är vinkelrätt mot användarens siktlinje. Ju närmare användaren flyttar huvudet in i hologrammet, desto djupare går planet.
- Utför dessa rörelser för att se de inre delarna av visualiseringen eftersom strukturer som ligger framför planet inte visualiseras.
OBS: Denna vy är viktig för att bedöma de geometriska relationerna mellan strukturer (bäcken, lårben och implantat) (figur 2 och figur 3).
- Läs in CT-avbildningen i headsetet för mixad verklighet från förvärvade CT DICOM-filer.
4. Kirurgi
- Utför det kirurgiska ingreppet för revision höftartroplastik på grund av aseptisk lossning av den acetabulära komponenten med användning av ett skräddarsytt acetabulärt implantat och mixed reality-enhet14,16,29. Använd en skalpell, en elektrokirurgisk kniv med en koagulator, ett Luer-verktyg och skärare för operationen.
- Ge 1,5 g ceftriaxon intravenöst 30 minuter före hudsnittet, och två efterföljande doser ska ges på operationsdagen för att förhindra infektion. Initiera tromboprofylax dagen före operationen med lågmolekylärt heparin (LMWH). Fortsätt den dagliga engångsdosen på 40 mg enoxaparin i 30 dagar efter proceduren.
- Placera och säkra patienten under generell anestesi, liggande på operationsbordet.
- Släpp bindvävsadhesionerna med hjälp av Hardinge-åtkomsten till höftleden och ta bort det lösa acetabulära implantatet.
- Utför operationen på samma sätt som andra revisionsprocedurer i höftleden, men använd en bredare åtkomst.
- Ta bort alla mjuka vävnader från ytan av acetabulum så att formen är exakt densamma som i den medföljande modellen. Implantatmodellen måste perfekt fästa vid ytan av det acetabulära benet.
- Fixa det nya ocementerade implantatet med specialdesignade skruvar som stabiliserar implantatet.
- Utför ett lårbensnervblock efter operationen.
- Intraoperativ holografisk visualisering av bearbetade bilder
- Läs in visualiseringen av DICOM-CT-genomsökningen som förberetts i förprocedurplaneringen till programmet för mixad verklighet.
- Anslut headsetet för mixad verklighet till programmet för mixad verklighet för att se den förberedda visualiseringen i det holografiska 3D-utrymmet.
- Använd intraoperativ holografisk visualisering av de bearbetade bilderna för att uppnå adekvat och exakt förberedelse av bäckenbenytan samt för avlägsnande av överskottet av bindväv som utvecklats som ett svar på lossning av den acetabulära komponenten.
- Se till att operatören tittar på den holografiska visualiseringen som en referensbild.
- Använd en skalpell, en elektrokirurgisk kniv med en koagulator, ett luerverktyg och skärare för operationen. Visualisering av 3D-bäckenmodellen bör minimera risken för skadliga neurovaskulära strukturer och misstag vid implantatplacering.
- Se till att den huvudmonterade skärmen är ansluten till arbetsstationen via ett WiFi-nätverk. Bearbetningen av bilderna och renderingen utförs på arbetsstationen och resultaten visas på headsetet som hologram. Använd gester och röstkommandon. Om det behövs kan du få hjälp av en tekniker med POV-förhandsgranskning.
5. Postoperativ vård
- Låt patienten genomgå ett standardrehabiliterings- och återhämtningsprotokoll, inklusive rehabilitering och mobilisering den första dagen efter operationen30,31,32.
OBS: Rehabilitering genomfördes av ett dedikerat team med erfarenhet av höft- och knäartroplastik. - Implementera farmakologisk tromboprofylax. Tromboprofylax påbörjades dagen före operationen med lågmolekylärt heparin (LMWH). Den dagliga engångsdosen på 40 mg enoxaparin fortsatte i 30 dagar efter ingreppet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Förbehandling av bilder
Binära masker av bäckenbenet, lårbenet och endoprostesen segmenterades halvautomatiskt från CT DICOM-bilder av erfarna radiologiska tekniker med hjälp av tröskel- och regionodlingsalgoritmer med tillgänglig programvara33. De förberedda etikettkartorna korrigerades också manuellt av en radiolog. Etikettkartor användes för att förbättra visualiseringen genom att lägga till dem i CT-skanningen i nästa steg. Detta tillvägagångssätt gjorde det möjligt att slå samman den volymetriska återgivningen, vilket gör det möjligt att se benstrukturen och omgivande vävnader på CT-skanningarna, med de segmenterade delarna som indikerar viktiga vävnader. Segmenteringsresultaten avslutades i den ursprungliga stacken, vilket undvek att konstruera endast en 3D-grafisk modell av strukturer men gjorde det möjligt att behålla information om alla Hounsfield Units (HU) -värden. Det resulterade i en interaktiv visualisering som gjorde det möjligt för en att visa vävnader, implantat och genomföra bensegmenteringar samtidigt eller en i taget, beroende på den kirurgiska situationen (figur 1 och figur 4) visualiseringar av det fasta implantatet. Den bearbetade CT-datauppsättningen visualiserades som hologram med hjälp av dedikerad programvara.
Förprocedurplanering och sjukhusvistelse
På grundval av datortomografidata och visualiseringar utarbetades en operationsplan. Planen innehöll viktiga värden: höftens rotationscentrum, acetabulära lutning, anteversion och riktning, metod och zoner för implantatmontering. Implantatets position bestämdes av ben och anatomiska punkter, medan lämplig konfiguration dessutom bekräftades efter inställning av protesens försökshuvud och klinisk kontroll av implantatets stabilitet under proceduren. Postoperativ CT utfördes för att bekräfta implantatets korrekta position. Skruvarnas position planerades på grundval av CT av ingenjören och kirurgen, vilket gjorde det möjligt att undvika kontakt med skruvarna med kärlnervstrukturerna och deras skador (Figur 5). Den acetabulära defekten klassificerades som 3B Paprosky-klassificering34. Typ 3B är den allvarligaste förstörelsen av alla acetabulära strukturer, inklusive väggar och kolumner34. Den kliniska HHS-poängen före operationen var 44 (tabell 1).
Aktiviteter för att förbereda patienten för proceduren inkluderade internmedicinsk konsultation och vanliga laboratorietester. Viktiga undersökningar var också nödvändiga: EKG och röntgen: lungröntgen, bäckenröntgen. Kontrollbilden togs också efter operationen. Patienten fick standard tromboprofylax (Clexane 40 mg, 1 x 1 s.c.) och antibiotikaprofylax (Tarsime 3 x 1,5 g i.v.) under sjukhusvistelse. Individualiserad smärtbehandling ingick. Alla andra mediciner togs enligt patientens standardrekommendationer.
I januari 2019 utfördes en artroplastikrevision av vänster höft, som inkluderade ersättning av en lös acetabulärkomponent med det skräddarsydda implantatet: Triflänsad acetabulärkomponent, polyeteninsats, begränsad, fästskruvar-10 stycken, Co-Cr-Mo-begränsat modulärt huvud (36 mm) och en 9 mm hals.
Operationen varade i 4 timmar och utfördes utan komplikationer. Vertikalisering med hjälp av en vandrare ägde rum den andra dagen efter proceduren. Patienten skrevs ut på dag 14 i ett gott allmäntillstånd (lång rehabiliteringstid på grund av fotförlamning efter cerebral pares). Kontrollbesök ägde rum efter de angivna datumen. Radiologiska kontroll-CTs och röntgenstrålar utfördes före operationen (figur 3, figur 6 och figur 7), efter operationen (figur 2 och figur 8) och efter 2 år (figur 9). Implantatplacering utfördes i enlighet med projektets antaganden. Förskjutningen, rörelseomfånget och längden på lemmarna återställdes. Funktionen och patientens livskvalitet var relativt god vid det efterföljande besöket och förbättrades avsevärt sedan den första diagnosen. Före operationen flyttade patienten till en rullstol på grund av smärta - patientens subjektiva bedömning på den 10-punkts visuella analoga smärtintensitetsskalan var 8 (VAS 8). Efter operationen, under rehabilitering, slutade hon använda två ortopediska kryckor. Patienten går för närvarande med en krycka på grund av fotdroppsperoneal nervpares efter tidigare operation på ett annat sjukhus. Enligt författarnas kunskap var det det första sådana förfarandet i Polen och ett av de första i världen. Det var en medicinsk studentforskningsgrupp som föreslog idén att använda modern teknik vid institutionen för ortopedi och traumatologi i muskuloskeletala systemet.
Anatomiska strukturer som kräver kirurgisk ingrepp måste vara synliga för adekvat implantatfixering som planerat. När det gäller icke-standardiserade patienter med signifikanta benfel och deformation är lämplig visualisering och justering av en skräddarsydd protes av grundläggande betydelse för behandlingsprocessen. Korrekt implantatfixering minskar risken för postoperativa komplikationer som lossning eller instabilitet. Tekniken för blandad verklighet gör det möjligt att utan risk och på ett icke-invasivt sätt exakt visualisera bäckenet, benen och mjuka vävnader, vilket ökar chanserna för bra implantatplacering och till och med eventuellt förkortar operationstiden i framtiden. Möjligheten att manipulera bilden, till exempel zooma in de valda fragmenten av de komplexa anatomiska strukturerna, gör det möjligt att utesluta bristerna i kirurgens öga (figur 10 och figur 11). Sammanfattningsvis utfördes en exakt, helt personlig komplex revision artroplastik. Författarna ser möjligheter till vidareutveckling av mixad verklighet inom ortopedi, inte bara inom artroplastik och traumatologi, utan även inom ortopedisk onkologi, där det ofta är nödvändigt att utföra mycket omfattande resektioner med hög precision. Lämplig visualisering av svårtillgängliga anatomiska områden med omgivande neurovaskulära strukturer kan göra operationen enklare för kirurgen och säkrare för patienten.
Figur 1: Visualisering av det fasta implantatet. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 2: Röntgen en dag efter operationen. Bokstaven 'L' representerar kroppens vänstra sida på röntgenstrålen. I det här fallet ett foto av vänster höft. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3: Röntgen före operationen. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 4: Visualisering av det fasta implantatet. Visualisering förbereds i processen med preoperativ planering. Det visar den potentiella fixeringen av implantatet. Den blå färgen i visualiseringen är implantatets kant. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 5: 3D-projekt för införande av implantatfästskruvar. Färger används av ingenjörer för bättre och mer exakt visualisering. Detta gör det enkelt att skilja bultar med olika parametrar-längd, tvärsnitt. Monteringssekvensen kan också beaktas. Färgerna är illustrativa och används i den preoperativa planeringsprocessen. Vid planeringen av implantatmonteringen är det viktigt att utesluta intraoperativ skada på blodkärl och nerver. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 6: CT-3D-rekonstruktion före operationen visar höftlederna och en del av lårbenet. Synlig degeneration och förstörelse av benstrukturer, bäckenasymmetri. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 7: CT-3D-rekonstruktion före operationen. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 8: Röntgen 6 veckor efter operationen. Implantatet monterades korrekt, det lossnade inte. Synlig vänster höft endoprostes med fixeringselement. Röntgen i kombination med den kliniska undersökningen av patienten bekräftar operationens framgång. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 9: Röntgen 2 år efter operationen. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Bild 10: Mixed reality-användarens synvinkel – bäckenet framifrån. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Bild 11: Mixed reality användarens synvinkel – bäckenet från sidan. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Bild 12: Mixed reality-användarens synvinkel – fotot som togs under operationen – hologrammet visar en del av bäckenet. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 13: Fotot som togs under operationen - huvudoperatören, prof. Łęgosz använder teknik för mixad verklighet. Klicka här för att se en större version av denna figur.
| HSS-POÄNG | |||
| FÖRE OPERATIONEN | 6 VECKOR EFTER OPERATIONEN | 6 MÅNADER EFTER OPERATIONEN | 12 MÅNADER EFTER OPERATIONEN |
| 44 | 74,5 | 80 | 82 |
Tabell 1: HHS-poängtabell - presenterar patientens resultat enligt Harris Hip-poängen före proceduren, 6 veckor efter proceduren, 6 månader efter proceduren, 12 månader efter proceduren.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Primär och revision höftartroplastik kan kräva personalisering för att säkerställa effektiviteten av behandlingen. Användningen av anpassade implantat kräver dock längre förberedelser för operation jämfört med standardprocedurer. Skräddarsydda 3D-tryckta implantat är lösningen som ger en chans att återställa funktionen hos icke-typiska patienter vars sjukdom har orsakat betydande benförstöring29. Standardproteser är otillräckliga på grund av avancerad degenerativ sjukdom som utvecklas snabbt, bendefekter orsakade av primära bentumörer eller metastaser, samt komplicerade skador eller flera revisionsprocedurer16. Skräddarsydda implantat förbereds för en specifik patient med fullständig individualisering med tanke på anatomiska anomalier och nuvarande kliniska tillstånd. Processen att skapa ett implantat kräver samarbete mellan ortopediska kirurger med ingenjörer och är baserat på CT eller magnetisk resonansavbildning (MRI). Förberedelsen av den virtuella implantatmodellen är komplicerad. Det utförs av ingenjörer som exakt bestämmer krafterna som verkar mellan benet och implantatet. Den preliminära virtuella 3D-modellen konsulteras med kirurgen och efter godkännandet börjar produktionen av det skräddarsydda implantatet. Rätt implantat levereras tillsammans med PDF-filinstruktioner för operationsteamet. Det åtföljs av en exakt plastmodell av bäckenbenen och implantatet för träningsändamål och intraoperativ montering.
Preoperativ planering är av stor betydelse, särskilt i samband med revision artroplastik. När man kvalificerar en patient för förfarandet är det nödvändigt att ta hänsyn till deras allmänna kliniska tillstånd, bördan av comorbiditeter och sjukdomens nuvarande historia15. Efter att lagledaren fattat beslutet skickas resultaten av datortomografi till tillverkaren av implantatet, och sedan börjar den 6 veckor långa proceduren, som inkluderar att producera en 3D-modell och den slutliga versionen av implantatet.
Mixad verklighet är en hybrid av verklig och virtuell verklighet där fysiska objekt samexisterar med digitala hologram, och interaktion mellan dem är möjlig i realtid21. Det används nu i stor utsträckning inom olika områden, inklusive medicin 35,36,37, och det används oftast för att visualisera medicinska data som tredimensionella CT-skanningar eller MR38,39,40. Denna teknik gör det möjligt att planera behandlingar mer exakt, snabbt få tillgång till patientens data i diagnostik eller bättre visualisera det kirurgiska fältet intraoperativt41. Mixad verklighet har också hittat sin tillämpning i utbildning inom grundläggande och kliniska vetenskaper i varje utbildningsstadium, inklusive studenter, medicinska invånare och konsulter.
Som vid beredning av skräddarsydda implantat är det första steget i samarbetet mellan läkare och ingenjörer medicinska bilddata lagrade i DICOM-standarden. Mer avancerade tekniker som används inom radiologi och samtidigt utvecklar tekniska lösningar möjliggör också integration och användbarhet av dynamiska bilddata, t.ex. ultraljud i realtid. Nästa steg är rendering-bearbetning av erhållna data för att göra tredimensionella hologram skickade till en enhet. Användaren kan se visualiseringen som en del av sin omgivning och kan enkelt interagera med den. Headsetet som placeras på operatörens eller medlemmarna i det operativa teamet är utrustat med sensorer (kameror, accelerometer, magnetometer, gyroskop), vilket gör att holografiska data kan ses som en del av omgivningen (figur 12). Operatören kan styra hologrammen med handgester och röstkommandon, som anpassar visualiseringen till hans/hennes specifika behov. Det är möjligt att ändra storlek, struktur, position med bibehållna sterila förhållanden. Den HoloLens påverkar inte arbetskomforten negativt och begränsar inte synfältet under proceduren när hologrammen inte visas. Det medicinska teamet var tidigare förberett för operationen genom möjligheten att bekanta sig med de exakta och detaljerade 3D-utskriftsfog- och protesmodellerna som levererades tillsammans med implantatet, samt genom utbildning med ett team av ingenjörer. Användningen av glasögon för mixad verklighet är mycket intuitiv och effektiv användning av uppladdade hologram är lätt att lära sig. Den blandade verkligheten var en effektiv lösning, både när det gäller förberedelserna för operationen och när det gäller genomförandet av förfarandet.
Enligt författarnas kunskap är detta den första rapporten om användningen av mixed reality-teknik vid höftrevisionskirurgi med användning av det 3D-tryckta acetabulära implantatet. Det var den första intraoperativa användningen av enheten i författarnas kliniska centrum (figur 13). Tidigare publikationer inkluderar primär höftartroplastik med användning av mixed reality-teknik. Det presenterades av Lei Peng-fei et al. hos en 59-årig patient med intertrochanterisk fraktur42. Skräddarsydda implantat och mixad verklighet är en allt populärare lösning som används inom olika områden av kirurgi. Kombinationen av båda är en innovation med lovande resultat. För närvarande är dessa typer av behandlingar experimentella på grund av höga kostnader och behovet av lämplig förberedelse, det finns inte tillräckligt med kvantitet för att skapa objektiva originalstudier; Inom en snar framtid kommer det dock att vara möjligt på grund av forskningsanslagen och det växande intresset hos kliniker. I samband med befintliga och vanliga lösningar under kirurgiska ingrepp har röntgen- eller CT-projektioner som visas på en standard 2D-bildskärm begränsningar eftersom de inte tillåter visning av anatomiska strukturer från ett annat perspektiv. Det är inte möjligt att förstora och ändra strukturens position i rymden. Enligt författarnas uppfattning är skräddarsydda implantat och blandad verklighetsteknik lovande för svår revision artroplastik, liksom traumatologi och ortopedisk onkologi. Enligt författarna är den blandade verkligheten också tillämplig för patienter som är kvalificerade för standard endoprosteser, inklusive primära endoprosteser som inte kräver skräddarsydda implantat. Intraoperativ navigering förstärkt av mixad verklighet möjliggör bättre och mer exakt placering av implantat. Just nu genomförs pilotstudier med lovande resultat43.
Varje steg i planeringen av proceduren och förberedelsen av patienten är mycket viktigt och ingen av dem kan underskattas. Kvaliteten på medicinsk avbildning och lämpligt samarbete med ingenjörer, både i utformningen av implantatet och vid beredningen av hologrammet, är viktiga för operationens framgång. Det kritiska ögonblicket under proceduren är avlägsnandet av de gamla implantatkomponenterna och fixeringen av den nya, personliga på en tidigare förberedd plats. I detta skede är hologram viktiga för att proceduren ska utföras mycket exakt.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Maciej Stanuch, Adriana Złahoda-Huzior och Andrzej Skalski är MedApp S.A.-anställda. MedApp S.A. är företaget som tillverkar CarnaLifeHolo-lösningen.
Acknowledgments
Ej tillämpligt.
Studien genomfördes som en del av ett icke-kommersiellt samarbete.
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).
