增强现实导航引导的股骨头坏死核心减压

摘要

将增强现实技术应用于股骨头坏死的核心减压，实现该外科手术的实时可视化。该方法可有效提高岩心减压的安全性和精度。

摘要

股骨头坏死（ONFH）是中青年患者中常见的关节疾病，严重负担他们的生活和工作。对于早期ONFH，核心减压手术是一种经典而有效的髋关节保护疗法。在Kirschner线核心减压的传统程序中，仍然存在许多问题，例如X射线暴露，反复穿刺验证以及对正常骨组织的损伤。穿刺过程的盲目性和无法提供实时可视化是这些问题的关键原因。

为了优化这一程序，我们的团队在增强现实（AR）技术的基础上开发了一种术中导航系统。该手术系统可以直观地显示手术区域的解剖结构，并将术前图像和虚拟针头实时渲染到术中视频中。在导航系统的引导下，外科医生可以准确地将Kirschner导线插入目标病变区域，并将附带损伤降至最低。我们用这个系统进行了10例核心减压手术。与传统程序相比，定位和透视的效率大大提高，穿刺的准确性也得到了保证。

引言

股骨头坏死（ONFH）是一种常见的致残性疾病，发生在年轻人中¹。临床上，有必要根据 X 线、CT 和 MRI 确定 ONFH 的分期，以决定治疗策略（图 1）。对于早期ONFH，通常采用髋关节保留疗法²。核心减压（CD）手术是ONFH最常用的髋关节保留方法之一。已有报道，联合或不联合骨移植的核心减压治疗早期 ONFH 的某些疗效，可避免或延迟后续全髋关节置换术 （THA）^3，4，5。然而，在以前的研究中，有或没有骨移植的克罗恩病的成功率报告不同，从64%到95%^{6，7，8，9}。手术技术，特别是钻孔位置的准确性，对于髋关节保留的成功非常重要¹⁰。由于穿刺和定位程序的失明，传统的CD技术存在几个问题，例如更多的透视时间，使用Kirschner线反复穿刺以及正常骨组织^11，12的损伤。

近年来，增强现实（AR）辅助方法已在骨科手术中引入¹³。AR技术可以直观地显示手术场的解剖结构，指导外科医生规划手术程序，从而降低手术难度。AR技术在椎弓根螺钉植入和关节关节置换术中的应用已有^{14，15，16，17}的报道。在这项研究中，我们的目标是将AR技术应用于CD程序，并验证其在临床实践中的安全性，准确性和可行性。

系统硬件组件
基于AR的导航手术系统的主要部件包括:（1）安装在手术区域正上方的深度摄像头（图2A）;视频从中拍摄并发送回工作站，以便与成像数据进行注册和协作。（2）穿刺装置（图2B）和非侵入性体表标记框架（图2C），均带有被动红外反射器。红外设备可以捕获标记球的特殊反射涂层（图3），以实现对手术区域内手术设备的精确跟踪。（3）红外定位装置（图2D）负责跟踪手术区域的标记物，高精度匹配体表标记框和穿刺装置（图4）。（4）主机系统（图2E）是一个64位工作站，安装了自主研发的AR辅助骨科手术系统。髋关节和股骨头穿刺手术的增强现实显示可以在其辅助下完成。

研究方案

本研究经中日友好医院伦理委员会批准（批准号:2021-12-K04）。以下所有步骤均按照标准化程序进行，以避免对患者和外科医生造成伤害。本研究获得了患者的知情同意。外科医生必须熟练掌握传统的核心减压程序，以确保在导航不准确或其他意外情况下，手术可以以传统方式进行。

1. ONFH的术前诊断和分级

1. 识别具有ONFH临床症状的患者;典型症状，例如腹股沟区域持续性或间歇性疼痛伴同侧髋关节或膝关节放射痛。体格检查显示腹股沟区域深部压痛、帕特里克征、髋关节内旋和外展的有限性，或使用 X 线、CT 和 MRI 测量的股骨头坏死改变。
2. 根据协会研究骨循环（ARCO）分期，回顾患者的髋关节X线，CT和MRI，并确定ONFH的分期。两名医生独立进行这项工作。如果出现分歧，请第三位专家做出最终决定。
3. 使用问卷记录术前视觉模拟量表 （VAS） 和 Harris 髋关节评分。
4. 包括使用以下标准的患者:1）ONFH患者;2）通过影像学检查（X线，CT和MRI）确认的ONFH的I期，IIA期和IIB期;3）计划进行股骨头核心减压手术。排除以下情况的患者:1）患者拒绝CD手术;2）术前常规检查提示手术矛盾，如感染或基础状况不佳;3）患者拒绝入组。

2. 系统配准和精度测试

1. 运行AR辅助骨科手术系统（由于商业化问题，无法提供软件详细信息），然后单击 正交视频 以激活深度摄像头。激活后，手术区域的图像将显示在屏幕上（图5A）。放置光学跟踪设备，使其跟踪区域可以完全覆盖手术区域（图5B）。
2. 单击" NDI 设置 "以选择设备访问端口 COM4。单击 虚拟针头长度设置 （通常 Kirschner 针的长度为 180 mm），视频中的手术区域将自动生成虚拟 Kirschner 针头图像。
3. 将计划的手术额叶区域分为上下两级，每层尺寸为30厘米x 30厘米，两级之间的高度差为15厘米。系统自动在软件中输入手术区域的空间信息。
4. 平均分配每个级别10个匹配点;对于每30厘米x 30厘米的区域，将其分成三个相等的部分，其中两个部分各有三个点，一个部分（左部分）有四个点。要求助手根据各点放置非侵入性体表标记框（图2C）。完成后，单击 "匹配"。系统自己的特殊配准图像将自动叠加在标记框上（图5C）。当图像和标记框完全重合时，考虑这一点的配准成功。
5. 将框架移动到下一个注册点，然后重复步骤 2.4。直到所有注册点都完成。由于装有穿刺装置的标记框（图3A2）的形状与非侵入性体表标记框完全相同，一旦套准完成，前者也可以通过光学跟踪装置在手术区域进行跟踪。
6. 在手术区域随机移动穿刺装置，以检测虚拟针的匹配度和跟踪延迟（图6）。由于红蓝色虚拟Kirschner针体自动与手术区域的实际针头相适应，因此Kirschner针头的增强现实显示是成功的（图5D）。
   注意:在配准过程中，不应随意更改光学跟踪设备和深度相机的位置。如果是这样，虚拟手术的空间位置关系将发生变化，导致虚拟Kirschner针头与物理针之间的不匹配，并且必须重新进行注册。

3. 穿刺前的患者和系统准备

1. 进入手术室后，要求患者仰卧并固定患侧的下肢（图7）。对所有患者进行全身麻醉。
2. 用碘和75%酒精准备手术部位，并将无创体表定位装置（使用标准程序灭菌）放在患者受影响的髋部。
3. 将C-ARM荧光镜移动到手术台的一侧，并将源头放在髋关节上方。将源与深度摄像头对齐，并将手术台的位置记录为位置 1。
4. 第一次透视后，将BMP格式的X光片导出到系统工作站，在 照片编辑中打开它，然后通过单击" 光刻度选项"调整其灰度。顺时针旋转，水平翻转一次，单击相应的按钮转换为 BMP。然后，通过单击" 绘制3D "将其打开并另存为JPG格式，其中包含非侵入性体表标记框架，并将其命名为图像1（图8A）。
   注:此转换过程是为了促进系统识别的成功。由于图像转换的特殊要求，需要调整X射线图像的灰度以进行旋转和反转。
5. 将手术台直接滑到深度摄像头下方，到达标记为位置 2 的操作区域。位置 1（在步骤 3.3 中）和位置 2 是同一水平面上的两个点，相距 30 厘米。
6. 在 AR 辅助骨科手术系统中，单击 "文件>前 X 射线图像"，然后选择图像 1。系统自动识别患者皮肤表面上的非侵入性体表标记框，然后将该图像叠加到手术视频中的髋关节（图8B）。
7. 使用上面生成的X射线图像和实时视频的增强现实显示，外科医生根据此计划穿刺路径。

4. 手术系统辅助穿刺

1. 外科医生站在受影响的一侧并执行以下步骤。握住穿刺装置并确定最佳插入角度。在手术视频中，在虚拟Kirschner线和髋关节的X射线图像的指导下，在皮肤表面上标记插入点。
2. 选择直径为 2.5 mm 的 Kirschner 导线，然后将其从插入点刺穿。观察视频中的插入深度和角度，并及时调整。
3. 当虚拟针头到达坏死的目标区域时，停止穿刺过程并保留屏幕截图作为图像2（图9A），以便随后进行穿刺准确性评估。
4. 将针入。将手术台移动到第二次透视的位置 1，以验证 Kirschner 导线的实际穿刺情况。将图像文件记录为图像3（图9B）。
5. 当Kirschner线的位置满足外科医生的所有要求时，穿刺是成功的。然后，使用柳叶刀切开针头周围的皮肤，并分离每一级软组织，直到暴露出转子下骨，大约到3厘米的深度。用5毫米的环锯沿着Kirschner线钻入坏死区域，以完成后续手术（人造骨或自体骨植入）。
6. 完成所有程序后，用3-0丝线关闭皮肤，并用无菌敷料覆盖（图10）。返回病房后，为患者提供接受的常见骨科术后药物，如感染预防、镇痛、输液等。如果没有发生并发症，手术后3天出院。

5. 运行评估

1. 将图像 2 和图像 3 导入图像处理软件，并将不透明度调整为 52%。
2. 单击"遮罩"按钮以重叠两个图像，然后单击"标尺"按钮以测量_虚拟尖端与股骨皮层穿刺点之间的距离（L 虚拟），以及 Kirschner 针尖与股骨皮层穿刺点之间的距离 （L_）。计算L_虚拟和L_{之间的差值}以评估穿刺精度。
3. 在穿刺过程中，按如下方式测量定位时间:定位时间从Kirschner导线刺穿皮肤的时间开始，当X射线确认Kirschner线已成功到达股骨头的目标区域时停止。
4. 手术后三个月，拍摄髋关节X光片（图11）并记录视觉模拟量表和Harris髋关节评分。

结果

操作特点
手术导航系统应用于9例患者的连续10个髋关节。手术平均总定位时间为10.1分钟（中位数9.5分钟，范围8.0-14.0分钟）。平均C-ARM透视率为5.5倍（中位数为5.5倍，范围为4-8倍）。穿刺精度的平均误差为1.61 mm（中位数为1.2 mm，范围为-5.76-19.73 mm; 表 1）。结果表明，与传统程序相比，定位时间和透视时间明显缩短。

临床结局评估
入...

讨论

虽然THA近年来发展迅速，成为ONFH的有效终极方法，但髋关节保存疗法在治疗早期ONFH^18，19中仍然起着重要作用。CD是一种基础有效的髋关节保留手术，它可以释放髋关节疼痛，延缓股骨头塌陷^20的发生。局灶性坏死的穿刺定位是克罗恩病的关键程序，因为它决定了手术的成功或失败。然而，传统的穿刺定位方法仍然含有一些盲点，可能?...

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
AR-assisted Orthopedic Surgery System	Self development	None	An operating software that implements AR for orthopedic surgery
Depth camera	Stereolabs	ZED depth camera(ZED mini)	shoot video and sent back to the workstation.
Image processing software	Adobe Systems Incorporated	Adobe Photoshop CS6	Image processing software
Infrared positioning device	Northern Digital Inc.	NDI Polaris Spectra optical tracking device	Tracking markers in the surgical area.
Puncture device	Stryker	Stryker System 7 Cordless driver and Sabo	Insert kirschner wire into the necrotic area.