Augmented Reality Navigationsgesteuerte Kerndekompression bei Osteonekrose des Oberschenkelkopfes

Zusammenfassung

Die Augmented-Reality-Technologie wurde auf die Kerndekompression bei Osteonekrose des Hüftkopfes angewendet, um eine Echtzeit-Visualisierung dieses chirurgischen Eingriffs zu realisieren. Diese Methode kann die Sicherheit und Präzision der Kerndekompression effektiv verbessern.

Zusammenfassung

Osteonekrose des Hüftkopfes (ONFH) ist eine häufige Gelenkerkrankung bei jungen und mittleren Patienten, die ihr Leben und ihre Arbeit ernsthaft belastet. Für die ONFH im Frühstadium ist die Kerndekompressionschirurgie eine klassische und effektive Hüfterhaltungstherapie. Bei traditionellen Verfahren der Kerndekompression mit Kirschnerdraht gibt es immer noch viele Probleme wie Röntgenexposition, wiederholte Punktionsüberprüfung und Schädigung des normalen Knochengewebes. Die Blindheit des Punktionsprozesses und die Unfähigkeit, Echtzeit-Visualisierungen zu liefern, sind entscheidende Gründe für diese Probleme.

Um dieses Verfahren zu optimieren, hat unser Team ein intraoperatives Navigationssystem auf Basis der Augmented-Reality-Technologie (AR) entwickelt. Dieses chirurgische System kann intuitiv die Anatomie der Operationsbereiche darstellen und präoperative Bilder und virtuelle Nadeln in Echtzeit in intraoperatives Video übertragen. Mit der Führung des Navigationssystems können Chirurgen Kirschner-Drähte genau in den gezielten Läsionsbereich einführen und die Kollateralschäden minimieren. Wir haben 10 Fälle von Kerndekompressionsoperationen mit diesem System durchgeführt. Die Effizienz der Positionierung und Durchleuchtung ist im Vergleich zu den herkömmlichen Verfahren erheblich verbessert, und die Genauigkeit der Punktion ist ebenfalls garantiert.

Einleitung

Osteonekrose des Hüftkopfes (ONFH) ist eine häufige behindernde Erkrankung, die bei jungen Erwachsenen auftritt¹. Klinisch ist es notwendig, das Staging von ONFH basierend auf Röntgen, CT und MRT zu bestimmen, um die Behandlungsstrategie zu bestimmen (Abbildung 1). Für ONFH im Frühstadium wird in der Regel eine Hüfterhaltungstherapie angewendet². Die Core Decompression (CD) -Operation ist eine der am häufigsten verwendeten Hüfterhaltungsmethoden für ONFH. Es wurden bestimmte heilende Wirkungen der Kerndekompression mit oder ohne Knochentransplantation bei der Behandlung von ONFH im Frühstadium berichtet, die eine nachfolgende totale Hüftendoprothetik (THA) für eine lange Zeit vermeiden oder verzögern^{können 3,4,5}. Die Erfolgsrate von CD mit oder ohne Knochentransplantation wurde jedoch in früheren Studien unterschiedlich berichtet, von 64% bis 95%6,7,8,9. Die Operationstechnik, insbesondere die Genauigkeit der Bohrposition, ist wichtig für den Erfolg der Hüftkonservierung¹⁰. Aufgrund der Blindheit des Punktions- und Positionierungsverfahrens haben die traditionellen Techniken der CD mehrere Probleme, wie z.B. mehr Durchleuchtungszeit, wiederholte Punktion mit Kirschnerdraht und Verletzung von normalem Knochengewebe^11,12.

In den letzten Jahren wurde die Augmented Reality (AR)-assistierte Methode in der orthopädischen Chirurgie^{eingeführt 13}. Die AR-Technik kann die Anatomie des Operationsfeldes visuell darstellen, die Chirurgen bei der Planung des Operationsverfahrens leiten und somit die Schwierigkeit der Operation reduzieren. Die Anwendungen der AR-Technik in der Pedikelschraubenimplantation und Gelenkendoprothetik wurden bereits^{berichtet 14,15,16,17}. In dieser Studie wollen wir die AR-Technik auf das CD-Verfahren anwenden und ihre Sicherheit, Genauigkeit und Machbarkeit in der klinischen Praxis überprüfen.

Hardwarekomponenten des Systems
Zu den Hauptkomponenten des AR-basierten Navigations-Operationssystems gehören die folgenden: (1) Eine Tiefenkamera (Abbildung 2A), die direkt über dem Operationsbereich installiert ist; Von diesem wird das Video aufgenommen und zur Registrierung und Zusammenarbeit mit den Bilddaten an die Workstation zurückgesendet. (2) Eine Punktionsvorrichtung (Abbildung 2B) und ein nicht-invasiver Körperoberflächenmarkierungsrahmen (Abbildung 2C), beide mit passiven Infrarotreflektoren. Eine spezielle reflektierende Beschichtung von Markierungskugeln (Abbildung 3) kann von Infrarotgeräten erfasst werden, um eine genaue Verfolgung von chirurgischen Geräten im chirurgischen Bereich zu erreichen. (3) Ein Infrarot-Positionierungsgerät (Abbildung 2D) ist für die Verfolgung von Markierungen im Operationsbereich verantwortlich, die den Körperoberflächenmarkierungsrahmen und das Punktionsgerät mit hoher Genauigkeit aufeinander abstimmen (Abbildung 4). (4) Das Host-System (Abbildung 2E) ist eine 64-Bit-Workstation, die mit dem unabhängig entwickelten AR-gestützten orthopädischen Chirurgiesystem installiert wird. Die Augmented-Reality-Anzeige der Hüftgelenk- und Oberschenkelkopfpunktionsoperation kann mit ihrer Hilfe abgeschlossen werden.

Protokoll

Diese Studie wurde von der Ethikkommission des China-Japan Friendship Hospital genehmigt (Zulassungsnummer: 2021-12-K04). Alle folgenden Schritte wurden nach standardisierten Verfahren durchgeführt, um Verletzungen der Patienten und der Chirurgen zu vermeiden. Für diese Studie wurde eine informierte Patienteneinwilligung eingeholt. Der Chirurg muss in konventionellen Kerndekompressionsverfahren geschult sein, um sicherzustellen, dass die Operation im Falle einer ungenauen Navigation oder anderer unerwarteter Situationen auf traditionelle Weise durchgeführt werden kann.

1. Präoperative Diagnose und Einstufung von ONFH

1. Identifizieren Sie Patienten mit klinischen Symptomen von ONFH; Typische Symptome wie anhaltende oder intermittierende Schmerzen in der Leistengegend mit ipsilateralen Hüft- oder Knieschmerzen. Die körperliche Untersuchung zeigte eine tiefe Zärtlichkeit in der Leistengegend, Patricks Zeichen, eine begrenzte Hüftbewegung der inneren Rotation und Abduktion oder Nekroseveränderungen des Hüftkopfes, die mit Röntgen, CT und MRT gemessen wurden.
2. Nach Angaben der Association Research Circulation Osseous (ARCO) Staging, überprüfen Sie die Röntgenaufnahmen, CT und MRT der Hüfte und bestimmen Sie das Staging von ONFH. Zwei Ärzte führen diese Arbeit unabhängig voneinander durch. Wenn Meinungsverschiedenheiten auftreten, bitten Sie einen dritten Experten, die endgültige Entscheidung zu treffen.
3. Zeichnen Sie die präoperative visuelle Analogskala (VAS) und den Harris Hip Score mit einem Fragebogen auf.
4. Schließen Sie Patienten nach folgenden Kriterien ein: 1) Patienten mit ONFH; 2) Stadium I, IIA und IIB von ONFH, bestätigt durch bildgebende Untersuchung (Röntgen, CT und MRT); 3) Die Femurkopfkern-Dekompressionsoperation ist geplant. Patienten ausschließen, wenn: 1) Patienten die CD-Operation ablehnen; 2) präoperative Routineuntersuchung weist auf chirurgische Widersprüche wie Infektionen oder schlechten Grundzustand hin; 3) Patienten weigern sich, in die Gruppe aufgenommen zu werden.

2. Systemregistrierung und Genauigkeitsprüfung

1. Führen Sie das AR-gestützte orthopädische Chirurgiesystem aus (aufgrund von Kommerzialisierungsproblemen können keine Softwaredetails angegeben werden) und klicken Sie auf Orthographisches Video , um die Tiefenkamera zu aktivieren. Nach der Aktivierung wird ein Bild des Operationsbereichs auf dem Bildschirm angezeigt (Abbildung 5A). Positionieren Sie das optische Tracking-Gerät so, dass sein Tracking-Bereich den Operationsbereich vollständig abdecken kann (Abbildung 5B).
2. Klicken Sie auf NDI-Einstellung , um den Gerätezugriffsport COM4 auszuwählen. Klicken Sie auf die virtuelle Nadellängeneinstellung (in der Regel ist eine Kirschner-Nadel 180 mm lang) und ein virtuelles Kirschner-Nadelbild wird automatisch im Operationsbereich im Video generiert.
3. Teilen Sie den geplanten chirurgischen Frontbereich in obere und untere Ebenen mit jeder Ebene 30 cm x 30 cm groß und mit einem Höhenunterschied von 15 cm zwischen den Ebenen. Das System gibt diese räumlichen Informationen des Operationsbereichs automatisch in die Software ein.
4. Verteilen Sie jedes Level gleichmäßig mit 10 übereinstimmenden Punkten. Für jede Fläche von 30 cm x 30 cm teilen Sie sie in drei gleiche Teile, wobei zwei Teile jeweils drei Punkte und ein Teil (linker Teil) vier Punkte hat. Bitten Sie den Assistenten, den nicht-invasiven Markierungsrahmen für die Körperoberfläche (Abbildung 2C) entsprechend den Punkten zu platzieren. Wenn Sie fertig sind, klicken Sie auf Match. Das systemeigene Sonderbild für die Registrierung wird automatisch auf den Markierungsrahmen eingeblendet (Abbildung 5C). Betrachten Sie die Registrierung dieses Punktes als erfolgreich, wenn das Bild und der Markierungsrahmen vollständig übereinstimmen.
5. Verschieben Sie den Frame zum nächsten Registrierungspunkt, und wiederholen Sie Schritt 2.4. bis alle Registrierungspunkte abgeschlossen sind. Da die Form des mit der Punktionsvorrichtung ausgestatteten Markierrahmens (Abbildung 3A2) genau der des nicht-invasiven Körperoberflächenmarkierungsrahmens entspricht, kann ersterer nach Abschluss der Registrierung auch vom optischen Tracking-Gerät im chirurgischen Bereich verfolgt werden.
6. Bewegen Sie das Punktionsgerät zufällig im Operationsbereich, um den übereinstimmenden Grad der virtuellen Nadel und der Nachverfolgungsverzögerung zu erkennen (Abbildung 6). Da der rot-blaue virtuelle Kirschner-Nadelkörper automatisch zur eigentlichen Nadel im Operationsbereich passt, ist die Augmented-Reality-Darstellung der Kirschner-Nadel erfolgreich (Abbildung 5D).
   HINWEIS: Während des Registrierungsprozesses sollte die Position des optischen Tracking-Geräts und der Tiefenkamera nicht nach Belieben geändert werden. Wenn dies der Fall ist, ändert sich die räumliche Positionsbeziehung der virtuellen Chirurgie, was zu einer ungenauen Übereinstimmung zwischen der virtuellen Kirschner-Nadel und der physischen Nadel führt, und die Registrierung muss erneut durchgeführt werden.

3. Patienten- und Systemvorbereitung vor der Punktion

1. Bitten Sie den Patienten nach dem Betreten des Operationssaals, sich in Rückenlage hinzulegen und die untere Extremität der betroffenen Seite zu fixieren (Abbildung 7). Verabreichen Sie allen Patienten eine Vollnarkose.
2. Bereiten Sie die Operationsstelle mit Jod und 75% Alkohol vor und legen Sie das nicht-invasive Körperoberflächenpositionierungsgerät (sterilisiert mit Standardverfahren) auf die betroffene Hüfte des Patienten.
3. Bewegen Sie das C-ARM-Fluoroskop an die Seite des Operationstisches und positionieren Sie die Quelle über dem Hüftgelenk. Richten Sie die Quelle mit der Tiefenkamera aus und zeichnen Sie die Position des OP-Tisches als Position 1 auf.
4. Exportieren Sie nach der ersten Durchleuchtung das Röntgenbild im BMP-Format auf den Systemarbeitsplatz, öffnen Sie es in der Fotobearbeitung und passen Sie seine Graustufen an, indem Sie auf die Option Lichtskala klicken. Drehen Sie sich im Uhrzeigersinn und drehen Sie einmal horizontal, indem Sie auf die entsprechenden Schaltflächen klicken, um sie in BMP umzuwandeln. Öffnen Sie es dann, indem Sie auf Painting 3D klicken, und speichern Sie es im JPG-Format, das einen nicht-invasiven Körperoberflächenmarkierungsrahmen enthielt, und nennen Sie es Bild 1 (Abbildung 8A).
   HINWEIS: Dieser Konvertierungsprozess soll den Erfolg der Systemidentifikation fördern. Aufgrund der besonderen Anforderungen an die Bildkonvertierung ist es notwendig, die Graustufen des Röntgenbildes für Rotation und Inversion anzupassen.
5. Schieben Sie den OP-Tisch direkt unter die Tiefenkamera in den als Position 2 markierten Arbeitsbereich. Position 1 (in Schritt 3.3) und Position 2 sind zwei Punkte auf derselben horizontalen Ebene, 30 cm voneinander entfernt.
6. Klicken Sie im AR-gestützten orthopädischen Chirurgiesystem auf Datei > vorderen Röntgenbild, und wählen Sie Bild 1 aus. Das System identifiziert automatisch den nicht-invasiven Körperoberflächenmarkierungsrahmen auf der Hautoberfläche des Patienten und überlagert dieses Bild dann im Operationsvideo mit dem Hüftgelenk (Abbildung 8B).
7. Anhand der Augmented-Reality-Anzeige des Röntgenbildes und des oben generierten Echtzeitvideos plant der Chirurg darauf aufbauend den Punktionsweg.

4. Punktion unterstützt durch chirurgisches System

1. Der Chirurg steht auf der betroffenen Seite und führt die folgenden Schritte durch. Halten Sie die Einstichvorrichtung und bestimmen Sie den besten Einfügewinkel. Markieren Sie die Einführstelle auf der Hautoberfläche, geleitet vom virtuellen Kirschnerdraht und dem Röntgenbild des Hüftgelenks im Operationsvideo.
2. Wählen Sie einen Kirschnerdraht mit einem Durchmesser von 2,5 mm und durchstechen Sie ihn von der Einführstelle aus. Beobachten Sie die Einfügetiefe und den Einfügewinkel im Video und passen Sie ihn rechtzeitig an.
3. Wenn die virtuelle Nadel den Zielbereich der Nekrose erreicht hat, stoppen Sie den Punktionsprozess und behalten Sie den Screenshot als Bild 2 (Abbildung 9A) für die anschließende Bewertung der Punktionsgenauigkeit bei.
4. Indwell die Nadel. Bewegen Sie den Operationstisch für die zweite Durchleuchtung an Position 1, um den tatsächlichen Durchstichzustand des Kirschnerdrahtes zu überprüfen. Nehmen Sie die Bilddatei als Bild 3 auf (Abbildung 9B).
5. Die Punktion ist erfolgreich, wenn die Position des Kirschner-Drahtes alle Anforderungen des Chirurgen erfüllt. Verwenden Sie dann die Lanzette, um die Haut um die Nadel herum zu schneiden, und trennen Sie jede Ebene des Weichgewebes, bis Sie den Subtrochanterknochen freilegen, ungefähr bis zu einer Tiefe von 3 cm. Bohren Sie mit einem 5-mm-Trephin in den nekrotischen Bereich entlang des Kirschner-Drahtes, um die nachfolgenden Operationen (künstliche Knochen- oder autologe Knochenimplantation) abzuschließen.
6. Nachdem Sie alle Vorgänge abgeschlossen haben, schließen Sie die Haut mit einem 3-0-Seidenfaden und bedecken Sie sie mit einem sterilen Verband (Abbildung 10). Nachdem Sie auf die Station zurückgekehrt sind, stellen Sie den Patienten akzeptierte gängige orthopädische postoperative Medikamente wie Infektionsprävention, Analgesie und Flüssigkeitsinfusion zur Verfügung. Wenn keine Komplikationen auftreten, entlassen Sie die Patienten 3 Tage nach der Operation.

5. Betriebsbewertung

1. Importieren Sie Bild 2 und Bild 3 in eine Bildverarbeitungssoftware und passen Sie die Deckkraft auf 52% an.
2. Klicken Sie auf die Schaltfläche Maskierung, um die beiden Bilder zu überlappen, und klicken Sie dann auf die Schaltfläche Lineale, um den Abstand (L _virtuell) zwischen der virtuellen Spitze und dem Punktionspunkt des Femurkortex sowie den Abstand (_L-ture) zwischen der Spitze der Kirschner-Nadel und dem Punktionspunkt des Femurkortex zu messen. Berechnen Sie die Differenz zwischen L_virtuell und _{L tur,} um die Durchstoßgenauigkeit zu beurteilen.
3. Messen Sie während der Punktion die Positionierungszeit wie folgt: Die Positionierungszeit beginnt mit dem Zeitpunkt, an dem der Kirschnerdraht die Haut durchbohrt, und hört auf, wenn die Röntgenaufnahme bestätigt, dass der Kirschnerdraht den Zielbereich des Hüftkopfes erfolgreich erreicht hat.
4. Machen Sie drei Monate nach der Operation die Hüftröntgenaufnahme (Abbildung 11) und zeichnen Sie die visuelle Analogskala und den Harris-Hüftwert auf.

Ergebnisse

Funktionsmerkmale
Das chirurgische Navigationssystem wurde bei fortlaufenden 10 Hüften von neun Patienten angewendet. Die durchschnittliche Gesamtpositionierungszeit der Operation betrug 10,1 min (Median 9,5 min, Bereich 8,0-14,0 min). Die mittlere C-ARM-Durchleuchtung betrug das 5,5-fache (Median 5,5-mal, Bereich 4-8-mal). Der mittlere Fehler der Durchstoßgenauigkeit betrug 1,61 mm (Median 1,2 mm, Bereich -5,76-19,73 mm; Tabelle 1). Die Ergebnisse zeigen, dass die Positionierzeit u...

Diskussion

Obwohl sich THA in den letzten Jahren rasant entwickelt hat und zu einer effektiven ultimativen Methode für ONFH geworden ist, spielt die Hüfterhaltungstherapie immer noch eine wichtige Rolle bei der Behandlung von ONFH im Frühstadium^18,19. CD ist eine grundlegende und effektive Hüfterhaltungsoperation, die Hüftschmerzen lösen und die Entwicklung des Femurkopfkollapses²⁰ verzögern kann. Die Punktionspositionierung der fokalen Nekros...

Materialien

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.