Descompresión del núcleo guiada por navegación de realidad aumentada para la osteonecrosis de la cabeza femoral

Resumen

La tecnología de realidad aumentada se aplicó a la descompresión del núcleo para la osteonecrosis de la cabeza femoral para realizar la visualización en tiempo real de este procedimiento quirúrgico. Este método puede mejorar eficazmente la seguridad y la precisión de la descompresión del núcleo.

Resumen

La osteonecrosis de la cabeza femoral (ONFH) es una enfermedad articular común en pacientes jóvenes y de mediana edad, que sobrecarga seriamente sus vidas y su trabajo. Para la ONFH en etapa temprana, la cirugía de descompresión central es una terapia clásica y efectiva de preservación de cadera. En los procedimientos tradicionales de descompresión del núcleo con alambre kirschner, todavía hay muchos problemas, como la exposición a los rayos X, la verificación repetida de la punción y el daño al tejido óseo normal. La ceguera del proceso de punción y la incapacidad de proporcionar visualización en tiempo real son razones cruciales para estos problemas.

Para optimizar este procedimiento, nuestro equipo desarrolló un sistema de navegación intraoperatoria sobre la base de la tecnología de realidad aumentada (AR). Este sistema quirúrgico puede mostrar intuitivamente la anatomía de las áreas quirúrgicas y renderizar imágenes preoperatorias y agujas virtuales a video intraoperatorio en tiempo real. Con la guía del sistema de navegación, los cirujanos pueden insertar con precisión los cables kirschner en el área de la lesión objetivo y minimizar el daño colateral. Se realizaron 10 casos de cirugía de descompresión central con este sistema. La eficiencia del posicionamiento y la fluoroscopia mejora considerablemente en comparación con los procedimientos tradicionales, y la precisión de la punción también está garantizada.

Introducción

La osteonecrosis de la cabeza femoral (ONFH) es una enfermedad incapacitante común que ocurre en adultos jóvenes¹. Clínicamente, es necesario determinar la estadificación de la ONFH en base a rayos X, TC y RM para decidir la estrategia de tratamiento (Figura 1). Para la ONFH en etapa temprana, la terapia de preservación de cadera generalmente se adopta². La cirugía de descompresión del núcleo (EC) es uno de los métodos de preservación de cadera más utilizados para la ONFH. Se han reportado ciertos efectos curativos de la descompresión central con o sin injerto óseo en el tratamiento de la ONFH en etapa temprana, que pueden evitar o retrasar la artroplastia total de cadera (THA) posterior durante mucho tiempo ^3,4,5. Sin embargo, la tasa de éxito de la EC con o sin injerto óseo se informó de manera diferente entre los estudios anteriores, del 64% al 95% 6,7,8,9. La técnica quirúrgica, especialmente la precisión de la posición de perforación, es importante para el éxito de la preservación de la cadera¹⁰. Debido a la ceguera del procedimiento de punción y posicionamiento, las técnicas tradicionales de EC tienen varios problemas, como más tiempo de fluoroscopia, punción repetida con alambre de Kirschner y lesión del tejido óseo normal^11,12.

En los últimos años, el método asistido por realidad aumentada (AR) se ha introducido en la cirugía ortopédica¹³. La técnica AR puede mostrar visualmente la anatomía del campo quirúrgico, guiar a los cirujanos en la planificación del procedimiento quirúrgico y, en consecuencia, reducir la dificultad de la operación. Las aplicaciones de la técnica AR en la implantación de tornillo pedicular y la cirugía de artroplastia articular se han reportado anteriormente 14,15,16,17. En este estudio, nuestro objetivo es aplicar la técnica ar al procedimiento de EC y verificar su seguridad, precisión y viabilidad en la práctica clínica.

Componentes de hardware del sistema
Los principales componentes del sistema quirúrgico de navegación basado en AR incluyen los siguientes: (1) Una cámara de profundidad (Figura 2A) instalada directamente sobre el área quirúrgica; el video se graba desde esto y se envía de vuelta a la estación de trabajo para el registro y la cooperación con los datos de imágenes. (2) Un dispositivo de punción (Figura 2B) y un marco de marcado de superficie corporal no invasivo (Figura 2C), ambos con reflectores infrarrojos pasivos. Un recubrimiento reflectante especial de bolas de marcado (Figura 3) puede ser capturado por equipos infrarrojos para lograr un seguimiento preciso del equipo quirúrgico en el área quirúrgica. (3) Un dispositivo de posicionamiento infrarrojo (Figura 2D) es responsable de rastrear los marcadores en el área quirúrgica, haciendo coincidir el marco de marcado de la superficie corporal y el dispositivo de punción con alta precisión (Figura 4). (4) El sistema host (Figura 2E) es una estación de trabajo de 64 bits, instalada con el sistema de cirugía ortopédica asistida por AR desarrollado de forma independiente. La visualización de realidad aumentada de la articulación de la cadera y la operación de punción de la cabeza femoral se puede completar con su ayuda.

Protocolo

Este estudio fue aprobado por el comité de ética del Hospital de la Amistad China-Japón (número de aprobación: 2021-12-K04). Todos los siguientes pasos se realizaron de acuerdo con procedimientos estandarizados para evitar lesiones a los pacientes y los cirujanos. Se obtuvo el consentimiento informado del paciente para este estudio. El cirujano debe ser experto en procedimientos convencionales de descompresión del núcleo para garantizar que la cirugía se pueda realizar de manera tradicional en caso de navegación inexacta u otras situaciones inesperadas.

1. Diagnóstico preoperatorio y clasificación de la ONFH

1. Identificar a los pacientes con síntomas clínicos de ONFH; síntomas típicos como dolor persistente o intermitente en la región de la ingle con dolor irradiado de cadera o rodilla ipsilateral. El examen físico mostró sensibilidad profunda en la región de la ingle, signo de Patrick, un movimiento limitado de la cadera de rotación interna y abducción, o cambios de necrosis de la cabeza femoral medidos mediante rayos X, TOMOGRAFÍA COMPUTARIZADA y resonancia magnética.
2. De acuerdo con la asociación de investigación de la circulación ósea (ARCO), la estadificación, revise la radiografía, la tomografía computarizada y la resonancia magnética de la cadera de los pacientes y determine la estadificación de la ONFH. Dos médicos realizan este trabajo de forma independiente. Si surgen desacuerdos, pídale a un tercer experto que tome la decisión final.
3. Registre la escala analógica visual (EVA) preoperatoria y la puntuación de cadera de Harris utilizando un cuestionario.
4. Incluir pacientes que utilicen los siguientes criterios: 1) pacientes con ONFH; 2) estadio I, IIA y IIB de ONFH confirmados por examen de imágenes (rayos X, TC y RM); 3) se planifica la cirugía de descompresión del núcleo de la cabeza femoral. Excluir a los pacientes cuando: 1) los pacientes rechacen la cirugía de EC; 2) el examen rutinario preoperatorio indica contradicciones quirúrgicas, como infección o mal estado básico; 3) los pacientes se niegan a ser inscritos en el grupo.

2. Registro del sistema y pruebas de precisión

1. Ejecute el sistema de cirugía ortopédica asistida por AR (debido a problemas de comercialización, no se pueden proporcionar detalles de software) y haga clic en Video ortográfico para activar la cámara de profundidad. Se mostrará una imagen del área quirúrgica en la pantalla después de la activación (Figura 5A). Coloque el dispositivo de seguimiento óptico de modo que su área de seguimiento pueda cubrir completamente el área quirúrgica (Figura 5B).
2. Haga clic en Configuración de NDI para seleccionar el puerto de acceso del dispositivo, COM4. Haga clic en el ajuste de longitud de aguja virtual (generalmente una aguja Kirschner mide 180 mm de largo) y se generará automáticamente una imagen virtual de la aguja Kirschner en el área quirúrgica en el video.
3. Divida el área frontal quirúrgica planificada en niveles superior e inferior con cada nivel de 30 cm x 30 cm de tamaño, y con una diferencia de altura de 15 cm entre los niveles. El sistema ingresa automáticamente esta información espacial del área quirúrgica en el software.
4. Asigna uniformemente cada nivel con 10 puntos de coincidencia; por cada área de 30 cm x 30 cm, divídala en tres partes iguales, con dos partes que tengan tres puntos cada una, y una parte (parte izquierda) con cuatro puntos. Pídale al asistente que coloque el marco de marcado de la superficie corporal no invasivo (Figura 2C) de acuerdo con los puntos. Una vez hecho esto, haga clic en Match. La propia imagen especial del sistema para el registro se superpondrá automáticamente en el marco de marcado (Figura 5C). Considere el registro de este punto exitoso cuando la imagen y el marco de marcado coinciden por completo.
5. Mueva el fotograma al siguiente punto de registro y repita el paso 2.4. hasta que se completen todos los puntos de registro. Como la forma del marco de marcado equipado con el dispositivo de punción (Figura 3A2) es exactamente la misma que la del marco de marcado de superficie corporal no invasivo, una vez que se completa el registro, el primero también puede ser rastreado por el dispositivo de seguimiento óptico en el área quirúrgica.
6. Mueva el dispositivo de punción al azar en el área quirúrgica para detectar el grado correspondiente de la aguja virtual y el retraso de seguimiento (Figura 6). Como el cuerpo de la aguja Kirschner virtual rojo-azul encaja automáticamente con la aguja real en el área quirúrgica, la pantalla de realidad aumentada de la aguja Kirschner es exitosa (Figura 5D).
   NOTA: Durante el proceso de registro, la posición del dispositivo de seguimiento óptico y la cámara de profundidad no deben cambiarse a voluntad. Si es así, la relación de posición espacial de la cirugía virtual cambiará, causando una coincidencia inexacta entre la aguja Kirschner virtual y la física, y el registro debe volver a realizarse.

3. Preparación del paciente y del sistema antes de la punción

1. Después de entrar en el quirófano, pida al paciente que se acueste en posición supina y fije el miembro inferior del lado afectado (Figura 7). Administrar anestesia general a todos los pacientes.
2. Prepare el sitio quirúrgico con yodo y alcohol al 75%, y coloque el dispositivo de posicionamiento de la superficie corporal no invasivo (esterilizado mediante procedimientos estándar) en la cadera afectada del paciente.
3. Mueva el fluoroscopio C-ARM hacia un lado de la mesa de operaciones y coloque la fuente por encima de la articulación de la cadera. Alinee la fuente con la cámara de profundidad y registre la posición de la mesa quirúrgica como posición 1.
4. Después de la primera fluoroscopia, exporte la radiografía de formato BMP a la estación de trabajo del sistema, ábrala en Edición de fotos y ajuste su escala de grises haciendo clic en la opción Escala de luz. Gire en el sentido de las agujas del reloj y gire horizontalmente una vez haciendo clic en los botones correspondientes para convertir a BMP. Luego, ábralo haciendo clic en Pintura 3D y guárdelo como el formato JPG, que contenía un marco de marcado de superficie corporal no invasivo, y asígnele el nombre a imagen 1 (Figura 8A).
   NOTA: Este proceso de conversión es para promover el éxito de la identificación del sistema. Debido a los requisitos especiales de conversión de imágenes, es necesario ajustar la escala de grises de la imagen de rayos X para la rotación y la inversión.
5. Deslice la mesa de operaciones directamente debajo de la cámara de profundidad hasta el área de operación marcada como posición 2. La posición 1 (en el paso 3.3) y la posición 2 son dos puntos en el mismo plano horizontal, separados por 30 cm.
6. En el sistema de cirugía ortopédica asistida por AR, haga clic en Archivar > imagen de rayos X frontal y seleccione la imagen 1. el sistema identifica automáticamente el marco de marcado de la superficie corporal no invasiva en la superficie de la piel del paciente, y luego superpone esta imagen a la articulación de la cadera en el video quirúrgico (Figura 8B).
7. Utilizando la pantalla de realidad aumentada de la imagen de rayos X y el video en tiempo real generado anteriormente, el cirujano planifica la ruta de punción en función de esto.

4. Punción asistida por sistema quirúrgico

1. El cirujano se para en el lado afectado y realiza los siguientes pasos. Sostenga el dispositivo de punción y determine el mejor ángulo de inserción. Marque el punto de inserción en la superficie de la piel, guiado por el cable Kirschner virtual y la imagen de rayos X de la articulación de la cadera en el video quirúrgico.
2. Seleccione un alambre Kirschner con un diámetro de 2,5 mm y perfore desde el punto de inserción. Observe la profundidad y el ángulo de inserción en el video y ajústelo oportunamente.
3. Cuando la aguja virtual haya alcanzado el área objetivo de necrosis, detenga el proceso de punción y conserve la captura de pantalla como imagen 2 (Figura 9A) para la posterior evaluación de la precisión de la punción.
4. Indwell la aguja. Mueva la mesa de operaciones a la posición 1 para la segunda fluoroscopia para verificar la condición real de punción del cable Kirschner. Grabe el archivo de imagen como imagen 3 (Figura 9B).
5. La punción es exitosa cuando la ubicación del cable Kirschner cumple con todos los requisitos del cirujano. Luego, use la lanceta para cortar la piel alrededor de la aguja y separe cada nivel de tejido blando hasta exponer el hueso subtrocánter, aproximadamente a una profundidad de 3 cm. Perfore en el área necrótica a lo largo del alambre de Kirschner con una trefina de 5 mm para completar las operaciones posteriores (hueso artificial o implantación de hueso autólogo).
6. Después de terminar todos los procedimientos, cierre la piel con hilo de seda 3-0 y cúbrala con un apósito estéril (Figura 10). Después de regresar a la sala, proporcione a los pacientes medicamentos ortopédicos postoperatorios comunes aceptados, como prevención de infecciones, analgesia e infusión de líquidos. Si no se produce ninguna complicación, dé de alta a los pacientes 3 días después de la cirugía.

5. Evaluación de la operación

1. Importe la imagen 2 y la imagen 3 en un software de procesamiento de imágenes y ajuste la opacidad al 52%.
2. Haga clic en el botón Enmascaramiento para superponer las dos imágenes, luego haga clic en el botón Reglas para medir la distancia (L_virtual) entre la punta virtual y el punto de punción de la corteza femoral, y la distancia (L_ture) entre la punta de la aguja de Kirschner y el punto de punción de la corteza femoral. Calcule la diferencia entre L_virtual y L_ture para evaluar la precisión de la punción.
3. Durante la punción, mida el tiempo de posicionamiento de la siguiente manera: el tiempo de posicionamiento comienza desde el momento en que el cable de Kirschner perfora la piel y se detiene cuando la radiografía confirma que el cable de Kirschner ha alcanzado con éxito el área objetivo de la cabeza femoral.
4. Tres meses después de la cirugía, tome la radiografía de cadera (Figura 11) y registre la escala analógica visual y la puntuación de cadera de Harris.

Resultados

Características de funcionamiento
El sistema de navegación quirúrgica se aplicó en 10 caderas continuas de nueve pacientes. El tiempo promedio de posicionamiento total de la cirugía fue de 10,1 min (mediana 9,5 min, rango 8,0-14,0 min). La media de fluoroscopias C-ARM fue de 5,5 veces (mediana 5,5 veces, rango 4-8 veces). El error medio de precisión de la punción fue de 1,61 mm (mediana 1,2 mm, rango -5,76-19,73 mm; Tabla 1). Los resultados muestran que el tiempo de posicionami...

Discusión

Aunque THA se ha desarrollado rápidamente en los últimos años y se ha convertido en un método definitivo efectivo para la ONFH, la terapia de preservación de la cadera todavía juega un papel importante en el tratamiento de la ONFH en etapa temprana^18,19. La EC es una cirugía básica y efectiva de preservación de cadera, que puede liberar el dolor de cadera y retrasar el desarrollo del colapso de la cabeza femoral²⁰. El posicionamie...

Materiales

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.