Décompression du noyau guidée par navigation en réalité augmentée pour l’ostéonécrose de la tête fémorale

Résumé

La technologie de réalité augmentée a été appliquée à la décompression du noyau pour l’ostéonécrose de la tête fémorale afin de réaliser une visualisation en temps réel de cette intervention chirurgicale. Cette méthode peut améliorer efficacement la sécurité et la précision de la décompression du noyau.

Résumé

L’ostéonécrose de la tête fémorale (ONFH) est une maladie articulaire courante chez les patients jeunes et d’âge moyen, qui pèse sérieusement sur leur vie et leur travail. Pour l’ONFH à un stade précoce, la chirurgie de décompression de base est une thérapie classique et efficace de préservation de la hanche. Dans les procédures traditionnelles de décompression du noyau avec du fil Kirschner, il existe encore de nombreux problèmes tels que l’exposition aux rayons X, la vérification répétée de la ponction et les dommages au tissu osseux normal. La cécité du processus de ponction et l’incapacité de fournir une visualisation en temps réel sont des raisons cruciales de ces problèmes.

Pour optimiser cette procédure, notre équipe a développé un système de navigation peropératoire sur la base de la technologie de réalité augmentée (RA). Ce système chirurgical peut afficher intuitivement l’anatomie des zones chirurgicales et rendre des images préopératoires et des aiguilles virtuelles en vidéo peropératoire en temps réel. Avec le guide du système de navigation, les chirurgiens peuvent insérer avec précision des fils Kirschner dans la zone de la lésion ciblée et minimiser les dommages collatéraux. Nous avons effectué 10 cas de chirurgie de décompression centrale avec ce système. L’efficacité du positionnement et de la fluoroscopie est grandement améliorée par rapport aux procédures traditionnelles, et la précision de la ponction est également garantie.

Introduction

L’ostéonécrose de la tête fémorale (ONFH) est une maladie invalidante courante chez les jeunes adultes¹. Sur le plan clinique, il est nécessaire de déterminer la stadification de l’ONFH en fonction de la radiographie, de la tomodensitométrie et de l’IRM pour décider de la stratégie de traitement (Figure 1). Pour l’ONFH à un stade précoce, la thérapie de préservation de la hanche est généralement adoptée². La chirurgie de décompression centrale (MC) est l’une des méthodes de préservation de la hanche les plus fréquemment utilisées pour l’ONFH. Certains effets curatifs de la décompression du noyau avec ou sans greffe osseuse dans le traitement de l’ONFH à un stade précoce ont été rapportés, ce qui peut éviter ou retarder l’arthroplastie totale de la hanche (THA) ultérieure pendant une longue période ^3,4,5. Cependant, le taux de réussite de la MC avec ou sans greffe osseuse a été rapporté différemment parmi les études précédentes, de 64% à 95%6,7,8,9. La technique chirurgicale, en particulier la précision de la position de perçage, est importante pour le succès de la préservation de la hanche¹⁰. En raison de la cécité de la procédure de ponction et de positionnement, les techniques traditionnelles de LA MC présentent plusieurs problèmes, tels qu’un temps de fluoroscopie plus long, une ponction répétée à l’aide d’un fil Kirschner et une lésion du tissu osseux normal^11,12.

Ces dernières années, la méthode assistée par réalité augmentée (RA) a été introduite en chirurgie orthopédique¹³. La technique AR peut montrer visuellement l’anatomie du champ chirurgical, guider les chirurgiens dans la planification de la procédure opératoire et, par conséquent, réduire la difficulté de l’opération. Les applications de la technique AR dans l’implantation de vis pédiculaires et la chirurgie d’arthroplastie articulaire ont été rapportées plus tôt ^14,15,16,17. Dans cette étude, nous visons à appliquer la technique AR à la procédure CD et à vérifier son innocuité, son exactitude et sa faisabilité dans la pratique clinique.

Composants matériels du système
Les principaux composants du système chirurgical de navigation basé sur la RA sont les suivants: (1) Une caméra de profondeur (Figure 2A) installée directement au-dessus de la zone chirurgicale; la vidéo est tournée à partir de cela et renvoyée au poste de travail pour enregistrement et coopération avec les données d’imagerie. (2) Un dispositif de perforation (figure 2B) et un cadre de marquage de surface du corps non invasif (figure 2C), tous deux équipés de réflecteurs infrarouges passifs. Un revêtement réfléchissant spécial des billes de marquage (Figure 3) peut être capturé par un équipement infrarouge pour obtenir un suivi précis de l’équipement chirurgical dans la zone chirurgicale. (3) Un dispositif de positionnement infrarouge (Figure 2D) est responsable du suivi des marqueurs dans la zone chirurgicale, correspondant au cadre de marquage de la surface du corps et au dispositif de ponction avec une grande précision (Figure 4). (4) Le système hôte (Figure 2E) est un poste de travail 64 bits, installé avec le système de chirurgie orthopédique assistée par RA développé indépendamment. L’affichage en réalité augmentée de l’opération de ponction de l’articulation de la hanche et de la tête fémorale peut être complété avec son assistance.

Protocole

Cette étude a été approuvée par le comité d’éthique de l’Hôpital de l’amitié Chine-Japon (numéro d’approbation : 2021-12-K04). Toutes les étapes suivantes ont été effectuées selon des procédures normalisées pour éviter les blessures aux patients et aux chirurgiens. Le consentement éclairé du patient a été obtenu pour cette étude. Le chirurgien doit être compétent dans les procédures conventionnelles de décompression du noyau pour s’assurer que la chirurgie peut être effectuée de manière traditionnelle en cas de navigation inexacte ou d’autres situations inattendues.

1. Diagnostic préopératoire et classement de l’ONFH

1. Identifier les patients présentant des symptômes cliniques de l’ONFH; symptômes typiques tels qu’une douleur persistante ou intermittente dans la région de l’aine avec une douleur ipsilatérale irradiante de la hanche ou du genou. L’examen physique a montré une sensibilité profonde dans la région de l’aine, le signe de Patrick, un mouvement limité de la hanche de rotation interne et d’abduction, ou des changements de nécrose de la tête fémorale mesurés à l’aide de rayons X, de tomodensitométrie et d’IRM.
2. Selon la stadification de la circulation osseuse de recherche de l’association (ARCO), examiner les radiographies, la tomodensitométrie et l’IRM de la hanche des patients et déterminer la stadification de l’ONFH. Deux médecins effectuent ce travail indépendamment. En cas de désaccord, demandez à un troisième expert de prendre la décision finale.
3. Enregistrez l’échelle visuelle analogique préopératoire (VAS) et le score de hanche de Harris à l’aide d’un questionnaire.
4. Inclure les patients utilisant les critères suivants : 1) patients atteints d’ONFH; 2) stade I, IIA et IIB de l’ONFH confirmés par un examen d’imagerie (radiographie, tomodensitométrie et IRM); 3) la chirurgie de décompression du noyau de la tête fémorale est prévue. Exclure les patients lorsque: 1) les patients rejettent la chirurgie de la MC; 2) l’examen de routine préopératoire indique des contradictions chirurgicales, telles qu’une infection ou un mauvais état de base; 3) les patients refusent d’être inscrits dans le groupe.

2. Enregistrement du système et tests d’exactitude

1. Exécutez le système de chirurgie orthopédique assistée par RA (en raison de problèmes de commercialisation, les détails du logiciel ne peuvent pas être fournis) et cliquez sur Vidéo orthographique pour activer la caméra de profondeur. Une image de la zone chirurgicale sera affichée à l’écran après l’activation (Figure 5A). Positionnez le dispositif de suivi optique de manière à ce que sa zone de suivi puisse couvrir complètement la zone chirurgicale (Figure 5B).
2. Cliquez sur Paramètre NDI pour sélectionner le port d’accès au périphérique, COM4. Cliquez sur le paramètre de longueur de l’aiguille virtuelle (généralement une aiguille Kirschner mesure 180 mm de long) et une image virtuelle de l’aiguille Kirschner sera automatiquement générée dans la zone chirurgicale de la vidéo.
3. Divisez la zone frontale chirurgicale prévue en niveaux supérieur et inférieur avec chaque niveau de 30 cm x 30 cm de taille et avec une différence de hauteur de 15 cm entre les niveaux. Le système saisit automatiquement ces informations spatiales de la zone chirurgicale dans le logiciel.
4. Répartissez uniformément chaque niveau avec 10 points correspondants; pour chaque zone de 30 cm x 30 cm, divisez-la en trois parties égales, deux parties ayant trois points chacune, et une partie (partie gauche) ayant quatre points. Demandez à l’assistant de placer le cadre de marquage de surface du corps non invasif (Figure 2C) en fonction des points. Une fois cela fait, cliquez sur Match. L’image spéciale du système pour l’enregistrement sera automatiquement superposée au cadre de marquage (Figure 5C). Considérez l’enregistrement de ce point avec succès lorsque l’image et le cadre de marquage coïncident complètement.
5. Déplacez le cadre vers le point d’enregistrement suivant et répétez l’étape 2.4. jusqu’à ce que tous les points d’inscription soient complétés. Comme la forme du cadre de marquage équipé du dispositif de ponction (Figure 3A2) est exactement la même que celle du cadre de marquage de surface corporelle non invasif, une fois l’enregistrement terminé, le premier peut également être suivi par le dispositif de suivi optique dans la zone chirurgicale.
6. Déplacez le dispositif de ponction au hasard dans la zone chirurgicale pour détecter le degré correspondant de l’aiguille virtuelle et le délai de suivi (Figure 6). Comme le corps virtuel de l’aiguille Kirschner rouge-bleu s’adapte automatiquement à l’aiguille réelle dans la zone chirurgicale, l’affichage en réalité augmentée de l’aiguille Kirschner est réussi (Figure 5D).
   REMARQUE: Pendant le processus d’enregistrement, la position du dispositif de suivi optique et de la caméra de profondeur ne doit pas être modifiée à volonté. Si c’est le cas, la relation de position spatiale de la chirurgie virtuelle changera, ce qui entraînera une correspondance inexacte entre l’aiguille kirschner virtuelle et l’aiguille physique, et l’enregistrement doit être reconduit.

3. Préparation du patient et du système avant la ponction

1. Après être entré dans la salle d’opération, demandez au patient de s’allonger en position couchée et de fixer le membre inférieur du côté affecté (Figure 7). Administrer une anesthésie générale à tous les patients.
2. Préparez le site chirurgical avec de l’iode et de l’alcool à 75% et placez le dispositif de positionnement non invasif de la surface du corps (stérilisé à l’aide de procédures standard) sur la hanche affectée du patient.
3. Déplacez le fluoroscope C-ARM sur le côté de la table d’opération et positionnez la source au-dessus de l’articulation de la hanche. Alignez la source avec la caméra de profondeur et enregistrez la position de la table chirurgicale en position 1.
4. Après la première fluoroscopie, exportez la radiographie au format BMP vers le poste de travail du système, ouvrez-la dans Retouche photo et ajustez son échelle de gris en cliquant sur l’option Échelle de lumière. Faites pivoter dans le sens des aiguilles d’une montre et retournez horizontalement une fois en cliquant sur les boutons correspondants pour convertir en BMP. Ensuite, ouvrez-le en cliquant sur Peinture 3D et enregistrez-le au format JPG, qui contenait un cadre de marquage de surface corporelle non invasif, et nommez-le image 1 (Figure 8A).
   REMARQUE: Ce processus de conversion vise à promouvoir le succès de l’identification du système. En raison des exigences particulières de la conversion d’image, il est nécessaire d’ajuster l’échelle de gris de l’image radiographique pour la rotation et l’inversion.
5. Faites glisser la table d’opération directement sous la caméra de profondeur jusqu’à la zone de fonctionnement marquée comme position 2. La position 1 (à l’étape 3.3) et la position 2 sont deux points sur le même plan horizontal, distants de 30 cm.
6. Dans le système de chirurgie orthopédique assistée par RA, cliquez sur Fichier > image radiographique frontale, puis sélectionnez l’image 1. le système identifie automatiquement le cadre de marquage non invasif de la surface du corps sur la surface de la peau du patient, puis superpose cette image à l’articulation de la hanche dans la vidéo chirurgicale (Figure 8B).
7. En utilisant l’affichage en réalité augmentée de l’image radiographique et la vidéo en temps réel générée ci-dessus, le chirurgien planifie le chemin de ponction en fonction de cela.

4. Ponction assistée par un système chirurgical

1. Le chirurgien se tient du côté affecté et effectue les étapes suivantes. Tenez le dispositif de ponction et déterminez le meilleur angle d’insertion. Marquez le point d’insertion sur la surface de la peau, guidé par le fil Kirschner virtuel et l’image radiographique de l’articulation de la hanche dans la vidéo chirurgicale.
2. Sélectionnez un fil Kirschner d’un diamètre de 2,5 mm et percez-le à partir du point d’insertion. Observez la profondeur et l’angle d’insertion dans la vidéo et ajustez-la en temps opportun.
3. Lorsque l’aiguille virtuelle a atteint la zone cible de nécrose, arrêtez le processus de ponction et conservez la capture d’écran sous forme d’image 2 (Figure 9A) pour une évaluation ultérieure de la précision de la perforation.
4. Habiter l’aiguille. Déplacez la table d’opération en position 1 pour la deuxième fluoroscopie afin de vérifier l’état réel de ponction du fil Kirschner. Enregistrez le fichier image en tant qu’image 3 (Figure 9B).
5. La ponction est réussie lorsque l’emplacement du fil Kirschner répond à toutes les exigences du chirurgien. Ensuite, utilisez la lancette pour couper la peau autour de l’aiguille et séparez chaque niveau de tissu mou jusqu’à ce qu’il expose l’os du sous-trochanter, à une profondeur d’environ 3 cm. Percer dans la zone nécrotique le long du fil kirschner avec une tréphine de 5 mm pour compléter les opérations suivantes (os artificiel ou implantation osseuse autologue).
6. Après avoir terminé toutes les procédures, fermez la peau avec 3-0 fil de soie et couvrez avec un pansement stérile (Figure 10). Après le retour au service, fournissez aux patients les médicaments postopératoires orthopédiques courants acceptés, comme la prévention des infections, l’analgésie et la perfusion de liquide. Si aucune complication ne se produit, libérez les patients 3 jours après la chirurgie.

5. Évaluation de l’exploitation

1. Importez l’image 2 et l’image 3 dans un logiciel de traitement d’image et ajustez l’opacité à 52%.
2. Cliquez sur le bouton Masquage pour chevaucher les deux images, puis cliquez sur le bouton Règles pour mesurer la distance (L_virtuelle) entre la pointe virtuelle et le point de ponction du cortex fémoral, et la distance (L_ture) entre la pointe de l’aiguille Kirschner et le point de ponction du cortex fémoral. Calculer la différence entre L_virtuel et L_ture pour évaluer la précision de la ponction.
3. Pendant la ponction, mesurez le temps de positionnement comme suit: le temps de positionnement commence à partir du moment où le fil Kirschner perce la peau et s’arrête lorsque la radiographie confirme que le fil Kirschner a atteint avec succès la zone cible de la tête fémorale.
4. Trois mois après la chirurgie, prenez la radiographie de la hanche (Figure 11) et enregistrez l’échelle visuelle analogique et le score de la hanche de Harris.

Résultats

Caractéristiques de fonctionnement
Le système de navigation chirurgicale a été appliqué dans 10 hanches continues de neuf patients. Le temps de positionnement total moyen de la chirurgie était de 10,1 minutes (médiane de 9,5 minutes, plage de 8,0 à 14,0 minutes). Les fluoroscopies C-ARM moyennes étaient de 5,5 fois (médiane 5,5 fois, plage 4-8 fois). L’erreur moyenne de précision de perforation était de 1,61 mm (médiane de 1,2 mm, plage -5,76-19,73 mm; Tableau 1). Les r...

Discussion

Bien que la THA se soit développée rapidement ces dernières années et soit devenue une méthode ultime efficace pour l’ONFH, la thérapie de préservation de la hanche joue toujours un rôle important dans le traitement de l’ONFH^18,19 à un stade précoce. La MC est une chirurgie de préservation de la hanche de base et efficace, qui peut libérer la douleur à la hanche et retarder le développement de l’effondrement de la tête fémorale

matériels

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.