מציאות רבודה ניווט מונחה ניווט דקומפרסיה ליבה עבור אוסטאונקרוזיס של ראש הירך

Summary

טכנולוגיית מציאות רבודה יושמה על דקומפרסיה של הליבה עבור אוסטאונקרוזיס של ראש הירך כדי לממש הדמיה בזמן אמת של הליך כירורגי זה. שיטה זו יכולה לשפר ביעילות את הבטיחות והדיוק של דקומפרסיה של הליבה.

Abstract

Osteonecrosis של ראש הירך (ONFH) היא מחלת מפרקים נפוצה בחולים צעירים בגיל העמידה, אשר מכבידה מאוד על חייהם ועבודתם. עבור ONFH בשלב מוקדם, ניתוח דקומפרסיה ליבה הוא טיפול קלאסי ויעיל לשימור מפרק הירך. בהליכים מסורתיים של דקומפרסיה של הליבה עם חוט קירשנר, עדיין יש בעיות רבות כגון חשיפה לקרני רנטגן, אימות נקב חוזר ונשנה ונזק לרקמת העצם הרגילה. העיוורון של תהליך הניקוב וחוסר היכולת לספק הדמיה בזמן אמת הם סיבות מכריעות לבעיות אלה.

כדי לייעל הליך זה, הצוות שלנו פיתח מערכת ניווט תוך ניתוחית על בסיס טכנולוגיית מציאות רבודה (AR). מערכת כירורגית זו יכולה להציג באופן אינטואיטיבי את האנטומיה של האזורים הכירורגיים ולהפוך תמונות טרום ניתוחיות ומחטים וירטואליות לווידאו תוך ניתוחי בזמן אמת. בעזרת המדריך של מערכת הניווט, המנתחים יכולים להכניס במדויק חוטי קירשנר לאזור הנגע הממוקד ולמזער את הנזק הנלווה. ביצענו 10 מקרים של ניתוח דקומפרסיה של הליבה במערכת זו. היעילות של מיקום ופלואורוסקופיה משופרת מאוד בהשוואה להליכים המסורתיים, וגם הדיוק של הניקוב מובטח.

Introduction

אוסטאונקרוזיס של ראש הירך (ONFH) היא מחלה משביתה נפוצה המתרחשת אצל צעירים¹. מבחינה קלינית, יש צורך לקבוע את ההיערכות של ONFH בהתבסס על צילומי רנטגן, CT ו-MRI כדי להחליט על אסטרטגיית הטיפול (איור 1). עבור ONFH בשלב מוקדם, טיפול בשימור מפרק הירך מאומץ בדרך כלל². ניתוח לחץ ליבה (CD) הוא אחת משיטות שימור הירך הנפוצות ביותר עבור ONFH. דווח על השפעות מרפאות מסוימות של דקומפרסיה של הליבה עם או בלי השתלת עצם בטיפול ב- ONFH בשלב מוקדם, אשר יכולות למנוע או לעכב את ניתוח הירך הכולל (THA) לאחר מכן במשך זמן רב ^3,4,5. עם זאת, שיעור ההצלחה של CD עם או בלי השתלת עצם דווח באופן שונה בקרב מחקרים קודמים, מ-64% ל-95% 6,7,8,9. הטכניקה הניתוחית, במיוחד הדיוק של תנוחת הקידוח, חשובה להצלחת שימור הירך¹⁰. בשל העיוורון של הליך הניקוב והמיקום, לטכניקות המסורתיות של CD יש מספר בעיות, כגון זמן פלואורוסקופיה רב יותר, ניקוב חוזר באמצעות חוט קירשנר, ופציעה של רקמת עצם תקינה^11,12.

בשנים האחרונות הוכנסה לכירורגיה אורתופדית¹³ שיטת המציאות הרבודה (AR) בסיוע מציאות רבודה (AR). טכניקת AR יכולה להראות באופן חזותי את האנטומיה של השדה הכירורגי, להנחות את המנתחים בתכנון הליך הניתוח, וכתוצאה מכך להפחית את הקושי של הניתוח. היישומים של טכניקת AR בהשתלת בורג פדיקל וניתוחי ארתרופלסטיקה של המפרק דווחו מוקדם יותר 14,15,16,17. במחקר זה, אנו שואפים ליישם את טכניקת ה-AR על הליך ה-CD ולוודא את בטיחותה, דיוקה והיתכנותה בפרקטיקה הקלינית.

רכיבי חומרת מערכת
המרכיבים העיקריים של מערכת הניווט הכירורגית מבוססת AR כוללים את הדברים הבאים: (1) מצלמת עומק (איור 2A) המותקנת ישירות מעל האזור הכירורגי; הסרטון מצולם מכאן ונשלח בחזרה לתחנת העבודה לרישום ושיתוף פעולה עם נתוני ההדמיה. (2) התקן ניקוב (איור 2B) ומסגרת סימון משטח גוף לא פולשנית (איור 2C), שניהם עם מחזירי אור אינפרא-אדומים פסיביים. ניתן ללכוד ציפוי רפלקטיבי מיוחד של כדורי סימון (איור 3) על ידי ציוד אינפרא אדום כדי להשיג מעקב מדויק אחר ציוד כירורגי באזור הניתוח. (3) התקן מיקום אינפרא אדום (איור 2D) אחראי על מעקב אחר סמנים באזור הניתוח, תוך התאמת מסגרת סימון פני השטח של הגוף והתקן הניקוב בדיוק גבוה (איור 4). (4) המערכת המארחת (איור 2E) היא תחנת עבודה של 64 סיביות, המותקנת עם מערכת הניתוחים האורטופדיים בסיוע AR שפותחה באופן עצמאי. ניתן להשלים את תצוגת המציאות הרבודה של פעולת הניקוב של מפרק הירך וראש הירך בעזרתה.

Protocol

מחקר זה אושר על ידי ועדת האתיקה של בית החולים לידידות סין-יפן (מספר אישור: 2021-12-K04). כל הצעדים הבאים בוצעו על פי נהלים סטנדרטיים כדי למנוע פגיעה בחולים ובמנתחים. התקבלה הסכמה מדעת של המטופל למחקר זה. על המנתח להיות מיומן בהליכי דקומפרסיה קונבנציונליים כדי להבטיח שהניתוח יכול להתבצע באופן מסורתי במקרה של ניווט לא מדויק או מצבים בלתי צפויים אחרים.

1. אבחון טרום ניתוחי ודירוג של ONFH

1. זהה חולים עם תסמינים קליניים של ONFH; תסמינים אופייניים כגון כאב מתמשך או לסירוגין באזור המפשעה עם כאבים מקרינים של הירך או הברך. בדיקה גופנית הראתה רגישות עמוקה באזור המפשעה, הסימן של פטריק, תנועת ירך מוגבלת של סיבוב פנימי וחטיפה, או שינויים נמקיים של ראש הירך שנמדדו באמצעות צילומי רנטגן, CT ו- MRI.
2. על פי זירת המחקר של האגודה (ARCO), סקור את צילומי הרנטגן, ה-CT וה-MRI של הירך של המטופלים וקבע את ההיערכות של ONFH. שני רופאים מנהלים את העבודה באופן עצמאי. אם מתעוררים חילוקי דעות, בקשו ממומחה שלישי לקבל את ההחלטה הסופית.
3. הקלט את הסולם האנלוגי החזותי לפני הניתוח (VAS) ואת ציון הירך של האריס באמצעות שאלון.
4. לכלול מטופלים המשתמשים בקריטריונים הבאים: 1) חולים עם ONFH; 2) שלב I, IIA ו- IIB של ONFH שאושרו על ידי בדיקת הדמיה (רנטגן, CT ו- MRI); 3) מתוכנן ניתוח דקומפרסיה של ליבת ראש הירך. לא לכלול מטופלים כאשר: 1) מטופלים דוחים את ניתוח התקליטור; 2) בדיקה שגרתית לפני הניתוח מצביעה על סתירות כירורגיות, כגון זיהום או מצב בסיסי ירוד; 3) חולים מסרבים להירשם לקבוצה.

2. רישום מערכת ובדיקת דיוק

1. הפעל את מערכת הניתוחים האורטופדיים בסיוע AR (עקב בעיות מסחור לא ניתן לספק פרטי תוכנה) ולחץ על וידאו אורתוגרפי כדי להפעיל את מצלמת העומק. תמונה של האזור הכירורגי תוצג על המסך לאחר ההפעלה (איור 5A). מקם את מכשיר המעקב האופטי כך שאזור המעקב שלו יוכל לכסות לחלוטין את אזור הניתוח (איור 5B).
2. לחץ על הגדרת NDI כדי לבחור את יציאת הגישה להתקן, COM4. לחץ על הגדרת אורך המחט הווירטואלית (בדרך כלל מחט קירשנר היא באורך 180 מ"מ) ותמונת מחט קירשנר וירטואלית תיווצר באופן אוטומטי באזור הניתוח בסרטון.
3. מחלקים את האזור הקדמי הכירורגי המתוכנן למפלסים העליונים והתחתונים עם כל רמה בגודל 30 ס"מ על 30 ס"מ, ועם הפרש גובה של 15 ס"מ בין המפלסים. המערכת מזינה באופן אוטומטי את המידע המרחבי הזה של האזור הכירורגי בתוכנה.
4. להקצות באופן שווה כל רמה עם 10 נקודות התאמה; עבור כל שטח של 30 ס"מ על 30 ס"מ, חלקו אותו לשלושה חלקים שווים, כאשר לשני חלקים יש שלוש נקודות כל אחד, וחלק אחד (החלק השמאלי) בעל ארבע נקודות. בקשו מהעוזר למקם את מסגרת סימון פני השטח הלא פולשנית של הגוף (איור 2C) בהתאם לנקודות. לאחר שתסיים, לחץ על התאמה. התמונה המיוחדת של המערכת עצמה לרישום תונח באופן אוטומטי על מסגרת הסימון (איור 5C). שקול את הרישום של נקודה זו מוצלח כאשר התמונה ואת מסגרת הסימון חופפים לחלוטין.
5. הזז את המסגרת לנקודת הרישום הבאה וחזור על שלב 2.4. עד להשלמת כל נקודות הרישום. מכיוון שצורת מסגרת הסימון המצוידת בהתקן הניקוב (איור 3A2) זהה לחלוטין למסגרת סימון פני השטח הלא פולשנית של הגוף, לאחר השלמת הרישום, ניתן לעקוב אחר הראשונה גם על ידי מכשיר המעקב האופטי באזור הניתוח.
6. הזז את מכשיר הניקוב באופן אקראי באזור הניתוח כדי לזהות את מידת ההתאמה של מחט וירטואלית ועיכוב מעקב (איור 6). מכיוון שגוף מחט קירשנר הווירטואלית האדומה-כחולה משתלבת באופן אוטומטי עם המחט הממשית באזור הניתוח, תצוגת המציאות הרבודה של מחט קירשנר מצליחה (איור 5D).
   הערה: במהלך תהליך הרישום, אין לשנות את מיקום התקן המעקב האופטי ומצלמת העומק כרצונו. אם כן, יחסי המיקום המרחבי של ניתוח וירטואלי ישתנו, ויגרמו להתאמה לא מדויקת בין מחט קירשנר הווירטואלית לזו הפיזית, ויש לבצע רישום מחדש.

3. הכנת המטופל והמערכת לפני הניקוב

1. לאחר הכניסה לחדר הניתוח, בקשו מהמטופל לשכב בתנוחת שכיבה ולתקן את הגפה התחתונה של הצד הפגוע (איור 7). מתן הרדמה כללית לכל החולים.
2. מכינים את האתר הניתוחי עם יוד ו-75% אלכוהול, ומניחים את מכשיר מיקום פני הגוף הלא פולשני (מעוקר באמצעות הליכים סטנדרטיים) על הירך הפגועה של המטופל.
3. הזז את הפלואורוסקופ C-ARM לצד שולחן הניתוחים וממקם את המקור מעל מפרק הירך. יישר את המקור עם מצלמת העומק ותעד את מיקום השולחן הכירורגי כמיקום 1.
4. לאחר הפלואורוסקופיה הראשונה, ייצאו את הרדיוגרף בפורמט BMP לתחנת העבודה של המערכת, פתחו אותה בעריכת תמונות והתאימו את קנה המידה האפור שלה על ידי לחיצה על אפשרות קנה המידה של אור. סובב עם כיוון השעון והפוך אופקית פעם אחת על ידי לחיצה על הלחצנים המתאימים כדי להמיר ל- BMP. לאחר מכן, פתח אותו על-ידי לחיצה על צביעה בתלת-ממד ושמור כפורמט JPG, שהכיל מסגרת סימון משטח גוף לא פולשנית, וקרא לה תמונה 1 (איור 8A).
   הערה: תהליך המרה זה נועד לקדם את הצלחת זיהוי המערכת. בגלל הדרישות המיוחדות של המרת תמונה, יש צורך להתאים את קנה המידה האפור של תמונת הרנטגן לסיבוב והיפוך.
5. החלק את טבלת הניתוחים ישירות מתחת למצלמת העומק לאזור ההפעלה המסומן כמיקום 2. מיקום 1 (בשלב 3.3) ומיקום 2 הם שתי נקודות על אותו מישור אופקי, במרחק של 30 ס"מ זו מזו.
6. במערכת הניתוחים האורטופדיים בסיוע AR, לחץ על קובץ > תמונת רנטגן קדמית ובחר תמונה 1. המערכת מזהה באופן אוטומטי את מסגרת סימון פני השטח הלא פולשנית של הגוף על פני העור של המטופל, ולאחר מכן מעבירה תמונה זו למפרק הירך בסרטון הניתוחי (איור 8B).
7. באמצעות תצוגת המציאות הרבודה של תמונת הרנטגן והסרטון בזמן אמת שנוצר לעיל, המנתח מתכנן את נתיב הניקוב על סמך זה.

4. נקב בסיוע מערכת כירורגית

1. המנתח עומד בצד הפגוע ומבצע את השלבים הבאים. החזק את התקן הניקוב וקבע את זווית ההכנסה הטובה ביותר. סמן את נקודת ההחדרה על משטח העור, בהנחיית חוט קירשנר הווירטואלי ותמונת הרנטגן של מפרק הירך בסרטון הניתוח.
2. בחר חוט קירשנר בקוטר של 2.5 מ"מ ונקב אותו מנקודת ההכנסה. שימו לב לעומק ההכנסה ולזווית הכניסה בסרטון והתאימו אותו בזמן.
3. כאשר המחט הווירטואלית הגיעה לאזור המטרה של הנמק, עצרו את תהליך הניקוב ושמרו על צילום המסך כתמונה 2 (איור 9A) לצורך הערכת דיוק הנקבים לאחר מכן.
4. אינדוול המחט. הזז את טבלת הניתוחים למיקום 1 עבור הפלואורוסקופיה השנייה כדי לאמת את מצב הניקוב בפועל של חוט קירשנר. תעד את קובץ התמונה כתמונה 3 (איור 9B).
5. הנקבה מצליחה כאשר המיקום של חוט קירשנר עונה על כל דרישות המנתח. לאחר מכן, השתמשו בלנסט כדי לחתוך את העור סביב המחט, והפרידו כל רמה של רקמה רכה עד לחשיפת עצם תת-טרוכנטר, בערך לעומק של 3 ס"מ. קודחים לתוך האזור הנמקי לאורך חוט קירשנר עם טרפין 5 מ"מ כדי להשלים את הפעולות הבאות (עצם מלאכותית או השתלת עצם אוטולוגית).
6. לאחר שסיימתם את כל ההליכים, סגרו את העור בחוט משי 3-0 וכסו ברוטב סטרילי (איור 10). לאחר החזרה למחלקה, ספקו למטופלים תרופות אורתופדיות נפוצות לאחר הניתוח, כמו מניעת זיהומים, משכך כאבים ועירוי נוזלים. אם לא מתרחש סיבוך, לשחרר את החולים 3 ימים לאחר הניתוח.

5. הערכת מבצעים

1. יבא תמונה 2 ותמונה 3 לתוכנת עיבוד תמונה והתאם את האטימות ל-52%.
2. לחץ על כפתור מיסוך כדי לחפוף בין שתי התמונות, ולאחר מכן לחץ על לחצן סרגלים כדי למדוד את המרחק (L_{וירטואלי}) בין הקצה הווירטואלי לנקודת הניקוב של קליפת הירך, ואת המרחק (L_ture) בין קצה מחט קירשנר לנקודת הנקב של קליפת המוח הירך. חשב את ההפרש בין L_{וירטואלי ל-L ture} כדי להעריך את דיוק הנקבים.
3. במהלך הניקוב, מדוד את זמן המיקום באופן הבא: זמן המיקום מתחיל מהזמן שבו חוט קירשנר חודר את העור, ונפסק כאשר צילום הרנטגן מאשר כי חוט קירשנר הגיע בהצלחה לאזור המטרה של ראש הירך.
4. שלושה חודשים לאחר הניתוח, קחו את צילום הרנטגן של הירך (איור 11) ותעדו את הסולם האנלוגי החזותי ואת ציון הירך של האריס.

תוצאות

מאפייני המבצע
מערכת הניווט הכירורגית יושמה ב-10 ירכיים מתמשכות של תשעה מטופלים. זמן המיקום הכולל הממוצע של הניתוח היה 10.1 דקות (חציון 9.5 דקות, טווח 8.0-14.0 דקות). ממוצע הפלואורוסקופיות של C-ARM היה פי 5.5 (חציון 5.5 פעמים, טווח 4-8 פעמים). השגיאה הממוצעת של דיוק הנקב הייתה 1.61 מ"מ (חציון 1.2 מ"מ, טו?...

Discussion

למרות ש-THA התפתחה במהירות בשנים האחרונות והפכה לשיטה אולטימטיבית יעילה עבור ONFH, טיפול בשימור מפרק הירך עדיין ממלא תפקיד חשוב בטיפול ב-ONFH^18,19 בשלב מוקדם. CD הוא ניתוח שימור מפרק ירך בסיסי ויעיל, שיכול לשחרר כאבי ירך ולעכב את התפתחות קריסת ראש הירך²⁰....

Materials

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.