JoVE Logo
著者
お問い合わせ

サインイン

このコンテンツを視聴するには、JoVE 購読が必要です。 サインイン又は無料トライアルを申し込む。

この記事について

  • 要約
  • 要約
  • 概要
  • プロトコル
  • 結果
  • ディスカッション
  • 開示事項
  • 謝辞
  • 資料
  • 参考文献
  • 転載および許可

要約

拡張現実技術は、大腿骨頭の骨壊死のためのコア減圧に適用され、この手術手順のリアルタイム可視化を実現した。この方法は、コア減圧の安全性と精度を効果的に向上させることができる。

要約

大腿骨頭の骨壊死(ONFH)は、若年および中年の患者に共通の関節疾患であり、生活や仕事に深刻な負担をかけています。初期段階のONFHにとって、コア減圧手術は古典的で効果的な股関節保存療法です。キルシュナー線によるコア減圧の従来の手順では、X線曝露、繰り返しの穿刺検証、正常な骨組織の損傷など、依然として多くの問題があります。穿刺プロセスの盲目さとリアルタイムの視覚化を提供できないことが、これらの問題の重要な理由です。

この手順を最適化するために、私たちのチームは拡張現実(AR)技術に基づいて術中ナビゲーションシステムを開発しました。この手術システムは、手術領域の解剖学的構造を直感的に表示し、術前の画像と仮想針を術中ビデオにリアルタイムでレンダリングすることができます。ナビゲーションシステムのガイドにより、外科医はKirschnerワイヤーを標的病変領域に正確に挿入し、付随的損傷を最小限に抑えることができます。本システムでコア減圧手術を10例実施しました。位置決めと透視の効率は従来の手順と比較して大幅に改善され、穿刺の精度も保証されています。

概要

大腿骨頭の骨壊死(ONFH)は、若年成人に起こる一般的な障害疾患である1。臨床的には、治療戦略を決定するために、X線、CT、およびMRIに基づいてONFHの病期分類を決定する必要がある(図1)。初期段階のONFHの場合、股関節保存療法は通常採用される2.コア減圧(CD)手術は、ONFHで最も頻繁に使用される股関節保存方法の1つです。初期段階のONFHの治療における骨移植の有無にかかわらずコア減圧の特定の治癒効果が報告されており、これはその後の股関節全関節形成術(THA)を長期間にわたって回避または遅延させることができる3、4、5。しかし、骨移植の有無にかかわらずCDの成功率は、以前の研究とは異なる方法で報告され、64%から95%まで6、7、8、9。この外科的技術、特に穿孔位置の精度は、股関節保存10の成功にとって重要である。穿刺および位置決め手順の失明のために、CDの伝統的な技術は、より長い透視時間、キルシュナーワイヤーを用いた反復穿刺、および正常な骨組織11、12の傷害などのいくつかの問題を有する。

近年、整形外科13において拡張現実(AR)支援法が導入されている。AR技術は、手術野の解剖学を視覚的に示し、手術手順を計画する際に外科医を導き、その結果、手術の困難さを軽減することができる。椎弓根スクリュー移植および関節関節形成術手術におけるAR技術の応用は、以前に報告されている14、15、16、17。本研究では、AR技術をCD手技に応用し、臨床現場での安全性・正確性・実現可能性を検証することを目的とする。

システム・ハードウェア・コンポーネント
ARベースのナビゲーション手術システムの主なコンポーネントには、(1)手術領域の真上に設置された深度カメラ(図2A)が含まれます。ビデオはここから撮影され、画像データの登録と協力のためにワークステーションに送り返されます。(2)穿刺装置(図2B)と非侵襲的な体表面マーキングフレーム(図2C)で、どちらもパッシブ赤外線反射器を備えています。マーキングボールの特殊な反射コーティング(図3)を赤外線機器で捕捉して、手術領域内の手術器具を正確に追跡することができます。(3)赤外線位置決め装置(図2D)は、手術領域内のマーカーを追跡し、体表面マーキングフレームと穿刺装置を高精度に照合する役割を担います(図4)。(4)ホストシステム(図2E)は、独自に開発されたAR支援整形外科手術システムを搭載した64ビットワークステーションです。股関節および大腿骨頭穿刺手術の拡張現実表示は、その支援によって完了することができる。

プロトコル

本試験は、中日友好病院倫理委員会(承認番号:2021-12-K04)により承認された。以下のステップのすべては、患者および外科医への傷害を避けるために標準化された手順に従って実施された。インフォームド・ペイシェントの同意がこの研究のために得られた。外科医は、不正確なナビゲーションまたは他の予期しない状況の場合に手術が伝統的な方法で実施されることを保証するために、従来のコア減圧手順に熟練していなければならない。

1. ONFHの術前診断とグレーディング

  1. ONFHの臨床症状を有する患者を同定する;同側股関節または膝放射痛を伴う鼠径部領域の持続性または断続的な痛みなどの典型的な症状。身体検査では、鼠径部の深い圧痛、パトリックの徴候、内部回転と外転の限られた股関節運動、またはX線、CT、MRIを使用して測定された大腿骨頭の壊死変化が示されました。
  2. 関連研究循環骨(ARCO)病期分類によれば、患者の股関節のX線、CT、およびMRIをレビューし、ONFHの病期分類を決定する。2人の医師がこの作業を独立して行います。意見の相違がある場合は、3人目の専門家に最終決定を依頼してください。
  3. アンケートを使用して術前の視覚的アナログスケール(VAS)およびハリス股関節スコアを記録する。
  4. 以下の基準を用いた患者を含む:1)ONFHを有する患者;2)画像検査(X線、CT、およびMRI)によって確認されたONFHのステージI、IIA、およびIIB;3)大腿骨頭芯減圧術が予定されている。1)患者がCD手術を拒否する場合、患者を除外する。2)術前の日常的な検査は、感染や基礎状態の悪さなどの外科的矛盾を示す。3)グループへの登録を拒否する患者。

2. システム登録と精度テスト

  1. AR支援整形外科手術システムを実行し(商品化の問題によりソフトウェアの詳細を提供できません)、 正投影ビデオ をクリックして深度カメラをアクティブにします。手術部位の画像が活性化後に画面に表示されます(図5A)。光学トラッキング装置の位置を、そのトラッキング領域が手術領域を完全に覆うことができるようにします(図5B)。
  2. NDI 設定 をクリックして、デバイスアクセスポートCOM4を選択します。仮想針 長設定 (通常、キルシュナー針の長さは180 mm)をクリックすると、ビデオの外科領域に仮想キルシュナー針画像が自動的に生成されます。
  3. 計画された外科的前頭領域を、各レベル30 cm x 30 cmのサイズで、レベル間の高低差が15 cmで上下のレベルに分割する。システムは、手術領域のこの空間情報をソフトウェアに自動的に入力します。
  4. 10の一致するポイントを持つすべてのレベルを均等に割り当てます。30 cm x 30 cm の領域ごとに、2つの部分がそれぞれ3つの点を持ち、1つの部分(左の部分)が4つの点を持つように、3つの等しい部分に分割します。アシスタントに、ポイントに応じて非侵襲的な体表面マーキングフレーム(図2C)を配置するように依頼します。完了したら、[ マッチ]をクリックします。登録用のシステム独自の特殊画像がマーキングフレームに自動的に重ね合わされます(図5C)。画像とマーキングフレームが完全に一致する場合、このポイントの登録が成功したと考えてください。
  5. フレームを次の基準点に移動し、手順 2.4 を繰り返します。すべての登録ポイントが完了するまで。穿刺装置を搭載したマーキングフレーム(図3A2)の形状は、非侵襲的な体表面マーキングフレームとまったく同じであるため、登録が完了すると、手術領域内の光学追跡装置によって前者を追跡することもできる。
  6. 穿刺装置を手術領域内でランダムに動かして、仮想針の一致度合と追跡遅延を検出します(図6)。赤青の仮想キルシュナー針体が手術領域の実際の針に自動的にフィットするため、キルシュナー針の拡張現実表示が成功します(図5D)。
    注:登録プロセス中、光学トラッキングデバイスと深度カメラの位置は自由に変更しないでください。その場合、仮想手術の空間位置関係が変化し、仮想キルシュナー針と物理手術の一致が不正確になり、登録をやり直す必要があります。

3. 穿刺前の患者およびシステムの準備

  1. 手術室に入った後、患者に仰臥位で横になり、患部の下肢を固定するように依頼します(図7)。すべての患者に全身麻酔を投与する。
  2. ヨウ素と75%アルコールで手術部位を準備し、患者の罹患した股関節に非侵襲的な体表面位置決め装置(標準的な手順を使用して滅菌)を置きます。
  3. C-ARM透視鏡を手術台の横に移動し、ソースを股関節の上に置きます。ソースを深度カメラに合わせ、手術台の位置を位置1として記録します。
  4. 最初の透視検査の後、BMP形式のX線写真をシステムワークステーションにエクスポートし、 写真編集で開き、[ ライトスケール]オプションをクリックしてグレースケールを調整します。時計回りに回転し、対応するボタンをクリックして水平方向に1回反転してBMPに変換します。次に、[ ペイント3D ]をクリックして開き、非侵襲的な体表面マーキングフレームを含むJPG形式で保存し、画像1という名前を付けます(図8A)。
    メモ: この変換プロセスは、システム識別の成功を促進するためのものです。画像変換の特別な要件のため、回転および反転のためにX線画像のグレースケールを調整する必要がある。
  5. デプスカメラのすぐ下の手術台を、位置2とマークされた操作領域までスライドさせます。位置 1 (ステップ 3.3) と位置 2 は、同じ水平面上の 2 つの点であり、30 cm 離れています。
  6. AR支援整形外科システムで、「 前線X線画像>ファイル」をクリックし、画像1を選択します。システムは、患者の皮膚表面上の非侵襲的な体表面マーキングフレームを自動的に識別し、この画像を手術ビデオ内の股関節に重畳する(図8B)。
  7. 上記で生成されたX線画像とリアルタイムビデオの拡張現実表示を使用して、外科医はこれに基づいて穿刺経路を計画する。

4. 外科システムによって補助される穿刺

  1. 外科医は罹患側に立って、以下のステップを実行する。穿刺装置を持ち、最適な挿入角度を決定します。手術ビデオの仮想キルシュナーワイヤーと股関節のX線画像に導かれて、皮膚表面上の挿入ポイントにマークを付けます。
  2. 直径 2.5 mm のキルシュナー線を選択し、挿入ポイントから突き刺します。ビデオの挿入深さと角度を観察し、タイムリーに調整します。
  3. 仮想針が壊死の対象領域に到達したら、穿刺処理を停止し、その後の穿刺精度評価のためにスクリーンショットを画像2(図9A)として保持する。
  4. 針を差し込む。2 回目の透視検査では手術台を 1 の位置に移動し、キルシュナー線の実際の穿刺状態を確認します。イメージ ファイルをイメージ 3 として記録します (図 9B)。
  5. 穿刺は、キルシュナーワイヤーの位置が外科医の要件をすべて満たしている場合に成功します。次に、ランセットを使用して針の周りの皮膚を切断し、転子下の骨を約3cmの深さまで露出させるまで、軟部組織のあらゆるレベルを分離します。キルシュナー線に沿って壊死領域を5mmのトレフィンで穴あけし、その後の手術(人工骨または自家骨移植)を完了します。
  6. すべての手順を終えたら、3-0の絹糸で皮膚を閉じ、滅菌ドレッシングで覆います(図10)。病棟に戻った後、感染予防、鎮痛、体液注入などの一般的な整形外科の術後薬を患者に提供します。合併症が起こらない場合は、手術の3日後に患者を退院させる。

5. 運用評価

  1. 画像 2 と画像 3 を画像処理ソフトウェアに読み込み、不透明度を 52% に調整します。
  2. マスキングボタンをクリックして2つの画像を重ね合わせ、次にルーラーボタンをクリックして、仮想先端と大腿皮質の穿刺点との間の距離(L仮想)、およびキルシュナー針の先端と大腿皮質の穿刺点との間の距離(Lture)を測定する。L仮想とLチュールの差を計算して、穿刺精度を評価します。
  3. 穿刺中、位置決め時間はキルシュナー線が皮膚を突き刺した時点から始まり、X線がキルシュナー線が大腿骨頭の標的領域に正常に到達したことを確認した時点で停止する。
  4. 手術から3ヶ月後、股関節X線(図11)を撮影し、視覚的アナログスケールとハリス股関節スコアを記録します。

結果

動作特性
外科的ナビゲーションシステムは、9人の患者の連続的な10の腰に適用された。手術の平均総位置決め時間は10.1分(中央値9.5分、範囲8.0〜14.0分)であった。平均C-ARM透視検査は5.5倍(中央値5.5倍、範囲4〜8倍)であった。穿刺精度の平均誤差は1.61mm(中央値1.2mm、範囲-5.76-19.73mm; 表1)。結果は、位置決め時間と透視時間が従来の手順と比較して明らかに短縮されて?...

ディスカッション

THAは近年急速に発展し、ONFHの効果的な究極の方法となっていますが、股関節保存療法は依然として初期段階のONFHの治療に重要な役割を果たしています18,19。CDは基本的で効果的な股関節保存手術であり、股関節痛を解放し、大腿骨頭虚脱の発症を遅らせることができる20。局所壊死の穿刺位置決めは、手術の成功または失敗を決定...

開示事項

著者らは、競合する利害関係はないと宣言している。

謝辞

この研究は、北京自然科学財団(7202183)、中国国家自然科学財団(81972107)、北京市科学技術委員会(D171100003217001)の支援を受けました。

資料

NameCompanyCatalog NumberComments
AR-assisted Orthopedic Surgery SystemSelf developmentNoneAn operating software that implements AR for orthopedic surgery
Depth cameraStereolabsZED depth camera(ZED mini)shoot video and sent back to the workstation.
Image processing softwareAdobe Systems IncorporatedAdobe Photoshop CS6Image processing software
Infrared positioning deviceNorthern Digital Inc.NDI Polaris Spectra optical tracking deviceTracking markers in the surgical area.
Puncture deviceStrykerStryker System 7 Cordless driver and SaboInsert kirschner wire into the necrotic area.

参考文献

  1. Cohen-Rosenblum, A., Cui, Q. Osteonecrosis of the femoral head. Orthopedic Clinics of North America. 50 (2), 139-149 (2019).
  2. Migliorini, F., et al. Prognostic factors in the management of osteonecrosis of the femoral head: A systematic review. The Surgeon: journal of the Royal Colleges of surgeons of Edinburgh and Ireland. (21), 00199 (2022).
  3. Mont, M. A., Jones, L. C., Hungerford, D. S. Nontraumatic osteonecrosis of the femoral head: ten years later. The Journal of Bone and Joint Surgery. American Volume. 88 (5), 1117-1132 (2006).
  4. Wang, L., Tian, X., Li, K., Liu, C. Combination use of core decompression for osteonecrosis of the femoral head: A systematic review and meta-analysis using Forest and Funnel Plots. Computational and Mathematical Methods in Medicine. , 1284149 (2021).
  5. Hua, K. C., et al. The efficacy and safety of core decompression for the treatment of femoral head necrosis: a systematic review and meta-analysis. Journal of Orthopaedic Surgery and Research. 14 (1), 306 (2019).
  6. Ganz, R., Krushell, R. J., Jakob, R. P., Küffer, J. The antishock pelvic clamp. Clinical Orthopaedics and Related Research. 267, 71-78 (1991).
  7. Yoshikawa, K., et al. Training with hybrid assistive limb for walking function after total knee arthroplasty. Journal of Orthopaedic Surgery and Research. 13 (1), 163 (2018).
  8. Wu, C. T., Yen, S. H., Lin, P. C., Wang, J. W. Long-term outcomes of Phemister bone grafting for patients with non-traumatic osteonecrosis of the femoral head. International Orthopaedics. 43 (3), 579-587 (2019).
  9. Mont, M. A., Marulanda, G. A., Seyler, T. M., Plate, J. F., Delanois, R. E. Core decompression and nonvascularized bone grafting for the treatment of early stage osteonecrosis of the femoral head. Instructional Course Lectures. 56, 213-220 (2007).
  10. Wang, W., et al. Patient-specific core decompression surgery for early-stage ischemic necrosis of the femoral head. PLoS One. 12 (5), 0175366 (2017).
  11. Hoffmann, M. F., Khoriaty, J. D., Sietsema, D. L., Jones, C. B. Outcome of intramedullary nailing treatment for intertrochanteric femoral fractures. Journal of Orthopaedic Surgery and Research. 14 (1), 360 (2019).
  12. Dennler, C., et al. Augmented reality-based navigation increases precision of pedicle screw insertion. Journal of Orthopaedic Surgery and Research. 15 (1), 174 (2020).
  13. Yonezawa, H., et al. Low-grade myofibroblastic sarcoma of the levator scapulae muscle: a case report and literature review. BMC Musculoskeletal Disorders. 21 (1), 836 (2020).
  14. Tsukada, S., et al. Augmented reality- vs accelerometer-based portable navigation system to improve the accuracy of acetabular cup placement during total hip arthroplasty in the lateral decubitus position. The Journal of Arthroplasty. 37 (3), 488-494 (2021).
  15. Raymond, J., et al. Pharmacogenetics of direct oral anticoagulants: a systematic review. Journal of Personalized Medicine. 11 (1), 37 (2021).
  16. Bhatt, F. R., et al. Augmented reality-assisted spine surgery: an early experience demonstrating safety and accuracy with 218 screws. Global Spine Journal. , (2022).
  17. Weiss, H. R., Nan, X., Potts, M. A. Is there an indication for surgery in patients with spinal deformities? - A critical appraisal. The South African Journal of Physiotherapy. 77 (2), 1569 (2021).
  18. Boontanapibul, K., Amanatullah, D. F., Huddleston, J. I., Maloney, W. J., Goodman, S. B. Outcomes of cemented total knee arthroplasty for secondary osteonecrosis of the knee. The Journal of Arthroplasty. 36 (2), 550-559 (2021).
  19. Bakircioglu, S., Atilla, B. Hip preserving procedures for osteonecrosis of the femoral head after collapse. J Clin Orthop Trauma. 23, 101636 (2021).
  20. Ma, H. Y., et al. Core decompression with local administration of zoledronate and enriched bone marrow mononuclear cells for treatment of non-traumatic osteonecrosis of femoral head. Orthopaedic Surgery. 13 (6), 1843-1852 (2021).
  21. Hu, L., et al. Comparison of intramedullary nailing and plate fixation in distal tibial fractures with metaphyseal damage: a meta-analysis of randomized controlled trials. Journal of Orthopaedic Surgery and Research. 14 (1), 30 (2019).
  22. Pierannunzii, L. Endoscopic and arthroscopic assistance in femoral head core decompression. Arthroscopy Techniques. 1 (2), 225-230 (2012).
  23. Salas, A. P., et al. Hip arthroscopy and core decompression for avascular necrosis of the femoral head using a specific aiming guide: a step-by-step surgical technique. Arthroscopy Techniques. 10 (12), 2775-2782 (2021).
  24. Beer, A. J., Dijkgraaf, I. Editorial European journal of nuclear medicine and molecular imaging. European Journal of Nuclear Medicine and Molecular Imaging. 44 (2), 284-285 (2017).
  25. Negrillo-Cárdenas, J., Jiménez-Pérez, J. R., Feito, F. R. The role of virtual and augmented reality in orthopedic trauma surgery: From diagnosis to rehabilitation. Computer Methods and Programs in Biomedicine. 191, 105407 (2020).
  26. Brookes, M. J., et al. Surgical Advances in Osteosarcoma. Cancers. 13 (3), 388 (2021).
  27. Cho, H. S., et al. Can augmented reality be helpful in pelvic bone cancer surgery? an in vitro study. Clinical Orthopaedics and Related Research. 476 (9), 1719-1725 (2018).

転載および許可

このJoVE論文のテキスト又は図を再利用するための許可を申請します

許可を申請

さらに記事を探す

182

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

個人情報保護方針

利用規約

一般データ保護規則

お問い合わせ

図書館への推薦

JoVE ニュースレター

研究

教育

著者

図書館員

JoVEについて

Copyright © 2023 MyJoVE Corporation. All rights reserved