맞춤형 개정 고관절 치환술에서 혼합 현실 사용: 첫 번째 사례 보고서

요약

복잡한 수정 고관절 치환술은 맞춤형 임플란트와 혼합 현실 기술을 사용하여 수행되었습니다. 저자의 지식에 따르면, 이것은 문헌에 설명 된 그러한 절차에 대한 첫 번째 보고서입니다.

초록

3D 프린팅 및 해부학 적 구조의 시각화 기술은 다양한 의학 분야에서 빠르게 성장하고 있습니다. 맞춤형 임플란트와 혼합 현실은 2019 년 1 월에 복잡한 수정 고관절 치환술을 수행하는 데 사용되었습니다. 혼합 현실을 사용하면 구조를 매우 잘 시각화할 수 있었고 정확한 임플란트 고정이 가능했습니다. 저자의 지식에 따르면, 이것은이 두 가지 혁신의 결합 된 사용에 대한 최초의 사례 보고서입니다. 시술 자격을 갖추기 전의 진단은 왼쪽 엉덩이의 비구 구성 요소가 느슨해지는 것이었습니다. 엔지니어가 준비한 혼합 현실 헤드셋과 홀로그램이 수술 중에 사용되었습니다. 수술은 성공적이었고 조기 수직화와 환자 재활이 이어졌습니다. 팀은 관절 치환술, 외상 및 정형 종양학 분야에서 기술 개발 기회를 보고 있습니다.

서문

복잡한 구조의 3 차원 (3D) 인쇄 및 시각화 기술은 다양한 의학 분야에서 빠르게 성장하고 있습니다. 여기에는 심혈관 수술, 이비인후과, 악안면 수술, 그리고 무엇보다도 정형 외과^수술 1,2,3,4,5가 포함됩니다. 현재이 기술은 3D 인쇄 요소의 직접 구현뿐만 아니라 수술 훈련, 수술 전 계획 또는 수술 중 탐색 ^6,7,8에도 정형 외과 수술에 사용됩니다.

고관절 전치환술(THA)과 무릎 전치환술(TKA)은 전 세계적으로 가장 자주 수행되는 정형외과 수술 절차 중 하나입니다. 환자의 삶의 질이 크게 향상되었기 때문에 THA는 이전 간행물에서 "세기의 ^수술"9로 묘사되었습니다. 폴란드에서는 2019 년에 49.937 THA 및 30.615 TKA가 수행되었습니다¹⁰. 기대 수명이 증가함에 따라 예상되는 고관절 및 무릎 관절 치환술 건수가 증가하는 추세입니다. 임플란트 디자인, 수술 기술 및 수술 후 관리를 개선하기 위해 많은 노력을 기울였습니다. 이러한 발전은 환자의 기능을 회복하고 합병증의 위험을 줄일 수있는 더 나은 기회로 이어졌습니다^11,12,13,14.

그러나, 현재 전 세계 정형외과 의사들이 직면하고 있는 큰 도전은 고관절의 해부학적 결함으로 인해 기성품 임플란트(¹⁵)를 시행하는 것이 매우 어렵거나 심지어 불가능하게 만드는 비표준 환자들과 함께 일하는 것이다. 뼈 손실은 심각한 외상, 비구 돌출이있는 진행성 퇴행성 골관절염, 발달 성 고관절 이형성증, 원발성 골암 또는 전이 16,17,18,19,20으로 인한 것일 수 있습니다. 임플란트 선택의 문제는 특히 여러 번의 재수술의 위험이 있는 환자와 관련이 있으며 때로는 비전통적인 치료가 필요하기도 합니다. 이러한 경우, 매우 유망한 솔루션은 특정 환자 및 뼈 결함을 위해 만들어진 첨가제로 만들어진 3D 프린팅 임플란트로, 매우 정밀한 해부학적 적합성(²⁰)을 가능하게 한다.

관절 성형술 분야에서는 정밀한 임플란트와 지속 가능한 고정이 중요합니다. 수술 전 및 수술 중 3D 시각화의 발전은 증강 현실 및 혼합 현실^21,22,23,24와 같은 우수한 솔루션을 가져왔습니다. 수술 중 뼈 및 임플란트 컴퓨터 단층 촬영(CT) 홀로그램을 사용하면 기존 방사선 촬영 이미지보다 더 나은 보철물 배치가 가능할 수 있습니다. 이 새로운 기술은 치료 효과의 가능성을 높이고 신경 혈관 합병증의 위험을 줄일 수 있습니다^21,25.

이 사례 보고서는 무균 풀림으로 인해 고관절 재수술을받은 환자에 관한 것입니다. 여러 임플란트 실패로 인한 심각한 뼈 손실을 해결하기 위해 맞춤형 3D 프린팅 비구 임플란트가 사용되었습니다. 절차 중에 혼합 현실을 사용하여 위험에 처한 신경 혈관 구조의 손상을 방지하기 위해 임플란트 위치를 시각화했습니다. 혼합 현실 헤드셋에 구현된 애플리케이션을 사용하면 음성 및 제스처 명령을 제공할 수 있으므로 수술 절차 중에 멸균 상태에서 사용할 수 있습니다.

57 세의 한 여성이 예비 진단으로 부서에 입원했습니다 : 왼쪽 엉덩이의 비구 구성 요소가 느슨해졌습니다. 환자의 질병 병력은 광범위했습니다. 평생 동안 그녀는 고관절의 수많은 수술을 받았습니다. 첫 번째 치료는 고관절 이형성증으로 인한 골관절염(1977-15세)으로 인한 고관절 재포장이었고, 두 번째 치료는 임플란트 풀림으로 인한 고관절 전치환술(1983-21세) 및 기타 두 번의 재수술(1998, 2000-37 및 39세)이었습니다. 또한 환자는 소아 뇌성 마비로 인한 경련성 왼쪽 편마비를 앓고 있었고 왼쪽 만곡족 기형으로 인해 반복적으로 수술을 받았습니다. 그녀는 또한 흉요추의 골관절염, 손목 터널 증후군 및 잘 조절된 동맥 고혈압으로 부담을 받았습니다. 다음 시술 자격을 갖추기 전 최종 진단은 왼쪽 엉덩이의 비구 구성 요소가 느슨해짐에 따라 발생하는 통증과 기능 제한 증가였습니다. 환자는 의욕이 넘치고 신체 활동이 활발하며 장애에 대처했습니다.

프로토콜

이 프로토콜은 바르샤바 의과 대학의 인간 연구 윤리위원회의 지침을 따릅니다. 환자는 절차에 정보에 입각 한 동의를 제공하고 기록 될 것이라는 사실을 인정했습니다. 환자는 시술 전에 동의했습니다.

참고: 수술 프로젝트에 환자를 포함시키는 기본 기준은 해부학적 기능 장애로 인해 개입해야 할 필요성으로 인해 표준 임플란트를 사용할 수 없었습니다. 혼합 현실은 보철물을 더 잘 배치하여 성공적인 수술 가능성을 높이는 것을 목표로했습니다.

1. 준비

1. 맞춤형 비구 임플란트를 준비하고 환자가 입원하기 전에 수술 절차를 계획하십시오.
   참고: 이 사례 연구에서는 의료 영상 진단 분야의 당업자가 맞춤형 비구 임플란트를 준비했습니다.
   1. 병원에 입원하기 전에 진단 영상 장치에서 엑스레이를 수행하십시오.
   2. 전후 투영에서 골반 X 선을 수행하십시오.
   3. X- 레이를 기반으로 환자 골반의 현재 상태를 평가하십시오.
   4. 얻은 이미지를 이전 X선 이미지와 비교합니다.
2. 골반 CT 스캔을 수행하고 프로토콜에 따라 DICOM(디지털 이미징 및 의학 커뮤니케이션) 파일을 획득합니다.
   1. 환자를 움직일 수 있는 CT 스캔 플랫폼에 놓습니다.
   2. 두께 버튼을 클릭하고 스캔에 대해 512 x 512 픽셀 두께를 선택합니다.
   3. 1mm 레이어의 두께를 결정하는 매개 변수를 클릭하십시오.
   4. 클릭하여 절차를 시작하고 테스트 결과를 기다립니다.
3. 엔지니어에게 기술 체계로 디지털 방식으로 보낼 수 있는 임플란트 제안서 또는 3D 프린팅된 모델 프로토타입을 설계하도록 요청합니다(그림 1).
   1. DICOM 뷰어에서 컴퓨터 단층 촬영 결과를 시각화합니다.
   2. 환자의 현재 해부학 적 상태, 생체 역학 및 관절의 기능을 고려하여 임플란트 구현의 필요성을 결정하십시오.
   3. 고정을 포함한 임플란트에 대한 제안은 엔지니어에게 문의하십시오.
   4. 프로젝트를 승인하고 선적을 기다립니다.
      참고: 임플란트의 최종 모양에는 환자의 CT 스캔에서 얻은 3D 데이터를 설계 엔지니어 및 외과의의 입력과 결합하는 작업이 포함됩니다.
4. 전자빔 기술^26,27을 사용하여 티타늄 합금 분말(TiAl6V4)에서 맞춤형 3D 임플란트를 인쇄합니다. 소량의 TiAl6V4 분말을 함유 한 챔버 내부에는 전자빔이 발사 될 때마다 선택적 용융 및 재료 축적 (플라즈마 코팅)이 있습니다.
5. 임플란트가 멸균되었는지 확인하십시오. 임플란트 시험 및 최종 임플란트의 멸균은 제조업체에 의해 보장되었습니다.

2. 수술 전 검진

1. 표준 진료 실험실 테스트 및 전문가 상담을 수행하십시오.
   1. 잠재적인 인공 관절 주위 감염 환자(방사선학적 특징 없음, 정상 c-반응성 단백질(<10mg/L), 적혈구 침강 속도 여성의 경우 1-10mm/h, 남성의 경우 3-15mm/h).
2. 발열(전신), 통증, 부기, 발적(국소적) 및 관절 기능 저하와 같은 감염의 임상 징후를 확인합니다²⁸.
   1. 임상 검사 중 국소 염증의 징후가있는 환자를 제외하십시오 (발적, 온도 상승, 통증, 부기 및 기능 상실은 국소 염증을 나타냄). 환자는 수술에 대한 완전한 정보에 입각 한 동의를했습니다.

3. 혼합 현실 모델

참고: 이 과정은 적절한 임플란트 및 골반 시각화를 달성하기 위해 수행되며 수술 중에 사용됩니다.

1. 전용 응용 프로그램을 사용하여 골반 CT DICOM 파일을 홀로그램 표현으로 처리합니다.
   1. 획득한 CT DICOM 파일에서 CT 이미지를 혼합 현실 헤드셋으로 로드합니다.
      1. 홀로그램 DICOM 뷰어를 엽니다.
      2. CT DICOM 파일이 포함된 폴더를 선택합니다.
      3. 헤드셋을 켤 때 표시되는 IP를 확인하고 홀로그램 DICOM 뷰어의 지정된 위치에 입력합니다.
      4. 연결 단추를 클릭하면 혼합 현실 헤드셋에서 시각화를 볼 수 있습니다.
   2. 골반 뼈 조직 구조를 분할하십시오. 이 작업은 가위 옵션을 사용하여 수동으로 수행됩니다. 이 옵션을 사용하도록 설정하면 사용자가 마우스 왼쪽 단추를 클릭하고 마우스를 이동하여 이 도구로 선택한 구조를 제거합니다.
      1. 마우스 왼쪽 버튼을 한 번 더 클릭하여 선택을 종료하면 사용자가 선택한 구조를 잘라낼 것인지 확인할 수 있는 팝업이 생성됩니다.
         참고: 사용자는 3D 및 2D 뷰 모두에서 시각화에서 잘라낼 영역을 선택할 수 있습니다. 선택 영역 내부 또는 외부에서 구조를 제거할 수 있습니다. CT 이미지의 필요한 부분 만 보일 때까지 반복됩니다.
   3. CT Bone Endoprosthesis라는 이름을 클릭하여 사용 가능한 기능 목록에서 정형 외과 절차 전용 사전 정의 된 전달 기능 (색상 시각화 매개 변수)을 선택하십시오. 필요한 경우 3D 시각화 창에서 마우스 움직임과 연결된 마우스 오른쪽 버튼을 사용하여 창과 레벨을 변경하여 시각화를 조정합니다.
   4. 헤드셋에 연결하여 3D 홀로그램 공간에서 준비된 시각화를 확인합니다. 음성 명령을 사용하여 이미지 조정하기: 회전, 확대/축소, 스마트 자르기 및 손 제스처.
   5. 컷 스마트(Cut Smart) 명령을 사용하여 사용자의 시선에 수직인 절단 평면을 사용하고 조정합니다. 사용자가 머리를 홀로그램에 더 가깝게 이동할수록 평면이 더 깊어집니다.
   6. 이러한 이동을 수행하면 평면의 앞쪽에 있는 구조가 시각화되지 않으므로 시각화의 내부 부분을 볼 수 있습니다.
      참고: 이 보기는 구조(골반, 대퇴골 및 임플란트) 간의 기하학적 관계를 평가하는 데 중요합니다(그림 2 및 그림 3).

4. 수술

1. 맞춤형 비구 임플란트 및 혼합 현실 장치^14,16,29를 사용하여 비구 구성 요소의 무균 풀림으로 인한 고관절 치환술 재수술을 수행합니다. 메스, 응고제가있는 전기 수술 칼, Luer 도구 및 커터를 사용하십시오.
   1. 피부 절개 30 분 전에 세프 트리 악손 1.5g을 정맥 주사하고 감염 예방을 위해 수술 당일 2 회 접종해야합니다. 저 분자량 헤파린 (LMWH)으로 수술 전날 혈전 예방을 시작하십시오. 시술 후 30 일 동안 40mg enoxaparin의 단일 일일 복용량을 계속하십시오.
   2. 환자를 전신 마취하에 놓고 수술대에 눕습니다.
   3. 고관절에 대한 Hardinge 접근을 사용하여 결합 조직 유착을 해제하고 느슨한 비구 임플란트를 제거합니다.
   4. 고관절의 다른 재수술 절차와 동일한 방식으로 수술을 수행하되 더 넓은 접근을 사용하십시오.
   5. 모양이 제공된 모델과 정확히 동일하도록 비구 표면에서 모든 연조직을 제거하십시오. 임플란트 모델은 비구 뼈의 표면에 완벽하게 부착되어야합니다.
   6. 임플란트를 안정화시키는 특수 설계된 나사를 사용하여 새로운 비시멘트 임플란트를 고정하십시오.
   7. 수술 후 대퇴 신경 차단을 수행하십시오.
2. 처리된 이미지의 수술 중 홀로그램 시각화
   1. 사전 절차 계획에서 준비된 DICOM CT 스캔의 시각화를 혼합 현실 애플리케이션에 로드합니다.
   2. 혼합 현실 헤드셋을 혼합 현실 애플리케이션에 연결하여 3D 홀로그램 공간에서 준비된 시각화를 확인합니다.
   3. 처리된 이미지의 수술 중 홀로그램 시각화를 사용하여 적절하고 정확한 골반 뼈 표면 준비를 달성하고 비구 구성 요소의 풀림에 대한 반응으로 개발된 과도한 결합 조직을 제거합니다.
   4. 운영자가 홀로그램 시각화를 참조 이미지로 보는지 확인합니다.
   5. 메스, 응고제가있는 전기 수술 칼, 루어 도구 및 커터를 사용하십시오. 3D 골반 모델의 시각화는 신경 혈관 구조 손상 및 임플란트 식립 실수의 위험을 최소화해야합니다.
   6. 헤드 마운트 디스플레이가 WiFi 네트워크를 통해 워크스테이션에 연결되어 있는지 확인하십시오. 이미지 처리 및 렌더링은 워크스테이션에서 수행되며 결과는 헤드셋에 홀로그램으로 표시됩니다. 제스처 및 음성 명령을 사용합니다. 필요한 경우 POV 미리보기를 통해 엔지니어의 도움을 받으십시오.

5. 수술 후 관리

1. 환자가 수술 후 첫날 재활 및 동원을 포함한 표준 재활 및 회복 프로토콜을 받도록하십시오^30,31,32.
   참고: 재활은 고관절 및 무릎 관절 성형술에 경험이 있는 전담 팀에 의해 시행되었습니다.
2. 약리학 적 혈전 예방을 시행하십시오. 혈전 예방은 저 분자량 헤파린 (LMWH)으로 수술 전날에 시작되었습니다. 40mg의 에녹사파린의 단일 일일 투여량은 시술 후 30일 동안 계속되었다.

결과

이미지 전처리
골반 뼈, 대퇴골 및 관내 인공 삽입물의 이진 마스크는 사용 가능한 소프트웨어³³과 함께 임계 값 및 영역 성장 알고리즘을 사용하여 숙련 된 방사선 기술자에 의해 CT DICOM 이미지에서 반자동으로 분할되었습니다. 준비된 라벨 맵도 방사선 전문의가 수동으로 수정했습니다. 레이블 맵은 다음 단계에서 CT 스캔에 추가하여 시각화를 향상시키는 데 사?...

토론

일차 및 재조정 고관절 치환술은 치료의 효과를 보장하기 위해 개인화가 필요할 수 있습니다. 그러나 맞춤형 임플란트를 사용하려면 표준 절차에 비해 수술 준비가 더 오래 필요합니다. 맞춤형 3D 프린팅 임플란트는 질병이 심각한 뼈 파괴를 일으킨 비전형적인 환자의 기능을 회복할 수 있는 기회를 제공하는 솔루션입니다²⁹. 표준 보철물은 진행성 퇴행성 질환이 빠르게 진행되?...

자료

Name	Company	Catalog Number	Comments
CarnaLifeHolo v. 1.5.2	MedApp S.A.
Custom-Made implant type Triflanged Acetabular Component	BIOMET	REF PM0001779
Head Constrained Modular Head + 9mm Neck for cone 12/14, Co-Cr-Mo, size 36mm	BIOMET	REF 14-107021
Polyethylene insert Freedom Ringloc-X Costrained Linear Ringloc-X 58mm for head 36mm / 10 *	BIOMET	REF 11-263658