증강 현실 탐색 유도 대퇴골 머리의 골괴사에 대한 코어 감압

요약

증강 현실 기술은 대퇴골 머리의 골괴사에 대한 핵심 감압에 적용되어이 수술 절차의 실시간 시각화를 실현했습니다. 이 방법은 코어 감압의 안전성과 정밀도를 효과적으로 향상시킬 수 있습니다.

초록

대퇴골 두부의 골괴사 (ONFH)는 젊은 및 중년 환자에서 흔히 발생하는 관절 질환으로, 삶과 업무에 심각한 부담을줍니다. 초기 단계 ONFH의 경우, 코어 감압 수술은 고전적이고 효과적인 고관절 보존 요법입니다. Kirschner 와이어를 사용한 전통적인 코어 감압 절차에는 X 선 노출, 반복적 인 펑크 검증 및 정상 뼈 조직의 손상과 같은 많은 문제가 여전히 있습니다. 펑크 프로세스의 실명과 실시간 시각화를 제공 할 수 없다는 것은 이러한 문제의 중요한 이유입니다.

이 절차를 최적화하기 위해 우리 팀은 증강 현실 (AR) 기술을 기반으로 수술 중 내비게이션 시스템을 개발했습니다. 이 수술 시스템은 수술 영역의 해부학을 직관적으로 표시하고 수술 전 이미지와 가상 바늘을 수술 중 비디오로 실시간으로 렌더링 할 수 있습니다. 내비게이션 시스템의 가이드를 통해 외과의는 Kirschner 와이어를 표적 병변 영역에 정확하게 삽입하고 부수적 인 손상을 최소화 할 수 있습니다. 우리는이 시스템으로 핵심 감압 수술의 10 사례를 실시했습니다. 위치 지정 및 형광 검사의 효율성은 전통적인 절차에 비해 크게 향상되었으며 펑크의 정확성도 보장됩니다.

서문

대퇴골 두부의 골괴사 (ONFH)는 젊은 성인에서 발생하는 일반적인 비활성화 질환입니다¹. 임상적으로, 치료 전략을 결정하기 위해서는 X선, CT 및 MRI를 기반으로 ONFH의 스테이징을 결정할 필요가 있습니다 (그림 1). 초기 단계 ONFH의 경우, 고관절 보존 요법이 일반적으로 채택됩니다². 코어 감압 (CD) 수술은 ONFH에서 가장 자주 사용되는 고관절 보존 방법 중 하나입니다. 초기 단계 ONFH를 치료하는데 있어서 골 이식술의 유무에 관계없이 코어 감압의 특정 치료 효과가 보고되었으며, 이는 장시간 동안 후속적인 총 고관절성형술(THA)을 회피하거나 지연시킬 수 있다^3,4,5. 그러나, 골 이식술의 유무에 관계없이 CD의 성공률은 이전 연구들 사이에서 64%에서 95%^로 다르게 보고되었다 ^6,7,8,9. 수술 기술, 특히 드릴링 위치의 정확성은 고관절 보존⁽¹⁰)의 성공을 위해 중요하다. 펑크 및 위치 결정 절차의 실명으로 인해, CD의 전통적인 기술은 더 많은 형광 검사 시간, Kirschner 와이어를 사용한 반복적 인 펑크 및 정상 뼈 조직의 손상^11,12와 같은 몇 가지 문제를 가지고 있습니다.

최근 몇 년 동안, 증강 현실 (AR) 보조 방법이 정형 외과 수술⁽¹³)에 도입되었습니다. AR 기술은 수술 분야의 해부학을 시각적으로 보여주고 외과 의사가 수술 절차를 계획하도록 안내하여 결과적으로 수술의 어려움을 줄일 수 있습니다. 페디클 스크류 이식 및 관절 관절 성형술 수술에서 AR 기술의 적용은 이전에^14,15,16,17보고되었습니다. 이 연구에서는 AR 기술을 CD 절차에 적용하고 임상 실습에서 안전성, 정확성 및 실현 가능성을 검증하는 것을 목표로합니다.

시스템 하드웨어 구성 요소
AR 기반 내비게이션 수술 시스템의 주요 구성 요소는 다음을 포함한다: (1) 수술 영역 바로 위에 설치된 깊이 카메라(도 2A); 비디오는 이로부터 촬영되어 이미징 데이터에 대한 등록 및 협력을 위해 워크 스테이션으로 다시 전송됩니다. (2) 펑크 장치(그림 2B)와 비침습적 신체 표면 마킹 프레임(그림 2C)으로, 모두 수동 적외선 반사판이 있습니다. 마킹 볼의 특수 반사 코팅(그림 3)은 적외선 장비로 캡처하여 수술 부위의 수술 장비를 정확하게 추적할 수 있습니다. (3) 적외선 위치 결정 장치 (그림 2D)는 신체 표면 표시 프레임과 펑크 장치를 높은 정확도로 일치시켜 수술 영역의 마커를 추적하는 역할을합니다 (그림 4). (4) 호스트 시스템(그림 2E)은 독립적으로 개발된 AR 보조 정형외과 수술 시스템과 함께 설치된 64비트 워크스테이션입니다. 고관절 및 대퇴골 머리 펑크 수술의 증강 현실 디스플레이는 도움을 받아 완료 할 수 있습니다.

프로토콜

이 연구는 중국 - 일본 우정 병원 윤리위원회 (승인 번호 : 2021-12-K04)의 승인을 받았습니다. 다음의 모든 단계는 환자 및 외과의에 대한 부상을 피하기 위해 표준화된 절차에 따라 수행되었다. 이 연구를 위해 정보에 입각한 환자 동의를 얻었다. 외과 의사는 부정확 한 탐색 또는 기타 예기치 않은 상황의 경우 전통적인 방식으로 수술을 수행 할 수 있도록 기존의 핵심 감압 절차에 숙련되어야합니다.

1. 수술 전 진단 및 ONFH의 등급 매기기

1. ONFH의 임상 증상을 가진 환자를 확인; 사타구니 부위의 지속적 또는 간헐적 통증과 같은 전형적인 증상과 동측성 엉덩이 또는 무릎 방사 통증. 신체 검사는 사타구니 부위의 깊은 부드러움, 패트릭의 징후, 내부 회전 및 납치의 제한된 엉덩이 움직임 또는 X 선, CT 및 MRI를 사용하여 측정 된 대퇴골 머리의 괴사 변화를 보여주었습니다.
2. 협회 연구 순환 골수 (ARCO) 스테이징에 따르면, 환자의 X 선, CT 및 엉덩이의 MRI를 검토하고 ONFH의 스테이징을 결정합니다. 두 명의 의사가이 작업을 독립적으로 수행합니다. 의견 불일치가 발생하면 세 번째 전문가에게 최종 결정을 내리도록 요청하십시오.
3. 설문지를 사용하여 수술 전 시각적 아날로그 척도 (VAS)와 해리스 엉덩이 점수를 기록하십시오.
4. 하기 기준을 사용하는 환자를 포함시킨다: 1) ONFH 환자; 2) ONFH의 단계 I, IIA, 및 IIB를 영상 검사(X선, CT, 및 MRI)에 의해 확인; 3) 대퇴골 두핵 감압 수술이 계획되어 있습니다. 환자를 제외하는 경우: 1) 환자가 CD 수술을 거부함; 2) 수술 전 일상적인 검사는 감염이나 열악한 기본 상태와 같은 외과 적 모순을 나타냅니다. 3) 환자는 집단 등록을 거부한다.

2. 시스템 등록 및 정확도 테스트

1. AR 보조 정형 외과 수술 시스템을 실행하고 (상용화 문제로 인해 소프트웨어 세부 정보를 제공 할 수 없음) 직교 비디오를 클릭하여 깊이 카메라를 활성화하십시오. 수술 부위의 이미지는 활성화 후 화면에 표시됩니다 (그림 5A). 추적 영역이 수술 영역을 완전히 덮을 수 있도록 광학 추적 장치를 배치합니다(그림 5B).
2. NDI 설정을 클릭하여 장치 액세스 포트인 COM4를 선택합니다. 가상 바늘 길이 설정(일반적으로 Kirschner 바늘 길이는 180mm)을 클릭하면 비디오의 수술 영역에 가상 Kirschner 바늘 이미지가 자동으로 생성됩니다.
3. 계획된 수술 전두엽 영역을 각 레벨 30cm x 30cm 크기로 상하 레벨로 나누고 레벨 사이에 높이 차이가 15cm입니다. 시스템은 수술 영역의 공간 정보를 소프트웨어에 자동으로 입력한다.
4. 10 개의 일치하는 포인트로 모든 레벨을 균등하게 할당하십시오. 30cm x 30cm 영역마다 두 부분으로 나눠서 각각 세 개의 점을 가지며 한 부분(왼쪽 부분)에는 네 개의 점이 있습니다. 보조자에게 포인트에 따라 비침습적 신체 표면 마킹 프레임(그림 2C)을 배치하도록 요청하십시오. 완료되면 일치를 클릭하십시오. 등록을 위한 시스템 자체의 특수 이미지는 마킹 프레임에 자동으로 겹쳐집니다(그림 5C). 이미지와 마킹 프레임이 완전히 일치 할 때이 지점의 등록이 성공했다고 생각하십시오.
5. 프레임을 다음 등록 지점으로 이동하고 2.4단계를 반복합니다. 모든 등록 포인트가 완료 될 때까지. 펑크 장치(도 3A2)가 장착된 마킹 프레임의 형상은 비침습적 신체 표면 마킹 프레임과 정확히 동일하므로, 일단 등록이 완료되면, 전자는 또한 수술 영역의 광학 추적 장치에 의해 추적될 수 있다.
6. 펑크 장치를 수술 영역에서 무작위로 움직여 가상 바늘과 추적 지연의 일치 정도를 감지합니다(그림 6). 빨강 청색 가상 Kirschner 바늘 몸체가 수술 영역의 실제 바늘과 자동으로 맞기 때문에 Kirschner 바늘의 증강 현실 디스플레이가 성공합니다 (그림 5D).
   참고: 등록 과정에서 광학 추적 장치와 깊이 카메라의 위치를 마음대로 변경해서는 안 됩니다. 그렇다면 가상 수술의 공간적 위치 관계가 변경되어 가상 Kirschner 바늘과 물리적 바늘 사이의 부정확 한 일치가 발생하고 등록이 다시 수행되어야합니다.

3. 펑크 전 환자 및 시스템 준비

1. 수술실에 들어간 후 환자에게 수핀 자세로 누워서 영향을받는 쪽의 하지를 고정하도록 요청하십시오 (그림 7). 모든 환자에게 전신 마취를 투여하십시오.
2. 요오드 및 75 % 알코올로 수술 부위를 준비하고 비침습적 인 신체 표면 위치 결정 장치 (표준 절차를 사용하여 멸균)를 환자의 영향을받는 엉덩이에 놓습니다.
3. C-ARM 형광경을 수술대 옆으로 옮기고 소스를 엉덩이 관절 위에 놓습니다. 소스를 깊이 카메라와 정렬하고 수술대의 위치를 위치 1로 기록합니다.
4. 첫 번째 형광 복사 후 BMP 형식 방사선 사진을 시스템 워크 스테이션으로 내보내고 사진 편집에서 연 다음 광조 옵션을 클릭하여 회색조를 조정하십시오. 시계 방향으로 회전하고 해당 버튼을 클릭하여 수평으로 한 번 뒤집어 BMP로 변환합니다. 그런 다음 페인팅 3D 를 클릭하여 열고 비침습적 바디 표면 마킹 프레임이 포함된 JPG 형식으로 저장하고 이미지 1의 이름을 지정합니다(그림 8A).
   참고: 이 변환 프로세스는 시스템 식별의 성공을 촉진하기 위한 것입니다. 이미지 변환의 특별한 요구 사항으로 인해 회전 및 반전을 위해 X 선 이미지의 그레이 스케일을 조정해야합니다.
5. 깊이 카메라 바로 아래의 수술대를 위치 2로 표시된 작동 영역으로 밉니다. 위치 1(단계 3.3)과 위치 2는 30cm 떨어진 동일한 수평면의 두 지점입니다.
6. AR 보조 정형외과 수술 시스템에서 파일 > 전면 X선 이미지를 클릭하고 이미지 1을 선택합니다. 시스템은 환자의 피부 표면에서 비침습적 신체 표면 마킹 프레임을 자동으로 식별한 다음, 이 이미지를 수술 비디오의 고관절에 중첩시킨다(도 8B).
7. 위에서 생성된 X선 영상과 실시간 영상의 증강현실 디스플레이를 이용하여 외과의는 이를 바탕으로 펑크 경로를 계획한다.

4. 수술 시스템에 의해 보조 펑크

1. 외과 의사는 영향을받는 쪽에 서서 다음 단계를 수행합니다. 펑크 장치를 잡고 최적의 삽입 각도를 결정합니다. 피부 표면에 삽입 지점을 표시하고, 가상 Kirschner 와이어와 수술 비디오에서 고관절의 X 선 이미지로 안내합니다.
2. 직경 2.5mm의 Kirschner 와이어를 선택하고 삽입 지점에서 관통합니다. 비디오의 삽입 깊이와 각도를 관찰하고 적시에 조정하십시오.
3. 가상 바늘이 괴사의 목표 영역에 도달하면 펑크 과정을 중지하고 후속 펑크 정확도 평가를 위해 스크린 샷을 이미지 2로 유지합니다 (그림 9A).
4. 바늘에 내주하십시오. 수술대를 두 번째 형광 검사의 위치 1로 이동하여 Kirschner 와이어의 실제 펑크 상태를 확인합니다. 이미지 파일을 이미지 3으로 기록합니다(그림 9B).
5. 펑크는 Kirschner 와이어의 위치가 외과 의사의 모든 요구 사항을 충족 할 때 성공합니다. 그런 다음 랜싯을 사용하여 바늘 주위의 피부를 자르고 약 3cm 깊이의 서브 트로 챈터 뼈가 노출 될 때까지 모든 수준의 연조직을 분리합니다. Kirschner 와이어를 따라 괴사 부위를 5mm 트레핀으로 드릴하여 후속 작업 (인공 뼈 또는 자가 뼈 이식)을 완료하십시오.
6. 모든 절차를 마친 후 3-0 실크 실로 피부를 닫고 멸균 드레싱으로 덮으십시오 (그림 10). 병동으로 돌아온 후, 환자에게 감염 예방, 진통 및 체액 주입과 같은 일반적인 정형 외과 수술 후 약물을 제공하십시오. 합병증이 발생하지 않으면 수술 후 3 일 후에 환자를 퇴원시킵니다.

5. 운영 평가

1. 이미지 2와 이미지 3을 이미지 처리 소프트웨어로 가져오고 불투명도를 52%로 조정합니다.
2. 마스킹 버튼을 클릭하여 두 이미지를 겹친 다음 눈금자 버튼을 클릭하여 가상 팁과 대퇴 피질의 펑크 포인트 사이의 거리 (L 가상)와 Kirschner 바늘 끝과 대퇴 피질의 펑크 포인트 사이의 거리 (L_ture)를 측정하십시오. L 가_상과 L_ture의 차이를 계산하여 펑크 정확도를 평가합니다.
3. 구멍을 뚫는 동안 다음과 같이 위치 결정 시간을 측정하십시오 : 위치 결정 시간은 Kirschner 와이어가 피부를 관통 한 시간부터 시작하여 X 선이 Kirschner 와이어가 대퇴골 머리의 목표 영역에 성공적으로 도달했음을 확인하면 멈 춥니 다.
4. 수술 후 석 달 후, 엉덩이 X-ray(그림 11)를 촬영하고 시각적 아날로그 척도와 해리스 엉덩이 점수를 기록합니다.

결과

작동 특성
외과 내비게이션 시스템은 아홉 명의 환자의 엉덩이 10 개에 지속적으로 적용되었습니다. 수술의 평균 총 위치 결정 시간은 10.1 분 (중앙값 9.5 분, 범위 8.0-14.0 분)이었다. 평균 C-ARM 형광 내시경은 5.5배였다(중앙값 5.5배, 범위 4-8배). 펑크 정확도의 평균 오차는 1.61mm(중앙값 1.2mm, 범위 -5.76-19.73mm; 표 1). 결과는 포지셔닝 시간과 형광 검사 시간이 전통적인 절차에 ...

토론

THA는 최근 몇 년 동안 급속히 발전하여 ONFH의 효과적인 궁극적 인 방법이되었지만 고관절 보존 요법은 초기 단계 ONFH^18,19 치료에 여전히 중요한 역할을합니다. CD는 고관절 통증을 풀어주고 대퇴골 머리 붕괴⁽²⁰)의 발달을 지연시킬 수있는 기본적이고 효과적인 고관절 보존 수술입니다. 초점 괴사의 펑크 위치는 수술의 성공 또는 실패를...

자료

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.