Descompressão do núcleo guiada pela navegação de realidade aumentada para osteonecrose da cabeça femoral

Resumo

A tecnologia de realidade aumentada foi aplicada à descompressão do núcleo da osteonecrose da cabeça femoral para realizar a visualização em tempo real deste procedimento cirúrgico. Este método pode melhorar efetivamente a segurança e a precisão da descompressão do núcleo.

Resumo

A osteonecrose da cabeça femoral (ONFH) é uma doença articular comum em pacientes jovens e de meia-idade, o que sobrecarrega seriamente suas vidas e trabalho. Para onfh em estágio inicial, a cirurgia de descompressão do núcleo é uma terapia clássica e eficaz de preservação do quadril. Nos procedimentos tradicionais de descompressão do núcleo com fio Kirschner, ainda há muitos problemas, como exposição a raios-X, verificação repetida de punção e danos ao tecido ósseo normal. A cegueira do processo de punção e a incapacidade de proporcionar visualização em tempo real são razões cruciais para esses problemas.

Para otimizar esse procedimento, nossa equipe desenvolveu um sistema de navegação intraoperatória com base na tecnologia de realidade aumentada (AR). Este sistema cirúrgico pode exibir intuitivamente a anatomia das áreas cirúrgicas e renderizar imagens pré-operatórias e agulhas virtuais para vídeo intraoperatório em tempo real. Com o guia do sistema de navegação, os cirurgiões podem inserir com precisão os fios kirschner na área da lesão alvo e minimizar os danos colaterais. Realizamos 10 casos de cirurgia de descompressão com este sistema. A eficiência do posicionamento e da fluoroscopia é muito melhorada em relação aos procedimentos tradicionais, e a precisão da punção também é garantida.

Introdução

A osteonecrose da cabeça femoral (ONFH) é uma doença incapacitante comum que ocorre em adultos jovens¹. Clinicamente, é necessário determinar a realização de ONFH com base em raio-X, Tomografia Computadorizada e Ressonância Magnética para decidir a estratégia de tratamento (Figura 1). Para onfh em estágio inicial, a terapia de preservação do quadril é geralmente adotada². A cirurgia de descompressão do núcleo (CD) é um dos métodos de preservação do quadril mais utilizados para ONFH. Foram relatados certos efeitos curativos da descompressão do núcleo com ou sem enxerto ósseo no tratamento do ONFH em estágio inicial, o que pode evitar ou retardar a artroplastia total do quadril (THA) por um longo tempo ^3,4,5. No entanto, a taxa de sucesso do CD com ou sem enxerto ósseo foi relatada de forma diferente entre estudos anteriores, de 64% para 95%6,7,8,9. A técnica cirúrgica, especialmente a precisão da posição de perfuração, é importante para o sucesso da preservação do quadril¹⁰. Devido à cegueira do procedimento de punção e posicionamento, as técnicas tradicionais de CD têm vários problemas, como mais tempo de fluoroscopia, punção repetida usando fio Kirschner e lesão do tecido ósseo normal^11,12.

Nos últimos anos, o método assistido pela realidade aumentada (AR) foi introduzido na cirurgia ortopédica¹³. A técnica ar pode mostrar visualmente a anatomia do campo cirúrgico, orientar os cirurgiões no planejamento do procedimento cirúrgico e, consequentemente, reduzir a dificuldade da operação. As aplicações da técnica AR na implantação do parafuso pediáculo e na cirurgia de artroplastia articular foram relatadas anteriormente 14,15,16,17. Neste estudo, pretendemos aplicar a técnica AR ao procedimento do CD e verificar sua segurança, precisão e viabilidade na prática clínica.

Componentes de hardware do sistema
Os principais componentes do sistema cirúrgico de navegação baseado em AR incluem: (1) Uma câmera de profundidade (Figura 2A) instalada diretamente acima da área cirúrgica; o vídeo é filmado a partir deste e enviado de volta para a estação de trabalho para registro e cooperação com os dados de imagem. (2) Um dispositivo de punção (Figura 2B) e um quadro de marcação de superfície corporal não invasivo (Figura 2C), ambos com refletores infravermelhos passivos. Um revestimento reflexivo especial de bolas de marcação (Figura 3) pode ser capturado por equipamento infravermelho para obter um rastreamento preciso de equipamentos cirúrgicos na área cirúrgica. (3) Um dispositivo de posicionamento infravermelho (Figura 2D) é responsável por rastrear marcadores na área cirúrgica, combinando a estrutura de marcação da superfície do corpo e o dispositivo de punção com alta precisão (Figura 4). (4) O sistema host (Figura 2E) é uma estação de trabalho de 64 bits, instalada com o sistema de cirurgia ortopédica assistido por AR de forma independente. A exibição de realidade aumentada da articulação do quadril e da operação de punção da cabeça femoral pode ser completada com sua assistência.

Protocolo

Este estudo foi aprovado pelo comitê de ética do Hospital da Amizade China-Japão (número de aprovação: 2021-12-K04). Todas as etapas a seguir foram realizadas de acordo com procedimentos padronizados para evitar lesões aos pacientes e aos cirurgiões. O consentimento informado do paciente foi obtido para este estudo. O cirurgião deve ser qualificado em procedimentos convencionais de descompressão do núcleo para garantir que a cirurgia possa ser realizada de forma tradicional em caso de navegação imprecisa ou outras situações inesperadas.

1. Diagnóstico pré-operatório e classificação de ONFH

1. identificar pacientes com sintomas clínicos de ONFH; sintomas típicos, como dor persistente ou intermitente na região da virilha com dor ipsilateral no quadril ou joelho. O exame físico mostrou ternura profunda na região da virilha, sinal de Patrick, um movimento limitado do quadril de rotação interna e abdução, ou alterações necroses da cabeça femoral medida por raio-X, Tomografia e Ressonância Magnética.
2. De acordo com a pesquisa da associação de circulação ossesa (ARCO), revise o raio-X, tC e ressonância magnética do quadril e determine a estadia do ONFH. Dois médicos conduzem este trabalho de forma independente. Se surgirem divergências, peça a um terceiro especialista que faça a decisão final.
3. Registo da escala analógica visual pré-operatória (VAS) e pontuação do quadril de Harris usando um questionário.
4. Incluir pacientes utilizando os seguintes critérios: 1) pacientes com ONFH; 2) estágio I, IIA e IIB de ONFH confirmados por exame de imagem (raio-X, tomografia e ressonância magnética); 3) está prevista a cirurgia de descompressão do núcleo da cabeça femoral. Excluir pacientes quando: 1) pacientes rejeitarem a cirurgia de CD; 2) o exame de rotina pré-operatório indica contradições cirúrgicas, como infecção ou condição básica ruim; 3) os pacientes se recusam a ser matriculados no grupo.

2. Teste de registro e precisão do sistema

1. Execute o sistema de cirurgia ortopédica assistido por AR (devido a problemas de comercialização, detalhes do software não podem ser fornecidos) e clique em Vídeo Ortográfico para ativar a câmera de profundidade. Uma imagem da área cirúrgica será exibida na tela após a ativação (Figura 5A). Posicione o dispositivo de rastreamento óptico para que sua área de rastreamento possa cobrir completamente a área cirúrgica (Figura 5B).
2. Clique em NDI Configuração para selecionar a porta de acesso do dispositivo, COM4. Clique na Configuração do comprimento da agulha virtual (geralmente uma agulha Kirschner tem 180 mm de comprimento) e uma imagem virtual da agulha Kirschner será gerada automaticamente na área cirúrgica no vídeo.
3. Divida a área frontal cirúrgica planejada em níveis superior e inferior com cada nível de 30 cm x 30 cm de tamanho, e com uma diferença de altura de 15 cm entre os níveis. O sistema inser essa informação espacial automaticamente da área cirúrgica no software.
4. Alocar uniformemente todos os níveis com 10 pontos correspondentes; para cada área de 30 cm x 30 cm, divida-a em três partes iguais, com duas partes com três pontos cada, e uma parte (parte esquerda) com quatro pontos. Peça ao assistente para colocar a estrutura de marcação da superfície do corpo não invasiva (Figura 2C) de acordo com os pontos. Uma vez feito, clique em Match. A própria imagem especial do sistema para registro será automaticamente sobreposta ao quadro de marcação (Figura 5C). Considere o registro deste ponto bem sucedido quando a imagem e o quadro de marcação coincidirem completamente.
5. Mova o quadro para o próximo ponto de registro e repita o passo 2.4. até que todos os pontos de inscrição sejam preenchidos. Como a forma do quadro de marcação equipado com o dispositivo de punção (Figura 3A2) é exatamente a mesma do quadro de marcação da superfície do corpo não invasivo, uma vez que o registro é concluído, o primeiro também pode ser rastreado pelo dispositivo de rastreamento óptico na área cirúrgica.
6. Mova o dispositivo de punção aleatoriamente na área cirúrgica para detectar o grau de correspondência da agulha virtual e o atraso de rastreamento (Figura 6). Como o corpo de agulha kirschner virtual vermelho-azul se encaixa automaticamente com a agulha real na área cirúrgica, a tela de realidade aumentada da agulha Kirschner é bem sucedida (Figura 5D).
   NOTA: Durante o processo de registro, a posição do dispositivo de rastreamento óptico e da câmera de profundidade não devem ser alteradas à vontade. Se assim for, a relação de posição espacial da cirurgia virtual mudará, causando uma correspondência imprecisa entre a agulha Kirschner virtual e a física, e o registro deve ser recirqueado.

3. Preparação do paciente e do sistema antes da punção

1. Após entrar na sala de cirurgia, peça ao paciente que se deite em posição supina e fixe o membro inferior do lado afetado (Figura 7). Administre anestesia geral a todos os pacientes.
2. Prepare o local cirúrgico com iodo e 75% de álcool, e coloque o dispositivo de posicionamento da superfície corporal não invasivo (esterilizado por procedimentos padrão) no quadril afetado do paciente.
3. Mova o fluoroscópio C-ARM para o lado da mesa de operação e posicione a fonte acima da articulação do quadril. Alinhe a fonte com a câmera de profundidade e regise a posição da mesa cirúrgica como posição 1.
4. Após a primeira fluoroscopia, exporte a radiografia do formato BMP para a estação de trabalho do sistema, abra-a na Edição de Fotos e ajuste sua escala cinza clicando na opção escala de luz. Gire no sentido horário e gire horizontalmente uma vez clicando nos botões correspondentes para converter em BMP. Em seguida, abra-o clicando em Pintura 3D e salve como o formato JPG, que continha quadro de marcação da superfície do corpo não invasivo, e nomeie-o imagem 1 (Figura 8A).
   NOTA: Este processo de conversão é para promover o sucesso da identificação do sistema. Devido aos requisitos especiais de conversão de imagem, é necessário ajustar a escala cinza da imagem de raio-X para rotação e inversão.
5. Deslize a tabela de operação diretamente abaixo da câmera de profundidade para a área de operação marcada como posição 2. Posição 1 (na etapa 3.3) e posição 2 são dois pontos no mesmo plano horizontal, 30 cm de distância.
6. No sistema de cirurgia ortopédica assistida por AR, clique em Arquivo > imagem de raio-X frontal e selecione a imagem 1. o sistema identifica automaticamente a estrutura de marcação da superfície corporal não invasiva na superfície da pele do paciente e, em seguida, sobrepõe essa imagem à articulação do quadril no vídeo cirúrgico (Figura 8B).
7. Usando a exibição de realidade aumentada da imagem de raio-X e vídeo em tempo real gerado acima, o cirurgião planeja o caminho de punção com base nisso.

4. Punção assistida pelo sistema cirúrgico

1. O cirurgião fica do lado afetado e executa as seguintes etapas. Segure o dispositivo de punção e determine o melhor ângulo de inserção. Marque o ponto de inserção na superfície da pele, guiado pelo fio Kirschner virtual e pela imagem de raio-X da articulação do quadril no vídeo cirúrgico.
2. Selecione um fio Kirschner com um diâmetro de 2,5 mm e fure-o do ponto de inserção. Observe a profundidade e o ângulo de inserção no vídeo e ajuste-o oportunamente.
3. Quando a agulha virtual atingir a área alvo da necrose, pare o processo de punção e mantenha a captura de tela como imagem 2 (Figura 9A) para avaliação subsequente da precisão da punção.
4. Indwell a agulha. Mova a mesa de operação para a posição 1 para a segunda fluoroscopia para verificar a condição real de perfuração do fio Kirschner. Registo o arquivo de imagem como imagem 3 (Figura 9B).
5. A punção é bem sucedida quando a localização do fio Kirschner atende a todos os requisitos do cirurgião. Em seguida, use a lanceta para cortar a pele ao redor da agulha, e separe todos os níveis de tecido mole até expor o osso sub-trochanter, aproximadamente a uma profundidade de 3 cm. Perfurar a área necrosada ao longo do fio Kirschner com uma trefina de 5 mm para completar as operações subsequentes (osso artificial ou implantação óssea autóloga).
6. Após terminar todos os procedimentos, feche a pele com rosca de seda 3-0 e cubra com molho estéril (Figura 10). Após o retorno à enfermaria, providencie aos pacientes a aceitação de medicação ortopédica pós-operatória comum, como prevenção de infecções, analgesia e infusão de fluidos. Se não houver complicação, descarrez os pacientes 3 dias após a cirurgia.

5. Avaliação da operação

1. Importe a imagem 2 e a imagem 3 em um software de processamento de imagem e ajuste a opacidade para 52%.
2. Clique no botão Mascaramento para sobrepor as duas imagens, em seguida, clique no botão Réguas para medir a distância (L_virtual) entre a ponta virtual e o ponto de punção do córtex femoral, e a distância (L_ture) entre a ponta da agulha Kirschner e o ponto de punção do córtex femoral. Calcule a diferença entre l_virtual e L_ture para avaliar a precisão da punção.
3. Durante a punção, meça o tempo de posicionamento da seguinte forma: o tempo de posicionamento começa a partir do momento em que o fio Kirschner perfura a pele, e pára quando o raio-X confirma que o fio Kirschner atingiu com sucesso a área alvo da cabeça femoral.
4. Três meses após a cirurgia, faça o raio-X do quadril (Figura 11) e regise a escala análoga visual e a pontuação do quadril de Harris.

Resultados

Características da operação
O sistema de navegação cirúrgica foi aplicado em 10 quadris contínuos de nove pacientes. O tempo médio de posicionamento total da cirurgia foi de 10,1 min (mediana de 9,5 min, faixa 8,0-14,0 min). A fluoroscopia C-ARM média foi de 5,5 vezes (mediana 5,5 vezes, intervalo de 4 a 8 vezes). O erro médio de precisão da punção foi de 1,61 mm (mediana de 1,2 mm, faixa -5,76-19,73 mm; Tabela 1). Os resultados mostram que o tempo de posicionamento e os ...

Discussão

Embora a THA tenha se desenvolvido rapidamente nos últimos anos e se tornado um método final eficaz para o ONFH, a terapia de preservação do quadril ainda desempenha um papel importante no tratamento do ONFH em estágio inicial^18,19. O CD é uma cirurgia básica e eficaz de preservação do quadril, que pode liberar dor no quadril e retardar o desenvolvimento do colapso da cabeça femoral²⁰. O posicionamento de punção da necrose foca...

Materiais

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.