Динамическая декомпрессия ядра с навигацией дополненной реальности при остеонекрозе головки бедренной кости

Резюме

Технология дополненной реальности была применена для декомпрессии ядра при остеонекрозе головки бедренной кости для реализации визуализации этой хирургической процедуры в режиме реального времени. Этот метод может эффективно повысить безопасность и точность декомпрессии сердечника.

Аннотация

Остеонекроз головки бедренной кости (ОНФГ) является распространенным заболеванием суставов у пациентов молодого и среднего возраста, которое серьезно отягощает их жизнь и работу. Для ранней стадии ONFH операция по декомпрессии ядра является классической и эффективной терапией сохранения тазобедренного сустава. В традиционных процедурах декомпрессии ядра с помощью проволоки Киршнера все еще существует много проблем, таких как рентгеновское облучение, повторная проверка пункции и повреждение нормальной костной ткани. Слепота процесса прокола и неспособность обеспечить визуализацию в режиме реального времени являются важнейшими причинами этих проблем.

Для оптимизации этой процедуры наша команда разработала интраоперационную навигационную систему на основе технологии дополненной реальности (AR). Эта хирургическая система может интуитивно отображать анатомию хирургических областей и отображать предоперационные изображения и виртуальные иглы для интраоперационного видео в режиме реального времени. С помощью направляющей навигационной системы хирурги могут точно вставлять провода Киршнера в целевую область поражения и минимизировать сопутствующий ущерб. Мы провели 10 случаев операции по декомпрессии ядра с помощью этой системы. Эффективность позиционирования и рентгеноскопии значительно улучшена по сравнению с традиционными процедурами, а также гарантируется точность пункции.

Введение

Остеонекроз головки бедренной кости (ONFH) является распространенным инвалидизирующим заболеванием, встречающимся у молодых людей¹. Клинически необходимо определить стадию ОНФГ на основе рентгена, КТ и МРТ для определения стратегии лечения (рисунок 1). Для ранней стадии ОНФГ обычно принимается терапия сохранения тазобедренного сустава². Операция по декомпрессии ядра (CD) является одним из наиболее часто используемых методов сохранения тазобедренного сустава для ONFH. Сообщалось о некоторых лечебных эффектах декомпрессии ядра с или без костной пластики при лечении ОНФГ на ранней стадии, что может избежать или задержать последующую тотальную эндопротезирование тазобедренного сустава (THA) в течение длительного времени ^3,4,5. Тем не менее, уровень успеха CD с или без костной трансплантации был зарегистрирован по-разному среди предыдущих исследований, от 64% до 95% 6,7,8,9. Хирургическая техника, особенно точность положения сверления, важна для успешного сохранения тазобедренного сустава¹⁰. Из-за слепоты процедуры пункции и позиционирования традиционные методы CD имеют несколько проблем, таких как увеличение времени рентгеноскопии, повторная пункция с использованием проволоки Киршнера и повреждение нормальной^{костной ткани 11,12}.

В последние годы метод дополненной реальности (AR) был внедрен в ортопедическую хирургию¹³. Техника AR может визуально показать анатомию хирургического поля, направлять хирургов в планировании операционной процедуры и, следовательно, уменьшить сложность операции. О применении техники AR в имплантации винтов ножки и артропластике суставов сообщалось ранее 14,15,16,17. В этом исследовании мы стремимся применить технику AR к процедуре CD и проверить ее безопасность, точность и осуществимость в клинической практике.

Аппаратные компоненты системы
Основные компоненты навигационной хирургической системы на основе AR включают в себя следующее: (1) глубинная камера (рисунок 2A), установленная непосредственно над хирургической областью; видео снимается с этого и отправляется обратно на рабочую станцию для регистрации и взаимодействия с данными изображения. (2) Проколотое устройство (рисунок 2B) и неинвазивная рамка для маркировки поверхности тела (рисунок 2C) с пассивными инфракрасными отражателями. Специальное отражающее покрытие маркировочных шариков (рисунок 3) может быть захвачено инфракрасным оборудованием для достижения точного отслеживания хирургического оборудования в хирургической области. (3) Инфракрасное позиционирующее устройство (рисунок 2D) отвечает за отслеживание маркеров в хирургической области, с высокой точностью сопоставляя маркировочную рамку поверхности тела и проколотое устройство (рисунок 4). (4) Хост-система (рисунок 2E) представляет собой 64-разрядную рабочую станцию, установленную с независимо разработанной ортопедической хирургической системой AR. С его помощью можно завершить отображение в дополненной реальности операции по пункции тазобедренного сустава и головки бедренной кости.

протокол

Это исследование было одобрено комитетом по этике Больницы китайско-японской дружбы (номер одобрения: 2021-12-K04). Все следующие шаги были выполнены в соответствии со стандартизированными процедурами, чтобы избежать травм пациентов и хирургов. Для этого исследования было получено информированное согласие пациента. Хирург должен быть квалифицирован в обычных процедурах декомпрессии ядра, чтобы гарантировать, что операция может быть выполнена традиционным способом в случае неточной навигации или других неожиданных ситуаций.

1. Предоперационная диагностика и классификация ОНФГ

1. Выявлять пациентов с клиническими симптомами ОНФГ; типичные симптомы, такие как постоянная или прерывистая боль в паховой области с ипсилатеральной болью в бедре или колене, излучающей боль. Физическое обследование показало глубокую болезненность в паховой области, признак Патрика, ограниченное движение бедра от внутреннего вращения и абдукции или изменения некроза головки бедренной кости, измеренные с помощью рентгена, КТ и МРТ.
2. В соответствии с исследованием ассоциации костной циркуляции (ARCO) стадии, просмотрите рентген, КТ и МРТ тазобедренного сустава пациентов и определите стадию ONFH. Два врача проводят эту работу независимо друг от друга. Если возникнут разногласия, попросите третьего эксперта принять окончательное решение.
3. Запишите предоперационную визуальную аналоговую шкалу (VAS) и оценку бедра Харриса с помощью опросника.
4. Включить пациентов, использующих следующие критерии: 1) пациенты с ОНФГ; 2) I, IIA и IIB ОНФГ, подтвержденные визуальным исследованием (рентген, КТ, МРТ); 3) планируется операция по декомпрессии ядра головки бедренной кости. Исключить пациентов, когда: 1) пациенты отвергают операцию cd; 2) предоперационный профилактический осмотр указывает на хирургические противоречия, такие как инфекция или плохое базовое состояние; 3) пациенты отказываются от зачисления в группу.

2. Регистрация системы и проверка точности

1. Запустите ортопедическую хирургическую систему с поддержкой AR (из-за проблем с коммерциализацией детали программного обеспечения не могут быть предоставлены) и нажмите « Орфографическое видео», чтобы активировать камеру глубины. Изображение хирургической области будет выведено на экран после активации (рисунок 5А). Расположите оптическое устройство слежения так, чтобы его область слежения могла полностью покрыть хирургическую область (рисунок 5B).
2. Щелкните Настройка NDI , чтобы выбрать порт доступа к устройству COM4. Нажмите «Виртуальная настройка длины иглы » (обычно длина иглы Киршнера составляет 180 мм), и виртуальное изображение иглы Киршнера будет автоматически сгенерировано в хирургической области на видео.
3. Разделите запланированную хирургическую фронтальную область на верхний и нижний уровни с каждым уровнем размером 30 см х 30 см и с разницей в высоту 15 см между уровнями. Система автоматически вводит эту пространственную информацию хирургической области в программное обеспечение.
4. Равномерно распределяйте каждый уровень с 10 совпадающими очками; на каждые 30 см х 30 см площади разделите ее на три равные части, причем две части имеют по три точки каждая, а одна часть (левая часть) имеет четыре точки. Попросите помощника разместить неинвазивную маркировочную рамку поверхности тела (рисунок 2C) в соответствии с точками. Как только это будет сделано, нажмите «Матч». Собственное специальное изображение системы для регистрации будет автоматически наложено на маркировочную рамку (рисунок 5C). Считать регистрацию этой точки успешной, когда изображение и маркировочная рамка полностью совпадают.
5. Переместите кадр в следующую точку регистрации и повторите шаг 2.4. до тех пор, пока не будут заполнены все пункты регистрации. Поскольку форма маркировочной рамы, оснащенной проколотым устройством (рисунок 3А2), точно такая же, как и у неинвазивной рамки маркировки поверхности тела, после завершения регистрации первый также может отслеживаться оптическим устройством слежения в хирургической области.
6. Переместите устройство пункции случайным образом в хирургической области, чтобы определить степень соответствия виртуальной иглы и задержку отслеживания (рисунок 6). Поскольку красно-синее виртуальное тело иглы Киршнера автоматически совпадает с фактической иглой в хирургической области, отображение иглы Киршнера в дополненной реальности является успешным (рисунок 5D).
   ПРИМЕЧАНИЕ: В процессе регистрации положение оптического устройства слежения и глубинной камеры не должно изменяться по желанию. Если это так, отношения пространственного положения виртуальной хирургии изменятся, что приведет к неточному соответствию между виртуальной иглой Киршнера и физической, и регистрация должна быть проведена повторно.

3. Подготовка пациента и системы перед пункцией

1. После входа в операционную попросите пациента лечь в лежачем положении и зафиксировать нижнюю конечность пораженной стороны (рисунок 7). Назначать общую анестезию всем пациентам.
2. Подготовьте место операции йодом и 75% спиртом и поместите неинвазивное устройство позиционирования поверхности тела (стерилизованное с использованием стандартных процедур) на пораженное бедро пациента.
3. Переместите флюороскоп C-ARM в сторону операционного стола и расположите источник над тазобедренным суставом. Выровняйте источник с камерой глубины и запишите положение хирургического стола как положение 1.
4. После первой рентгеноскопии экспортируйте рентгенограмму формата BMP на системную рабочую станцию, откройте ее в разделе «Редактирование фотографий» и отрегулируйте шкалу серого, щелкнув параметр «Масштаб света». Поворачивайте по часовой стрелке и переворачивайте горизонтально один раз, нажимая соответствующие кнопки для преобразования в BMP. Затем откройте его, щелкнув Painting 3D , и сохраните в формате JPG, который содержал неинвазивную рамку для маркировки поверхности тела, и назовите его изображением 1 (рисунок 8A).
   ПРИМЕЧАНИЕ: Этот процесс преобразования должен способствовать успеху идентификации системы. Из-за особых требований к преобразованию изображения необходимо настроить шкалу серого рентгеновского изображения для поворота и инверсии.
5. Сдвиньте рабочий стол непосредственно под камерой глубины в рабочую зону, обозначенную как положение 2. Положение 1 (на шаге 3.3) и положение 2 представляют собой две точки на одной горизонтальной плоскости, на расстоянии 30 см друг от друга.
6. В системе ортопедической хирургии с поддержкой AR щелкните Файл > переднем рентгеновском снимке и выберите изображение 1. система автоматически идентифицирует неинвазивную маркировочную рамку поверхности тела на поверхности кожи пациента, а затем накладывает это изображение на тазобедренный сустав в хирургическом видео (рисунок 8B).
7. Используя дисплей дополненной реальности рентгеновского изображения и видео в режиме реального времени, сгенерированное выше, хирург планирует путь пункции на основе этого.

4. Пункция с помощью хирургической системы

1. Хирург встает на пораженную сторону и выполняет следующие шаги. Удерживайте проколовое устройство и определите наилучший угол вставки. Отметьте точку введения на поверхности кожи, ориентируясь на виртуальную проволоку Киршнера и рентгеновское изображение тазобедренного сустава на хирургическом видео.
2. Выберите проволоку Киршнера диаметром 2,5 мм и проткните ее от точки вставки. Следите за глубиной вставки и углом в видео и своевременно корректируйте его.
3. Когда виртуальная игла достигнет целевой области некроза, остановите процесс прокола и сохраните снимок экрана в виде изображения 2 (рисунок 9A) для последующей оценки точности прокола.
4. Вставьте иглу. Переместите операционный стол в положение 1 для второй рентгеноскопии, чтобы проверить фактическое состояние прокола проволоки Киршнера. Запишите файл изображения как изображение 3 (рисунок 9B).
5. Пункция успешна, когда расположение проволоки Киршнера соответствует всем требованиям хирурга. Затем используйте ланцет, чтобы разрезать кожу вокруг иглы, и отделите каждый уровень мягких тканей до обнажения субтрохантерной кости, примерно на глубину 3 см. Просверлите в некротическую область вдоль проволоки Киршнера трефином 5 мм для завершения последующих операций (имплантация искусственной кости или аутологичной кости).
6. После окончания всех процедур закройте кожу 3-0 шелковой нитью и накройте стерильной повязкой (рисунок 10). После возвращения в палату предоставьте пациентам принятые общие ортопедические послеоперационные препараты, такие как профилактика инфекций, обезболивание и инфузия жидкости. Если осложнений не возникает, выписывают пациентов через 3 дня после операции.

5. Оценка работы

1. Импортируйте изображения 2 и изображения 3 в программное обеспечение для обработки изображений и отрегулируйте непрозрачность до 52%.
2. Нажмите кнопку «Маскировка», чтобы перекрыть два изображения, затем нажмите кнопку «Линейки», чтобы измерить расстояние (L_{виртуальный}) между виртуальным кончиком и точкой прокола бедренной коры и расстояние (_L-тур) между кончиком иглы Киршнера и точкой прокола коры бедренной кости. Рассчитайте разницу между L_{виртуальной} и _{L-матрицей} для оценки точности прокола.
3. Во время пункции измерьте время позиционирования следующим образом: время позиционирования начинается с момента, когда провод Киршнера прокалывает кожу, и останавливается, когда рентген подтверждает, что провод Киршнера успешно достиг целевой области головки бедренной кости.
4. Через три месяца после операции сделайте рентген тазобедренного сустава (рисунок 11) и запишите визуальную аналоговую шкалу и оценку тазобедренного сустава Харриса.

Результаты

Эксплуатационные характеристики
Хирургическая навигационная система применялась в континуативных 10 бедрах девяти пациентов. Среднее общее время позиционирования операции составило 10,1 мин (медиана 9,5 мин, диапазон 8,0-14,0 мин). Среднее значение Фторскопии C-ARM составляло 5,5 раз...

Обсуждение

Хотя THA быстро развивалась в последние годы и стала эффективным методом для ONFH, терапия сохранения тазобедренного сустава по-прежнему играет важную роль в лечении ONFH^18,19 на ранней ^стадии. CD является базовой и эффективной операцией по сохранению тазобедре?...

Материалы

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.