Femur Başı Osteonekrozu için Artırılmış Gerçeklik Navigasyon Rehberliğinde Çekirdek Dekompresyonu

Özet

Artırılmış gerçeklik teknolojisi, bu cerrahi prosedürün gerçek zamanlı görselleştirmesini gerçekleştirmek için femur başının osteonekrozu için çekirdek dekompresyonuna uygulandı. Bu yöntem, çekirdek dekompresyonunun güvenliğini ve hassasiyetini etkili bir şekilde artırabilir.

Özet

Femur başının osteonekrozu (ONFH), genç ve orta yaşlı hastalarda yaşamlarını ve çalışmalarını ciddi şekilde zorlayan yaygın bir eklem hastalığıdır. Erken evre ONFH için core dekompresyon cerrahisi klasik ve etkili bir kalça koruma tedavisidir. Kirschner teli ile geleneksel çekirdek dekompresyon prosedürlerinde, X-ışınına maruz kalma, tekrarlanan delinme doğrulaması ve normal kemik dokusuna zarar verme gibi birçok sorun vardır. Delinme sürecinin körlüğü ve gerçek zamanlı görselleştirme sağlayamaması, bu sorunların çok önemli nedenleridir.

Bu prosedürü optimize etmek için ekibimiz, artırılmış gerçeklik (AR) teknolojisi temelinde bir intraoperatif navigasyon sistemi geliştirdi. Bu cerrahi sistem, cerrahi alanların anatomisini sezgisel olarak görüntüleyebilir ve ameliyat öncesi görüntüleri ve sanal iğneleri gerçek zamanlı olarak intraoperatif videoya dönüştürebilir. Navigasyon sisteminin kılavuzuyla, cerrahlar Kirschner tellerini hedeflenen lezyon bölgesine doğru bir şekilde yerleştirebilir ve kollateral hasarı en aza indirebilir. Bu sistemle 10 olgu core dekompresyon cerrahisi gerçekleştirdik. Konumlandırma ve floroskopinin verimliliği, geleneksel prosedürlere kıyasla büyük ölçüde iyileştirilmiştir ve delinmenin doğruluğu da garanti edilmektedir.

Giriş

Femur başının osteonekrozu (ONFH), genç erişkinlerde görülen yaygın bir engelleyici hastalıktır¹. Klinik olarak, tedavi stratejisine karar vermek için röntgen, BT ve MRG'ye dayalı ONFH evrelemesinin belirlenmesi gerekmektedir (Şekil 1). Erken evre ONFH için kalça koruma tedavisi genellikle benimsenir². Çekirdek dekompresyon (CD) cerrahisi ONFH için en sık kullanılan kalça koruma yöntemlerinden biridir. Erken evre ONFH tedavisinde kemik grefti ile veya kemik grefti olmadan çekirdek dekompresyonunun bazı iyileştirici etkileri bildirilmiştir, bu da sonraki total kalça artroplastisini (THA) uzun süre önleyebilir veya geciktirebilir ^3,4,5. Bununla birlikte, kemik greftli veya kemik greftsiz CD'nin başarı oranı önceki çalışmalara göre %64'ten %^95'e kadar farklı olarak bildirilmiştir6,7,8,9. Cerrahi teknik, özellikle delme pozisyonunun doğruluğu, kalça koruma^10'un başarısı için önemlidir. Delinme ve konumlandırma prosedürünün körlüğü nedeniyle, geleneksel CD tekniklerinin daha fazla floroskopi süresi, Kirschner teli kullanılarak tekrarlanan delinme ve normal kemik dokusunun yaralanması gibi çeşitli sorunları vardır^11,12.

Son yıllarda ortopedik cerrahide artırılmış gerçeklik (AR) destekli yöntem kullanılmaya başlanmıştır¹³. AR tekniği, cerrahi alanın anatomisini görsel olarak gösterebilir, cerrahlara ameliyat prosedürünü planlamada rehberlik edebilir ve sonuç olarak operasyonun zorluğunu azaltabilir. AR tekniğinin pedikül vida implantasyonu ve eklem artroplastisi cerrahisindeki uygulamaları daha önce^14,15,16,17 bildirilmiştir. Bu çalışmada, AR tekniğini CD prosedürüne uygulamayı ve klinik uygulamada güvenliğini, doğruluğunu ve fizibilitesini doğrulamayı amaçladık.

Sistem donanım bileşenleri
AR tabanlı navigasyon cerrahi sisteminin ana bileşenleri şunları içerir: (1) Doğrudan cerrahi alanın üzerine monte edilmiş bir derinlik kamerası (Şekil 2A); video bundan çekilir ve görüntüleme verileriyle kayıt ve işbirliği için iş istasyonuna geri gönderilir. (2) Her ikisi de pasif kızılötesi reflektörlere sahip bir delinme cihazı (Şekil 2B) ve invaziv olmayan bir vücut yüzeyi işaretleme çerçevesi (Şekil 2C). İşaretleme toplarının özel bir yansıtıcı kaplaması (Şekil 3), cerrahi alandaki cerrahi ekipmanın doğru bir şekilde izlenmesini sağlamak için kızılötesi ekipman tarafından yakalanabilir. (3) Bir kızılötesi konumlandırma cihazı (Şekil 2D), cerrahi alandaki belirteçleri izlemekten, vücut yüzeyi işaretleme çerçevesini ve delinme cihazını yüksek doğrulukla eşleştirmekten sorumludur (Şekil 4). (4) Ana bilgisayar sistemi (Şekil 2E), bağımsız olarak geliştirilen AR destekli ortopedik cerrahi sistemi ile kurulan 64 bitlik bir iş istasyonudur. Kalça ekleminin artırılmış gerçeklik gösterimi ve femur başı delinme operasyonu yardımı ile tamamlanabilir.

Protokol

Bu çalışma Çin-Japonya Dostluk Hastanesi etik kurulu tarafından onaylanmıştır (onay numarası: 2021-12-K04). Aşağıdaki adımların tümü, hastaların ve cerrahların yaralanmasını önlemek için standartlaştırılmış prosedürlere göre gerçekleştirildi. Bu çalışma için bilgilendirilmiş hasta onamları alındı. Cerrah, yanlış navigasyon veya diğer beklenmedik durumlarda ameliyatın geleneksel bir şekilde gerçekleştirilebilmesini sağlamak için geleneksel çekirdek dekompresyon prosedürlerinde yetenekli olmalıdır.

1. Preoperatif tanı ve ONFH derecelendirmesi

1. ONFH'nin klinik semptomları olan hastaları tanımlamak; ipsilateral kalça veya diz yayan ağrı ile kasık bölgesinde kalıcı veya aralıklı ağrı gibi tipik semptomlar. Fizik muayenede kasık bölgesinde derin hassasiyet, Patrick belirtisi, sınırlı kalça iç rotasyon ve kaçırma hareketi veya X-ışını, BT ve MRG kullanılarak ölçülen femur başının nekroz değişiklikleri görüldü.
2. Dernek araştırma dolaşımı osseöz (ARCO) evrelemesine göre, hastaların kalçanın röntgen, BT ve MRG'sini gözden geçirin ve ONFH evrelemesini belirleyin. İki doktor bu çalışmayı bağımsız olarak yürütür. Anlaşmazlıklar ortaya çıkarsa, üçüncü bir uzmandan nihai kararı vermesini isteyin.
3. Preoperatif görsel analog skala (VAS) ve Harris kalça skorunu bir anket kullanarak kaydedin.
4. Aşağıdaki kriterleri kullanan hastaları dahil edin: 1) ONFH'li hastalar; 2) görüntüleme muayenesi (X-ışını, BT ve MRG) ile doğrulanan ONFH'nin evre I, IIA ve IIB'si; 3) Femur başı çekirdek dekompresyon cerrahisi planlanır. Hastaları şu durumlarda hariç tutun: 1) hastalar CD ameliyatını reddettiğinde; 2) preoperatif rutin muayene, enfeksiyon veya kötü temel durum gibi cerrahi çelişkileri gösterir; 3) hastalar gruba kaydolmayı reddederler.

2. Sistem kaydı ve doğruluk testi

1. AR destekli ortopedik cerrahi sistemini çalıştırın (ticarileştirme sorunları nedeniyle yazılım ayrıntıları sağlanamaz) ve derinlik kamerasını etkinleştirmek için Ortografik Video'ya tıklayın. Aktivasyondan sonra ekranda cerrahi alanın bir görüntüsü görüntülenecektir (Şekil 5A). Optik izleme cihazını, izleme alanı cerrahi alanı tamamen kaplayabilecek şekilde konumlandırın (Şekil 5B).
2. Aygıt erişim bağlantı noktası COM4'ü seçmek için NDI Ayarı'na tıklayın. Sanal İğne Uzunluğu Ayarı'na tıklayın (genellikle bir Kirschner iğnesi 180 mm uzunluğundadır) ve videodaki cerrahi alanda otomatik olarak sanal bir Kirschner iğnesi görüntüsü oluşturulacaktır.
3. Planlanan cerrahi frontal alanı, her seviye 30 cm x 30 cm boyutlarında ve seviyeler arasında 15 cm yükseklik farkı olacak şekilde üst ve alt seviyelere bölün. Sistem, cerrahi alanın bu mekansal bilgisini otomatik olarak yazılıma girer.
4. Her seviyeyi 10 eşleşen puanla eşit olarak tahsis edin; Her 30 cm x 30 cm'lik alan için, her biri üç noktaya sahip iki parça ve dört noktaya sahip bir parça (sol kısım) olmak üzere üç eşit parçaya bölün. Asistandan non-invaziv gövde yüzeyi işaretleme çerçevesini (Şekil 2C) noktalara göre yerleştirmesini isteyin. İşiniz bittiğinde, Eşleştir'e tıklayın. Sistemin kayıt için kendi özel görüntüsü, işaretleme çerçevesine otomatik olarak bindirilecektir (Şekil 5C). Görüntü ve işaretleme çerçevesi tamamen çakıştığında bu noktanın kaydının başarılı olduğunu düşünün.
5. Çerçeveyi bir sonraki kayıt noktasına taşıyın ve adım 2.4'ü yineleyin. tüm kayıt noktaları tamamlanana kadar. Delinme cihazı ile donatılmış işaretleme çerçevesinin şekli (Şekil 3A2), invaziv olmayan vücut yüzeyi işaretleme çerçevesi ile tamamen aynı olduğundan, kayıt tamamlandıktan sonra, birincisi cerrahi alandaki optik izleme cihazı tarafından da izlenebilir.
6. Sanal iğnenin eşleşen derecesini ve izleme gecikmesini tespit etmek için delinme cihazını cerrahi alanda rastgele hareket ettirin (Şekil 6). Kırmızı-mavi sanal Kirschner iğne gövdesi cerrahi alandaki gerçek iğneye otomatik olarak uyduğundan, Kirschner iğnesinin artırılmış gerçeklik gösterimi başarılıdır (Şekil 5D).
   NOT: Kayıt işlemi sırasında, optik izleme cihazının ve derinlik kamerasının konumu istenildiği zaman değiştirilmemelidir. Eğer öyleyse, sanal cerrahinin mekansal konum ilişkisi değişecek ve sanal Kirschner iğnesi ile fiziksel iğne arasında yanlış eşleşmeye neden olacak ve kayıtların yeniden yapılması gerekecektir.

3. Delinmeden önce hasta ve sistem hazırlığı

1. Ameliyathaneye girdikten sonra, hastadan sırtüstü pozisyonda uzanmasını ve etkilenen tarafın alt ekstremitesini sabitlemesini isteyin (Şekil 7). Tüm hastalara genel anestezi uygulayın.
2. Cerrahi bölgeyi iyot ve% 75 alkol ile hazırlayın ve invaziv olmayan vücut yüzeyi konumlandırma cihazını (standart prosedürler kullanılarak sterilize edilmiş) hastanın etkilenen kalçasına yerleştirin.
3. C-ARM floroskopunu ameliyat masasının yan tarafına taşıyın ve kaynağı kalça ekleminin üzerine yerleştirin. Kaynağı derinlik kamerasıyla hizalayın ve ameliyat masasının konumunu konum 1 olarak kaydedin.
4. İlk floroskopiden sonra, BMP formatındaki radyografı sistem iş istasyonuna aktarın, Fotoğraf Düzenleme'de açın ve Işık Ölçeği Seçeneğine tıklayarak gri tonlamasını ayarlayın. Saat yönünde döndürün ve BMP'ye dönüştürmek için ilgili düğmeleri tıklatarak bir kez yatay olarak çevirin. Ardından, Resim 3D'yi tıklatarak açın ve invaziv olmayan gövde yüzeyi işaretleme çerçevesi içeren JPG formatı olarak kaydedin ve resim 1 olarak adlandırın (Şekil 8A).
   NOT: Bu dönüştürme işlemi, sistem tanımlamanın başarısını teşvik etmek içindir. Görüntü dönüştürmenin özel gereksinimleri nedeniyle, X-ışını görüntüsünün gri ölçeğini döndürme ve ters çevirme için ayarlamak gerekir.
5. Çalıştırma tablosunu derinlik kamerasının hemen altında, konum 2 olarak işaretlenmiş çalışma alanına kaydırın. Konum 1 (adım 3.3'te) ve konum 2, aynı yatay düzlemde birbirinden 30 cm uzaklıkta iki noktadır.
6. AR destekli ortopedik cerrahi sisteminde, Ön Röntgen görüntüsü > Dosya'ya tıklayın ve görüntü 1'i seçin. Sistem, hastanın cilt yüzeyindeki non-invaziv vücut yüzeyi işaretleme çerçevesini otomatik olarak tanımlar ve daha sonra bu görüntüyü cerrahi videodaki kalça eklemine yerleştirir (Şekil 8B).
7. X-ışını görüntüsünün artırılmış gerçeklik ekranını ve yukarıda oluşturulan gerçek zamanlı videoyu kullanarak, cerrah delinme yolunu buna göre planlar.

4. Cerrahi sistem destekli delinme

1. Cerrah etkilenen tarafta durur ve aşağıdaki adımları uygular. Delinme cihazını tutun ve en iyi yerleştirme açısını belirleyin. Cerrahi videoda sanal Kirschner teli ve kalça ekleminin X-ışını görüntüsü tarafından yönlendirilen cilt yüzeyindeki yerleştirme noktasını işaretleyin.
2. 2,5 mm çapında bir Kirschner teli seçin ve yerleştirme noktasından delin. Videodaki ekleme derinliğini ve açısını gözlemleyin ve zamanında ayarlayın.
3. Sanal iğne hedef nekroz alanına ulaştığında, delinme işlemini durdurun ve sonraki delinme doğruluğu değerlendirmesi için ekran görüntüsünü görüntü 2 (Şekil 9A) olarak saklayın.
4. İğneyi içeri sok. Kirschner telinin gerçek delinme durumunu doğrulamak için ameliyat masasını ikinci floroskopi için 1. konuma getirin. Görüntü dosyasını resim 3 olarak kaydedin (Şekil 9B).
5. Delinme, Kirschner telinin yeri cerrahın tüm gereksinimlerini karşıladığında başarılı olur. Daha sonra, iğnenin etrafındaki cildi kesmek için neşteri kullanın ve kabaca 3 cm derinliğe kadar sub-trokanter kemiği açığa çıkarana kadar her yumuşak doku seviyesini ayırın. Sonraki işlemleri tamamlamak için Kirschner teli boyunca nekrotik bölgeye 5 mm'lik bir trefin ile delin (yapay kemik veya otolog kemik implantasyonu).
6. Tüm prosedürleri bitirdikten sonra, cildi 3-0 ipek iplikle kapatın ve steril pansumanla örtün (Şekil 10). Koğuşa döndükten sonra, hastalara enfeksiyon önleme, analjezi ve sıvı infüzyonu gibi yaygın ortopedik postoperatif ilaçları kabul ettirin. Herhangi bir komplikasyon oluşmazsa ameliyattan 3 gün sonra hastaları taburcu edin.

5. Operasyon değerlendirmesi

1. Görüntü 2 ve görüntü 3'ü bir görüntü işleme yazılımına aktarın ve opaklığı %52'ye ayarlayın.
2. İki görüntüyü üst üste bindirmek için Maskeleme düğmesine tıklayın, ardından sanal uç ile femoral korteksin delinme noktası arasındaki mesafeyi (L_sanal) ve Kirschner iğnesinin ucu ile femoral korteksin delinme noktası arasındaki mesafeyi (_Lture) ölçmek için Cetveller düğmesine tıklayın. Delinme doğruluğunu değerlendirmek için L_sanal ve L_ture arasındaki farkı hesaplayın.
3. Delinme sırasında, konumlandırma süresini aşağıdaki gibi ölçün: konumlandırma süresi, Kirschner telinin cildi deldiği andan itibaren başlar ve X-ışını, Kirschner telinin femur başının hedef bölgesine başarıyla ulaştığını doğruladığında durur.
4. Ameliyattan üç ay sonra, kalça röntgenini çekin (Şekil 11) ve görsel analog skalayı ve Harris kalça skorunu kaydedin.

Sonuçlar

Çalışma özellikleri
Cerrahi navigasyon sistemi dokuz hastanın sürekli 10 kalçasına uygulandı. Ameliyatın ortalama toplam pozisyon süresi 10.1 dk (medyan 9.5 dk, dağılım 8.0-14.0 dk) idi. Ortalama C-ARM floroskopisi 5.5 kez (medyan 5.5 kez, dağılım 4-8 kez) idi. Delinme doğruluğunun ortalama hatası 1.61 mm idi (medyan 1.2 mm, aralık -5.76-19.73 mm; Tablo 1). Sonuçlar, konumlandırma süresinin ve floroskopi sürelerinin geleneksel prosedürlere kıyasla açıkça ...

Tartışmalar

THA son yıllarda hızla gelişmesine ve ONFH için etkili bir nihai yöntem haline gelmesine rağmen, kalça koruma tedavisi erken evre ONFH^18,19 tedavisinde hala önemli bir rol oynamaktadır. CD, kalça ağrısını serbest bırakabilen ve femur başı çökmesinin gelişimini geciktirebilen temel ve etkili bir kalça koruma ameliyatıdır²⁰. Fokal nekrozun delinme pozisyonu, ameliyatın başarısını veya başarısızlığını belirl...

Malzemeler

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.