Medicine

混合现实在定制翻修髋关节置换术中的应用：第一份病例报告

Published: August 4, 2022 doi: 10.3791/63654

Paweł Łęgosz¹, Krzysztof Starszak^1,2, Maciej Stanuch^3,4, Maciej Otworowski¹, Łukasz Pulik¹, Adriana Złahoda-Huzior^3,4, Andrzej Skalski^3,4

¹Department of Orthopaedics and Traumatology of the Musculoskeletal System, Infant Jesus Teaching Hospital, Medical University of Warsaw, ²Department of Human Anatomy, Medical University of Silesia, ³Department of Measurement and Electronics, AGH University of Science and Technology, ⁴MedApp S.A.

Summary

使用定制的植入物和混合现实技术进行了复杂的翻修髋关节置换术。据提交人所知，这是文献中描述的关于这种程序的第一次报告。

Abstract

3D打印和解剖结构可视化技术在医学的各个领域正在迅速发展。2019 年 1 月，使用定制的植入物和混合现实进行复杂的翻修髋关节置换术。混合现实的使用可以很好地可视化结构，并导致精确的植入物固定。据作者所知，这是首次描述这两种创新相结合的案例报告。手术资格之前的诊断是左髋臼部分松动。手术期间使用了工程师准备的混合现实耳机和全息图。手术很成功，随后是早期垂直化和患者康复。该团队看到了关节置换术、创伤和骨科肿瘤学的技术发展机会。

Introduction

三维（3D）打印和复杂结构可视化技术在医学的各个领域正在迅速发展。这些包括心血管外科、耳鼻喉科、颌面外科，最重要的是骨科手术¹，²，³，⁴^，⁵。目前，该技术不仅用于骨科手术的直接实现3D打印元件，还用于外科培训，术前计划或术中导航⁶，⁷^，⁸。

全髋关节置换术（THA）和全膝关节置换术（TKA）是全球最常进行的骨科外科手术之一。由于患者生活质量的显着改善，THA在之前的出版物中被描述为“世纪手术”⁹。在波兰，49.937 THA 和 30.615 TKA 在 2019 年进行了¹⁰.随着预期寿命的增加，预计髋关节和膝关节置换术的数量呈上升趋势。在改进植入物设计、手术技术和术后护理方面做出了巨大努力。这些进展使患者恢复功能并降低并发症风险的机会更大¹¹，¹²，¹³^，¹⁴。

然而，全球整形外科医生目前面临的巨大挑战是处理非标准患者，这些患者的髋关节解剖学缺陷使得实施现成的植入物变得非常困难甚至不可能¹⁵。骨质流失可能是由于严重创伤、伴髋臼突出的进行性退行性骨关节炎、发育性髋关节发育不良、原发性骨癌或转移¹⁶，^17，18，¹⁹^，²⁰。植入物选择的问题特别涉及有多次翻修风险的患者，有时还需要非常规治疗。在这种情况下，一个非常有前途的解决方案是为特定患者和骨骼缺陷创建的添加剂制造的3D打印植入物，从而实现非常精确的解剖配合²⁰。

在关节置换术领域，精确的植入物及其可持续固定至关重要。术前和术中 3D 可视化的进展产生了出色的解决方案，如增强现实和混合现实²¹、²²、²³^、²⁴。术中使用骨和植入物计算机断层扫描（CT）全息图可能比传统的放射成像图像更好地放置假体。这项新兴技术可能会增加治疗效果的机会并降低神经血管并发症的风险²¹^，²⁵。

本病例报告涉及一名因无菌松动而接受髋关节翻修手术的患者。为了解决由多次植入失败引起的严重骨质流失，使用了定制的3D打印髋臼植入物。在手术过程中，我们使用混合现实来可视化植入物的位置，以避免损坏有风险的神经血管结构。实现到混合现实头戴显示设备的应用程序允许发出语音和手势命令，从而可以在外科手术过程中在无菌条件下使用它。

一名57岁的女性因初步诊断入院：左髋臼部分松动。患者的病史广泛。在她的一生中，她经历了许多髋关节的外科手术。第一种治疗方法是由于髋关节发育不良引起的骨关节炎引起的髋关节表面置换术（1977-15岁），第二种是由于植入物松动引起的全髋关节置换术（1983-21岁），以及其他两次翻修手术（1998年，2000-37岁和39岁）。而且，患者患有儿童脑瘫引起的痉挛性左侧偏瘫，因左马蹄内翻足畸形反复手术。她还患有胸腰椎骨关节炎、腕管综合征和控制良好的动脉高血压。在进行下一次手术资格之前，最终诊断是左髋臼部分松动引起的疼痛和功能限制增加。患者积极性高，身体活跃，能够应对残疾。

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Protocol

该协议遵循华沙医科大学人类研究伦理委员会的指导方针。患者对该程序表示知情同意，并承认将被记录的事实。患者在手术前同意了。

注意：将患者纳入手术项目的基本标准是必须进行干预，因为解剖功能障碍使得无法使用标准植入物。混合现实旨在更好地放置假体，增加手术成功的机会。

1. 准备

准备定制的髋臼植入物，并在患者住院前计划手术。
注意：在本案例研究中，医学图像诊断领域的技术人员制备了定制的髋臼植入物。
1. 在计划入院之前，在诊断成像单元进行X射线检查。
2. 在前后投影中进行盆腔 X 线检查。
3. 根据 X 射线评估患者骨盆的当前状况。
4. 将获得的图像与早期的X射线图像进行比较。
根据协议进行盆腔CT扫描并获取DICOM（医学数字成像和通信）文件。
1. 将患者放在可移动的 CT 扫描平台上。
2. 单击厚度按钮并选择 512 x 512 像素的厚度进行扫描。
3. 单击确定 1 mm 层厚度的参数。
4. 通过单击开始该过程，等待测试结果。
要求工程师设计一个可以作为技术方案或3D打印模型原型以数字方式发送的植入物方案（图1）。
1. 在 DICOM 查看器中可视化计算机断层扫描结果。
2. 确定植入物实施的需求，同时考虑到患者的当前解剖条件，生物力学和关节功能。
3. 有关植入物的建议，包括固定，请咨询工程师。
4. 批准项目并等待发货。
  注意：植入物的最终形状涉及将患者CT扫描的3D数据与设计工程师和外科医生的输入相结合。
使用电子束技术²⁶^，²⁷ 从钛合金粉末（TiAl6V4）打印定制的 3D 植入物。在含有少量TiAl6V4粉末的腔室内，每次发射电子束时，都会选择性熔化和积聚材料（等离子涂层）。
检查植入物是否消毒。种植体试验和最终种植体的灭菌由制造商保证。

2. 术前检查

进行标准的护理实验室测试和专家咨询。
1. 排除有潜在假体周围关节感染的患者（无放射学特征，C 反应蛋白正常（<10 mg/L），女性红细胞沉降率为 1-10 mm/h，男性为 3-15 mm/h）。
检查感染的临床体征，如发热（全身性）、疼痛、肿胀、发红（局部）和关节功能下降²⁸.
1. 排除在临床检查期间有局部炎症迹象的患者（发红，温度升高，疼痛，肿胀和功能丧失提示局部炎症）。患者对手术给予了完全知情同意。

3. 混合现实模型

注意：执行该过程以实现适当的植入物和骨盆可视化，这将在术中使用。

使用专用应用程序将盆腔CT DICOM文件处理成全息表示。
1. 将 CT 图像从获取的 CT DICOM 文件加载到混合现实头戴显示设备中。
  1. 打开全息 DICOM 查看器。
  2. 选择包含 CT DICOM 文件的文件夹。
  3. 检查头戴显示设备打开时显示的 IP，并将其输入到全息 DICOM 查看器中的指定位置。
  4. 单击“ 连接 ”按钮，能够在混合现实头戴显示设备中查看可视化效果。
2. 分割骨盆骨组织结构。这是使用剪刀选项手动执行的。启用该选项后，用户单击鼠标左键并移动鼠标以删除使用此工具选择的结构。
  1. 通过再次单击鼠标左键结束选择，这将创建一个弹出窗口，供用户确认他/她想要剪切所选结构。
    注意：用户可以在 3D 和 2D 视图中选择要从可视化中剪切的区域。可以从选择内部或外部删除结构。重复此操作，直到仅可见CT图像的必要部分。
3. 从可用功能列表中选择专用于骨科手术的预定义传递函数（颜色可视化参数），方法是单击其名称： CT骨内假体。如果需要，通过使用与 3D 可视化窗口中的鼠标移动连接的鼠标右键更改窗口和级别来调整可视化效果。
4. 连接到头戴显示设备，在 3D 全息空间中查看准备好的可视化效果。使用语音命令调整图像：旋转、缩放、智能剪切和手势。
5. 使用 “智能切割” 命令使用和调整垂直于用户视线的切割平面。用户将头部移入全息影像越近，平面越深。
6. 执行这些移动以查看可视化的内部部分，因为未可视化位于平面前方的结构。
  注意：此视图对于评估结构（骨盆、股骨和植入物）之间的几何关系非常重要（图 2 和 图 3）。

4. 手术

使用定制的髋臼植入物和混合现实设备¹⁴，¹⁶^，²⁹执行由于髋臼组件无菌松动而进行的翻修髋关节置换术的外科手术。使用手术刀、带凝血器的电外科刀、鲁尔工具和刀具进行操作。
1. 在皮肤切口前30分钟静脉注射1.5g头孢曲松，并在手术当天给予两次后续剂量以防止感染。在手术前一天使用低分子量肝素（LMWH）开始血栓预防。手术后继续单日剂量40mg依诺肝素30天。
2. 将患者置于全身麻醉下，躺在手术台上。
3. 使用Hardinge通道释放结缔组织粘连到髋关节并移除松散的髋臼植入物。
4. 以与髋关节的其他翻修程序相同的方式进行手术，但使用更广泛的通道。
5. 从髋臼表面去除所有软组织，使形状与提供的模型完全相同。植入模型必须完全粘附在髋臼骨表面。
6. 使用专门设计的螺钉固定新的未粘合的植入物，以稳定植入物。
7. 手术后进行股神经阻滞。
术中处理图像的全息可视化
1. 将术前规划中准备的 DICOM CT 扫描的可视化效果加载到混合现实应用程序中。
2. 将混合现实头戴显示设备连接到混合现实应用程序，以查看 3D 全息空间中准备好的可视化效果。
3. 使用术中全息可视化处理后的图像来实现充分和精确的盆腔骨表面准备，以及去除作为髋臼成分松动反应而形成的过量结缔组织。
4. 确保操作员将全息可视化效果视为参考图像。
5. 使用手术刀、带凝血器的电外科刀、鲁尔工具和刀具进行操作。3D骨盆模型的可视化应将损伤神经血管结构和植入物放置错误的风险降至最低。
6. 确保头戴式显示器通过 WiFi 网络连接到工作站。图像的处理和渲染在工作站上执行，结果以全息影像的形式显示在头戴显示设备上。使用手势和语音命令。如有必要，请通过 POV 预览向工程师寻求帮助。

5. 术后护理

使患者接受标准的康复和恢复方案，包括术后第一天的康复和活动³⁰，³¹^，³²。
注意：康复由在髋关节和膝关节置换术方面经验丰富的专门团队实施。
实施药物血栓预防。在手术前一天开始使用低分子量肝素（LMWH）进行血栓预防。手术后，单日剂量40mg依诺肝素持续30天。

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Representative Results

图像预处理
盆骨、股骨和内假体的二元掩模由经验丰富的放射技师使用阈值和区域生长算法以及可用软件从 CT DICOM 图像中半自动分割³³。准备好的标签图也由放射科医生手动校正。标签图用于增强可视化效果，方法是在下一步中将其添加到CT扫描中。这种方法可以合并体积渲染，从而可以在CT扫描上看到骨骼结构和周围组织，分割部分指示重要组织。分割结果在原始堆栈中得出结论，这避免了仅构建结构的 3D 图形模型，而是可以维护有关所有 Hounsfield 单位（HU）值的信息。它产生了交互式可视化，允许人们同时或一次显示一个组织、植入物和进行骨分割，具体取决于固定植入物的手术情况（图 1 和 图 4）可视化。使用专用软件将处理后的CT数据集可视化为全息图。

术前计划和住院
根据计算机断层扫描数据和可视化，制定了一项行动计划。该计划包括重要值：髋关节旋转中心、髋臼倾斜度、前倾以及植入物安装的方向、方法和区域。植入物的位置由骨骼和解剖点确定，而在设置假体的试验头并在手术过程中对植入物的稳定性进行临床检查后，还确认了适当的配置。进行术后CT以确认植入物的正确位置。螺钉的位置由工程师和外科医生根据CT进行规划，这样可以避免螺钉与血管神经结构接触及其损坏（图5）。髋臼缺损被分类为3B Paprosky分类³⁴。3B型是所有髋臼结构（包括壁和柱³⁴）最严重的破坏。术前临床HHS评分为44分（表1）。

为患者准备手术的活动包括内科咨询和标准实验室测试。基本检查也是必要的：心电图和X光：胸部X光，盆腔X光。手术后也拍摄了对照图像。患者在住院期间接受了标准的血栓预防（Clexane 40 mg，1 x 1 s.c）和抗生素预防（Tarsime 3 x 1.5 g 静脉注射）。包括个体化疼痛治疗。所有其他药物均根据患者的标准建议服用。

2019 年 1 月，对左髋关节进行了关节成形术翻修，其中包括用定制的植入物替换松散的髋臼组件：三法兰髋臼组件、聚乙烯嵌件、约束、紧固螺钉-10 件、Co-Cr-Mo 约束模块化头部（36 毫米）和 9 毫米颈部。

手术持续4小时，执行无并发症。在助行器的帮助下，垂直化在手术后的第二天进行。患者于第14天出院，全身状况良好（脑瘫后足部麻痹导致康复时间长）。控制访问在指定日期之后进行。放射控制-CT和X射线在手术前（图3，图6和图7），手术后（图2和图8）和2年后（图9）进行。植入物的放置是根据项目的假设进行的。四肢的偏移、活动范围和长度得以恢复。在随后的就诊中，功能和患者的生活质量相对较好，并且自初步诊断以来有明显改善。术前，患者因疼痛而坐轮椅——患者对10点视觉模拟疼痛强度量表的主观评价为8（VAS 8）。手术后，在康复期间，她停止使用两根骨科拐杖。患者目前因足部下垂腓神经麻痹，目前在另一家医院接受手术后，拄着一根拐杖行走。据提交人所知，这是波兰第一个这样的程序，也是世界上第一个这样的程序之一。这是一个医学生研究小组，提出了在肌肉骨骼系统骨科和创伤学系使用现代技术的想法。

需要手术干预的解剖结构必须可见，以便按计划进行充分的种植体固定。对于具有明显骨缺损和变形的非标准患者，定制假体的适当可视化和调整对于治疗过程至关重要。正确的种植体固定可降低术后并发症的风险，例如松动或不稳定。混合现实技术允许无风险且以非侵入性的方式准确可视化骨盆、骨骼和软组织，从而增加良好植入物放置的机会，甚至可能缩短未来的手术时间。操纵图像的能力，例如，放大复杂解剖结构的选定片段，可以排除外科医生眼睛的缺陷（图10和图11）。总之，进行了精确，完全个性化的复杂翻修关节置换术。作者看到了骨科中混合现实进一步发展的机会，不仅在关节成形术和创伤学中，而且在骨科肿瘤学中，通常需要以高精度进行非常广泛的切除。将难以进入的解剖区域与周围的神经血管结构进行适当的可视化可以使外科医生更容易手术，对患者更安全。

图 1：固定植入物的可视化。请点击此处查看此图的大图。

图2：手术后一天的X射线。字母“L”代表X射线上身体的左侧。在这种情况下，左臀部的照片。请点击此处查看此图的大图。

图3：手术前的X射线。请点击此处查看此图的大图。

图 4：固定植入物的可视化。 在术前计划过程中准备可视化。它显示了植入物的潜在固定。可视化中的蓝色是植入物的边框。请点击此处查看此图的大图。

图 5：插入种植体固定螺钉的 3D 项目。 工程师使用颜色进行更好、更准确的可视化。这使得区分具有不同参数（长度、横截面）的螺栓变得容易。安装顺序也可以考虑在内。颜色是说明性的，用于术前计划过程。在规划植入物安装的过程中，重要的是排除术中对血管和神经的损伤。请点击此处查看此图的大图。

图6：手术前的CT-3D重建显示髋关节和部分股骨。可见的骨结构退化和破坏，骨盆不对称。请点击此处查看此图的大图。

图7：手术前的CT-3D重建。请点击此处查看此图的大图。

图8：手术后6周的X射线。植入物安装正确，没有松动。可见的左髋关节内假体，带有固定元件。X射线结合患者的临床检查证实了手术的成功。请点击此处查看此图的大图。

图9：手术后2年的X射线。请点击此处查看此图的大图。

图 10：混合现实用户的视角 - 从正面看骨盆。请点击此处查看此图的大图。

图 11：混合现实用户的视角 - 侧面的骨盆。请点击此处查看此图的大图。

图 12：混合现实用户的观点 - 手术期间拍摄的照片 - 全息图显示了骨盆的一部分。请点击此处查看此图的大图。

图 13：手术期间拍摄的照片 - 主要操作员 Łęgosz 教授使用混合现实技术。请点击此处查看此图的大图。

HSS分数
手术前	手术后6周	手术后6个月	手术后12个月
44	74,5	80	82

表 1：HHS 评分表 - 根据手术前、手术后 6 周、手术后 6 个月、手术后 12 个月的 Harris Hip 评分呈现患者的结果。

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Discussion

初次和翻修髋关节置换术可能需要个性化，以确保治疗的有效性。然而，与标准程序相比，使用定制植入物需要更长的手术准备时间。定制的3D打印植入物是一种解决方案，它使疾病导致严重骨破坏的非典型患者有机会恢复功能²⁹。由于晚期退行性疾病发展迅速，原发性骨肿瘤或转移引起的骨缺损以及复杂的损伤或多次翻修程序，标准假体不足¹⁶.定制的植入物是为特定患者准备的，考虑到解剖异常和当前的临床状况，完全个性化。创建植入物的过程需要整形外科医生与工程师的合作，并且基于CT或磁共振成像（MRI）。虚拟种植体模型的制备很复杂。它由工程师执行，他们精确确定作用在骨骼和植入物之间的力。初步的虚拟3D模型与外科医生协商，批准后，开始生产定制的植入物。正确的植入物与PDF文件说明一起交付给操作团队。它伴随着骨盆骨和植入物的精确塑料模型，用于训练目的和术中安装。

术前计划非常重要，特别是在翻修关节置换术的背景下。当患者有资格进行手术时，有必要考虑他们的一般临床状况，合并症的负担以及疾病的当前病史¹⁵。在团队负责人做出决定后，计算机断层扫描的结果被发送给植入物的制造商，然后开始为期 6 周的程序，其中包括制作 3D 模型和植入物的最终版本。

混合现实是真实和虚拟现实的混合体，其中物理对象与数字全息图共存，并且可以实时进行它们之间的交互²¹。它现在广泛用于各个领域，包括医学35，³⁶，³⁷，并且最常用于可视化医学数据，例如三维CT扫描或MRI³⁸，³⁹^，⁴⁰。这项技术可以更精确地计划治疗，在诊断中快速访问患者数据，或更好地在术中可视化手术区域⁴¹。混合现实还应用于基础和临床科学教育的每个培训阶段，包括学生、住院医师和顾问。

与定制植入物的制备一样，医生和工程师之间合作的第一阶段是存储在DICOM标准中的医学成像数据。放射学中使用的更先进的技术和同时开发技术解决方案也允许动态成像数据的集成和可用性，例如实时超声。下一阶段是对获得的数据进行渲染处理，以将三维全息影像发送到设备。用户可以将可视化视为周围环境的一部分，并可以轻松地与之交互。放置在操作员或操作团队成员头上的耳机配备了传感器（摄像头、加速度计、磁力计、陀螺仪），可以将全息数据视为周围环境的一部分（图 12）。操作员可以通过手势和语音命令控制全息图，从而根据他/她的特定需求调整可视化。可以在保持无菌条件下改变尺寸，结构，位置。HoloLens 不会对工作舒适度产生不利影响，并且在未显示全息影像时不会限制操作过程中的视野。医疗团队之前已经为手术做好了准备，可以熟悉与植入物一起交付的精确而详细的3D打印关节和假体模型，以及通过工程师团队的培训。混合现实眼镜的使用非常直观，上传的全息影像的有效使用也很容易学习。混合现实是一个有效的解决方案，无论是在手术准备方面还是在程序的进行方面。

据作者所知，这是第一份关于使用3D打印髋臼植入物在髋关节翻修手术中使用混合现实技术的报告。这是作者临床中心首次在术中使用该设备（图13）。以前的出版物包括使用混合现实技术的初级髋关节置换术。由雷鹏飞等对59岁粗隆间骨折⁴²患者提出。定制植入物和混合现实是用于不同手术领域的越来越流行的解决方案。两者的结合是一种具有可喜结果的创新。目前，由于成本高且需要适当的准备，这些类型的治疗是实验性的，没有足够的数量来创建客观的原创研究;然而，在不久的将来，由于研究资助和临床医生日益增长的兴趣，这将是可能的。在外科手术过程中现有和常用解决方案的背景下，标准2D监视器上显示的X射线或CT投影具有局限性，因为它们不允许从不同的角度查看解剖结构。不可能放大和改变结构在空间中的位置。在作者看来，定制植入物和混合现实技术有望用于困难的翻修关节置换术，以及创伤学和骨科肿瘤学。根据作者的说法，混合现实也适用于有资格使用标准内假体的患者，包括不需要定制植入物的初级内假体。通过混合现实增强的术中导航可以更好、更精确地放置植入物。目前正在进行试点研究，并取得了可喜的成果⁴³.

计划程序和准备患者的每个阶段都非常重要，其中任何一个都不容小觑。医学成像的质量以及与工程师在植入物设计和全息图准备方面的适当合作对于手术的成功非常重要。手术过程中的关键时刻是移除旧的植入物组件并将新的个性化植入物固定在预先准备好的地方。在此阶段，全息影像对于非常精确地执行该过程非常重要。

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Disclosures

Maciej Stanuch，Adriana Złahoda-Huzior和Andrzej Skalski是MedApp S.A.的员工。MedApp S.A.是制造CarnaLifeHolo解决方案的公司。

Acknowledgments

不適用。

这项研究是作为非商业合作的一部分进行的。

Materials

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