Summary
En kompleks revision hofte artroplastik blev udført ved hjælp af et specialfremstillet implantat og mixed reality-teknologi. Ifølge forfatternes viden er dette den første rapport om en sådan procedure, der er beskrevet i litteraturen.
Abstract
Teknologien til 3D-udskrivning og visualisering af anatomiske strukturer vokser hurtigt inden for forskellige medicinske områder. Et specialfremstillet implantat og mixed reality blev brugt til at udføre kompleks revision hoftealloplastik i januar 2019. Brugen af mixed reality muliggjorde en meget god visualisering af strukturerne og resulterede i præcis implantatfiksering. Ifølge forfatternes viden er dette den første beskrevne caserapport om den kombinerede brug af disse to innovationer. Diagnosen forud for kvalifikationen til proceduren var løsningen af venstre hoftes acetabulære komponent. Mixed reality headset og hologrammer udarbejdet af ingeniører blev brugt under operationen. Operationen var vellykket, og den blev efterfulgt af tidlig vertikalisering og patientrehabilitering. Teamet ser muligheder for teknologiudvikling inden for fælles artroplastik, traumer og ortopædisk onkologi.
Introduction
Teknologien til tredimensionel (3D) udskrivning og visualisering af komplekse strukturer vokser hurtigt inden for forskellige områder af medicin. Disse omfatter hjerte-kar-kirurgi, otorhinolaryngologi, maxillofacial kirurgi og frem for alt ortopædkirurgi 1,2,3,4,5. I øjeblikket anvendes denne teknologi i ortopædkirurgi ikke kun i direkte implementering af 3D-trykte elementer, men også i kirurgisk træning, præoperativ planlægning eller intraoperativ navigation 6,7,8.
Total hoftealloplastik (THA) og total knæartroplastik (TKA) er en af de hyppigst udførte ortopædkirurgiske procedurer på verdensplan. På grund af den betydelige forbedring af patientens livskvalitet var THA i en tidligere publikation blevet beskrevet som "århundredets kirurgi"9. I Polen blev der udført 49.937 THA og 30.615 TKA i 201910. Da den forventede levetid stiger, er der en opadgående tendens i det forventede antal hofte- og knæalloplastikoperationer. Der er gjort en stor indsats for at forbedre implantatdesign, kirurgisk teknik og postoperativ pleje. Disse fremskridt førte til en bedre chance for at genoprette patientfunktionen og reducere risikoen for komplikationer11,12,13,14.
Den store udfordring, som ortopædkirurger verden over i øjeblikket står over for, er imidlertid at arbejde med ikke-standardiserede patienter, hvis anatomiske defekter i hofteleddet gør det meget vanskeligt eller endda umuligt at implementere et hyldeimplantat15. Knogletab kan skyldes betydelige traumer, progressiv degenerativ slidgigt med et acetabulært fremspring, udviklingsmæssig hoftedysplasi, primær knoglekræft eller metastase 16,17,18,19,20. Problemet med implantatvalg vedrører specifikt patienter, der er i risiko for flere revisioner, nogle gange også kræver ukonventionel behandling. I sådanne tilfælde er en meget lovende løsning et additivt fremstillet 3D-printet implantat skabt til en bestemt patient og knogledefekt, hvilket giver mulighed for en meget præcis anatomisk pasform20.
Inden for artroplastik er præcist implantat og dets bæredygtige fiksering afgørende. Fremskridt inden for præoperativ og intraoperativ 3D-visualisering har resulteret i fremragende løsninger som augmented og mixed reality21,22,23,24. Intraoperativ brug af knogle- og implantatcomputertomografi (CT) hologrammer kan tillade bedre proteseplacering end konventionelle radiografibilleder. Denne nye teknologi kan øge chancerne for behandlingseffektivitet og reducere risikoen for neurovaskulære komplikationer21,25.
Denne sagsrapport vedrører en patient, der udsættes for hofterevisionskirurgi på grund af aseptisk løsning. For at imødegå betydeligt knogletab forårsaget af flere implantatfejl blev det specialfremstillede 3D-printede acetabulære implantat brugt. Under proceduren brugte vi mixed reality til at visualisere implantatpositionen for at undgå at beskadige de udsatte neurovaskulære strukturer. Applikation implementeret til mixed reality-headset gør det muligt at give stemme- og gestuskommandoer, hvilket gør det muligt at bruge det under sterile forhold under den kirurgiske procedure.
En 57-årig kvinde blev indlagt på afdelingen med en foreløbig diagnose: løsnelse af venstre hoftes acetabulære komponent. Patientens sygdomshistorie var omfattende. Gennem hele sit liv gennemgik hun adskillige kirurgiske procedurer i hofteleddet. Den første behandling var hofteresurfacing på grund af slidgigt forårsaget af hoftedysplasi (1977-15 år gammel), den anden var en total hoftealloplastik på grund af implantatløsning (1983-21 år gammel) og andre to revisionsoperationer (1998, 2000-37 og 39 år gammel). Desuden led patienten af spastisk venstresidig hemiplegi forårsaget af cerebral parese i barndommen, og hun blev gentagne gange opereret på grund af deformitet i venstre klubfod. Hun var også belastet med slidgigt i thoracolumbar rygsøjlen, karpaltunnelsyndrom og velkontrolleret arteriel hypertension. Den endelige diagnose forud for kvalifikationen til den næste procedure var smerten og den stigende funktionsbegrænsning forårsaget af løsningen af venstre hoftes acetabulære komponent. Patienten var meget motiveret, fysisk aktiv og håndterede handicap.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Protokollen følger retningslinjer fra Human Research Ethics Committee ved Medical University of Warsaw. Patienten gav informeret samtykke til proceduren og erkendte, at den vil blive registreret. Det accepterede patienten forud for indgrebet.
BEMÆRK: Det grundlæggende kriterium for at inkludere patienten i operationsprojektet var nødvendigheden af at gribe ind på grund af den anatomiske dysfunktion, hvilket gjorde det umuligt at bruge et standardimplantat. Mixed reality var rettet mod bedre placering af protesen, hvilket øgede chancerne for en vellykket operation.
1. Forberedelse
- Forbered et specialfremstillet acetabulært implantat og planlæg den kirurgiske procedure før patientens indlæggelse.
BEMÆRK: I denne casestudie forberedte personer, der var dygtige inden for medicinsk billeddiagnostik, det specialfremstillede acetabulære implantat.- Før den planlagte optagelse på hospitalet skal du udføre en røntgenstråle i den diagnostiske billeddannelsesenhed.
- Udfør en bækken røntgen i en anterior-posterior projektion.
- Vurder den aktuelle tilstand af patientens bækken baseret på røntgenstrålen.
- Sammenlign det opnåede billede med de tidligere røntgenbilleder.
- Tag en bækken CT-scanning og erhverve DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine) filer i henhold til protokollen.
- Placer patienten på den bevægelige CT-scanningsplatform.
- Klik på tykkelsesknappen, og vælg 512 x 512 px tykkelse til scanningerne.
- Klik på parameteren, der bestemmer tykkelsen af 1 mm laget.
- Start proceduren ved at klikke, vent på testresultatet.
- Bed en ingeniør om at designe et implantatforslag, der kan sendes digitalt som en teknisk ordning eller en 3D-printet modelprototype (figur 1).
- Visualiser det beregnede tomografiresultat i DICOM-fremviseren.
- Bestem behovet for implementering af implantatet under hensyntagen til patientens nuværende anatomiske forhold, biomekanik og leddets funktion.
- Kontakt ingeniøren for forslag til implantater, herunder fiksering.
- Godkend projektet, og vent på forsendelse.
BEMÆRK: Implantatets endelige form involverer at kombinere 3D-data fra en patients CT-scanning med input fra en designingeniør og en kirurg.
- Udskriv det specialfremstillede 3D-implantat fra titaniumlegeringspulveret (TiAl6V4) ved hjælp af elektronstråleteknologi26,27. Inde i et kammer, der indeholder små mængder TiAl6V4-pulver, er der selektiv smeltning og ophobning af materiale (plasmabelægning), hver gang elektronstrålen affyres.
- Kontroller, om implantatet blev steriliseret. Sterilisering af implantatforsøg og det endelige implantat blev garanteret af producenten.
2. Kontrol før operationen
- Udfør en standard for pleje laboratorieundersøgelser og specialkonsultationer.
- Ekskluder patienter med potentiel periprostetisk ledinfektion (ingen radiologiske egenskaber, normalt c-reaktivt protein (<10 mg / l) og erythrocytsedimenteringshastighed på 1-10 mm / t for kvinder, 3-15 mm / t for mænd).
- Kontroller for de kliniske tegn på infektion såsom feber (systemisk), smerte, hævelse, rødme (lokal) og nedsat ledfunktion28.
- Ekskluder patienter, der har tegn på lokal betændelse under de kliniske undersøgelser (rødme, temperaturstigning, smerte, hævelse og funktionstab indikerer lokal inflammation). Patienten gav fuldstændigt informeret samtykke til operationen.
3. Mixed reality-model
BEMÆRK: Processen udføres for at opnå korrekt implantat- og bækkenvisualisering, som vil blive brugt intraoperativt.
- Behandl bækken CT DICOM-filen til en holografisk repræsentation ved hjælp af dedikeret applikation.
- Indlæs CT-billedet i mixed reality-headset fra erhvervede CT DICOM-filer.
- Åbn holografisk DICOM-fremviser.
- Vælg den mappe, der indeholder CT DICOM-filer.
- Kontroller den IP, der vises, når headsettet er tændt, og indtast det på et bestemt sted i den holografiske DICOM-fremviser.
- Klik på knappen Opret forbindelse for at kunne se visualiseringen i mixed reality-headsettet.
- Segmenter bækkenbenvævsstrukturerne. Dette udføres manuelt ved hjælp af sakseindstillingen . Når indstillingen er aktiveret, klikker brugeren på venstre museknap og flytter musen rundt for at fjerne de strukturer, der er valgt med dette værktøj.
- Afslut markeringen med endnu et klik på venstre museknap, som opretter en pop-up for brugeren for at bekræfte, at han / hun ønsker at skære de valgte strukturer ud.
BEMÆRK: Brugeren kan vælge områder, der skal skæres ud af visualiseringen i både 3D- og 2D-visninger. Det er muligt at fjerne strukturerne inden for eller uden for udvælgelsen. Dette gentages, indtil kun de nødvendige dele af CT-billedet er synlige.
- Afslut markeringen med endnu et klik på venstre museknap, som opretter en pop-up for brugeren for at bekræfte, at han / hun ønsker at skære de valgte strukturer ud.
- Vælg en foruddefineret overførselsfunktion (farvevisualiseringsparametre) dedikeret til ortopædiske procedurer fra listen over tilgængelige funktioner ved at klikke på dens navn: CT Bone Endoprosthesis. Hvis det er nødvendigt, skal du justere visualiseringen ved at ændre vinduet og niveauet ved hjælp af højre museknap, der er forbundet med musens bevægelse i 3D-visualiseringsvinduet.
- Opret forbindelse til headsettet for at se den forberedte visualisering i det holografiske 3D-rum. Juster billedet ved hjælp af stemmekommandoer: Roter, zoom, klip smart og håndbevægelser.
- Brug kommandoen Cut Smart til at bruge og justere et skæreplan, der er vinkelret på brugerens synsfelt. Jo tættere brugeren bevæger hovedet ind i hologrammet, jo dybere går flyet.
- Udfør disse bevægelser for at se de indre dele af visualiseringen, fordi strukturer, der er placeret anteriort til planet, ikke visualiseres.
BEMÆRK: Denne opfattelse er vigtig for at vurdere de geometriske relationer mellem strukturer (bækken, lårben og implantat) (figur 2 og figur 3).
- Indlæs CT-billedet i mixed reality-headset fra erhvervede CT DICOM-filer.
4. Kirurgi
- Udfør den kirurgiske procedure for revision af hoftealloplastik på grund af aseptisk løsning af den acetabulære komponent ved brug af et specialfremstillet acetabulært implantat og mixed reality-enhed14,16,29. Brug en skalpel, en elektrokirurgisk kniv med en koagulator, et Luer-værktøj og fræsere til operationen.
- Giv 1,5 g ceftriaxon intravenøst 30 minutter før hudsnittet, og to efterfølgende doser skal gives på operationsdagen for at forhindre infektion. Start tromboprofylakse dagen før operationen med heparin med lav molekylvægt (LMWH). Fortsæt den daglige enkeltdosis på 40 mg enoxaparin i 30 dage efter proceduren.
- Placer og sikre patienten under generel anæstesi, liggende på operationsbordet.
- Slip bindevævsadhæsionerne ved hjælp af Hardinge-adgangen til hofteleddet, og fjern det løse acetabulære implantat.
- Udfør operationen på samme måde som andre revisionsprocedurer i hofteleddet, men brug en bredere adgang.
- Fjern alt blødt væv fra overfladen af acetabulum, så formen er nøjagtig den samme som i den medfølgende model. Implantatmodellen skal klæbe perfekt til overfladen af den acetabulære knogle.
- Fastgør det nye implantat, der ikke er cementeret, ved hjælp af specialdesignede skruer, der stabiliserer implantatet.
- Udfør en lårbensnerveblok efter operationen.
- Intraoperativ holografisk visualisering af behandlede billeder
- Indlæs visualiseringen af DICOM CT-scanningen, der er udarbejdet i den præ-proceduremæssige planlægning, til mixed reality-applikationen.
- Tilslut mixed reality-headsettet til mixed reality-programmet for at se den forberedte visualisering i det holografiske 3D-rum.
- Brug intraoperativ holografisk visualisering af de behandlede billeder for at opnå tilstrækkelig og præcis bækkenbenoverfladebehandling samt til fjernelse af overskydende bindevæv, der udviklede sig som et svar på løsningen af den acetabulære komponent.
- Sørg for, at operatoren ser på den holografiske visualisering som et referencebillede.
- Brug en skalpel, en elektrokirurgisk kniv med en koagulator, et luerværktøj og fræsere til operationen. Visualisering af 3D-bækkenmodellen skal minimere risikoen for skadelige neurovaskulære strukturer og fejl i implantatplacering.
- Sørg for, at det hovedmonterede display er tilsluttet arbejdsstationen via et WiFi-netværk. Behandlingen af billederne og gengivelsen udføres på arbejdsstationen, og resultaterne vises på headsettet som hologrammer. Brug bevægelser og stemmekommandoer. Hvis det er nødvendigt, kan du få hjælp fra en ingeniør med POV-forhåndsvisning.
5. Postoperativ pleje
- Få patienten til at gennemgå en standard rehabiliterings- og genopretningsprotokol, herunder rehabilitering og mobilisering den første dag efter operationen30,31,32.
BEMÆRK: Rehabilitering blev implementeret af et dedikeret team med erfaring i hofte- og knæalloplastik. - Implementere farmakologisk tromboprofylakse. Tromboprofylakse blev påbegyndt dagen før operationen med heparin med lav molekylvægt (LMWH). Den daglige enkeltdosis på 40 mg enoxaparin blev fortsat i 30 dage efter proceduren.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Forbehandling af billeder
Binære masker af bækkenbenet, lårbenet og endoprostesen blev halvautomatisk segmenteret fra CT DICOM-billeder af erfarne radiologiske teknologer ved hjælp af tærskel- og regionvækstalgoritmer med tilgængelig software33. De udarbejdede etiketkort blev også manuelt rettet af en radiolog. Etiketkort blev brugt til at forbedre visualiseringen ved at føje dem til CT-scanningen i næste trin. Denne tilgang gjorde det muligt at fusionere den volumetriske gengivelse, som gør det muligt at se knoglestrukturen og det omgivende væv på CT-scanningerne, hvor de segmenterede dele indikerer vigtige væv. Segmenteringsresultaterne blev konkluderet i den oprindelige stak, som undgik kun at konstruere en 3D-grafisk model af strukturer, men gjorde det muligt at vedligeholde oplysninger om alle Hounsfield Units (HU) værdier. Det resulterede i en interaktiv visualisering, der gjorde det muligt for en at vise væv, implantere og udføre knoglesegmenteringer samtidigt eller en ad gangen, afhængigt af den kirurgiske situation (figur 1 og figur 4) visualiseringer af det faste implantat. Det behandlede CT-datasæt blev visualiseret som hologrammer ved hjælp af dedikeret software.
Præ-proceduremæssig planlægning og indlæggelse
På grundlag af computertomografidata og visualiseringer blev der udarbejdet en operationsplan. Planen omfattede vigtige værdier: hofterotationscenter, acetabulær hældning, anteversion og retning, metode og zoner til implantatmontering. Implantatets position blev bestemt af knogle- og anatomiske punkter, mens den passende konfiguration desuden blev bekræftet efter indstilling af forsøgslederen for protesen og klinisk kontrol af implantatets stabilitet under proceduren. Postoperativ CT blev udført for at bekræfte implantatets korrekte position. Skruernes position blev planlagt på grundlag af CT af ingeniøren og kirurgen, hvilket gjorde det muligt at undgå kontakt med skruerne med vaskulære nervestrukturer og deres skader (figur 5). Den acetabulære defekt blev klassificeret som 3B Paprosky klassifikation34. Type 3B er den mest alvorlige ødelæggelse af alle acetabulære strukturer, herunder vægge og søjler34. Den kliniske HHS-score før operationen var 44 (tabel 1).
Aktiviteter til at forberede patienten til proceduren omfattede intern medicinkonsultation og standard laboratorietests. Væsentlige undersøgelser var også nødvendige: EKG og røntgen: røntgen af brystet, bækken røntgen. Kontrolbilledet blev også taget efter operationen. Patienten fik standard tromboprofylakse (Clexane 40 mg, 1 x 1 s.c.) og antibiotisk profylakse (Tarsime 3 x 1,5 g i.v.) under indlæggelse. Individualiseret smertebehandling var inkluderet. Alle andre lægemidler blev taget i henhold til patientens standardanbefalinger.
I januar 2019 blev der udført en artroplastikrevision af venstre hofte, som omfattede udskiftning af en løs acetabulær komponent med det specialfremstillede implantat: Triflanged acetabular komponent, Polyethylenindsats, begrænset, Fastgørelsesskruer-10 stykker, Co-Cr-Mo begrænset modulært hoved (36 mm) og en 9 mm hals.
Operationen varede i 4 timer og blev udført uden komplikationer. Vertikalisering ved hjælp af en walker fandt sted den anden dag efter proceduren. Patienten blev udskrevet på dag 14 i en god generel tilstand (lang rehabiliteringstid på grund af fodlammelse efter cerebral parese). Kontrolbesøgene fandt sted efter de fastsatte datoer. Radiologiske kontrol-CT'er og røntgenstråler blev udført før operationen (figur 3, figur 6 og figur 7), efter operationen (figur 2 og figur 8) og efter 2 år (figur 9). Implantatplacering blev udført i overensstemmelse med projektets antagelser. Forskydningen, bevægelsesområdet og længden af lemmerne blev genoprettet. Funktionen og patientens livskvalitet var relativt god ved det efterfølgende besøg og forbedret betydeligt siden den første diagnose. Før operationen flyttede patienten til en kørestol på grund af smerte - patientens subjektive vurdering på den 10-punkts visuelle analoge smerteintensitetsskala var 8 (VAS 8). Efter operationen, under rehabilitering, stoppede hun med at bruge to ortopædiske krykker. Patienten går i øjeblikket med en krykke på grund af foddrop-peroneal nerveparese efter tidligere operation på et andet hospital. Ifølge forfatternes viden var det den første sådan procedure i Polen og en af de første i verden. Det var et medicinstuderende forskerhold, der foreslog ideen om at bruge moderne teknologi i Institut for Ortopædi og Traumatologi i Muskuloskeletalsystemet.
Anatomiske strukturer, der kræver kirurgisk indgreb, skal være synlige for tilstrækkelig implantatfiksering som planlagt. I tilfælde af ikke-standardiserede patienter med betydelige knogledefekter og deformation er den passende visualisering og justering af en specialfremstillet protese af grundlæggende betydning for behandlingsprocessen. Korrekt implantatfiksering reducerer risikoen for postoperative komplikationer såsom løsning eller ustabilitet. Teknologien i mixed reality tillader uden risiko og på en ikke-invasiv måde nøjagtigt at visualisere bækkenet, knoglerne og blødt væv, hvilket øger chancerne for god implantatplacering og endda muligvis forkorter operationstiden i fremtiden. Evnen til at manipulere billedet, for eksempel zoome ind i de udvalgte fragmenter af de komplekse anatomiske strukturer, gør det muligt at udelukke ufuldkommenhederne i kirurgens øje (figur 10 og figur 11). Sammenfattende blev der udført en præcis, fuldt personlig kompleks revision artroplastik. Forfatterne ser muligheder for videreudvikling af mixed reality inden for ortopædi, ikke kun inden for artroplastik og traumatologi, men også inden for ortopædisk onkologi, hvor det ofte er nødvendigt at udføre meget omfattende resektioner med en høj grad af præcision. Den passende visualisering af vanskeligt tilgængelige anatomiske områder med omgivende neurovaskulære strukturer kan gøre kirurgi lettere for kirurgen og sikrere for patienten.
Figur 1: Visualisering af det faste implantat. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 2: Røntgen en dag efter operationen. Bogstavet 'L' repræsenterer venstre side af kroppen på røntgenbilledet. I dette tilfælde et billede af venstre hofte. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 3: Røntgen før operationen. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 4: Visualisering af det faste implantat. Visualisering udarbejdes i processen med præoperativ planlægning. Det viser den potentielle fiksering af implantatet. Den blå farve i visualiseringen er implantatets kant. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 5: 3D-projekt til indsættelse af implantatfastgørelsesskruer. Farver bruges af ingeniører til bedre og mere præcis visualisering. Dette gør det let at skelne bolte med forskellige parametre-længde, tværsnit. Monteringssekvensen kan også tages i betragtning. Farverne er illustrative og bruges i den præoperative planlægningsproces. I processen med at planlægge implantatmonteringen er det vigtigt at udelukke intraoperativ skade på blodkar og nerver. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 6: CT-3D rekonstruktion før operationen viser hofteleddene og en del af lårbenet. Synlig degeneration og ødelæggelse af knoglestrukturer, bækkenasymmetri. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 7: CT-3D rekonstruktion før operationen. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 8: Røntgen 6 uger efter operationen. Implantatet blev monteret korrekt, det løsnede sig ikke. Synlig venstre hofte endoprostese med fastgørelseselementer. Røntgen i kombination med den kliniske undersøgelse af patienten bekræfter operationens succes. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 9: Røntgen 2 år efter operationen. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 10: Mixed reality-brugerens synspunkt - bækken forfra. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 11: Mixed reality-brugerens synspunkt - bækken fra siden. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 12: Mixed reality-brugerens synspunkt - billedet taget under operationen - hologrammet viser en del af bækkenet. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 13: Billedet taget under operationen - hovedoperatør, prof. Łęgosz bruger mixed reality-teknologi. Klik her for at se en større version af denne figur.
| HSS-SCORE | |||
| FØR OPERATIONEN | 6 UGER EFTER OPERATIONEN | 6 MÅNEDER EFTER OPERATIONEN | 12 MÅNEDER EFTER OPERATIONEN |
| 44 | 74,5 | 80 | 82 |
Tabel 1: HHS Score-tabel - præsenterer patientens resultater i henhold til Harris Hip-scoren før proceduren, 6 uger efter proceduren, 6 måneder efter proceduren, 12 måneder efter proceduren.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Primær og revision hofte artroplastik kan kræve personalisering for at sikre effektiviteten af behandlingen. Brugen af brugerdefinerede implantater kræver dog længere forberedelse til kirurgi sammenlignet med standardprocedurer. Specialfremstillede 3D-printede implantater er den løsning, der giver mulighed for at genoprette funktionen hos ikke-typiske patienter, hvis sygdom har forårsaget betydelig knogledestruktion29. Standardproteser er utilstrækkelige på grund af avanceret degenerativ sygdom, der udvikler sig hurtigt, knogledefekter forårsaget af primære knogletumorer eller metastaser samt komplicerede skader eller flere revisionsprocedurer16. Specialfremstillede implantater er forberedt til en bestemt patient med fuldstændig individualisering i betragtning af anatomiske anomalier og nuværende kliniske tilstand. Processen med at skabe et implantat kræver samarbejde mellem ortopædkirurger og ingeniører og er baseret på CT eller magnetisk resonansbilleddannelse (MRI). Forberedelsen af den virtuelle implantatmodel er kompliceret. Det udføres af ingeniører, der præcist bestemmer de kræfter, der virker mellem knoglen og implantatet. Den foreløbige virtuelle 3D-model konsulteres med kirurgen, og efter godkendelsen begynder produktionen af det specialfremstillede implantat. Det korrekte implantat leveres sammen med PDF-filinstruktioner til driftsteamet. Det ledsages af en præcis plastmodel af bækkenbenene og implantatet til træningsformål og intraoperativ tilpasning.
Præoperativ planlægning er af stor betydning, især i forbindelse med revision artroplastik. Når man kvalificerer en patient til proceduren, er det nødvendigt at tage hensyn til deres generelle kliniske tilstand, comorbiditetsbyrden og sygdommens nuværende historie15. Når teamlederen har truffet beslutningen, sendes resultaterne af computertomografi til producenten af implantatet, og derefter begynder den 6 uger lange procedure, som omfatter fremstilling af en 3D-model og den endelige version af implantatet.
Mixed reality er en hybrid af ægte og virtuel virkelighed, hvor fysiske objekter sameksisterer med digitale hologrammer, og interaktion mellem dem er mulig i realtid21. Det bruges nu i vid udstrækning på forskellige områder, herunder medicin 35,36,37, og det bruges oftest til at visualisere medicinske data såsom tredimensionelle CT-scanninger eller MR38,39,40. Denne teknologi gør det muligt at planlægge behandlinger mere præcist, hurtigt få adgang til patientens data i diagnostik eller bedre visualisere det kirurgiske felt intraoperativt41. Mixed reality har også fundet anvendelse i uddannelse i grundlæggende og kliniske videnskaber på alle trin i uddannelsen, herunder studerende, medicinske beboere og konsulenter.
Som i tilfælde af forberedelse af specialfremstillede implantater er den første fase af samarbejdet mellem læger og ingeniører medicinske billeddata gemt i DICOM-standarden. Mere avancerede teknikker, der anvendes inden for radiologi og samtidig udvikling af teknologiske løsninger, giver også mulighed for integration og anvendelighed af dynamiske billeddata, f.eks. ultralyd i realtid. Det næste trin er gengivelsesbehandling af de opnåede data for at fremstille tredimensionelle hologrammer sendt til en enhed. Brugeren kan se visualiseringen som en del af sine omgivelser og kan nemt interagere med den. Headsettet placeret på hovedet af operatøren eller medlemmerne af driftsteamet er udstyret med sensorer (kameraer, accelerometer, magnetometer, gyroskop), så de holografiske data kan ses som en del af omgivelserne (figur 12). Operatøren kan styre hologrammerne med håndbevægelser og stemmekommandoer, som tilpasser visualiseringen til hans / hendes specifikke behov. Det er muligt at ændre størrelse, struktur, position med opretholdte sterile forhold. HoloLens påvirker ikke arbejdskomforten negativt og begrænser ikke synsfeltet under proceduren, når hologrammerne ikke vises. Det medicinske team var tidligere forberedt på operationen gennem muligheden for at blive bekendt med de præcise og detaljerede 3D-printforbindelses- og protesemodeller, der leveres sammen med implantatet, samt gennem træning med et team af ingeniører. Brugen af mixed reality-briller er meget intuitiv, og den effektive brug af uploadede hologrammer er let at lære. Den blandede virkelighed var en effektiv løsning, både med hensyn til forberedelse til operationen og med hensyn til procedurens gennemførelse.
Ifølge forfatternes viden er dette den første rapport om brugen af mixed reality-teknologi i hofterevisionskirurgi ved brug af det 3D-printede acetabulære implantat. Det var den første intraoperative brug af enheden i forfatternes kliniske center (figur 13). Tidligere publikationer omfatter primær hoftealloplastik ved brug af mixed reality-teknologi. Det blev præsenteret af Lei Peng-fei et al. hos en 59-årig patient med intertrochanterisk brud42. Specialfremstillede implantater og mixed reality er en stadig mere populær løsning, der anvendes inden for forskellige kirurgiske områder. Kombinationen af begge er en innovation med lovende resultater. I øjeblikket er disse typer behandlinger eksperimentelle på grund af høje omkostninger og behovet for passende forberedelse, der er ikke nok mængde til at skabe objektive originale undersøgelser; I den nærmeste fremtid vil det dog være muligt på grund af forskningsbevillingerne og den stigende interesse for klinikere. I forbindelse med de eksisterende og almindeligt anvendte løsninger under kirurgiske procedurer har røntgen- eller CT-fremskrivninger, der vises på en standard 2D-skærm, begrænsninger, fordi de ikke tillader visning af anatomiske strukturer fra et andet perspektiv. Det er ikke muligt at forstørre og ændre strukturens position i rummet. Efter forfatternes mening er specialfremstillede implantater og mixed reality-teknologi lovende for vanskelig revision artroplastik samt traumatologi og ortopædisk onkologi. Ifølge forfatterne gælder mixed reality også for patienter, der er kvalificerede til standard endoprosteser, herunder primære endoprosteser, der ikke kræver specialfremstillede implantater. Intraoperativ navigation forstærket af mixed reality giver mulighed for bedre og mere præcis placering af implantater. Der gennemføres i øjeblikket pilotundersøgelser med lovende resultater43.
Hvert trin i planlægningen af proceduren og forberedelsen af patienten er meget vigtig, og ingen af dem kan undervurderes. Kvaliteten af medicinsk billeddannelse og det passende samarbejde med ingeniører, både i implantatets design og i forberedelsen af hologrammet, er vigtige for operationens succes. Det kritiske øjeblik under proceduren er fjernelsen af de gamle implantatkomponenter og fastgørelsen af den nye, personlige på et tidligere forberedt sted. På dette stadium er hologrammer vigtige for, at proceduren udføres meget præcist.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Maciej Stanuch, Adriana Złahoda-Huzior og Andrzej Skalski er MedApp S.A. medarbejdere. MedApp S.A. er den virksomhed, der fremstiller CarnaLifeHolo-løsningen.
Acknowledgments
Ikke relevant.
Undersøgelsen blev gennemført som led i et ikke-kommercielt samarbejde.
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 |
References
- Smoczok, M., Starszak, K., Starszak, W. 3D printing as a significant achievement for application in posttraumatic surgeries: A literature review. Current Medical Imaging. 17 (7), 814-819 (2021).
- Farooqi, K. M., et al. 3D printing and heart failure: The present and the future. JACC: Heart Failure. 7 (2), 132-142 (2019).
- Canzi, P., et al. New frontiers and emerging applications of 3D printing in ENT surgery: A systematic review of the literature. Acta Otorhinolaryngologica Italica. 38 (4), 286-303 (2019).
- Lin, A. Y., Yarholar, L. M. Plastic surgery innovation with 3D printing for craniomaxillofacial operations. Missouri State Medical Association Journal. 117 (2), 136-142 (2020).
- Murphy, S. V., De Coppi, P., Atala, A. Opportunities and challenges of translational 3D bioprinting. Nature Biomedical Engineering. 4 (4), 370-380 (2020).
- Pugliese, L., et al. The clinical use of 3D printing in surgery. Updates in Surgery. 70 (3), 381-388 (2018).
- Yan, L., Wang, P., Zhou, H. 3D printing navigation template used in total hip arthroplasty for developmental dysplasia of the hip. Indian Journal of Orthopaedics. 54 (6), 856-862 (2020).
- Kuroda, S., Kobayashi, T., Ohdan, H. 3D printing model of the intrahepatic vessels for navigation during anatomical resection of hepatocellular carcinoma. International Journal of Surgery Case Reports. 41, 219-222 (2017).
- Learmonth, I. D., Young, C., Rorabeck, C. The operation of the century: total hip replacement. Lancet. 370 (9597), 1508-1519 (2007).
- Narodowy Fundusz Zdrowia (NFZ) – finansujemy zdrowie Polaków. , Available from: https://www.nfz.gov.pl/o-nfz/publikacje/ (2022).
- Ackerman, I. N., et al. The projected burden of primary total knee and hip replacement for osteoarthritis in Australia to the year 2030. Musculoskeletal Disorders. 20 (1), 90 (2019).
- Nemes, S., Gordon, M., Rogmark, C., Rolfson, O. Projections of total hip replacement in Sweden from 2013 to 2030. Acta Orthopaedica. 85 (3), 238-243 (2014).
- Sloan, M., Premkumar, A., Sheth, N. P. Projected volume of primary total joint arthroplasty in the U.S., 2014 to 2030. The Journal of Bone and Joint Surgery. 100 (17), 1455-1460 (2018).
- Schwartz, A. M., Farley, K. X., Guild, G. N., Bradbury, T. L. Jr Projections and epidemiology of revision hip and knee arthroplasty in the United States to 2030. Journal of Arthroplasty. 35 (6), 79-85 (2020).
- von Lewinski, G. Individuell angepasster Beckenteilersatz in der Hüftgelenksrevision. Der Orhopäde. 49, 417-423 (2020).
- Angelini, A., et al. Three-dimension-printed custom-made prosthetic reconstructions: from revision surgery to oncologic reconstructions. International Orthopaedics. 43 (1), 123-132 (2019).
- Wang, J., et al. Three-dimensional-printed custom-made hemipelvic endoprosthesis for the revision of the aseptic loosening and fracture of modular hemipelvic endoprosthesis: a pilot study. BMC Surgery. 21 (1), 262 (2021).
- Pal, C. P., et al. Metastatic adenocarcinoma of proximal femur treated by custom made hip prosthesis. Journal of Orthopaedic Case Reports. 2 (1), 3-6 (2012).
- Kostakos, T. A., et al. Acetabular reconstruction in oncological surgery: A systematic review and meta-analysis of implant survivorship and patient outcomes. Surgical Oncology. 38, 101635 (2021).
- Jacquet, C., et al. Long-term results of custom-made femoral stems. Der Orhopäde. 49 (5), 408-416 (2020).
- Verhey, J. T., Haglin, J. M., Verhey, E. M., Hartigan, D. E. Virtual, augmented, and mixed reality ap- plications in orthopedic surgery. The International Journal of Medical Robotics and Computer Assisted Surgery. 16 (2), 2067 (2020).
- Ayoub, A., Pulijala, Y. The application of virtual reality and augmented reality in oral & maxillofacial surgery. BMC Oral Health. 19 (1), 238 (2019).
- Chytas, D., Nikolaou, V. S. Mixed reality for visualization of orthopedic surgical anatomy. World Journal of Orthopedics. 12 (10), 727-731 (2021).
- Gao, Y., et al. Application of mixed reality technology in visualization of medical operations. Chinese Medical Sciences Journal. 34 (2), 103-109 (2019).
- Zhang, J., et al. Trends in the use of augmented reality, virtual reality, and mixed reality in surgical research: A global bibliometric and visualized analysis. Indian Journal of Surgery. , 1-18 (2022).
- Elsayed, H., et al. Direct ink writing of porous titanium (Ti6Al4V) lattice structures. Materials Science and Engineering C: Materials for Biological Applications. 103, 109794 (2019).
- Tamayo, J. A., et al. Additive manufacturing of Ti6Al4V alloy via electron beam melting for the development of implants for the biomedical industry. Heliyon. 7 (5), 06892 (2021).
- Izakovicova, P., Borens, O., Trampuz, A. Periprosthetic joint infection: current concepts and outlook. EFORT Open Reviews. 4 (7), 482-494 (2019).
- Chiarlone, F., et al. Acetabular custom-made implants for severe acetabular bone defect in revision total hip arthroplasty: a systematic review of the literature. Archives of Orthopaedic and Trauma Surgery. 140 (3), 415-424 (2020).
- Šťastný, E., Trč, T., Philippou, T. Rehabilitation after total knee and hip arthroplasty. The Journal of Czech Physicians. 155 (8), 427-432 (2016).
- Chua, M. J., et al. Early mobilisation after total hip or knee arthroplasty: A multicentre prospective observational study. Public Library of Science One. 12 (6), 0179820 (2017).
- Wu, J., Mao, L., Wu, J. Efficacy of exercise for improving functional outcomes for patients undergoing total hip arthroplasty: A meta-analysis. Medicine (Baltimore). 98 (10), 14591 (2019).
- 3D Slicer image computing platform. , Available from: www.slicer.org (2022).
- Telleria, J. J., Gee, A. O. Classifications in brief: Paprosky classification of acetabular bone loss. Orthopaedics and Related Research. 471 (11), 3725-3730 (2013).
- Tepper, O. M., et al. Mixed reality with HoloLens: Where virtual reality meets augmented reality in the operating room. Plastic and Reconstructive Surgery. 140 (5), 1066-1070 (2017).
- Joda, T., Gallucci, G. O., Wismeijer, D., Zitzmann, N. U. Augmented and virtual reality in dental medicine: A systematic review. Computers in Biology and Medicine. 108, 93-100 (2019).
- Goo, H. W., Park, S. J., Yoo, S. J. Advanced medical use of three-dimensional imaging in Congenital heart disease: Augmented reality, mixed reality, virtual reality, and three-dimensional printing. Korean Journal of Radiology. 21 (2), 133-145 (2020).
- Kasprzak, J. D., Pawlowski, J., Peruga, J. Z., Kaminski, J., Lipiec, P. First-in-man experience with real- time holographic mixed reality display of three-dimensional echocardiography during structural intervention: balloon mitral commissurotomy. European Heart Journal. 41 (6), 801 (2020).
- Li, G., et al. The clinical application value of mixed- reality-assisted surgical navigation for laparoscopic nephrectomy. Cancer Medicine. 9 (15), 5480-5489 (2020).
- Kang, S. L., et al. Mixed-reality view of cardiac specimens: a new approach to understanding complex intracardiac congenital lesions. Pediatric Radiology. 50 (11), 1610-1616 (2020).
- Wierzbicki, R., et al. 3D mixed-reality visualization of medical imaging data as a supporting tool for innovative, minimally invasive surgery for gastrointestinal tumors and systemic treatment as a new path in personalized treatment of advanced cancer diseases. Journal of Cancer Research and Clinical Oncology. 148 (1), 237-243 (2022).
- Lei, P. F., et al. Mixed reality combined with three - dimensional printing technology in total hip arthroplasty: An updated review with a preliminary case presentation. Orthopaedic Surgery. 11 (5), 914-920 (2019).
- Iacono, V., et al. The use of augmented reality for limb and component alignment in total knee arthroplasty: systematic review of the literature and clinical pilot study. Journal of Experimental Orthopedics. 8, 52 (2021).
