Augmented Reality Navigatie-geleide Kerndecompressie voor Osteonecrose van Heupkop
Summary
Augmented reality-technologie werd toegepast op kerndecompressie voor osteonecrose van de heupkop om real-time visualisatie van deze chirurgische procedure te realiseren. Deze methode kan de veiligheid en precisie van kerndecompressie effectief verbeteren.
Abstract
Osteonecrose van de heupkop (ONFH) is een veel voorkomende gewrichtsaandoening bij jonge en middelbare leeftijd patiënten, die hun leven en werk ernstig belast. Voor onfh in een vroeg stadium is kerndecompressiechirurgie een klassieke en effectieve heupconserveringstherapie. Bij traditionele procedures van kerndecompressie met Kirschner-draad zijn er nog steeds veel problemen, zoals blootstelling aan röntgenfoto’s, herhaalde punctieverificatie en schade aan normaal botweefsel. De blindheid van het prikproces en het onvermogen om real-time visualisatie te bieden zijn cruciale redenen voor deze problemen.
Om deze procedure te optimaliseren, ontwikkelde ons team een intraoperatief navigatiesysteem op basis van augmented reality (AR) technologie. Dit chirurgische systeem kan intuïtief de anatomie van de chirurgische gebieden weergeven en preoperatieve beelden en virtuele naalden in realtime weergeven op intraoperatieve video. Met de gids van het navigatiesysteem kunnen chirurgen Kirschner-draden nauwkeurig in het beoogde laesiegebied inbrengen en de nevenschade minimaliseren. We hebben 10 gevallen van kerndecompressiechirurgie uitgevoerd met dit systeem. De efficiëntie van positionering en fluoroscopie is sterk verbeterd in vergelijking met de traditionele procedures en de nauwkeurigheid van de punctie is ook gegarandeerd.
Introduction
Osteonecrose van de heupkop (ONFH) is een veel voorkomende invaliderende ziekte die voorkomt bij jonge volwassenen1. Klinisch is het noodzakelijk om de stadiëring van ONFH te bepalen op basis van röntgenfoto’s, CT en MRI om de behandelingsstrategie te bepalen (figuur 1). Voor onfh in een vroeg stadium wordt meestal therapie voor heupbehoud toegepast2. Core decompressie (CD) chirurgie is een van de meest gebruikte heupconserveringsmethoden voor ONFH. Bepaalde curatieve effecten van kerndecompressie met of zonder bottransplantatie bij de behandeling van ONFH in een vroeg stadium zijn gemeld, wat latere totale heupartroplastiek (THA) gedurende lange tijd kan voorkomen of vertragen 3,4,5. Het succespercentage van CD met of zonder bottransplantatie werd echter anders gerapporteerd in eerdere studies, van 64% tot 95%6,7,8,9. De chirurgische techniek, met name de nauwkeurigheid van de boorpositie, is belangrijk voor het succes van heupbehoud10. Vanwege de blindheid van de punctie- en positioneringsprocedure hebben de traditionele technieken van CD verschillende problemen, zoals meer fluoroscopietijd, herhaalde punctie met Kirschner-draad en letsel van normaal botweefsel 11,12.
In de afgelopen jaren is de augmented reality (AR)-geassisteerde methode geïntroduceerd in de orthopedische chirurgie13. De AR-techniek kan de anatomie van het chirurgische veld visueel weergeven, de chirurgen begeleiden bij het plannen van de operatieprocedure en bijgevolg de moeilijkheidsgraad van de operatie verminderen. De toepassingen van de AR-techniek bij pedikelschroefimplantatie en gewrichtsarthroplastiekchirurgie zijn eerder gemeld 14,15,16,17. In deze studie willen we de AR-techniek toepassen op de CD-procedure en de veiligheid, nauwkeurigheid en haalbaarheid ervan in de klinische praktijk verifiëren.
Hardwarecomponenten van het systeem
De belangrijkste componenten van het op AR gebaseerde chirurgische navigatiesysteem zijn het volgende: (1) Een dieptecamera (figuur 2A) die direct boven het operatiegebied is geïnstalleerd; de video wordt hiervan geschoten en teruggestuurd naar de werkplek voor registratie en samenwerking met de beeldgegevens. (2) Een prikinrichting (figuur 2B) en een niet-invasief frame voor het markeren van het lichaamsoppervlak (figuur 2C), beide met passieve infraroodreflectoren. Een speciale reflecterende coating van markeerballen (figuur 3) kan worden opgevangen door infraroodapparatuur om nauwkeurige tracking van chirurgische apparatuur in het operatiegebied te bereiken. (3) Een infrarood positioneringsapparaat (figuur 2D) is verantwoordelijk voor het volgen van markeringsmarkeringen in het operatiegebied, waarbij het markeringsframe van het lichaamsoppervlak en de punctievoorziening met hoge nauwkeurigheid worden afgestemd (figuur 4). (4) Het hostsysteem (figuur 2E) is een 64-bits werkstation, geïnstalleerd met het onafhankelijk ontwikkelde AR-geassisteerde orthopedische chirurgiesysteem. Augmented reality-weergave van heupgewricht en femurkoppunctieoperatie kan met zijn hulp worden voltooid.
Protocol
Representative Results
Discussion
Hoewel THA zich de afgelopen jaren snel heeft ontwikkeld en een effectieve ultieme methode voor ONFH is geworden, speelt heupconserveringstherapie nog steeds een belangrijke rol bij de behandeling van ONFH18,19 in een vroeg stadium. CD is een eenvoudige en effectieve heupbehoudsoperatie, die heuppijn kan loslaten en de ontwikkeling van het instorten van de heupkop kan vertragen20. De punctiepositionering van de focale necrose is de crucial…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd ondersteund door Beijing Natural Science Foundation (7202183), National Natural Science Foundation of China (81972107) en Beijing Municipal Science and Technology Commission (D171100003217001).
Materials
| 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. |
Referenzen
- Cohen-Rosenblum, A., Cui, Q. Osteonecrosis of the femoral head. Orthopedic Clinics of North America. 50 (2), 139-149 (2019).
- Migliorini, F., et al. Prognostic factors in the management of osteonecrosis of the femoral head: A systematic review. The Surgeon: journal of the Royal Colleges of surgeons of Edinburgh and Ireland. (21), 00199 (2022).
- Mont, M. A., Jones, L. C., Hungerford, D. S. Nontraumatic osteonecrosis of the femoral head: ten years later. The Journal of Bone and Joint Surgery. American Volume. 88 (5), 1117-1132 (2006).
- Wang, L., Tian, X., Li, K., Liu, C. Combination use of core decompression for osteonecrosis of the femoral head: A systematic review and meta-analysis using Forest and Funnel Plots. Computational and Mathematical Methods in Medicine. , 1284149 (2021).
- Hua, K. C., et al. The efficacy and safety of core decompression for the treatment of femoral head necrosis: a systematic review and meta-analysis. Journal of Orthopaedic Surgery and Research. 14 (1), 306 (2019).
- Ganz, R., Krushell, R. J., Jakob, R. P., Küffer, J. The antishock pelvic clamp. Clinical Orthopaedics and Related Research. 267, 71-78 (1991).
- Yoshikawa, K., et al. Training with hybrid assistive limb for walking function after total knee arthroplasty. Journal of Orthopaedic Surgery and Research. 13 (1), 163 (2018).
- Wu, C. T., Yen, S. H., Lin, P. C., Wang, J. W. Long-term outcomes of Phemister bone grafting for patients with non-traumatic osteonecrosis of the femoral head. International Orthopaedics. 43 (3), 579-587 (2019).
- Mont, M. A., Marulanda, G. A., Seyler, T. M., Plate, J. F., Delanois, R. E. Core decompression and nonvascularized bone grafting for the treatment of early stage osteonecrosis of the femoral head. Instructional Course Lectures. 56, 213-220 (2007).
- Wang, W., et al. Patient-specific core decompression surgery for early-stage ischemic necrosis of the femoral head. PLoS One. 12 (5), 0175366 (2017).
- Hoffmann, M. F., Khoriaty, J. D., Sietsema, D. L., Jones, C. B. Outcome of intramedullary nailing treatment for intertrochanteric femoral fractures. Journal of Orthopaedic Surgery and Research. 14 (1), 360 (2019).
- Dennler, C., et al. Augmented reality-based navigation increases precision of pedicle screw insertion. Journal of Orthopaedic Surgery and Research. 15 (1), 174 (2020).
- Yonezawa, H., et al. Low-grade myofibroblastic sarcoma of the levator scapulae muscle: a case report and literature review. BMC Musculoskeletal Disorders. 21 (1), 836 (2020).
- Tsukada, S., et al. Augmented reality- vs accelerometer-based portable navigation system to improve the accuracy of acetabular cup placement during total hip arthroplasty in the lateral decubitus position. The Journal of Arthroplasty. 37 (3), 488-494 (2021).
- Raymond, J., et al. Pharmacogenetics of direct oral anticoagulants: a systematic review. Journal of Personalized Medicine. 11 (1), 37 (2021).
- Bhatt, F. R., et al. Augmented reality-assisted spine surgery: an early experience demonstrating safety and accuracy with 218 screws. Global Spine Journal. , (2022).
- Weiss, H. R., Nan, X., Potts, M. A. Is there an indication for surgery in patients with spinal deformities? – A critical appraisal. The South African Journal of Physiotherapy. 77 (2), 1569 (2021).
- Boontanapibul, K., Amanatullah, D. F., Huddleston, J. I., Maloney, W. J., Goodman, S. B. Outcomes of cemented total knee arthroplasty for secondary osteonecrosis of the knee. The Journal of Arthroplasty. 36 (2), 550-559 (2021).
- Bakircioglu, S., Atilla, B. Hip preserving procedures for osteonecrosis of the femoral head after collapse. J Clin Orthop Trauma. 23, 101636 (2021).
- Ma, H. Y., et al. Core decompression with local administration of zoledronate and enriched bone marrow mononuclear cells for treatment of non-traumatic osteonecrosis of femoral head. Orthopaedic Surgery. 13 (6), 1843-1852 (2021).
- Hu, L., et al. Comparison of intramedullary nailing and plate fixation in distal tibial fractures with metaphyseal damage: a meta-analysis of randomized controlled trials. Journal of Orthopaedic Surgery and Research. 14 (1), 30 (2019).
- Pierannunzii, L. Endoscopic and arthroscopic assistance in femoral head core decompression. Arthroscopy Techniques. 1 (2), 225-230 (2012).
- Salas, A. P., et al. Hip arthroscopy and core decompression for avascular necrosis of the femoral head using a specific aiming guide: a step-by-step surgical technique. Arthroscopy Techniques. 10 (12), 2775-2782 (2021).
- Beer, A. J., Dijkgraaf, I. Editorial European journal of nuclear medicine and molecular imaging. European Journal of Nuclear Medicine and Molecular Imaging. 44 (2), 284-285 (2017).
- Negrillo-Cárdenas, J., Jiménez-Pérez, J. R., Feito, F. R. The role of virtual and augmented reality in orthopedic trauma surgery: From diagnosis to rehabilitation. Computer Methods and Programs in Biomedicine. 191, 105407 (2020).
- Brookes, M. J., et al. Surgical Advances in Osteosarcoma. Cancers. 13 (3), 388 (2021).
- Cho, H. S., et al. Can augmented reality be helpful in pelvic bone cancer surgery? an in vitro study. Clinical Orthopaedics and Related Research. 476 (9), 1719-1725 (2018).
