Augmented Reality Navigationsgesteuerte Kerndekompression bei Osteonekrose des Oberschenkelkopfes

Summary

Die Augmented-Reality-Technologie wurde auf die Kerndekompression bei Osteonekrose des Hüftkopfes angewendet, um eine Echtzeit-Visualisierung dieses chirurgischen Eingriffs zu realisieren. Diese Methode kann die Sicherheit und Präzision der Kerndekompression effektiv verbessern.

Abstract

Osteonekrose des Hüftkopfes (ONFH) ist eine häufige Gelenkerkrankung bei jungen und mittleren Patienten, die ihr Leben und ihre Arbeit ernsthaft belastet. Für die ONFH im Frühstadium ist die Kerndekompressionschirurgie eine klassische und effektive Hüfterhaltungstherapie. Bei traditionellen Verfahren der Kerndekompression mit Kirschnerdraht gibt es immer noch viele Probleme wie Röntgenexposition, wiederholte Punktionsüberprüfung und Schädigung des normalen Knochengewebes. Die Blindheit des Punktionsprozesses und die Unfähigkeit, Echtzeit-Visualisierungen zu liefern, sind entscheidende Gründe für diese Probleme.

Um dieses Verfahren zu optimieren, hat unser Team ein intraoperatives Navigationssystem auf Basis der Augmented-Reality-Technologie (AR) entwickelt. Dieses chirurgische System kann intuitiv die Anatomie der Operationsbereiche darstellen und präoperative Bilder und virtuelle Nadeln in Echtzeit in intraoperatives Video übertragen. Mit der Führung des Navigationssystems können Chirurgen Kirschner-Drähte genau in den gezielten Läsionsbereich einführen und die Kollateralschäden minimieren. Wir haben 10 Fälle von Kerndekompressionsoperationen mit diesem System durchgeführt. Die Effizienz der Positionierung und Durchleuchtung ist im Vergleich zu den herkömmlichen Verfahren erheblich verbessert, und die Genauigkeit der Punktion ist ebenfalls garantiert.

Introduction

Osteonekrose des Hüftkopfes (ONFH) ist eine häufige behindernde Erkrankung, die bei jungen Erwachsenen auftritt¹. Klinisch ist es notwendig, das Staging von ONFH basierend auf Röntgen, CT und MRT zu bestimmen, um die Behandlungsstrategie zu bestimmen (Abbildung 1). Für ONFH im Frühstadium wird in der Regel eine Hüfterhaltungstherapie angewendet². Die Core Decompression (CD) -Operation ist eine der am häufigsten verwendeten Hüfterhaltungsmethoden für ONFH. Es wurden bestimmte heilende Wirkungen der Kerndekompression mit oder ohne Knochentransplantation bei der Behandlung von ONFH im Frühstadium berichtet, die eine nachfolgende totale Hüftendoprothetik (THA) für eine lange Zeit vermeiden oder verzögern^{können 3,4,5}. Die Erfolgsrate von CD mit oder ohne Knochentransplantation wurde jedoch in früheren Studien unterschiedlich berichtet, von 64% bis 95%6,7,8,9. Die Operationstechnik, insbesondere die Genauigkeit der Bohrposition, ist wichtig für den Erfolg der Hüftkonservierung¹⁰. Aufgrund der Blindheit des Punktions- und Positionierungsverfahrens haben die traditionellen Techniken der CD mehrere Probleme, wie z.B. mehr Durchleuchtungszeit, wiederholte Punktion mit Kirschnerdraht und Verletzung von normalem Knochengewebe^11,12.

In den letzten Jahren wurde die Augmented Reality (AR)-assistierte Methode in der orthopädischen Chirurgie^{eingeführt 13}. Die AR-Technik kann die Anatomie des Operationsfeldes visuell darstellen, die Chirurgen bei der Planung des Operationsverfahrens leiten und somit die Schwierigkeit der Operation reduzieren. Die Anwendungen der AR-Technik in der Pedikelschraubenimplantation und Gelenkendoprothetik wurden bereits^{berichtet 14,15,16,17}. In dieser Studie wollen wir die AR-Technik auf das CD-Verfahren anwenden und ihre Sicherheit, Genauigkeit und Machbarkeit in der klinischen Praxis überprüfen.

Hardwarekomponenten des Systems
Zu den Hauptkomponenten des AR-basierten Navigations-Operationssystems gehören die folgenden: (1) Eine Tiefenkamera (Abbildung 2A), die direkt über dem Operationsbereich installiert ist; Von diesem wird das Video aufgenommen und zur Registrierung und Zusammenarbeit mit den Bilddaten an die Workstation zurückgesendet. (2) Eine Punktionsvorrichtung (Abbildung 2B) und ein nicht-invasiver Körperoberflächenmarkierungsrahmen (Abbildung 2C), beide mit passiven Infrarotreflektoren. Eine spezielle reflektierende Beschichtung von Markierungskugeln (Abbildung 3) kann von Infrarotgeräten erfasst werden, um eine genaue Verfolgung von chirurgischen Geräten im chirurgischen Bereich zu erreichen. (3) Ein Infrarot-Positionierungsgerät (Abbildung 2D) ist für die Verfolgung von Markierungen im Operationsbereich verantwortlich, die den Körperoberflächenmarkierungsrahmen und das Punktionsgerät mit hoher Genauigkeit aufeinander abstimmen (Abbildung 4). (4) Das Host-System (Abbildung 2E) ist eine 64-Bit-Workstation, die mit dem unabhängig entwickelten AR-gestützten orthopädischen Chirurgiesystem installiert wird. Die Augmented-Reality-Anzeige der Hüftgelenk- und Oberschenkelkopfpunktionsoperation kann mit ihrer Hilfe abgeschlossen werden.

Protocol

Diese Studie wurde von der Ethikkommission des China-Japan Friendship Hospital genehmigt (Zulassungsnummer: 2021-12-K04). Alle folgenden Schritte wurden nach standardisierten Verfahren durchgeführt, um Verletzungen der Patienten und der Chirurgen zu vermeiden. Für diese Studie wurde eine informierte Patienteneinwilligung eingeholt. Der Chirurg muss in konventionellen Kerndekompressionsverfahren geschult sein, um sicherzustellen, dass die Operation im Falle einer ungenauen Navigation oder anderer unerwarteter Situatione…

Representative Results

FunktionsmerkmaleDas chirurgische Navigationssystem wurde bei fortlaufenden 10 Hüften von neun Patienten angewendet. Die durchschnittliche Gesamtpositionierungszeit der Operation betrug 10,1 min (Median 9,5 min, Bereich 8,0-14,0 min). Die mittlere C-ARM-Durchleuchtung betrug das 5,5-fache (Median 5,5-mal, Bereich 4-8-mal). Der mittlere Fehler der Durchstoßgenauigkeit betrug 1,61 mm (Median 1,2 mm, Bereich -5,76-19,73 mm; Tabelle 1). Die Ergebnisse zeigen, dass die Positionierzeit u…

Discussion

Obwohl sich THA in den letzten Jahren rasant entwickelt hat und zu einer effektiven ultimativen Methode für ONFH geworden ist, spielt die Hüfterhaltungstherapie immer noch eine wichtige Rolle bei der Behandlung von ONFH im Frühstadium^18,19. CD ist eine grundlegende und effektive Hüfterhaltungsoperation, die Hüftschmerzen lösen und die Entwicklung des Femurkopfkollapses²⁰ verzögern kann. Die Punktionspositionierung der fokalen Nekros…

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.