Augmented Reality navigasjonsstyrt kjernedekompresjon for osteonekrose av lårhode
Summary
Augmented reality-teknologi ble brukt på kjernedekompresjon for osteonekrose av lårhodet for å realisere sanntidsvisualisering av denne kirurgiske prosedyren. Denne metoden kan effektivt forbedre sikkerheten og presisjonen til kjernedekompresjon.
Abstract
Osteonekrose i lårhodet (ONFH) er en vanlig leddsykdom hos unge og middelaldrende pasienter, som alvorlig belaster deres liv og arbeid. For tidlig ONFH er kjernedekompresjonskirurgi en klassisk og effektiv hoftebevaringsterapi. I tradisjonelle prosedyrer for kjernedekompresjon med Kirschner-ledning er det fortsatt mange problemer som røntgeneksponering, gjentatt punkteringsverifisering og skade på normalt beinvev. Blindheten i punkteringsprosessen og manglende evne til å gi visualisering i sanntid er avgjørende årsaker til disse problemene.
For å optimalisere denne prosedyren utviklet teamet vårt et intraoperativt navigasjonssystem på grunnlag av AR-teknologi (Utvidet virkelighet). Dette kirurgiske systemet kan intuitivt vise anatomien til operasjonsområdene og gjengi preoperative bilder og virtuelle nåler til intraoperativ video i sanntid. Med veiledning av navigasjonssystemet kan kirurger nøyaktig sette Kirschner-ledninger inn i det målrettede lesjonsområdet og minimere sikkerhetsskaden. Vi gjennomførte 10 tilfeller av kjernedekompresjonskirurgi med dette systemet. Effektiviteten av posisjonering og fluoroskopi er sterkt forbedret sammenlignet med de tradisjonelle prosedyrene, og nøyaktigheten av punktering er også garantert.
Introduction
Osteonekrose i lårhodet (ONFH) er en vanlig invalidiserende sykdom som forekommer hos unge voksne1. Klinisk er det nødvendig å bestemme iscenesettelsen av ONFH basert på røntgen, CT og MR for å bestemme behandlingsstrategien (figur 1). For tidlig ONFH er hoftebevaringsterapi vanligvis vedtatt2. Kjernedekompresjon (CD) kirurgi er en av de mest brukte hip bevaring metoder for ONFH. Visse kurative effekter av kjernedekompresjon med eller uten beintransplantasjon i behandling av tidlig ONFH har blitt rapportert, noe som kan unngå eller forsinke påfølgende total hofteartrosgistikk (THA) i lang tid 3,4,5. Imidlertid ble suksessraten for CD med eller uten beintransplantasjon rapportert annerledes blant tidligere studier, fra 64% til 95%6,7,8,9. Den kirurgiske teknikken, spesielt nøyaktigheten av boreposisjon, er viktig for suksessen med hoftebevaring10. På grunn av blindheten i punkterings- og posisjoneringsprosedyren har de tradisjonelle teknikkene til CD flere problemer, for eksempel mer fluoroskopitid, gjentatt punktering ved hjelp av Kirschner-ledning og skade på normalt beinvev11,12.
De siste årene har augmented reality (AR)-assistert metode blitt introdusert i ortopedisk kirurgi13. AR-teknikken kan visuelt vise anatomien til det kirurgiske feltet, veilede kirurgene i planleggingen av operasjonsprosedyren, og dermed redusere vanskeligheten med operasjonen. Anvendelsen av AR-teknikken i pedicle skrueimplantasjon og leddartroplastikk kirurgi har blitt rapportert tidligere 14,15,16,17. I denne studien tar vi sikte på å bruke AR-teknikken på CD-prosedyren og verifisere dens sikkerhet, nøyaktighet og gjennomførbarhet i klinisk praksis.
Maskinvarekomponenter for system
Hovedkomponentene i det AR-baserte navigasjonskirurgiske systemet inkluderer følgende: (1) Et dybdekamera (figur 2A) installert rett over operasjonsområdet; videoen er tatt fra dette og sendt tilbake til arbeidsstasjonen for registrering og samarbeid med bildedata. (2) En punkteringsenhet (figur 2B) og en ikke-invasiv kroppsoverflatemarkeringsramme (figur 2C), begge med passive infrarøde reflekser. Et spesielt reflekterende belegg av merkekuler (figur 3) kan fanges opp av infrarødt utstyr for å oppnå nøyaktig sporing av kirurgisk utstyr i det kirurgiske området. (3) En infrarød posisjoneringsenhet (figur 2D) er ansvarlig for å spore markører i det kirurgiske området, og matcher kroppsoverflatemarkeringsrammen og punkteringsenheten med høy nøyaktighet (figur 4). (4) Vertssystemet (figur 2E) er en 64-biters arbeidsstasjon, installert med det uavhengig utviklede AR-assisterte ortopediske kirurgisystemet. Augmented reality-visning av hofteledd og lårhode punkteringsoperasjon kan fullføres med hjelp.
Protocol
Representative Results
Discussion
Selv om THA har utviklet seg raskt de siste årene og blitt en effektiv ultimate metode for ONFH, spiller hoftebevaringsterapi fortsatt en viktig rolle i behandlingen av tidlig ONFH18,19. CD er en grunnleggende og effektiv hofte bevaring kirurgi, som kan frigjøre hoftesmerter og forsinke utviklingen av lårhode kollaps20. Punkteringsposisjoneringen av fokalnekrose er den avgjørende prosedyren for CD, da den bestemmer suksessen eller feil…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet ble støttet av Beijing Natural Science Foundation (7202183), National Natural Science Foundation of China (81972107) og 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. |
Referências
- 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).
