Augmented Reality Navigationsstyret kernedekompression til osteonekrose af lårbenshovedet

Summary

Augmented reality-teknologi blev anvendt til kernedekompression til osteonekrose i lårbenshovedet for at realisere visualisering i realtid af denne kirurgiske procedure. Denne metode kan effektivt forbedre sikkerheden og præcisionen af kernedekompression.

Abstract

Osteonekrose i lårbenshovedet (ONFH) er en almindelig ledsygdom hos unge og midaldrende patienter, som alvorligt belaster deres liv og arbejde. For tidlig fase ONFH er kernedekompressionskirurgi en klassisk og effektiv hoftebevarende terapi. I traditionelle procedurer for kernedekompression med Kirschner-ledning er der stadig mange problemer såsom røntgeneksponering, gentagen punkteringsverifikation og beskadigelse af normalt knoglevæv. Blindheden i punkteringsprocessen og manglende evne til at levere visualisering i realtid er afgørende årsager til disse problemer.

For at optimere denne procedure udviklede vores team et intraoperativt navigationssystem på basis af augmented reality (AR) teknologi. Dette kirurgiske system kan intuitivt vise anatomien i de kirurgiske områder og gengive præoperative billeder og virtuelle nåle til intraoperativ video i realtid. Med navigationssystemets vejledning kan kirurger nøjagtigt indsætte Kirschner-ledninger i det målrettede læsionsområde og minimere sikkerhedsskaderne. Vi gennemførte 10 tilfælde af kernedekompressionskirurgi med dette system. Effektiviteten af positionering og fluoroskopi forbedres kraftigt sammenlignet med de traditionelle procedurer, og nøjagtigheden af punktering er også garanteret.

Introduction

Osteonekrose i lårbenshovedet (ONFH) er en almindelig invaliderende sygdom, der forekommer hos unge voksne¹. Klinisk er det nødvendigt at bestemme iscenesættelsen af ONFH baseret på røntgen, CT og MR for at bestemme behandlingsstrategien (figur 1). For tidlig fase ONFH er hoftebevarende terapi normalt vedtaget². Core dekompression (CD) kirurgi er en af de mest anvendte hofte konserveringsmetoder til ONFH. Visse helbredende virkninger af kernedekompression med eller uden knogletransplantation ved behandling af ONFH i tidlig fase er blevet rapporteret, hvilket kan undgå eller forsinke efterfølgende total hoftealloplastik (THA) i lang tid ^3,4,5. Succesraten for CD med eller uden knogletransplantation blev imidlertid rapporteret forskelligt blandt tidligere undersøgelser, fra 64% til 95%6,7,8,9. Den kirurgiske teknik, især nøjagtigheden af borepositionen, er vigtig for succesen med hoftebevarelse¹⁰. På grund af blindheden af punkterings- og positioneringsproceduren har de traditionelle teknikker til CD flere problemer, såsom mere fluoroskopitid, gentagen punktering ved hjælp af Kirschner-ledning og skade på normalt knoglevæv^11,12.

I de senere år er den augmented reality (AR)-assisterede metode blevet introduceret i ortopædkirurgi¹³. AR-teknikken kan visuelt vise anatomien i det kirurgiske felt, guide kirurgerne i planlægningen af operationsproceduren og følgelig reducere vanskeligheden ved operationen. Anvendelserne af AR-teknikken i pedikel skrueimplantation og led artroplastikkirurgi er blevet rapporteret tidligere 14,15,16,17. I denne undersøgelse sigter vi mod at anvende AR-teknikken på CD-proceduren og verificere dens sikkerhed, nøjagtighed og gennemførlighed i klinisk praksis.

System hardware komponenter
Hovedkomponenterne i det AR-baserede navigationskirurgiske system omfatter følgende: (1) Et dybdekamera (figur 2A) installeret direkte over det kirurgiske område; videoen optages herfra og sendes tilbage til arbejdsstationen til registrering og samarbejde med billeddataene. (2) En punkteringsanordning (figur 2B) og en ikke-invasiv ramme til mærkning af kropsoverfladen (figur 2C), begge med passive infrarøde reflektorer. En speciel reflekterende belægning af markeringskugler (figur 3) kan fanges af infrarødt udstyr for at opnå nøjagtig sporing af kirurgisk udstyr i det kirurgiske område. (3) En infrarød positioneringsanordning (figur 2D) er ansvarlig for sporingsmarkører i det kirurgiske område, der matcher karrosseriets mærkningsramme og punkteringsanordning med høj nøjagtighed (figur 4). (4) Værtssystemet (figur 2E) er en 64-bit arbejdsstation, der er installeret med det uafhængigt udviklede AR-assisterede ortopædkirurgiske system. Augmented reality-visning af hofteled og lårbenshovedpunkteringsoperation kan afsluttes med dens hjælp.

Protocol

Denne undersøgelse blev godkendt af den etiske komité for China-Japan Friendship Hospital (godkendelsesnummer: 2021-12-K04). Alle de følgende trin blev udført i henhold til standardiserede procedurer for at undgå skade på patienterne og kirurgerne. Der blev indhentet informeret patientsamtykke til denne undersøgelse. Kirurgen skal være dygtig i konventionelle kernedekompressionsprocedurer for at sikre, at operationen kan udføres på en traditionel måde i tilfælde af unøjagtig navigation eller andre uventede s…

Representative Results

Drift egenskaberDet kirurgiske navigationssystem blev anvendt i kontinuerlige 10 hofter hos ni patienter. Den gennemsnitlige samlede positioneringstid for operationen var 10,1 min (median 9,5 min, rækkevidde 8,0-14,0 min). De gennemsnitlige C-ARM fluoroskopier var 5,5 gange (median 5,5 gange, rækkevidde 4-8 gange). Den gennemsnitlige fejl ved punkteringsnøjagtighed var 1,61 mm (median 1,2 mm, rækkevidde -5,76-19,73 mm; Tabel 1). Resultaterne viser, at positioneringstiden og fluor…

Discussion

Selvom THA har udviklet sig hurtigt i de senere år og er blevet en effektiv ultimativ metode til ONFH, spiller hoftekonserveringsterapi stadig en vigtig rolle i behandlingen af TIDLIG FASE ONFH^18,19. CD er en grundlæggende og effektiv hoftebevarende operation, som kan frigive hoftesmerter og forsinke udviklingen af lårbenshovedkollaps²⁰. Punkteringspositionen af fokalnekrose er den afgørende procedure for CD, da den bestemmer operation…

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.