Динамическая декомпрессия ядра с навигацией дополненной реальности при остеонекрозе головки бедренной кости
Summary
Технология дополненной реальности была применена для декомпрессии ядра при остеонекрозе головки бедренной кости для реализации визуализации этой хирургической процедуры в режиме реального времени. Этот метод может эффективно повысить безопасность и точность декомпрессии сердечника.
Abstract
Остеонекроз головки бедренной кости (ОНФГ) является распространенным заболеванием суставов у пациентов молодого и среднего возраста, которое серьезно отягощает их жизнь и работу. Для ранней стадии ONFH операция по декомпрессии ядра является классической и эффективной терапией сохранения тазобедренного сустава. В традиционных процедурах декомпрессии ядра с помощью проволоки Киршнера все еще существует много проблем, таких как рентгеновское облучение, повторная проверка пункции и повреждение нормальной костной ткани. Слепота процесса прокола и неспособность обеспечить визуализацию в режиме реального времени являются важнейшими причинами этих проблем.
Для оптимизации этой процедуры наша команда разработала интраоперационную навигационную систему на основе технологии дополненной реальности (AR). Эта хирургическая система может интуитивно отображать анатомию хирургических областей и отображать предоперационные изображения и виртуальные иглы для интраоперационного видео в режиме реального времени. С помощью направляющей навигационной системы хирурги могут точно вставлять провода Киршнера в целевую область поражения и минимизировать сопутствующий ущерб. Мы провели 10 случаев операции по декомпрессии ядра с помощью этой системы. Эффективность позиционирования и рентгеноскопии значительно улучшена по сравнению с традиционными процедурами, а также гарантируется точность пункции.
Introduction
Остеонекроз головки бедренной кости (ONFH) является распространенным инвалидизирующим заболеванием, встречающимся у молодых людей1. Клинически необходимо определить стадию ОНФГ на основе рентгена, КТ и МРТ для определения стратегии лечения (рисунок 1). Для ранней стадии ОНФГ обычно принимается терапия сохранения тазобедренного сустава2. Операция по декомпрессии ядра (CD) является одним из наиболее часто используемых методов сохранения тазобедренного сустава для ONFH. Сообщалось о некоторых лечебных эффектах декомпрессии ядра с или без костной пластики при лечении ОНФГ на ранней стадии, что может избежать или задержать последующую тотальную эндопротезирование тазобедренного сустава (THA) в течение длительного времени 3,4,5. Тем не менее, уровень успеха CD с или без костной трансплантации был зарегистрирован по-разному среди предыдущих исследований, от 64% до 95% 6,7,8,9. Хирургическая техника, особенно точность положения сверления, важна для успешного сохранения тазобедренного сустава10. Из-за слепоты процедуры пункции и позиционирования традиционные методы CD имеют несколько проблем, таких как увеличение времени рентгеноскопии, повторная пункция с использованием проволоки Киршнера и повреждение нормальнойкостной ткани 11,12.
В последние годы метод дополненной реальности (AR) был внедрен в ортопедическую хирургию13. Техника AR может визуально показать анатомию хирургического поля, направлять хирургов в планировании операционной процедуры и, следовательно, уменьшить сложность операции. О применении техники AR в имплантации винтов ножки и артропластике суставов сообщалось ранее 14,15,16,17. В этом исследовании мы стремимся применить технику AR к процедуре CD и проверить ее безопасность, точность и осуществимость в клинической практике.
Аппаратные компоненты системы
Основные компоненты навигационной хирургической системы на основе AR включают в себя следующее: (1) глубинная камера (рисунок 2A), установленная непосредственно над хирургической областью; видео снимается с этого и отправляется обратно на рабочую станцию для регистрации и взаимодействия с данными изображения. (2) Проколотое устройство (рисунок 2B) и неинвазивная рамка для маркировки поверхности тела (рисунок 2C) с пассивными инфракрасными отражателями. Специальное отражающее покрытие маркировочных шариков (рисунок 3) может быть захвачено инфракрасным оборудованием для достижения точного отслеживания хирургического оборудования в хирургической области. (3) Инфракрасное позиционирующее устройство (рисунок 2D) отвечает за отслеживание маркеров в хирургической области, с высокой точностью сопоставляя маркировочную рамку поверхности тела и проколотое устройство (рисунок 4). (4) Хост-система (рисунок 2E) представляет собой 64-разрядную рабочую станцию, установленную с независимо разработанной ортопедической хирургической системой AR. С его помощью можно завершить отображение в дополненной реальности операции по пункции тазобедренного сустава и головки бедренной кости.
Protocol
Representative Results
Discussion
Хотя THA быстро развивалась в последние годы и стала эффективным методом для ONFH, терапия сохранения тазобедренного сустава по-прежнему играет важную роль в лечении ONFH18,19 на ранней стадии. CD является базовой и эффективной операцией по сохранению тазобедре?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была поддержана Пекинским фондом естественных наук (7202183), Национальным фондом естественных наук Китая (81972107) и Пекинской муниципальной комиссией по науке и технике (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. |
References
- 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).
