JoVE Journal > Medicine
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Automatic Translation
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Medicine

Augmented Reality Navigation-guidad kärndekompression för osteonekros av lårbenshuvudet

Published: April 12, 2022
doi:
10.3791/63806
, , , , ,
1China-Japan Friendship School of Clinical Medicine,Peking University, 2Graduate School of Beijing University of Chinese Medicine, 3Department of Orthopedic Surgery, Beijing Key Lab of Immunes-Mediated Inflammatory Disease,China-Japan Friendship Hospital, 4Beijing Normal University, 5State Key Laboratory of Virtual Reality Technology and Systems,Beihang University

Summary

Augmented reality-tekniken tillämpades på kärndekompression för osteonekros i lårbenshuvudet för att realisera realtidsvisualisering av detta kirurgiska ingrepp. Denna metod kan effektivt förbättra säkerheten och precisionen för kärndekompression.

Abstract

Osteonekros i lårbenet (ONFH) är en vanlig ledsjukdom hos unga och medelålders patienter, vilket allvarligt belastar deras liv och arbete. För ONFH i tidigt stadium är kärndekompressionskirurgi en klassisk och effektiv höftbevarande terapi. I traditionella procedurer för kärndekompression med Kirschner-tråd finns det fortfarande många problem som röntgenexponering, upprepad punkteringsverifiering och skador på normal benvävnad. Blindheten i punkteringsprocessen och oförmågan att tillhandahålla visualisering i realtid är avgörande orsaker till dessa problem.

För att optimera denna procedur utvecklade vårt team ett intraoperativt navigationssystem på grundval av förstärkt verklighet (AR) -teknik. Detta kirurgiska system kan intuitivt visa anatomin i de kirurgiska områdena och återge preoperativa bilder och virtuella nålar till intraoperativ video i realtid. Med navigationssystemets styrning kan kirurger exakt sätta in Kirschner-ledningar i det riktade lesionsområdet och minimera säkerhetsskadorna. Vi genomförde 10 fall av kärndekompressionskirurgi med detta system. Effektiviteten av positionering och fluoroskopi förbättras avsevärt jämfört med de traditionella förfarandena, och noggrannheten i punkteringen garanteras också.

Introduction

Osteonekros i lårbenet (ONFH) är en vanlig invalidiserande sjukdom som förekommer hos unga vuxna1. Kliniskt är det nödvändigt att bestämma iscensättningen av ONFH baserat på röntgen, CT och MR för att bestämma behandlingsstrategin (Figur 1). För ONFH i tidigt stadium antas vanligtvis höftbevarande terapi2. Core dekompression (CD) kirurgi är en av de mest använda höftbevarande metoderna för ONFH. Vissa botande effekter av kärndekompression med eller utan bentransplantation vid behandling av ONFH i tidigt stadium har rapporterats, vilket kan undvika eller fördröja efterföljande total höftartroplastik (THA) under lång tid 3,4,5. Framgångsgraden för CD med eller utan bentransplantation rapporterades dock annorlunda bland tidigare studier, från 64% till 95%6,7,8,9. Den kirurgiska tekniken, särskilt noggrannheten i borrpositionen, är viktig för framgången med höftbevarande10. På grund av blindheten i punkterings- och positioneringsproceduren har de traditionella teknikerna för CD flera problem, såsom mer fluoroskopitid, upprepad punktering med Kirschner-tråd och skada på normal benvävnad11,12.

Under de senaste åren har augmented reality (AR)-assisterad metod introducerats inom ortopedisk kirurgi13. AR-tekniken kan visuellt visa det kirurgiska fältets anatomi, vägleda kirurgerna i planeringen av operationsproceduren och därmed minska svårigheten i operationen. Tillämpningarna av AR-tekniken vid pedikelskruvimplantation och ledertroplastikkirurgi har rapporterats tidigare 14,15,16,17. I denna studie strävar vi efter att tillämpa AR-tekniken på CD-proceduren och verifiera dess säkerhet, noggrannhet och genomförbarhet i klinisk praxis.

Komponenter för systemhårdvara
Huvudkomponenterna i det AR-baserade navigationskirurgiska systemet inkluderar följande: (1) En djupkamera (figur 2A) installerad direkt ovanför det kirurgiska området; videon spelas in från detta och skickas tillbaka till arbetsstationen för registrering och samarbete med bilddata. (2) En punkteringsanordning (figur 2B) och en icke-invasiv ram för märkning av kroppsytan (figur 2C), båda med passiva infraröda reflektorer. En speciell reflekterande beläggning av markeringskulor (figur 3) kan fångas av infraröd utrustning för att uppnå noggrann spårning av kirurgisk utrustning i det kirurgiska området. (3) En infraröd positioneringsanordning (figur 2D) är ansvarig för att spåra markörer i det kirurgiska området, som matchar kroppsytans markeringsram och punkteringsanordning med hög noggrannhet (figur 4). (4) Värdsystemet (figur 2E) är en 64-bitars arbetsstation, installerad med det oberoende utvecklade AR-assisterade ortopediska kirurgiska systemet. Augmented reality-visning av höftleds- och lårbenspunktionsoperation kan slutföras med hjälp.

Protocol

Denna studie godkändes av etikkommittén för China-Japan Friendship Hospital (godkännandenummer: 2021-12-K04). Alla följande steg utfördes enligt standardiserade procedurer för att undvika skador på patienterna och kirurgerna. Informerat patientsycke erhölls för denna studie. Kirurgen måste vara skicklig i konventionella kärndekompressionsprocedurer för att säkerställa att operationen kan utföras på ett traditionellt sätt vid felaktig navigering eller andra oväntade situationer. <p class="jove_title…

Representative Results

DriftsegenskaperDet kirurgiska navigationssystemet applicerades på kontinuerliga 10 höfter av nio patienter. Den genomsnittliga totala positioneringstiden för operationen var 10,1 min (median 9,5 min, intervall 8,0-14,0 min). De genomsnittliga C-ARM-fluoroskopierna var 5,5 gånger (median 5,5 gånger, intervall 4-8 gånger). Det genomsnittliga felet med punkteringsnoggrannhet var 1,61 mm (median 1,2 mm, intervall -5,76-19,73 mm; Tabell 1). Resultaten visar att positioneringstiden …

Discussion

Även om THA har utvecklats snabbt de senaste åren och blivit en effektiv ultimat metod för ONFH, spelar höftbevarande terapi fortfarande en viktig roll vid behandling av ONFH18,19 i tidigt skede. CD är en grundläggande och effektiv höftbevarande kirurgi, som kan frigöra höftsmärta och fördröja utvecklingen av lårbenskollaps20. Punkteringspositioneringen av fokal nekros är det avgörande förfarandet för CD, eftersom det best…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Detta arbete stöddes av Beijing Natural Science Foundation (7202183), National Natural Science Foundation of China (81972107) och 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.
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Cohen-Rosenblum, A., Cui, Q. Osteonecrosis of the femoral head. Orthopedic Clinics of North America. 50 (2), 139-149 (2019).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. Ganz, R., Krushell, R. J., Jakob, R. P., Küffer, J. The antishock pelvic clamp. Clinical Orthopaedics and Related Research. 267, 71-78 (1991).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. Wang, W., et al. Patient-specific core decompression surgery for early-stage ischemic necrosis of the femoral head. PLoS One. 12 (5), 0175366 (2017).
  11. 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).
  12. Dennler, C., et al. Augmented reality-based navigation increases precision of pedicle screw insertion. Journal of Orthopaedic Surgery and Research. 15 (1), 174 (2020).
  13. 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).
  14. 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).
  15. Raymond, J., et al. Pharmacogenetics of direct oral anticoagulants: a systematic review. Journal of Personalized Medicine. 11 (1), 37 (2021).
  16. Bhatt, F. R., et al. Augmented reality-assisted spine surgery: an early experience demonstrating safety and accuracy with 218 screws. Global Spine Journal. , (2022).
  17. 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).
  18. 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).
  19. Bakircioglu, S., Atilla, B. Hip preserving procedures for osteonecrosis of the femoral head after collapse. J Clin Orthop Trauma. 23, 101636 (2021).
  20. 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).
  21. 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).
  22. Pierannunzii, L. Endoscopic and arthroscopic assistance in femoral head core decompression. Arthroscopy Techniques. 1 (2), 225-230 (2012).
  23. 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).
  24. 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).
  25. 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).
  26. Brookes, M. J., et al. Surgical Advances in Osteosarcoma. Cancers. 13 (3), 388 (2021).
  27. 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).

Tags

Augmented RealityNavigation-GuidedCore DecompressionOsteonecrosisFemoral HeadVR TechnologyPuncture ProcessOrthopedic SurgeryPercutaneous Endoscopic Transforaminal DiscectomySurgical Frontal AreaBody Surface Marking FramePuncture DeviceC-arm FluoroscopeAR-assisted Orthopedic Surgery System
check_url/63806?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Wang, Q., Wang, Q., Ding, R., Yao, Y., Pan, J., Wang, W. Augmented Reality Navigation-Guided Core Decompression for Osteonecrosis of Femoral Head. J. Vis. Exp. (182), e63806, doi:10.3791/63806 (2022).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image