文摘

骨科肿瘤手术需要保存肢体功能的实现的本质安全的利润率。与大多数骨肉瘤metaphyseal引发的地区,在靠近关节,共同打捞手术可能是一个挑战。术中导航技术如计算机辅助手术(CAS)和特定的仪器(PSI)可以帮助实现更高的手术精度。本研究探讨手术的准确性徒手,中科院,PSI-assisted joint-preserving中科院肿瘤切除术和测试是否集成与PSI (CAS + PSI)可以进一步提高精度。16个模拟肿瘤的CT扫描在膝盖周围四个人类尸体进行并导入到工程软件(模仿)多平面三维规划joint-preserving切除术。计划看来都被转移到导航系统和/或用于PSI的设计。定位精度(LA)、入口和出口的56个飞机,和切除时间被postprocedural CT测量。中科院+ PSI -和PSI-assisted技术可以复制计划行平均小于2毫米。之间没有统计学差异在洛杉矶ca +ψ和ψ切除术( ),但是中科院+ PSI和PSI显示相比明显高于洛杉矶ca ( 和 ,分别)。PSI-assisted切除术是快而CAS + PSI ( )和中科院( )。添加CASψ是提高出口点,但是不显著。总之,PSI显示最快最好的整体手术的准确性和和容易使用。中科院作为术中质量控制工具可以用于ψ,中科院和集成与PSI是可能的但没有提高手术精度。CAS和PSI似乎互补提高手术的准确性和并不是相互排斥的。基于映像的技术像中科院和PSI优于徒手切除。外科医生应该选择最合适的技术基于病人和肿瘤的细节。

1。介绍

骨科肿瘤手术需要保存肢体功能的实现的本质安全的利润率。直到1970年代,截肢是治疗骨肿瘤的首选,存活率只有11%1]。如今,诊断成像的发展,手术技术,和辅助疗法(如化疗),重点是保肢手术(2,3]。保肢手术的目的是保持尽可能多的影响组织在不影响安全的肿瘤边缘。这提高了局部控制,有利于重建,从而,降低了发病率,提高短期和长期功能结果。与大多数骨肉瘤metaphyseal引发的地区,在靠近关节和神经血管和内脏结构,共同打捞手术可能是一个挑战4- - - - - -6]。手术的准确性在共同打捞骨科肿瘤手术是必要的。

徒手画的切除可以执行”。“使用这种技术,外科医生必须处理依靠二维(2 d)术前获得图像(计算机断层扫描(CT)或磁共振成像(MRI))和精神将这些整合到一个三维(3 d)术中手术情况4]。这个有限的术中指导可能导致骨切除术,手术不像证明即使是有经验的外科医生(7,8]。计算机辅助手术(CAS)和特定的仪器(PSI)介绍了解决肿瘤切除术的不准确度,提高可预测性的骨肿瘤切除术(9]。

中科院,或手术导航,最初是用来改善脊柱椎弓根螺钉插入和减少组件排列在全膝关节置换(大纲窗口10,11]。之后,它获得了更多的认可和显示其优势在骨科肿瘤手术12]。它允许病人的成像信息之间的联系和跟踪注册解剖学的术前图像(CT和MRI)和病人在手术台上。骨肿瘤切除的外科医生可以术前计划一个3 d的虚拟场景,并分析不同选择切除。此外,在手术期间,有实时3 d无辐射的视觉反馈(13,14]。先前的研究表明CAS艾滋病在获得足够的利润15,16)和改善的准确性(截骨术4,6,17,18]。然而,并非所有的手术工具实时导航,和一个可靠的导航通常是不可用的;因此,这个准确度和精密度可能会丢失当实际被执行时,由于人手是指导。

介绍了PSI的切除在假体位置和截骨部位。之后,它还介绍了指导肿瘤切除术(19- - - - - -21]。以相同的方式至于中科院,控制安全利润提供了精确的预先计划和后续的精确的术中切除的指导飞机。一脸的指南(负面)骨表面代表一个自动匹配的患者术前影像,装置在骨表面在一个可能的配置。在实际削减,锯条与导游在切除,从而提供了实际指导。可能限制ψ是一个不准确的适合骨,由于缺乏表面特征,设计缺陷,和软组织扩展,可能导致PSI错位,导致精确度损失。另一个限制是,psi依靠足够的骨头暴露,可能需要一个更大的解剖。

因此,CAS提供实时数据在空间位置上的优势,但目前没有一架飞机减少由于缺乏一个可靠的导航。因此,精度损失一旦实际切除的人手进场(4,12- - - - - -14]。PSI非常准确指导剖切面但缺乏反馈其实际位置以外的紧密配合的骨表面需要清洁从软组织和PSI需要没有设计缺陷。Joint-preserving手术已经完成选择骨肉瘤患者的四肢和允许病人保留原生关节更好的关节功能(1]。然而,技术上要求是很难翻译术前CT / MR肿瘤患者术中解剖程度。

鉴于准确的重要性手术切除的原发性骨肉瘤,比较研究不同的技术在尸体的实验环境是至关重要的比较各种技术的准确性。也据我们所知,PSI的使用骨肿瘤切除膝关节地区没有充分评估除了小Bellanova临床系列et al。22]。本研究的目的是1评估手术的准确性和骨切割时间徒手joint-preserving切除术相比,导航和PSI-assisted joint-preserving切除术在没有调查但骨肿瘤中最常见的网站,即股骨远端和胫骨近端;(2核实准确定位的PSI使用CAS作为术中质量控制工具;和[3中科院调查是否集成和ψ可以提高手术精度。

2。材料和方法

八个八远端股骨和胫骨近端骨肿瘤在四个用来模拟人类尸体。56减少飞机计划模拟joint-preserving膝盖周围肿瘤切除。这些飞机被用于术后测量。四个外科技术进行比较:徒手,中科院,PSI, CAS + PSI。每个技术被使用两次在股骨和胫骨的两次相同的尸体。高分辨率和高分辨率CT扫描(德国西门子Somatom Flash, Forchheim;软件Syngo CT VA48A,额外的常规ZHR协议;准直0.5重建切片厚度0.4毫米)从股骨胫骨mid-diaphysis mid-diaphysis获得每条腿。CT图像被用于切除术的术前计划使用生物医学工程软件(模仿16.0;实现,比利时鲁汶)。 A computer-aided design (CAD) file of a 40 mm sphere representing a virtual tumor was placed at the metaphysis of the distal femur and proximal tibia. Resection planes (thickness of 1 mm) were consistently positioned onto the virtual 3D tumor bone models across all groups (Figure1)。

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图1
切除规划模拟执行的工程软件。

虚拟膝关节肿瘤切除术是打算业余使用资源减少像在临床实践中。切除飞机接近10毫米的联合测定肿瘤的边缘。切除的飞机在骨干定位在25毫米安全保证金。切除计划出口的CAD文件标准化镶嵌语言(STL)格式。

规划的切除飞机在两个膝盖的尸体进行了模拟工程软件。虚拟肿瘤的干骨后端放置在胫骨近端和远端股骨的膝盖。切除飞机多平面附近关节韧带的保存附件。

2.1。针对病人的仪器

每个ψ是为了适应在骨表面独特的地位,赋予平面指示目标剖切面(图2)。每个PSI包含圆柱孔,在飞机的接口,用于2毫米柯式电线(K-wires)用于销PSI到骨头。PSI的PSI + CAS组设计有5个额外的球形孔(“检查点”),1.8毫米直径,以适应的指针从CAS系统工具。中科院+ PSI组,CAS系统检查点用于术中定位的控制PSI指南与术前计划而不是骨切除术的本地化的网站。数据2(一个)- - - - - -2 (c)显示了PSI设计和其独特的特性。经过批准的设计PSI,ψ是制造(3 d边,比利时)通过加法制造选择性激光烧结技术(EOS、Krailing、德国)可以使聚酰胺材料的生物相容性iso评定资格的。


图2
PSI设计和其独特的特性。(一)ψ胫骨的设计。(b)ψ股骨的设计。绿色线模拟K-wires和说明常设调查小组委员会将在何处以及如何固定在骨表面。销系统设计主要是垂直于骨位置期间避免剪切力。每个PSI (c)是为了适应在骨头表面上独特的地位。当软骨表面切削轨迹,ψ是桥接,用最少的2毫米,以避免任何接触屈服于一个潜在的错位(CT采集软骨是不可见的)。(d)切割平台的宽度约10毫米,锯条得到足够的支持。球形孔符合指针从CAS系统工具被用来检查指导的位置。
2.2。肿瘤切除术

Stryker导航系统(OrthoMap 3 d®)是用于navigation-assisted切除术。虚拟切除飞机模拟软件都被转移到导航系统所描述的方法在一项研究报告的作者之一(23,24]。计划,进行模仿,出口到修改医学数字成像和通信(DICOM)包含原始CT图像的图像,肿瘤范围,PSI设计和切除的飞机。最初的DICOM数据集的尸体和修改后的DICOM数据集导入OrthoMap 3 d®。两个数据集都融合在一起后,计划切除飞机可以标注工具和PSI的CAD模型可以在导航定位系统按计划在模拟软件。图3Stryker导航系统提供了截图的前面提到的步骤。

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图3
Stryker导航系统融合的数据集。术前的影像手术导航规划导航展出CAS组(a, b)和中科院+ PSI组(c, d)。最初的CT图像数据集(CT01)融合与修改后的CT数据集包含的位置(CT02)肿瘤,切除的飞机、ψ(红色箭头)模拟肿瘤切除术后模拟软件。计划切除飞机导航系统可以标记工具。同时,肿瘤的CAD模型(红色箭头)和ψ可以导入到导航系统定位是计划在模拟软件。重新格式化日冕(a)和矢状(c)图像和重建3 d计划骨骼模型(c, d)与肿瘤切除的飞机、ψ说明转移虚拟规划模拟导航系统的CAD DICOM转换和图像融合的方法。

一个尸体已被用于切除方法,和四个切除术进行每一个尸体。肿瘤切除术是由两位整形外科医师的经验与中科院和PSI (KCW和PCJ)。每个外科医生执行两个切除术的四个不同的技术,一个在股骨和胫骨的尸体。

手术暴露标准的临床程序,执行与延长暴露股骨和胫骨内侧方法。

2.3。徒手切除

条目的切割平面是基于测量进行模拟软件(图4(一))。K-wires被放置在十字路口的飞机,切除是手动执行一个振荡看到没有指导。


图4
在这个实验中使用的技术。(一)徒手画的过程。(b) CAS-assisted技术。一个指针(外科医生右手)用于确定飞机的方向是什么,以及如何使锯子(外科医生左手)。(c)ψ是如何固定到骨头。(d)的位置如何指导检查通过使用CAS。
2.4。Navigation-Assisted切除

CAS登记根据标准进行临床工作流(图4 (b))。病人追踪是放置在骨(近端股骨或胫骨远端),和导航仪器校准。Image-to-patient登记(相关病人解剖结构之间的空间坐标和术前CT图像)由表面匹配。本手册后,系统生成一个注册错误登记。实时匹配骨骼解剖学和虚拟映像然后评估通过运行导航指针在骨表面或通过检查特定的已知和定义良好的解剖标志。导航系统被认为是准确的只有有精确匹配图像之间导航控制台和病人的骨骼解剖学。切除的飞机导航指导下,和K-wires放置标记切除平面的交点和方向。还有当时由nonnavigated振荡。

2.5。PSI-Assisted切除

PSI定位后在计划预定的骨表面骨切除网站,它是由K-wires固定在骨表面,防止运动(图4 (c))。PSI的切割平台引导摆锯,和骨切除术。

2.6。中科院与PSI切除集成

像之前描述的那样执行CAS登记和PSI被沿着骨头表面直到位置稳定(图4 (d))。手术导航被用来检查的正确放置PSI把导航指针的尖端设计检查点(图2 (d))。PSI的位置调整,直到匹配导航计划的位置显示。K-wires被放置销PSI在骨表面(图2 (d))。PSI的骨切除术进行指导,和中科院不是用来确定切除飞机计划。

2.7。总骨切时间

为每个切除总骨切割时间测量。总骨切割时间被定义为完成骨暴露的时间截骨网站来完成的。在CAS组,这包括放置病人跟踪器的设置时间,image-to-patient登记、标记的位置计划切除,K-wires位置导航指导下。PSI的集团,这包括放置PSI的骨表面和骨的完成削减在PSI的指导下。在CAS + PSI组,这包括放置病人跟踪器的设置时间,image-to-patient登记、ψ位置,术中控制正确的PSI放置使用CAS,寄与K-wires PSI的骨头,并执行使用PSI骨头削减。

2.8。术后分析

一旦进行截骨术,腿,包括肿瘤手术标本,CT扫描使用相同的协议,用于术前CT扫描。生成的3 d虚拟手术标本被叠加在3 d术前规划比较和计算精度达到骨切除术。

2.9。定位精度

定位精度(LA)被用于这项研究。这是一个标准定义的国际标准化组织(ISO) [25)之间的最大距离(毫米)计划的截骨术(目标)和实现飞机(图5)。洛杉矶是嵌入各种各样的错误,包括音高和倾斜(26]。测量系统是在健康方面(剩下的骨头,它支持的PSI)。最小的利润之间的最小距离测量以及实现飞机和骨肿瘤。切口校正(期间出现的骨质流失减少骨)的执行,防止偏见。通常认为是锯条厚度的1.5倍,但根据牙齿大小和形状可能不同(27]。在这个实验中使用的锯条0.6毫米厚。因此,使用0.9毫米的切口。PSI没有受到测量以来的切口是在健康方面(的支持指南)和切口位于切除一侧。对于导航和手动岩屑,振荡的中心看到的是平面上目标一致表示成一个二维的细线。这条线周围的骨质流失同样传播。因此,半切口,0.45毫米,用作调整(图5)。


图5
切口的定义和定位精度。厚厚的灰色线显示了切口,这期间出现的骨质流失是一个截骨术。看到对齐目标飞机(黑),一线中间的切口。蓝线定义了实现飞机执行切除术。定位精度是最大距离(毫米)之间的目标(黑线)和实现(蓝线)的飞机。当测量误差或差异在肿瘤方面,错误纠正-切口;在健康方面,测量误差时的错误纠正加上切口。
2.10。剖面分析

两个点是在输入线和两个点在出口处的实现。这四个点之间的距离和轨迹测量计划。对计划和削减了被测量的差异相比入口位置和出口的位置。之间的距离计算,取得了削减计划的入口点和出口点通过计算实际切割点的垂直距离飞机计划。

2.11。统计分析

混合模型和t以及进行评估定位精度的差异,入口点和出口点的飞机,和总骨切割时间四组。数据受到显著差异就意味着和95%置信区间(95% CI)。多个比较,和数据分析了多个比较有和没有调整。 值低于0.05被认为是具有统计学意义。23 Excel 2013和SPSS版本被用于数据管理。

3所示。结果

实时准确image-to-patient登记可以实现导航切除术。登记错误低于1.0毫米。

准确的徒手组显著低于其他组( )。没有显著差异在定位精度(LA)ψ和CAS + PSI组( )。ψ和中科院+ψ组被发现比CAS组(更准确 和 ,)(图6)。完整的结果分别为每个切除平面定位精度可在补充文件1。平均出入境削减距离徒手组显著高于其他组( )。条目的距离(偏差错误)骨削减明显小于出口的骨头削减所有的四个技术( )。CAS组相比,PSI技术显示出更好的准确性在入口切( )但不是在出口处切( )。CAS + PSI技术表现出更好的准确性在出口处切( )PSI相比,但不是在入口切( )。


图6
定位精度的比较(mm)。平均值包括上下极限的95%置信区间为所有研究小组所示。

平均时间为每个方法的总结表1。PSI的定位在所有8程序花了不到一分钟。PSI集团的总骨切割时间明显低于CAS + PSI集团( )和CAS组( )。同样的显著差异已经观察到徒手集团与中科院+ PSI和CAS组( 和 ,分别)。手册和PSI组之间没有差异被发现。最后,有一个显著的差异之间的总骨切割时间CAS + PSI组和CAS组( )。

表1
定位精度(56入口,56出口削减)和平均骨切割时间的技术。

4所示。讨论

在这尸体实验研究中,我们比较了手术精度不同的技术在膝关节joint-preserving肿瘤切除,即徒手,中科院,ψ。此外,我们测试了一个新奇:中科院是否可以作为术中质量控制工具PSI和中科院和PSI的组合技术是否能提高手术精度,从而结合这两种技术的优势。

这尸体的研究结果表明,集成的CAS和PSI PSI-assisted技术模拟肢体切除可以繁殖计划切除平均位置精度小于2毫米。PSI-assisted切除术展示最好的位置精度,是最快和最容易的使用。常设调查小组委员会很容易定位,发现非常稳定。因此,PSI显示更好的手术精度比中科院但不退出骨削减。增加误差在出口处PSI组骨质减少可能是因为PSI不能在CAS提供视觉反馈在切割技术。所以,加入中科院ψ可以提高出口削减所示结果的准确性( )。中科院还证实PSI的正确位置,因此引导PSI的切割平台的正确方向。这可以在选定的情况下,额外的价值软组织约束阻碍PSI的使用。到目前为止,没有可靠的方法术中证实PSI的正确位置。因此,除了中科院可能帮助尤其是解剖区域地标不足或波状外形的骨表面,PSI不能持续在预定的位置。

这项研究的结果与先前的研究一致的汗et al。28),发现一个位置的准确性2毫米在执行PSI-assisted膝盖骨肿瘤切除术。黄等人表现出类似的肢体骨肿瘤手术切除精度在使用PSI (23]。

据我们所知,没有什么之前的研究已经发表了集成中科院和PSI。集成中科院和PSI延长了手术时间,但仍有显著差异在总骨切割时间相比,CAS组。大骨头切割时间navigation-assisted切除术是因为跟踪位置所需时间,image-to-patient登记,和系统校准前切除。其他的研究(9,29日)表现出类似的趋势所需的平均时间少PSI-assisted骨切除术。研究显示大约40分钟的平均骨切割时间CAS切除术,长相比,目前的研究。切除术的外科医生进行这项研究是中科院的有经验的用户。研究Farfalli et al。29日)表明,手术时间减少外科医生更多的导航程序执行。这也许可以解释骨切割时间导航组,低于在其他的研究报道。

本研究也有一些局限性。首先,尸体的重建是基于一个简单的圆形肿瘤模型和一个古怪的位置。换句话说,一个理想的肿瘤边界的描述是使用。extra-osseous等各种复杂的几何图形组件的骨肿瘤不能模拟真正的尸体标本。这将是一个不太合适的模型给定的正常解剖尸体的腿测试。然而,本研究的主要目的是评估的准确性骨削减,独立于肿瘤的大小和形状。软组织肿瘤位置和质量可以使切除规划和PSI设计和布置。第二,重建进行了在一个理想的尸体的设置与完整的骨表面的可视化和可访问性,必要时可以从所有的软组织剥离。还有可能更容易相比,一个真正的临床软组织可能复杂化切除;然而,这只占一小部分的病变。 CAS or freehand might be an alternative here. On the contrary, if the mass is problematic for the PSI, it will be problematic for the cutting whatever the method used. Also, clinical data on pelvis have shown comparable results [7,30.]。第三,样本量太小。更大的样本将允许一个更强的结论,虽然测量进行了使用112骨(56削减进入56退出)。第四,术前规划和PSI设计和制造没有测量。使用PSI骨切割时间减少,但术前计划是耗时的,有可能延缓肿瘤的手术。然而,这个准备时间需要一个工程师的任务不是一个外科医生的任务。延迟手术很难发生,时间很容易在手术中恢复。第五,除了徒手集团CAS的偏差组中的错误,PSI,中科院+ PSI小于5毫米。团体之间的任何统计上的显著差异可能没有临床意义重大,特别是当使用一个通常的10毫米安全保证金在术前规划。然而,安全保证金可以减少到几毫米保护关节,神经或肌肉插入。 In that situation, the accuracy of the resection method is crucial to determine the safety of the planned procedure. Selection of the technique may still need to be individualized in each case, according to the surgeons’ preference. Finally, there is a constant improvement going on in the CAS systems, with systems available that have navigated tools and intraoperative automatic matching. These improvements reduce setup time and aid in improving accuracy, but these complex systems are expensive and not available in every orthopedic oncology center. PSIs are fast, easy to use, and do not require training of the surgeons with complex software systems.

临床研究需要研究提高手术精度是否可以翻译成一个更好的肿瘤结果及调查的深度如何削减,PSI的切割平台的宽度,或添加一个切割缝金属套管影响手术的准确性。

5。结论

在这个实验尸体的研究中,我们表明,PSI-assisted切除术有最好的整体手术准确性和快速和容易使用。中科院作为术中质量控制工具可以用于PSI,中科院和集成和ψ是可能的。添加CAS PSI但是没有提高整体手术准确性,但中科院可能改善的准确性削减出口。虽然结果明显不同,中科院和PSI似乎互补提高手术的准确性和并不是相互排斥的。外科医生应选择技术,最适合他们的病人,根据病人和肿瘤的细节。这还需要进一步的研究来调查的临床疗效整合中科院和ψ和评估的准确性和CAS。

数据可用性

每个切除的位置数据精度和时间的测量每个过程来支持本研究的发现是包括在补充文件。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

我们感谢3 d边(比利时)为我们提供3 d打印特定的工具。

补充材料

每个切除的位置数据精度和时间测量的过程。(补充材料)