カダベリック模擬腫瘍モデルでナビゲーション支援下の筋骨格系腫瘍切除術を計画する場合、皮膚フィデューシャルは骨フィデューシャルと比較して登録が可能か？

Are Skin Fiducials Comparable to Bone Fiducials for Registration When Planning Navigation-assisted Musculoskeletal Tumor Resections in a Cadaveric Simulated Tumor Model?

• Rodolfo Zamora
• Stephanie E Punt
• Claudia Christman-Skieller
• Cengiz Yildirim
• John C Shapton
• Ernest U Conrad

抄録

背景:

骨の手術マージンを改善し、適切なマージンを得るために、外科医はコンピュータ支援ナビゲーションを術中の有望なツールと考えるかもしれないが、現在のところ、フリーハンドでの切除が困難な比較的少数の患者に適用されている。骨にフィデューシャル（マーカー）を配置し、特定の解剖学的ランドマークを特定し、ナビゲートされた切除のために患者を登録するのは時間がかかる。術前および術中の時間を短縮するために、皮膚フィデューシャルはナビゲーション登録の効率的で代替的な方法となりうる。

BACKGROUND: To improve and achieve adequate bony surgical margins, surgeons may consider computer-aided navigation a promising intraoperative tool, currently applied to a relatively few number of patients in whom freehand resections might be challenging. Placing fiducials (markers) in the bone, identifying specific anatomical landmarks, and registering patients for navigated resections are time consuming. To reduce the time both preoperatively and intraoperatively, skin fiducials may offer an efficient and alternative method of navigation registration.

質問/ポーズ:

(1) 皮膚フィデューシャルによるレジストレーションを用いた術前ナビゲーションは、模擬下肢腫瘍切除モデルにおいて、術者は骨フィデューシャルレジストレーションによるものと同様のマージンを得ることができるのか？(2) 皮膚フィデューシャルによるレジストレーションを用いた術前ナビゲーションの使用により、外科医は模擬腫瘍の骨盤切除において、カダバーモデルにおけるナビゲーション用の皮膚フィデューシャルのみを用いた長骨切除で得られたものと同様の骨縁を得ることができるか？

QUESTIONS/PURPOSES: (1) Does preoperative navigation using skin fiducials for registration allow the surgeon to achieve margins similar to those from bone fiducial registration in a simulated lower extremity tumor resection model in cadavers? (2) Does the use of preoperative navigation using skin fiducials for registration allow the surgeon to achieve similar bony margins in pelvic resections of simulated tumors as those achieved in long-bone resections using only skin fiducials for navigation in a cadaver model?

方法:

模擬骨腫瘍切除は、骨盤および下肢解剖学的に無傷の3体の新鮮凍結体を用いて、ナビゲーションガイダンスを用いて実施した。大腿骨近位/中殿部（n = 12）、脛骨近位/中殿部（n = 12）および骨盤（臼蓋上；n = 6）に5cmの骨内セメント模擬骨腫瘍を埋入した。骨腫瘍移植後、骨盤と下肢のCT画像を得た。各計画された骨膜切除マージンは10mmとした。基準点（フィデューシャル）として機能する骨および皮膚マーカーを使用して、各模擬骨腫瘍についてナビゲーション登録を行った。模擬骨腫瘍は、ナビゲーションで確立された切除ラインに基づいて切除され、切除後に対応する骨膜切除マージンが計算された。これらのマージンは、セメント模擬骨腫瘍の周囲の海綿骨を除去することによって切除計画を盲目的にした整形外科医によって決定された。最短距離は、セメントから切除ラインまでの距離を測定した。計画されたマージンと術後のマージンの間の平均差が小さい方が正確であると考えられた。独立t-検定を行い、95％信頼区間での計画切開と術後切開の測定差を評価した。Bland-Altman分析を行い、皮膚と骨のフィデューシャル登録における計画マージンと術後マージンの差の偏差をそれぞれ比較した。

METHODS: Simulated bone tumor resections were performed in three fresh-frozen cadavers with intact pelvic and lower-extremity anatomy using navigation guidance. We placed 5-cm intraosseous cement simulated bone tumors in the proximal/distal femur (n = 12), and proximal/distal tibia (n = 12) and pelvis (supraacetabular; n = 6). After bone tumor implantation, CT images of the pelvis and lower extremities were obtained. Each planned osseous resection margin was set at 10 mm. Navigation registration was performed for each simulated tumor using bone and skin markers that act as a point of reference (fiducials). The simulated bone tumor was resected based on a resection line that was established with navigation, and the corresponding osseous margins were calculated after resection. These margins were determined by an orthopaedic surgeon who was blinded to resection planning by the removal of cancellous bone around the cement simulated tumor. The shortest distance was measured from the cement to the resection line. Smaller mean differences between planned and postoperative margins were considered accurate. Independent t-tests were conducted to assess measurement differences between planned and postoperative margins at the 95% CI. Bland-Altman analyses were conducted to compare the deviation in margin difference between planned and postoperative margins in skin and bone fiducial registration, respectively.

結果:

皮膚フィデューシャルで得られた長骨48例、骨盤20例、骨フィデューシャルで得られた長骨16例で、全84例の全切除マージンを測定した。計画された平均切除余白は、すべての長骨切除と骨盤切除で10mmであった。皮膚フィデューシャルと骨フィデューシャルの術後マージンは、長骨を切除した場合に同等の精度であった（10±2mm vs 9±2mm、平均差1 [95% CI 0～2]、p = 0.16）。さらに、皮膚フィデューシャル長骨術後のマージンは、皮膚フィデューシャルで得られた骨盤上臼蓋骨術後のマージンと同等の精度であった（10±2mm vs 11±3mm、平均差-1mm [95% CI -3～1]；p = 0.22）。皮膚フィデューシャル登録と骨フィデューシャル登録における計画マージンと術後マージンの差の偏差を比較すると、皮膚フィデューシャルの90％（68例中61例）と骨フィデューシャルの100％（16例中16例）の術後マージンは、2SD以内に収まっていた。

RESULTS: In all, 84 total resection margins were measured with 48 long bone and 20 pelvic obtained with skin fiducials and 16 long bone obtained with bone fiducials. The planned mean margin was 10 mm for all long bone and pelvic resections. We found that skin fiducial and bone fiducial postoperative margins had comparable accuracy when resecting long bones (10 ± 2 mm versus 9 ± 2 mm, mean difference 1 [95% CI 0 to 2]; p = 0.16). Additionally, skin fiducial long bone postoperative margins were comparable in accuracy to pelvic supraacetabular postoperative margins obtained with skin fiducials (10 ± 2 mm versus 11 ± 3 mm, mean difference -1 mm [95% CI -3 to 1]; p = 0.22). When comparing the deviation in margin difference between planned and postoperative margins in skin and bone fiducial registration, 90% (61 of 68) of skin fiducial and 100% (16 of 16) bone fiducial postoperative margins fell within 2 SDs.

結論:

このパイロット研究では、皮膚のフィデューシャルマーカーは、死体モデルの皮膚表面上で容易に識別することができ、また周縁計画に使用されたCT画像上でも容易に識別することができた。この技術は、このモデルでは縁取りを計画するための正確な方法であるように思われるが、骨フィデューシャルよりも臨床的に優れたアプローチであるかどうかを判断するためには、患者を対象に徹底的にテストする必要がある。

CONCLUSIONS: In this pilot study, skin fiducial markers were easy to identify on the skin surface of the cadaver model and on CT images used to plan margins. This technique appears to be an accurate way to plan margins in this model, but it needs to be tested thoroughly in patients to determine if it may be a better clinical approach than with bone fiducials.

臨床的有用性:

登録のために皮膚フィデューシャルと骨フィデューシャルを使用して得られたマージンは、このパイロット研究でも同様であり、効果の大きさは非常に小さいものであった。模擬腫瘍の境界は、どの切除においても違反していなかった。皮膚のフィデューシャルは骨のフィデューシャル（解剖学的目印）よりも識別が容易である。将来の臨床研究で、皮膚フィデューシャルを使用して登録したマージンが解剖学的ランドマークを使用して得られたマージンと類似していることが証明されれば、骨フィデューシャルの代わりに皮膚フィデューシャルを使用したナビゲーションを使用することが有利になるかもしれない。この技術は、レジストレーションポイントの計画および局所化のために使用される外科医の時間を減少させ、外科医に他のレジストレーションアプローチを提供する代替レジストレーション技術を提供する可能性がある。

CLINICAL RELEVANCE: The margins obtained using skin fiducials and bone fiducials for registration were similar and comparable in this pilot study with a very small effect size. Boundaries of the simulated tumors were not violated in any resections. Skin fiducials are easier to identify than bone fiducials (anatomic landmarks). If future clinical studies demonstrate that margins obtained using skin fiducials for registration are similar to margins obtained with anatomical landmarks, the use of navigation with skin fiducials instead of bone fiducials may be advantageous. This technique may decrease the surgeon's time used to plan for and localize registration points and offer an alternative registration technique, providing the surgeon with other registration approaches.