3D-gedruckte patientenspezifische Instrumente – kombinierte KI Virtuelle präoperative Planung – unterstützte mediale festtragende unikompartimentale Kniearthroplastik

Zusammenfassung

Hier stellen wir ein Protokoll vor, um die Präzision der fest tragenden unikompartimentalen Kniearthroplastik zu verbessern. Es verwendet einen digitalen Workflow, der 3D-gedruckte patientenspezifische Instrumente mit präoperativer Simulation kombiniert, um die Ausrichtungsgenauigkeit zu verbessern, die chirurgische Sicherheit zu erhöhen und personalisierte, reproduzierbare Ergebnisse zu ermöglichen.

Zusammenfassung

Die Unikompartimentale Kniearthroplastik (UKA) ist weithin als wirksame Behandlung für fortgeschrittene Kniearthrose anerkannt. Die Abhängigkeit von chirurgischer Erfahrung und zweidimensionalen (2D) Röntgenaufnahmen stellt jedoch erhebliche Herausforderungen für weniger erfahrene Chirurgen sowie für Patienten mit Femur- oder Schienbeindeformitäten dar. Um die chirurgische Präzision zu verbessern und Komplikationen durch Prothesenfehlstellungen zu reduzieren, integrierte unser Team dreidimensionale (3D)-Drucktechnologie für patientenspezifische Instrumentierung (PSI) mit künstlicher Intelligenz (KI)-basierter präoperativer Simulationsplanung und adressierte so die Einschränkungen traditioneller Ansätze. Diese Studie präsentiert einen umfassenden digitalen Arbeitsablauf für fest gelagerte UKA, der darauf abzielt, eine präzise Prothesenausrichtung zu erreichen, die chirurgische Effizienz und Sicherheit zu verbessern, die Operationszeit zu verkürzen und eine personalisierte Prothesenpositionierung mit konsistenten und reproduzierbaren Ergebnissen zu ermöglichen. Das Protokoll besteht aus fünf entscheidenden Schritten: 1. Strenge Patientenauswahl basierend auf fest tragenden UKA-Indikationen; 2. Umfassende Bildaufnahme, einschließlich CT-Scans des betroffenen Knies, anteroposteriore und laterale Röntgenaufnahmen sowie vollständige Röntgenaufnahmen mit Gewicht im DICOM-Format; 3. KI-unterstützte präoperative Planung mit detaillierten chirurgischen Simulationsberichten; 4. Herstellung von individuell gedruckten 3D-gedruckten Schnittanleitungen; 5. Präzise Osteotomie-Ausführung mit intraoperativer Verifikation. Durch die Umsetzung dieses standardisierten digitalen Ansatzes zeigen wir, wie die Integration von KI und 3D-Druck UKA-Ergebnisse durch verbesserte Reproduzierbarkeit, Genauigkeit und patientenspezifische Anpassung optimieren kann.

Einleitung

In den letzten Jahren hat die tiefe Integration digitaler Technologien mit der orthopädischen Wissenschaft einen Paradigmenwechsel in der klinischen Praxis vorangetrieben – der Übergang von traditionellen empirischen und verallgemeinerten Methoden zu präzisionsbasierten, personalisierten und vollständig digitalen diagnostischen und therapeutischen Strategien¹. In diesem transformativen Umfeld hat sich die 3D-Drucktechnologie als Flaggschiffanwendung digitaler Innovation als entscheidender Faktor für patientenspezifische Individualisierung und hochpräzise chirurgische Eingriffe in verschiedenen orthopädischen Eingriffen^{etabliert 2,3}. Arthrose (OA), bekannt als die weltweit häufigste degenerative Gelenkerkrankung, weist einen starken Zusammenhang zwischen ihrer Prävalenz und der Alterung der Bevölkerung auf, wobei epidemiologische Studien zeigen, dass die beschleunigte globale demografische Alterung OA als Hauptursache für chronische Schmerzen und Lokomotorikstörungen bei mittelalten und älteren Bevölkerungen etabliert hat⁴. Bezüglich der Behandlungsmöglichkeiten der medialen Kompartment-Arthrose (MOA) bietet UKA deutliche klinische Vorteile gegenüber der totalen Kniearthroplastik (TKA), darunter eine bessere Erhaltung der natürlichen Knieanatomie und -funktionen, eine geringere Inzidenz postoperativer Komplikationen und deutlich kürzere Rehabilitationszeiten.

Die erfolgreiche Umsetzung der medialen UKA hängt entscheidend von einer präzisen Rekonstruktion der unteren Gliedmaßen ab, wobei die wichtigsten Herausforderungen die Variabilität bei der Osteotomie-Ausführung, die Weichteilbalancierung und die Ausrichtung der Komponenten umfassen. Technisch anspruchsvolle Aspekte wie Prothesenauswahl und Osteotomie-Positionierung hängen überwiegend von der visuellen Einschätzung und manuellen Techniken des Chirurgen ab, was zu erheblicher operatorabhängiger Variabilität führt, wobei Leistungsunterschiede bei Chirurgen mit unterschiedlichen Erfahrungsstufen von über 30 % liegen⁵. Darüber hinaus tragen patientenspezifische anatomische Unterschiede zusammen mit der Lernkurve des Chirurgen für neue Prothesensysteme häufig zu inkonsistenten klinischen Ergebnissen bei UKA-Verfahren bei, was die Notwendigkeit einer stärkeren Standardisierung der chirurgischen Techniken^{unterstreicht 6}. Die Integration von KI-Planung und 3D-gedruckter PSI adressiert diese Herausforderungen direkt, indem sie patientenspezifische Ausrichtungsplanung, automatisiertes Führungsdesign und Genauigkeit der Submillimeter-Osteotomie ermöglicht, wodurch die Abhängigkeit von chirurgischer Erfahrung verringert und die Reproduzierbarkeit verbessert wird. Jüngste Fortschritte im 3D-gedruckten PSI für UKA haben diese Vorteile weiter demonstriert⁷. Umfangreiche Forschungen in den letzten Jahren haben gezeigt, dass 3D-digitales Bildgebungsdesign in Kombination mit 3D-Drucktechnologie die Entwicklung personalisierter chirurgischer Navigationssysteme für die Kniearthroplastik ermöglicht, bei der computertomografie-magnetresonanztomografisch (CT-MRT) multimodale bildfusionsbasierte 3D-gedruckte PSI die Genauigkeit der Gliedmaßenausrichtung, der Osteotomie-Volumenkontrolle, der Größe des Tibiaplateaus und der Position der femoralkondylären Prothese^{signifikant verbessert 8. 9,10}.

Um die inhärenten Einschränkungen konventioneller UKA-Techniken zu adressieren, hat unser Forschungsteam einen innovativen Ansatz entwickelt, indem es 3D-gedruckte PSI mit KI-basierter virtueller präoperativer Planung integriert, um mediale festlagernde UKA zu unterstützen. Durch die Etablierung eines vollständig digitalisierten chirurgischen Arbeitsablaufs für feste Plattform-UKA wurden entscheidende technologische Fortschritte erzielt, darunter (1) präoperative biomechanische Simulation mittels KI-gesteuerter dynamischer Modellierung und (2) Submillimeter-Osteotomie-Präzision, gesteuert durch 3D-gedruckte Navigationsmodule.

Protokoll

Diese Forschung erhielt ethische Zustimmung vom Forschungsethikkomitee der ersten Klinik der Hebei Medizinischen Universität. Von allen einzelnen teilnehmenden Teilnehmern wurde eine informierte Zustimmung eingeholt.

1. Patientenauswahl und präoperative Bildgebung

1. Wählen Sie Patienten mit anteromedialer Kompartment-Arthrose oder medialer Femurkondylosteonekrose aus.
2. Bestätigen Sie ein intaktes vorderes Kreuzband (ACL), ein kompetentes mediales Kollateralband (MCL) und den lateralen Kompartimentknorpel mit Veränderungen der Grad ≤ II in Outerbridge.
3. Ausschließen von Patienten mit entzündlicher Arthritis, Varus-Deformität >15°, Beugungskontraktur >15° oder Kniebeugung <90°.
4. Erfassen Sie eine dünne CT-Untersuchung (≤1,0 mm), die sich von 15 cm proximal zu den Femurkondylen bis 15 cm distal vom Tibiaplateau erstreckt.
5. Erhalten Sie ergänzende, vollständige Röntgenaufnahmen mit Gewicht und spezielle Knieaufnahmen für eine umfassende präoperative Untersuchung.

2. CT-Datensegmentierung

1. Open Mimics Software v2.1 und importiert die CT-DICOM-Daten von Femur, Kniebeine, Schienbein und Fibula.
2. Verwenden Sie den Schwellenbefehl , um den standardisierten Schwellenwert für Knochen (Mindestwert: 175) anzupassen und Nicht-Knochen-Voxel aus dem Bild zu filtern (Abbildung 1A).
3. Benutze den Befehl Region Wachsen , um Knochen in separaten Regionen zu extrahieren (Abbildung 1B).
4. Verwenden Sie das Werkzeug Masken bearbeiten , um unausgewählte Skelettbereiche hinzuzufügen und zu füllen (Abbildung 1C).
5. Konvertiere die Masken in Mesh-(Raster-)Daten (Abbildung 1D).
6. Exportiere die STL-Knochenmodelle für alle relevanten Strukturen und speichere sie als Sicherungsdateien (Abbildung 1E).

3. KI-gestützte virtuelle Prothesen-Templateing und chirurgische Simulation

1. Öffnen Sie die Creo Parametric-Software und importieren Sie die STL-Modelldaten von Oberschenkel, Patella, Schienbein und Fibula.
2. Analysieren Sie die Oberschenkelanatomie durch Identifizierung der Kondyllinien, der distalen Oberschenkeloberfläche, der hinteren Kondyloberfläche, der mechanischen Achse und der anatomischen Achse (Abbildung 2A-B).
3. Bestimmen Sie die patientenspezifischen Femurwinkeln (z. B. Femurvarus und femorale Außenrotation) anhand individueller anatomischer Merkmale (Abbildung 2A-B).
4. Bestimmen Sie die patientenspezifischen Tibia-Winkel (z. B. Tibia-Varus, Tibia-Retroversion und Tibia-Außenrotation) gemäß dem 3D-anatomischen Modell (Abbildung 2C-D).
5. Basierend auf der Knochenmorphologie jedes Patienten wählen Sie die passenden Prothesenkomponenten aus: Femurkomponente (Größe 1–6) 2–3 mm vom Oberschenkelkortikalrand entfernt; Tibiale Komponente (Größe 1-6) Vermeidung von Kantenüberhang oder Prothesenkonflikt; und Polyethylen-Einsatz (Größe 9–13 mm) (Abbildung 2E-F).
6. Überprüfen Sie die Ausrichtung des Implantats und das Ausgleich des Spalts, um 0° Beugung und 90° Dehnungslücken innerhalb einer Toleranz von ±1 mm zu erreichen.
7. Erstellen Sie einen präoperativen Planungsbericht, der die Komponentengröße, Ausrichtungsparameter und Ergebnisse der virtuellen Simulation zusammenfasst.
   HINWEIS: Die virtuelle Simulation für diesen präoperativen Plan wurde in einer durchschnittlichen Dauer von weniger als 2 Stunden an einer regulären klinischen Arbeitsstation abgeschlossen. Dieser Prozess umfasste typischerweise 3 bis 5 Iterationen, um die Positionierung der Komponenten zu verfeinern und ein optimales Weichteilgleichgewicht zu erreichen, was einen reproduzierbaren und effizienten Arbeitsablauf gewährleistet.

4. Entwicklung und Herstellung patientenspezifischer Instrumente

1. Nutzen Sie KI-Algorithmen, um automatisch Schnittführungsdesigns aus dem finalen 3D-Plan zu generieren. Die patientenspezifischen Instrumentendesigns (PSI) werden zunächst mithilfe eines automatisierten, KI-gesteuerten Workflows erstellt.
   HINWEIS: Die Kernalgorithmen, basierend auf Artificia Neural Networks (ANNs) zur anatomischen Merkmalserkennung, analysieren das 3D-Knochenmodell, vordefinierte Osteotomieebenen und wichtige anatomische Orientierungspunkte¹¹. Dieses System erzeugt automatisch die Kernfunktionselemente der Führungen, einschließlich der Osteotomie-Slotpositionen, der Knochenkontaktfläche ("Fit-to-Bone"-Geometrie) und der gesamten äußeren Stützstruktur, wobei Parameter wie Resektionstiefe, Führungsstabilität und Kontaktfläche optimiert werden.
2. Führen Sie einen obligatorischen manuellen Validierungs- und Bearbeitungsschritt nach der KI-Generierung durch. Überprüfen Sie die vorgeschlagenen Entwürfe sorgfältig in der Planungssoftware. Wenn Probleme festgestellt werden, wie etwa unzureichender Kontakt mit dem kortikalen Knochen oder möglicher Weichteilimpingement, müssen die relevanten Parameter (z. B. Kontaktflächenverschiebung, Pinbahn) manuell angepasst werden.
3. Entwerfen Sie eine Tibia-Schneidführung für koronale und axiale Resektionen, die drei Fixierungspunkte enthält.
4. Entwurf der femoralen Führung I für die distale Resektion und der Femurführer II für hintere Schnitte und Lochbohrungen (Abbildung 3).
5. Fertigen Sie alle Führungen mit medizinischem Polyamid 12 durch additive Fertigung mit Selective Laser Sintering (SLS)-Technologie. Die Druckorientierung wurde optimiert, um den Bedarf an Stützstrukturen auf kritischen Knochenberührungsflächen zu minimieren, wobei die Basis der Führung typischerweise in einem Winkel von 15^\circ15 relativ zur Bauplattform ausgerichtet wurde.
6. Nachbearbeitung:
   1. Auspacken und Entpulvern: Entfernen Sie die Teile vorsichtig aus der Baukammer
   2. Kugelstrahlen: Führen Sie Schussstrahlen durch, um eine glatte Oberflächenoberfläche zu erzielen
   3. Qualitätsprüfung: Überprüfe die Maßgenauigkeit mit dem digitalen Modell
   4. Ultraschallreinigung: Reinigen Sie die Führer in deionisiertem Wasser, um eventuelle Reste des Pulvers zu entfernen.
   5. Trocknen: Trocknen Sie die Führungen und packen Sie sie für die terminale Sterilisation per Autoklav bei 132°C für 4 Minuten vor der Operation.

5. Chirurgischer Eingriff

1. Überprüfen Sie die Identität und das Verfahren des Patienten mit dem Patienten und anhand der medizinischen Unterlagen im präoperativen Wartebereich. Bestätigen Sie die unterschriebene informierte Einwilligung.
2. Allgemeine endotracheale Anästhesie einleiten. Verabreichen Sie prophylaktische intravenöse Antibiotika (Cefuroxim 1,5 g) 30 Minuten vor dem Hautschnitt. Zusätzlich sollten Sie vor der Aufblasung des Tourniquets 1 g intravenöse Tranexamsäure verabreichen, um den chirurgischen Blutverlust zu minimieren.
3. Positioniere den Patienten rückenliegend auf dem Operationstisch. Setzen Sie einen nicht-sterilen Tourniquet hoch auf den proximalen Oberschenkel. Sichern Sie einen seitlichen Pfosten auf Höhe des Tourniquets, um den Oberschenkelknochen während der Beugung zu stabilisieren. Polster und sichern Sie das gegenseitliche Bein. Bereiten Sie das operative Bein auf die übliche sterile Weise vor und bedecken Sie dann Fuß und Knöchel mit einer sterilen Stricks.
4. Führen Sie eine mediale Parapatellararthrotomie durch und erhalten Sie das mediale Meniscotibiaband.
5. Entfernen Sie Osteophyten, die die Führungsapposition beeinträchtigen könnten, mit Rongeuren und Osteotomen. Führen Sie alle Knochenresektionen (Tibial- und Femoralismus) mit einer oszillierenden Säge durch. Die Entfernung der Osteophyten und der Knochenschnitte erfolgt in direkter Visualisierung ohne intraoperative Bildgebung und wird durch den präoperativen Plan und anatomische Orientierungspunkte geleitet, um eine präzise Positionierung der Komponenten und das Gleichgewicht des Weichgewebes sicherzustellen.
6. Positionieren und fixieren Sie die Tibia-Schneideführung mit 2,0 mm Kirschner-Drähten (K-Drähten). Setzen Sie die K-Drähte unter direkter Visualisierung ein, wobei ihre Flugbahn mit der Ausrichtung der Leitstiftlöcher ausgerichtet ist.
   HINWEIS: Fluoroskopie wird nicht zur Ausrichtung der Führung verwendet; Die Platzierung basiert auf direkter anatomischer Exposition und der Einhaltung präoperativer Planungsmarkierungen.
7. Führen Sie den vertikalen Tibiaschnitt mit einer nach hinten geneigten oszillierenden Sägeblatt aus.
8. Führen Sie den horizontalen Tibiaschnitt gemäß der voroperationell geplanten hinteren Steigung durch.
9. Positionieren und fixieren Sie die Femurführung I, dann führen Sie die distale Femurresektion entlang der vorgeplanten Resektionsebene aus.
10. Positionieren und fixieren Sie Femurführung II, führen Sie dann die hinteren Abschrägungen aus und bohren Sie die Löcher für die Fixationsstifte.
11. Probieren Sie die Prothesenkomponenten aus und bewerten Sie die Positionierung des Implantats, die Gelenkstabilität und das Bändergleichgewicht anhand des Bewegungsumfangs.

6. Intraoperative Verifikation und Validierung

1. Schützen Sie das mediale Kollateralband (MCL) während des gesamten Eingriffs mit einem Hohmann-Retraktor.
2. Mit Fingerschiebern überprüfen Sie jede Osteotomieoberfläche, indem Sie sie mit dem präoperativen 3D-gedruckten Knochenmodell vergleichen, um die geometrische Genauigkeit zu bestätigen.
   HINWEIS: Die Geometrie und Abmessungen jeder Osteotomieoberfläche werden durch direkten Vergleich mit dem präoperativen 3D-gedruckten Knochenmodell überprüft. Digitale Bremszangen wurden verwendet, um präzise quantitative Messungen (z. B. Resektionsdicke, Kondylärmaße) mit einer Genauigkeit von 0,1 mm durchzuführen, um sicherzustellen, dass die erzielten Knochenschnitte dem präoperativen Plan entsprachen.
3. Messen Sie Beugungs- und Streckungslücken unter physiologischen Belastungsbedingungen, wobei der Unterschied <1 mm beträgt.
4. Beurteilen Sie die Patellarverfolgung dynamisch durch den vollständigen Beugungs-Extensionsbogen, um die zentrale Verfolgung zu bestätigen und eine Fehlstellung zu verhindern.
5. Dokumentieren Sie die endgültige Implantatposition mittels intraoperativen Röntgenaufnahmen und bestätigen Sie das Fehlen eines kortikalen Überhangs sowie die Wiederherstellung der Gelenklinie.

Ergebnisse

Ein 69-jähriger männlicher Patient zeigte sich mit beidseitiger Kniearthrose, der zuvor vor zwei Jahren eine mobil tragende unikompartimentale Kniearthroplastik auf der rechten Seite mit zufriedenstellender postoperativer Genesung durchlaufen hatte. Aufgrund eines intramedullären Nagelverfahrens bei einer Femoralschaftfraktur am linken Knie vor zwei Jahrzehnten konnte konventionelle chirurgische Instrumente aufgrund der veränderten Anatomie des femoralen Medullärkanals nicht richtig einge...

Diskussion

Die erfolgreiche Umsetzung dieses digitalen UKA-Protokolls hängt von mehreren kritischen Schritten ab. Erstens ist eine hochwertige, dünne CT-Datenerfassung (≤1,0 mm) von größter Bedeutung, da die Genauigkeit der nachfolgenden 3D-Knochenmodelle und die Präzision der PSI-Führungen direkt davon abhängen ^8,12. Zweitens ist die KI-gesteuerte virtuelle Planungsphase entscheidend, um die patientenspezifische Ausrichtung zu bestimmen. D...

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien

Name	Unternehmen	Katalognummer	Kommentare
Creo Parametric 8.0.0.0	PTC	https://www.ptc.com/ en/products/creo	Ausgabe des chirurgischen Simulationsleitfadens
3D-gedruckte patientspezifische Instrumente	Sikon Medical Co., Ltd. China	D250610	Anatomische Konformität & Präzisionspositionierung; optimierte Gliedmaßenausrichtung; chirurgische Effizienz; minimalinvasiver Ansatz? Verbesserte Reproduzierbarkeit
Femorale Komponente	Beijing Leadcom Biomedical Co., Ltd.	A5101-05lM	Die arthritische Femurkondylus (medial/lateral) taucht wieder auf.
Mimics Research 21.0	Materialisiere	https://www.materialise. com/en/software/mimics-research-suite	Bildverarbeitung
Polyethylen-Einsatz	Beijing Leadcom Biomedical Co., Ltd.	A5301-0410	Fungiert als Artikulationsfläche zwischen femoralen und Tibia-Komponenten
Tibiale Komponente	Beijing Leadcom Biomedical Co., Ltd.	A5201-04LM	Ersetzt das abgenutzte Tibiaplateau und bildet eine Basis für   Der Polyethylen-Einsatz.