Instrumentos específicos para pacientes impresos en 3D - Planificación preoperatoria virtual combinada con IA Artroplastia unicompartmental unicompartmental con cojinete fijo

Resumen

Aquí presentamos un protocolo para mejorar la precisión de la artroplastia unicompartmental de rodilla con cojinete fijo. Utiliza un flujo de trabajo digital, combinando instrumentos específicos para pacientes impresos en 3D con simulación preoperatoria para mejorar la precisión de la alineación, aumentar la seguridad quirúrgica y permitir resultados personalizados y reproducibles.

Resumen

La artroplastia unicompartimental de rodilla (UKA) es ampliamente reconocida como un tratamiento eficaz para la osteoartritis avanzada de rodilla. Sin embargo, su dependencia de la experiencia quirúrgica y de las radiografías bidimensionales (2D) plantea desafíos significativos para cirujanos menos experimentados y para pacientes con deformidades femorales o tibiales. Para mejorar la precisión quirúrgica y reducir las complicaciones relacionadas con la maldisposición de la prótesis, nuestro equipo integró tecnología de impresión tridimensional (3D) para instrumentación específica del paciente (PSI) con la planificación de simulación preoperatoria basada en inteligencia artificial (IA), abordando así las limitaciones de los enfoques tradicionales. Este estudio presenta un flujo de trabajo digital integral para UKA de rodamientos fijos que tiene como objetivo lograr una alineación precisa de las prótesis, mejorar la eficiencia y seguridad quirúrgica, reducir el tiempo operativo y permitir un posicionamiento personalizado de prótesis con resultados consistentes y reproducibles. El protocolo consta de cinco pasos críticos: 1. Selección estricta del paciente basada en indicaciones de UKA con portamento fijo; 2. Adquisición de imágenes integral, incluyendo tomografías computarizadas de la rodilla afectada, radiografías anteroposterior y lateral, y radiografías de longitud completa con soporte de peso en formato DICOM; 3. Planificación preoperatoria asistida por IA con informes detallados de simulación quirúrgica; 4. Fabricación de guías de corte personalizadas impresas en 3D; 5. Ejecución precisa de la osteotomía con verificación intraoperatoria. Al implementar este enfoque digital estandarizado, demostramos cómo la integración de IA y la impresión 3D puede optimizar los resultados de UKA mediante una mayor reproducibilidad, precisión y personalización específica para cada paciente.

Introducción

En los últimos años, la profunda integración de las tecnologías digitales con la ciencia ortopédica ha impulsado un cambio de paradigma en la práctica clínica: la transición de métodos empíricos y generalizados tradicionales a estrategias diagnósticas y terapéuticas basadas en la precisión, personalizadas y totalmente^{digitales 1}. En este panorama transformador, la tecnología de impresión 3D, como aplicación emblemática de la innovación digital, ha surgido como un facilitador fundamental para lograr personalizaciones específicas del paciente e intervenciones quirúrgicas altamente precisas en diversos procedimientos ortopédicos ^2,3. La osteoartritis (OA), reconocida como la enfermedad degenerativa articular más común a nivel mundial, muestra una fuerte correlación entre su prevalencia y el envejecimiento poblacional, con estudios epidemiológicos que demuestran que el envejecimiento demográfico global acelerado ha establecido la OA como una causa principal de dolor crónico y disfunción lomotora en poblaciones de mediana edad^{y ancianos 4}. En cuanto a las opciones de tratamiento para la osteoartritis compartimental medial (MOA), la UKA presenta ventajas clínicas claras sobre la artroplastia total de rodilla (ATC), incluyendo una mejor preservación de la anatomía y función fisiológica nativa de la rodilla, una menor incidencia de complicaciones postoperatorias y periodos de rehabilitación significativamente más cortos.

La implementación exitosa de la UKA medial depende críticamente de la reconstrucción precisa de la alineación de la extremidad inferior, donde los principales desafíos incluyen la variabilidad en la ejecución de la osteotomía, el equilibrio de tejidos blandos y la alineación de componentes. Aspectos técnicamente exigentes como la selección de prótesis y la colocación de la osteotomía siguen dependiendo predominantemente de la estimación visual y las técnicas manuales del cirujano, lo que resulta en una variabilidad sustancial dependiente del operador, con discrepancias de rendimiento superiores al 30% entre cirujanos con diferentes niveles de^{experiencia 5}. Además, las variaciones anatómicas específicas del paciente, junto con la curva de aprendizaje del cirujano para nuevos sistemas de prótesis, frecuentemente contribuyen a resultados clínicos inconsistentes en los procedimientos UKA, lo que pone de manifiesto la necesidad de una mayor estandarización en las técnicas^{quirúrgicas 6}. La integración de la planificación por IA y la PSI impresa en 3D aborda directamente estos retos al permitir la planificación de alineación específica para cada paciente, el diseño automatizado de guías y la precisión submilimétrica de la osteotomía, reduciendo así la dependencia de la experiencia quirúrgica y mejorando la reproducibilidad. Los avances recientes en PSI impreso en 3D para UKA han demostrado aún más estas^{ventajas 7}. Investigaciones exhaustivas en los últimos años han demostrado que el diseño de imágenes digitales 3D combinado con tecnología de impresión 3D permite el desarrollo de sistemas de navegación quirúrgica personalizados para la artroplastia de rodilla, donde tomografía computarizada por resonancia magnética (TC-MRI) con imágenes multimodales basadas en fusión y PSI impreso en 3D mejora significativamente la precisión de la corrección de la alineación de extremidades, el control del volumen de la osteotomía, el dimensionamiento de la meseta tibial y la posición 8 de la prótesis condilar^{femoral. 9,10}.

Para abordar las limitaciones inherentes a las técnicas convencionales de UKA, nuestro equipo de investigación ha desarrollado un enfoque innovador integrando PSI impreso en 3D con planificación preoperatoria virtual basada en IA para ayudar en el UKA de soporte fijo medial. Al establecer un flujo de trabajo quirúrgico totalmente digitalizado para UKA de plataforma fija, se han logrado avances tecnológicos críticos, incluyendo (1) simulación biomecánica preoperatoria mediante modelado dinámico impulsado por IA y (2) osteotomía submilimétrica guiada con precisión por módulos de navegación impresos en 3D.

Protocolo

Esta investigación recibió la aprobación ética del Comité de Ética en Investigación del Primer Hospital de la Universidad Médica de Hebei. Se obtuvo el consentimiento informado de todos los participantes individuales incluidos en el estudio.

1. Selección de pacientes e imagen preoperatoria

1. Selecciona pacientes con osteoartritis compartimental anteromedial o osteonecrosis del cóndilo fémoral medial.
2. Confirmar un ligamento cruzado anterior (LCA) intacto, un ligamento colateral medial competente (LCM) y cartílago del compartimento lateral con cambios de grado Outerbridge ≤ II.
3. Excluyan a los pacientes con artritis inflamatoria, deformidad del varo deformidad del varo >15°, contractura de flexión >15° o flexión de rodilla <90°.
4. Realizar una tomografía computarizada de corte delgado (≤1,0 mm) que se extiende desde 15 cm proximal a los cóndilos femorales hasta 15 cm distal a la meseta tibial.
5. Obtén radiografías complementarias de longitud completa con soporte de peso y vistas dedicadas de la rodilla para una evaluación preoperatoria completa.

2. Segmentación de datos CT

1. Abre el software Mimics v2.1 e importa los datos DICOM de TC del fémur, rótula, tibia y peroné.
2. Utiliza el comando Threshold para ajustar el rango umbral estandarizado para hueso (valor mínimo: 175) y filtra los vóxeles no óseos de la imagen (Figura 1A).
3. Utiliza el comando Crecimiento de Región para extraer huesos en regiones separadas (Figura 1B).
4. Utiliza la herramienta Editar Máscaras para añadir y rellenar cualquier área esquelética no seleccionada (Figura 1C).
5. Convierte las máscaras en datos de malla (cuadrícula) (Figura 1D).
6. Exporta los modelos de huesos STL para todas las estructuras relevantes y guarda los archivos como copia de seguridad (Figura 1E).

3. Plantillas de prótesis virtuales guiadas por IA y simulación quirúrgica

1. Abre el software Creo Parametric e importa los datos del modelo STL del fémur, rótula, tibia y peroné.
2. Analizar la anatomía femoral identificando la línea condilar, la superficie femoral distal, la superficie condilar posterior, el eje mecánico y el eje anatómico (Figuras 2A-B).
3. Determinar los ángulos femorales específicos del paciente (por ejemplo, varo femoral y rotación externa femoral) en función de características anatómicas individuales (Figuras 2A-B).
4. Determinar los ángulos tibiales específicos del paciente (por ejemplo, varo tibial, retroversión tibial y rotación externa tibial) según el modelo anatómico 3D (Figura 2C-D).
5. En función de la morfología ósea de cada paciente, se seleccionan los componentes protésicos adecuados: componente femoral (tamaño 1-6) situado a 2-3 mm del borde cortical femoral; componente tibial (talla 1-6) evitando el sobresaliente de los bordes o el conflicto de la prótesis; y inserto de polietileno (tamaño 9-13 mm) (Figura 2E-F).
6. Verifica la alineación del implante y el equilibrio de espacios para lograr 0° de flexión y 90° de extensión dentro de una tolerancia de ±1 mm.
7. Generar un informe de planificación preoperatoria que resuma el tamaño de los componentes, los parámetros de alineación y los resultados de la simulación virtual.
   NOTA: La simulación virtual de este plan preoperatorio se completó en una duración media inferior a 2 horas en una estación de trabajo clínica estándar. Este proceso normalmente implicaba de 3 a 5 iteraciones para perfeccionar la posición de los componentes y lograr un equilibrio óptimo de tejidos blandos, asegurando un flujo de trabajo reproducible y eficiente.

4. Diseño y producción de instrumentos específicos para cada paciente

1. Utiliza algoritmos de IA para generar automáticamente diseños de guía de corte a partir del plano 3D finalizado. Los diseños de instrumentos específicos para el paciente (PSI) se generan inicialmente mediante un flujo de trabajo automatizado impulsado por IA.
   NOTA: Los algoritmos centrales, basados en Redes Neuronales Artificia (RNA) para el reconocimiento de características anatómicas, analizan el modelo óseo 3D, los planos predefinidos de osteotomía y los hitos anatómicos^{clave 11}. Este sistema genera automáticamente los elementos funcionales principales de las guías, incluyendo las posiciones de las ranuras de osteotomía, la superficie de contacto ósea (geometría "ajuste al hueso") y la estructura general de soporte externo, optimizando para parámetros como la profundidad de resección, la estabilidad de la guía y la zona de contacto.
2. Realiza un paso obligatorio de validación y edición manual tras la generación de la IA. Inspecciona los diseños propuestos meticulosamente en el software de planificación. Si se identifican problemas, como contacto insuficiente con el hueso cortical o posible impacto de tejidos blandos, los parámetros relevantes (por ejemplo, desplazamiento de la superficie de contacto, trayectoria del pasador) deben ajustarse manualmente.
3. Diseña una guía de corte tibial para resecciones coronales y axiales, incorporando tres puntos de fijación.
4. Diseño de la guía femoral I para la resección distal y guía femoral II para cortes posteriores y perforación de agujeros de clavija (Figura 3).
5. Fabricar todas las guías usando poliamida de grado médico 12 mediante fabricación aditiva mediante tecnología de Sinterización Selectiva por Láser (SLS). La orientación de impresión se optimizó para minimizar la necesidad de estructuras de soporte en superficies críticas de contacto óseo, orientando típicamente la base de la guía en un ángulo de 15^\circ15 respecto a la plataforma de construcción.
6. Postprocesado:
   1. Desempaquetar y desempolvar: Retira cuidadosamente las piezas de la cámara de construcción
   2. Granadura: Realiza la granadura para lograr un acabado superficial liso
   3. Inspección de calidad: Verificar la precisión dimensional frente al modelo digital
   4. Limpieza ultrasónica: Limpia las guías en agua desionizada para eliminar cualquier polvo residual
   5. Secado: Seca las guías y empaqueta para esterilización terminal mediante autoclave a 132°C durante 4 minutos antes de la cirugía.

5. Procedimiento quirúrgico

1. Verifica la identidad y el procedimiento del paciente con el paciente y con los registros médicos en la zona de espera preoperatoria. Confirma el consentimiento informado firmado.
2. Inducir anestesia endotraqueal general. Administrar antibióticos profilácticos intravenosos (cefuroxima 1,5 g) 30 minutos antes de la incisión cutánea. Además, administrar 1 g de ácido tranexámico intravenoso antes de la inflación del torniquete para minimizar la pérdida de sangre quirúrgica.
3. Coloca al paciente boca arriba en posición supina sobre la camilla de operaciones. Coloque un torniquete no estéril en la parte alta del muslo proximal. Asegura un poste lateral a la altura del torniquete para estabilizar el fémur durante la flexión. Acolcha y asegura la pierna contralateral. Prepara y coloca la pierna operativa de la manera estéril estándar y, después, cubre el pie y el tobillo con una punto jersey estéril.
4. Realizar una artrotomía parapatela medial preservando el ligamento meniscotibial medial.
5. Elimina los osteófitos que puedan afectar la aposición de guías con rongeurs y osteotomos. Realiza todas las resecciones óseas (tibiales y femorales) utilizando una sierra oscilante. La extirpación de osteófitos y los cortes óseos se realizan bajo visualización directa sin imagen intraoperatoria y se guían por el plan preoperatorio y los puntos anatómicos para asegurar una posición precisa de los componentes y un equilibrio de tejidos blandos.
6. Coloca y fija la guía de corte tibial usando hilos Kirschner de 2,0 mm (K-wires). Insertar los cables K bajo visualización directa con su trayectoria alineada con la orientación de los agujeros de los pasadores guía.
   NOTA: La fluoroscopia no se utiliza para la alineación de guías; La colocación se basa en la exposición anatómica directa y la adhesión a los puntos de referencia de la planificación preoperatoria.
7. Realiza el corte tibial vertical usando una hoja de sierra oscilante inclinada hacia atrás.
8. Realizar el corte tibial horizontal según la pendiente posterior preoperatoria planificada.
9. Colocar y fijar la guía femoral I, luego ejecutar la resección distal femoral a lo largo del plano de resección preplanificado.
10. Coloca y fija la guía femoral II, luego realiza los cortes posteriores con biselón y perfora los agujeros de los pinzas de fijación.
11. Prueba los componentes de la prótesis y evalúa la posición del implante, la estabilidad articular y el equilibrio de los ligamentos a lo largo del rango de movimiento.

6. Verificación y validación intraoperatoria

1. Protege el ligamento colateral medial (LCM) con un separador Hohmann durante todo el procedimiento.
2. Utilizando calibradores de dedos, verifica cada superficie de osteotomía comparándola con el modelo óseo impreso en 3D preoperatorio para confirmar la precisión geométrica.
   NOTA: La geometría y las dimensiones de cada superficie de osteotomía se verifican mediante comparación directa con el modelo óseo impreso en 3D preoperatorio. Se utilizaron calibradores digitales para realizar mediciones cuantitativas precisas (por ejemplo, grosor de resección, dimensiones condilares) con una precisión de 0,1 mm, asegurando que los cortes óseos logrados coincidieran con el plan preoperatorio.
3. Mide los espacios de flexión y extensión bajo condiciones de carga fisiológica, asegurando que la diferencia sea de <1 mm.
4. Evalúa el seguimiento rotuliano dinámicamente a lo largo del arco completo de flexión-extensión para confirmar el seguimiento central y prevenir desalineaciones.
5. Documentar la posición final del implante mediante radiografías intraoperatorias y confirmar la ausencia de sobresalientes corticales y la restauración de la línea articular.

Resultados

Un paciente masculino de 69 años se presentó con osteoartritis bilateral de rodilla, que había sido sometido previamente a una artroplastia unicompartmental de rodilla con portadores móviles en el lado derecho hace dos años, con una recuperación postoperatoria satisfactoria. Debido a un procedimiento de clavado intramedular realizado hace dos décadas para una fractura del miembro femoral en la rodilla izquierda, la instrumentación quirúrgica convencional no pudo insertarse correctamente d...

Discusión

La implementación exitosa de este protocolo digital UKA depende de varios pasos críticos. En primer lugar, la adquisición de datos CT de alta calidad y de corte fino (≤1,0 mm) es fundamental, ya que la fidelidad de los modelos 3D posteriores y la precisión de las guías PSI dependen directamente^{de ello 8,12}. En segundo lugar, la etapa de planificación virtual guiada por IA es crucial para determinar la alineación específica del pa...

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo

Nombre	Empresa	Número de catálogo	Comentarios
Creo Parametric 8.0.0.0	PTC	https://www.ptc.com/ en/products/creo	Salida de la guía de simulación quirúrgica
Instrumentos específicos para pacientes impresos en 3D	Sikon Medical Co., Ltd. China	D250610	Conformidad anatómica y Posicionamiento de Precisión; Alineación Optimizada de Extremidades; Eficiencia Quirúrgica; Enfoque Mínimamente Invasivo? Reproducibilidad Mejorada
Componente femoral	Beijing Leadcom Biomedical Co., Ltd.	A5101-05lM	Reaflora el cóndilo femoral artrítico (medial/lateral).
Investigación de Imitadores 21.0	Materialise	https://www.materialise. com/en/software/mimics-research-suite	Procesamiento de imágenes
Inserto de polietileno	Beijing Leadcom Biomedical Co., Ltd.	A5301-0410	Actúa como una superficie articuladora entre los componentes femoral y tibiales
Componentes tibiales	Beijing Leadcom Biomedical Co., Ltd.	A5201-04LM	Sustituye la meseta tibial desgastada y proporciona una base para   el inserto de polietileno.