Application clinique d’un système de planification préopératoire à intelligence artificielle combinée à une récupération de base de données experte dans la chirurgie de révision complexe de la hanche

Résumé

Cette étude propose une nouvelle approche de planification préopératoire basée sur l’intelligence artificielle basée sur la récupération d’une base de données de cas chirurgicaux experts dans l’arthroplastie de révision de la hanche. De plus, la technique a d’abord été utilisée chez cinq patients, présentant une réduction du temps opératoire et des hémorragies peropératoires.

Résumé

Une planification préopératoire précise dans l’arthroplastie de révision de la hanche est cruciale pour obtenir des résultats réussis. Afin d’améliorer l’évaluation intuitive de la gravité des défauts osseux acétabulaires et de tirer parti de l’expérience réussie antérieure en arthroplastie de révision de la hanche, cette étude propose une nouvelle approche basée sur la récupération d’une base de données de cas chirurgicaux experte et est initialement mise en œuvre dans une application clinique. Dans cette étude, cinq patients nécessitant une arthroplastie de révision de la hanche ont été planifiés avant l’opération pour utiliser le système de planification chirurgicale de base de données de cas experts. Les données d’imagerie du patient ont été saisies dans le système et appariées aux cas de la base de données de cas experts. Sur la base de l’expérience chirurgicale de l’expert, un plan de chirurgie de révision a été recommandé. Si aucun cas approprié n’a été trouvé, le modèle et la position de la prothèse ont été planifiés sur la base des résultats de reconstruction spécifiques au patient. Au total, cinq patients ont été recrutés dans cette étude, quatre hommes et une femme, avec un âge moyen de 50,6 ans. Le diagnostic était un descellement aseptique de la prothèse après une arthroplastie de la hanche. La durée opératoire moyenne était de 123,2 minutes et l’hémorragie peropératoire moyenne était de 672 ml. Aucune complication peropératoire, telle qu’une lésion vasculaire ou nerveuse, n’a été observée. Dans le cas 2, par exemple, l’application de ce schéma de planification innovant a permis au chirurgien de définir le plan de révision chirurgicale de ce patient dans la période préopératoire, réduisant ainsi le temps opératoire et l’hémorragie peropératoire. De plus, les patients pouvaient être informés à l’avance des résultats de cas analogues. L’utilisation d’une approche d’analyse de données volumineuses grâce à notre base de données de cas complète permet l’identification automatisée des plans de traitement experts correspondants tout au long du processus. Cela profite particulièrement aux chirurgiens orthopédistes inexpérimentés, car il leur fournit des conseils précis sur les stratégies chirurgicales pour les aider à choisir les tailles de prothèses et les positions de montage appropriées. De plus, les résultats correspondants peuvent offrir aux patients des visualisations décrivant les résultats postopératoires prévus.

Introduction

La prévalence croissante de l’arthroplastie totale primaire de la hanche (THA) a entraîné une augmentation correspondante de la nécessité d’une arthroplastie de révision en raison d’un certain nombre de facteurs, notamment le relâchement aseptique, l’infection, la luxation récurrente et la fracture périprothétique¹. Par rapport à l’arthroplastie primaire de la hanche, la chirurgie de révision de la hanche est une procédure plus complexe techniquement et cliniquement difficile, avec des taux de mortalité plus élevés², des coûts de soins de santé plus élevés³ et des risques de complications plus élevés⁴.

Dans l’arthroplastie de révision de la hanche, la reconstruction de la perte osseuse acétabulaire et le choix de la prothèse sont primordiaux pour déterminer le succès de la chirurgie. Le chirurgien orthopédiste doit évaluer le stock osseux résiduel et l’anatomie modifiée, en visant une stabilité initiale adéquate de la cupule acétabulaire¹ nouvellement implantée. Par conséquent, une planification préopératoire précise est cruciale pour guider les options de traitement disponibles.

À l’heure actuelle, les chirurgiens orthopédistes sont chargés d’effectuer une évaluation complète et de planifier l’arthroplastie de révision en fonction des résultats de l’imagerie préopératoire et de leur propre expérience chirurgicale. Néanmoins, cela représentera un défi important pour le chirurgien inexpérimenté.

Avec le développement de la technologie de l’intelligence artificielle (IA), elle est de plus en plus utilisée en chirurgie orthopédique, principalement pour la segmentation d’images, le diagnostic et la classification des pathologies et des implants⁵. Pendant ce temps, l’IA commence à obtenir des succès initiaux dans l’assistance primaire THA⁶. Cependant, la planification préopératoire intelligente de l’arthroplastie de révision de la hanche reste une ardoise vierge. L’IA a un avenir prometteur dans la chirurgie de révision de la hanche, en particulier dans l’évaluation des défauts osseux. Ces défauts sont uniques à chaque patient, et bien qu’ils présentent certains motifs, la méthode traditionnelle de classification de Paprosky n’a pas la précision requise pour les caractériser pleinement. Néanmoins, l’IA est capable d’extraire des informations plus détaillées à partir de données d’image, offrant une voie prometteuse pour améliorer l’exactitude et la précision de l’évaluation des défauts osseux. Nous avons développé un nouveau système de planification préopératoire assisté par l’IA pour guider les décisions des chirurgiens orthopédistes concernant l’arthroplastie de révision sur la base de la récupération d’une base de données de cas chirurgicaux spécialisés.

Nous avons d’abord établi une nouvelle méthode de reconstruction des défauts osseux acétabulaires, en quantifiant et en typant les défauts osseux acétabulaires. Par la suite, nous avons construit une base de données de cas de révision de la hanche en recueillant des données cliniques et d’imagerie sur 200 cas chirurgicaux de révision de la hanche auprès d’un expert national senior. La base de données comprend la tomodensitométrie (TDM) préopératoire, les radiographies préopératoires, les radiographies postopératoires et les données démographiques des patients. Nous pouvons apparier les cas dans la base de données en fonction des caractéristiques actuelles des défauts osseux des patients devant subir une intervention chirurgicale et trouver les scénarios de cas les plus similaires pour fournir au chirurgien une référence préopératoire. Cette approche permet au chirurgien d’avoir une idée préopératoire du protocole de révision acétabulaire, réduisant ainsi le temps d’essais et d’erreurs peropératoires.

Protocole

L’étude a reçu l’autorisation du comité d’éthique de l’hôpital orthopédique et traumatologique de Luoyang de la province du Henan. De plus, cette étude était basée sur des données d’imagerie et ne nuirait pas aux volontaires ni ne divulguerait leurs informations. Par conséquent, en vertu de la législation nationale et des exigences institutionnelles, il n’était pas nécessaire que les participants ou leurs tuteurs légaux/proches parents signent un formulaire de consentement éclairé.

1. Importation d’images

1. Importez les données de tomodensitométrie originales de la hanche totale bilatérale du patient. Ouvrez le logiciel de traitement d’images médicales, sélectionnez Importer les données et cliquez sur Données locales pour importer les données CT originales du patient. La figure 1 illustre l’interface d’importation d’images.

2. Récupération de l’insuffisance osseuse acétabulaire du côté affecté

1. Déterminer si le patient présente une lésion unilatérale ou bilatérale. Sélectionnez l’outil Mesure et utilisez la souris pour dessiner une boîte rectangulaire sur l’image, en mesurant directement la valeur HU (unité de Hounsfield, HU) de la zone de l’os de la hanche. Considérez la présence de métal lorsque la valeur HU dépasse 1000 et désignez cette zone comme l’articulation de la hanche affectée.

3. Segmentation et reconstruction d’images

1. Sélectionnez les données d’image du patient à planifier. Cliquez sur l’option Segmentation automatique , la valeur CT de 400 est sélectionnée par défaut pour la segmentation grossière de l’os de la hanche.
2. Sélectionnez le bouton Modifier pour ajuster manuellement les résultats de segmentation de chaque partie de chaque couche. Ensuite, sélectionnez l’option Reconstruction 3D pour terminer le calcul de reconstruction 3D du site du patient. Le modèle 3D reconstruit comprend principalement les os de la hanche gauche/droite et les régions du fémur gauche/droit. Comme le montre la figure 2, différentes pièces sont affichées avec des couleurs différentes.

4. Partage de l’insuffisance osseuse acétabulaire et calcul de la quantité de défaut

1. Pour les patients ayant subi une chirurgie unilatérale de la hanche, sélectionnez le modèle 3D du côté sain. Utilisez la fonction miroir pour l’aligner avec la structure anatomique du côté affecté. Cela complétera la reconstruction du modèle de restauration de l’articulation de la hanche.
2. Pour les patients ayant subi une chirurgie bilatérale de la hanche, ouvrez la bibliothèque de modèles standard et sélectionnez le modèle de hanche qui ressemble le plus à l’anatomie du patient comme modèle de restauration.
3. Cliquez sur l’option Partition pour diviser le modèle 3D de l’anomalie de la hanche (côté affecté) reconstruit à l’étape 2 et le modèle 3D de la hanche restaurée à l’étape 3. Ensuite, cliquez sur l’option Opération de différence pour effectuer l’opération de différence sur les deux modèles d’os de la hanche partitionnés afin de calculer le défaut acétabulaire. Le modèle de l’os de la hanche sera divisé en différentes régions selon la méthode⁷ de Qin, comme le montre la figure 3.
   REMARQUE : En raison de l’accent mis sur la fixation en 3 points (rami ischii, rami ossis pubis et partie antérosupérieure de l’acétabulum) de la cupule acétabulaire à l’intérieur des limites de la paroi acétabulaire, l’acétabulaire a été divisé en 3 parties égales tous les 120°, définies comme le toit crânien, la colonne antérieure et la colonne postérieure, à l’exclusion de la paroi médiale. Pour guider les interventions chirurgicales, fabriquez les sous-couches en fonction du diamètre de l’acétabulum. Il a été déterminé que la couche intérieure devait se situer entre 54 mm et 62 mm et que la couche extérieure devait se situer entre 62 mm et 70 mm pour les hommes. La couche intérieure se situe entre 50 mm et 58 mm et la couche extérieure entre 58 mm et 66 mm pour les femmes.

5. Recherche experte dans la base de données de révision de la hanche - planification des défauts acétabulaires

1. Ouvrez la base de cas d’experts et utilisez le volume de défauts acétabulaires calculé comme décrit ci-dessus comme entrée pour la récupération. Sélectionnez les outils de mesure pour évaluer les paramètres de planification pertinents sur les films radiographiques préopératoires et postopératoires des cas récupérés et obtenez les données de planification.
2. Ouvrez la base de cas expert et entrez le type et la quantité de défaut de hanche pour une récupération automatique. Les informations correspondantes sur les cas dans la base de données seront obtenues, y compris des images préopératoires et postopératoires de cas similaires et les paramètres de planification du médecin (taille de l’implant, position, etc.).
3. Les résultats de la recherche seront présentés par ordre de similarité, du plus élevé au plus bas. Laissez le médecin sélectionner les cas les plus similaires. La procédure complète est illustrée à la figure 4.
4. Si un cas similaire ne peut pas être trouvé dans la base de données ci-dessus, adoptez le résultat de la reconstruction du modèle de l’étape 2, en utilisant le centre de l’acétabulum intact comme centre de la cupule acétabulaire. Par défaut, l’angle de la version ante de la cupule acétabulaire est de 20° et l’angle d’abduction de 40° (cette règle est définie cliniquement).
   REMARQUE : Après planification, le chirurgien est en mesure d’anticiper l’intervention chirurgicale et de préparer la prothèse et les instruments de support avec une plus grande précision. Cette approche élimine la possibilité de rencontrer une situation où la prothèse correcte n’est pas disponible pendant l’opération. De plus, la solution recommandée est utilisée directement pendant l’opération, ce qui évite d’avoir à trouver des solutions alternatives, des détours ou des processus d’essais et d’erreurs prolongés.

Résultats

Actuellement, nous avons appliqué cette méthode dans cinq cas de patients ayant subi une arthroplastie de révision de la hanche, dont quatre hommes et une femme. L’âge variait de 42 à 67 ans. Ils ont été diagnostiqués comme un descellement aseptique de la prothèse après une arthroplastie de la hanche et classés sur la base de la classification de Paprosky⁸. La durée opératoire moyenne des cinq patients était de 123,2 min, avec une perte de sang peropératoire moyenne de 672 ml. Le temps opératoire ...

Discussion

En raison de lésions anatomiques importantes, de l’état complexe des tissus mous après une arthroplastie de la hanche et de la présence d’artefacts métalliques sévères souvent associés aux implants métalliques, il est souvent nécessaire pour les professionnels de la santé expérimentés d’utiliser la reconstruction 3D pour analyser de manière exhaustive les résultats d’imagerie et les manifestations cliniques afin d’évaluer des défauts osseux spécifiques chez les patients et de planifier e...

Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article

Nom	Entreprise	Numéro de catalogue	Commentaires
PyCharm	JetBrains	243.21565.199	L’IDE Python pour la science des données et le développement web