Instruments spécifiques à chaque patient imprimés en 3D - IA combinée Planification préopératoire virtuelle assistée par la médecine à port fixe unicompartmental

Résumé

Nous présentons ici un protocole pour améliorer la précision de l’arthroplastie unicompartmentale du genou à portement fixe. Il utilise un flux de travail numérique, combinant des instruments spécifiques aux patients imprimés en 3D avec des simulations préopératoires afin d’améliorer la précision de l’alignement, d’accroître la sécurité chirurgicale et de permettre des résultats personnalisés et reproductibles.

Résumé

L’arthroplastie unicompartmentale du genou (UKA) est largement reconnue comme un traitement efficace pour l’arthrose avancée du genou. Cependant, sa dépendance à l’expérience chirurgicale et aux radiographies bidimensionnelles (2D) pose des défis importants pour les chirurgiens moins expérimentés ainsi que pour les patients souffrant de déformations fémorales ou tibiales. Pour améliorer la précision chirurgicale et réduire les complications liées à la malposition de la prothèse, notre équipe a intégré la technologie d’impression tridimensionnelle (3D) pour instrumentation spécifique au patient (PSI) avec la planification préopératoire basée sur l’intelligence artificielle (IA), répondant ainsi aux limites des approches traditionnelles. Cette étude présente un flux de travail numérique complet pour l’UKA à bearing fixe, visant à obtenir un alignement précis des prothèses, à améliorer l’efficacité et la sécurité chirurgicales, à réduire le temps d’opération et à permettre un positionnement personnalisé des prothèses avec des résultats cohérents et reproductibles. Le protocole se compose de cinq étapes critiques : 1. Sélection stricte des patients basée sur des indications UKA à portement fixe ; 2. Acquisition d’imagerie complète, incluant des scanners du genou affecté, des radiographies antéropostérieures et latérales, ainsi que des radiographies porteuses de poids sur toute la longueur au format DICOM ; 3. Planification préopératoire assistée par IA avec des rapports de simulation chirurgicale détaillés ; 4. Fabrication de guides de découpe personnalisés imprimés en 3D ; 5. Exécution précise de l’ostéotomie avec vérification intraopératoire. En appliquant cette approche numérique standardisée, nous démontrons comment l’intégration de l’IA et de l’impression 3D peut optimiser les résultats de l’UKA grâce à une meilleure reproductibilité, précision et personnalisation spécifique au patient.

Introduction

Ces dernières années, l’intégration profonde des technologies numériques avec la science orthopédique a entraîné un changement de paradigme dans la pratique clinique : la transition des méthodes empiriques et généralisées traditionnelles vers des stratégies diagnostiques et thérapeutiques personnalisées et entièrement numériques^{basées sur la précision 1}. Dans ce paysage transformateur, la technologie d’impression 3D, en tant qu’application phare de l’innovation numérique, s’est imposée comme un outil clé pour obtenir une personnalisation spécifique au patient et des interventions chirurgicales très précises dans diverses procédures orthopédiques ^2,3. L’arthrose (OA), reconnue comme la maladie dégénérative articulaire la plus courante dans le monde, présente une forte corrélation entre sa prévalence et le vieillissement de la population, des études épidémiologiques démontrant que l’accélération du vieillissement démographique mondial a établi l’OA comme une cause majeure de douleurs chroniques et de dysfonctionnement locomoteur chez les populations d’âge moyen et^{âgées 4}. Concernant les options de traitement de l’arthrose compartimentaire médiale (MOA), l’UKA présente des avantages cliniques distincts par rapport à l’arthroplastie totale du genou (ATG), notamment une meilleure préservation de l’anatomie et de la fonction physiologique naturelles du genou, une incidence plus faible des complications postopératoires et des périodes de rééducation significativement plus courtes.

La mise en œuvre réussie de l’UKA médiale dépend de manière cruciale d’une reconstruction précise de l’alignement des membres inférieurs, où les principaux défis incluent la variabilité dans l’exécution de l’ostéotomie, l’équilibrage des tissus mous et l’alignement des composants. Des aspects techniquement exigeants tels que le choix de la prothèse et le positionnement de l’ostéotomie dépendent principalement de l’estimation visuelle et des techniques manuelles du chirurgien, ce qui entraîne une variabilité importante dépendant de l’opérateur, avec des écarts de performance dépassant 30 % chez les chirurgiens ayant différents niveaux^{d’expérience 5}. De plus, les variations anatomiques spécifiques au patient, associées à la courbe d’apprentissage du chirurgien pour les nouveaux systèmes de prothèses, contribuent fréquemment à des résultats cliniques incohérents dans les procédures UKA, soulignant la nécessité d’une plus grande standardisation des techniques^{chirurgicales.} L’intégration de la planification IA et des PSI imprimés en 3D répond directement à ces défis en permettant une planification d’alignement spécifique au patient, la conception automatisée des guides et une précision submillimétrique de l’ostéotomie, réduisant ainsi la dépendance à l’expérience chirurgicale et améliorant la reproductibilité. Les avancées récentes dans le PSI imprimé en 3D pour UKA ont encore démontré ces^{avantages 7}. Des recherches approfondies ces dernières années ont montré que la conception d’imagerie numérique 3D combinée à la technologie d’impression 3D permet le développement de systèmes de navigation chirurgicale personnalisés pour l’arthroplastie du genou, où la tomodensitométrie par résonance magnétique (TC-IRM) (PSI imprimée en 3D basée sur la fusion) multimodale améliore significativement la précision de la correction de l’alignement des membres, du contrôle du volume de l’ostéotomie, de la taille du plateau tibial et^{du positionnement} 8 de la prothèse condylaire ^{fémorale. 9,10}.

Pour remédier aux limites inhérentes aux techniques conventionnelles UKA, notre équipe de recherche a développé une approche innovante en intégrant PSI imprimé en 3D avec une planification préopératoire virtuelle basée sur l’IA afin d’aider l’UKA à portement fixe médial. En établissant un flux de travail chirurgical entièrement numérisé pour l’UKA à plateforme fixe, des avancées technologiques cruciales ont été réalisées, notamment (1) la simulation biomécanique préopératoire utilisant la modélisation dynamique pilotée par l’IA et (2) la précision de l’ostéotomie submillimétrique guidée par des modules de navigation imprimés en 3D.

Protocole

Cette recherche a reçu l’approbation éthique du Comité d’éthique de la recherche du First Hospital of Hebei Medical University. Le consentement éclairé a été obtenu de tous les participants individuels inclus dans l’étude.

1. Sélection des patients et imagerie préopératoire

1. Sélectionnez les patients atteints d’arthrose compartimentaire antéromédiane ou d’ostéonécrose du condyle fémoral médian.
2. Confirmer un ligament croisé antérieur (LCA) intact, un ligament collatéral médial (LCM) compétent et un cartilage du compartiment latéral avec des modifications de grade Outerbridge ≤ II.
3. Excluez les patients atteints d’arthrite inflammatoire, de déformation du varus >15°, de contracture de flexion >15°, ou de flexion du genou <90°.
4. Réaliser un scanner en fine tranche (≤1,0 mm) s’étendant de 15 cm proximal aux condyles fémoraux jusqu’à 15 cm distal du plateau tibial.
5. Obtenez des radiographies complètes complémentaires et des vues dédiées du genou pour une évaluation préopératoire complète.

2. Segmentation des données CT

1. Ouvrez le logiciel Mimics v2.1 et importez les données DICOM du CT du fémur, de la rotule, du tibia et du péroné.
2. Utilisez la commande Threshold pour ajuster la plage de seuil standardisée pour l’os (valeur minimale : 175) et filtrer les voxels non osseux de l’image (Figure 1A).
3. Utilisez la commande Croissance de la région pour extraire des os dans des régions séparées (Figure 1B).
4. Utilisez l’outil Modifier les masques pour ajouter et remplir les zones squelettiques non sélectionnées (Figure 1C).
5. Convertissez les masques en données maillées (grille) (Figure 1D).
6. Exportez les modèles d’os STL pour toutes les structures concernées et enregistrez comme fichiers de sauvegarde (Figure 1E).

3. Templation de prothèses virtuelles guidées par IA et simulation chirurgicale

1. Ouvrez le logiciel Creo Parametric et importez les données du modèle STL du fémur, de la rotule, du tibia et du péroné.
2. Analysez l’anatomie fémorale en identifiant la ligne condylaire, la surface distale fémorale, la surface condylaire postérieure, l’axe mécanique et l’axe anatomique (Figure 2A-B).
3. Déterminer les angles fémoraux spécifiques au patient (par exemple, le varus fémoral et la rotation externe du fémoral) en fonction des caractéristiques anatomiques individuelles (Figure 2A-B).
4. Déterminer les angles tibiaux spécifiques au patient (par exemple, varus tibial, rétroversion tibiale et rotation externe tibiale) selon le modèle anatomique 3D (Figure 2C-D).
5. En fonction de la morphologie osseuse de chaque patient, on sélectionne les composants prothèses appropriés : composante fémorale (taille 1-6) positionnée à 2-3 mm du bord cortical fémoral ; composante tibiale (taille 1-6) évitant le survol des bords ou les conflits de prothèses ; et insert en polyéthylène (taille 9-13 mm) (Figure 2E-F).
6. Vérifier l’alignement de l’implant et l’équilibre des espaces pour obtenir 0° de flexion et 90° d’extension avec une tolérance de ±1 mm.
7. Générez un rapport de planification préopératoire résumant la taille des composants, les paramètres d’alignement et les résultats de simulations virtuelles.
   REMARQUE : La simulation virtuelle de ce plan préopératoire a été réalisée en une durée moyenne inférieure à 2 heures sur un poste de travail clinique standard. Ce processus impliquait généralement 3 à 5 itérations pour affiner le positionnement des composants et obtenir un équilibre optimal des tissus mous, garantissant un flux de travail reproductible et efficace.

4. Conception et production d’instruments spécifiques aux patients

1. Utilisez des algorithmes d’IA pour générer automatiquement des designs de guides de découpe à partir du plan 3D finalisé. Les conceptions d’instruments spécifiques au patient (PSI) sont initialement générées à l’aide d’un flux de travail automatisé piloté par l’IA.
   REMARQUE : Les algorithmes de base, basés sur les réseaux neuronaux Artificia (RNA) pour la reconnaissance des caractéristiques anatomiques, analysent le modèle osseux 3D, les plans d’ostéotomie prédéfinis et les repères anatomiques^{clés 11}. Ce système génère automatiquement les éléments fonctionnels fondamentaux des guides, y compris les positions des fentes d’ostéotomie, la surface de contact osseuse (géométrie « ajustement à l’os ») et la structure de support externe globale, en optimisant pour des paramètres tels que la profondeur de résection, la stabilité du guide et la surface de contact.
2. Effectuez une étape obligatoire de validation et d’édition manuelle après la génération de l’IA. Inspectez minutieusement les plans proposés dans le logiciel de planification. Si des problèmes sont identifiés, tels qu’un contact insuffisant avec l’os cortical ou un éventuel impact des tissus mous, les paramètres pertinents (par exemple, décalage de surface de contact, trajectoire de la goupille) doivent être ajustés manuellement.
3. Concevez un guide de coupe tibiale pour les résections coronales et axiales, intégrant trois points de fixation.
4. Concevoir le guide fémoral I pour la résection distale et le guide fémoral II pour les coupures postérieures et le forage par trou de chevilles (Figure 3).
5. Fabriquez tous les guides utilisant du polyamide de qualité médicale 12 via la fabrication additive utilisant la technologie de frittage sélectif au laser (SLS). L’orientation de l’impression était optimisée pour minimiser le besoin de structures de support sur des surfaces critiques en contact osseux, orientant généralement la base du guide à un angle de 15^\circ15 par rapport à la plateforme de construction.
6. Post-traitement :
   1. Déballage et dépoudrage : Retirez soigneusement les pièces de la chambre de construction
   2. Blasting : Effectuez du shot blasting pour obtenir une finition de surface lisse
   3. Inspection qualité : Vérifier la précision dimensionnelle par rapport au modèle numérique
   4. Nettoyage ultrasonore : nettoyez les guides dans de l’eau déionisée pour éliminer toute poudre résiduelle
   5. Séchage : Séchez les guides et préparez-les pour une stérilisation terminale via autoclav à 132°C pendant 4 minutes avant l’opération.

5. Intervention chirurgicale

1. Vérifiez l’identité et la procédure du patient avec le patient et auprès des dossiers médicaux dans la zone de détention préopératoire. Confirmez le consentement éclairé signé.
2. Induire une anesthésie endotrachéale générale. Administrez des antibiotiques intraveineux prophylactiques (céfuroxime 1,5 g) 30 minutes avant l’incision cutanée. De plus, administrez 1 g d’acide transexamique intraveineux avant le gonflement du garrot afin de minimiser la perte de sang chirurgicale.
3. Placez le patient allongé sur la table d’opération. Placez un garrot non stérile en hauteur sur la cuisse proximale. Fixez un pion latéral au niveau du garrot pour stabiliser le fémur pendant la flexion. Coussin et sécurisez la jambe controlatérale. Préparez et drapez la jambe opératoire selon la méthode stérile standard, puis couvrez le pied et la cheville d’un jersey stérile.
4. Effectuer une arthrotomie parapatulienne médiale tout en préservant le ligament méniscotibial médian.
5. Retirez les ostéophytes qui peuvent altuer l’adhésion des guides à l’aide de rongeurs et d’ostéotômes. Effectuez toutes les résections osseuses (tibiale et fémorale) à l’aide d’une scie oscillante. L’ablation des ostéophytes et les coupures osseuses sont réalisées sous visualisation directe sans imagerie intraopératoire et sont guidées par le plan préopératoire et les repères anatomiques afin d’assurer un positionnement précis des composants et un équilibre des tissus mous.
6. Positionner et fixer le guide de coupe tibial à l’aide de fils Kirschner de 2,0 mm (fils K). Insérez les fils K en visualisation directe avec leur trajectoire alignée avec l’orientation des trous des goupilles.
   REMARQUE : La fluoroscopie n’est pas utilisée pour l’alignement des guides ; Le placement est basé sur une exposition anatomique directe et le respect des repères de planification préopératoire.
7. Effectuez la coupe tibiale verticale à l’aide d’une lame de scie oscillante inclinée vers l’arrière.
8. Effectuer la coupe tibiale horizontale selon la pente postérieure planifiée préopératoirement.
9. Positionner et fixer le guide fémoral I, puis effectuer la résection distale du fémur le long du plan de résection préplanifié.
10. Positionner et fixer le guide fémoral II, puis effectuer les coupes de chanfrein postérieures et percer les trous de fixation.
11. Testez les composants de la prothèse et évaluez la position de l’implant, la stabilité articulaire et l’équilibre des ligaments tout au long de l’amplitude de mouvement.

6. Vérification et validation intraopératoires

1. Protégez le ligament collatéral médial (LCM) avec un écarteur Hohmann tout au long de la procédure.
2. À l’aide d’un étrier à doigts, vérifiez chaque surface d’ostéotomie en la comparant au modèle osseux préopératoire imprimé en 3D afin de confirmer la précision géométrique.
   REMARQUE : La géométrie et les dimensions de chaque surface d’ostéotomie sont vérifiées par comparaison directe avec le modèle osseux imprimé en 3D préopératoire. Des étriers numériques ont été utilisés pour effectuer des mesures quantitatives précises (par exemple, épaisseur de résection, dimensions condylaires) avec une précision de 0,1 mm, garantissant que les coupes osseuses obtenues correspondaient au plan préopératoire.
3. Mesurez les espaces de flexion et d’extension sous conditions de charge physiologique, en veillant à ce que la différence soit de <1 mm.
4. Évaluer dynamiquement le suivi rotulien à travers l’arc complet de flexion-extension afin de confirmer le suivi central et d’éviter un mauvais alignement.
5. Documentez la position finale de l’implant à l’aide de radiographies intraopératoires et confirmez l’absence de surplomb cortical, ainsi que la restauration de la ligne articulaire.

Résultats

Un patient masculin de 69 ans s’est présenté avec de l’arthrose bilatérale du genou, qui avait auparavant subi une arthroplastie unicompartmentale du genou mobile du côté droit deux ans plus tôt, avec une récupération postopératoire satisfaisante. En raison d’une intervention de clous intramédullaire réalisée il y a deux décennies pour une fracture de la verge fémorale au genou gauche, les instruments chirurgicaux conventionnels n’ont pas pu être correctement insérés en raison de l’anatom...

Discussion

La mise en œuvre réussie de ce protocole numérique UKA dépend de plusieurs étapes critiques. Premièrement, l’acquisition de données CT de haute qualité, en tranches fines (≤1,0 mm) est primordiale, car la fidélité des modèles 3D d’os ultérieurs et la précision des guides PSI en dépendent^{directement 8,12}. Deuxièmement, la phase de planification virtuelle guidée par IA est cruciale pour déterminer l’alignement spécifique au patient...

Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article

Nom	Entreprise	Numéro de catalogue	Commentaires
Creo Parametric 8.0.0.0	PTC	https://www.ptc.com/ en/products/creo	Sortie du guide de simulation chirurgicale
Instruments spécifiques au patient imprimés en 3D	Sikon Medical Co., Ltd. Chine	D250610	Conformité anatomique & Positionnement de précision ; Alignement optimisé des membres ; Efficacité chirurgicale ; approche mini-invasive ? Reproductibilité améliorée
Composante fémorale	Beijing Leadcom Biomedical Co., Ltd.	A5101-05lM	Le condyle arthritique fémoral (médial/latéral) refait surface.
Recherche sur les mimiques 21.0	Matérialisez	https://www.materialise. com/en/software/mimics-research-suite	Traitement d’image
Insert en polyéthylène	Beijing Leadcom Biomedical Co., Ltd.	A5301-0410	Agit comme une surface articulante entre les composants fémoral et tibial
Composantes tibiales	Beijing Leadcom Biomedical Co., Ltd.	A5201-04LM	Remplace le plateau tibial usé et fournit une base pour   ; l’insert en polyéthylène.