Strumenti Specifici Pazienti Stampati in 3D - Pianificazione Preoperatoria Virtuale AI Combinata - Artroplastica Unicompartmentale Unicompartmentale Medial Supported Bearing Fixed

Sommario

Qui presentiamo un protocollo per migliorare la precisione dell'artroplastica unicompartmentale del ginocchio a cuscinetti fissi. Utilizza un flusso di lavoro digitale, combinando strumenti specifici per il paziente stampati in 3D con simulazioni preoperatorie per migliorare la precisione dell'allineamento, aumentare la sicurezza chirurgica e consentire risultati personalizzati e riproducibili.

Abstract

L'artroplastica unicompartmentale del ginocchio (UKA) è ampiamente riconosciuta come un trattamento efficace per l'osteoartrite avanzata del ginocchio. Tuttavia, la sua dipendenza dall'esperienza chirurgica e dalle radiografie bidimensionali (2D) introduce sfide significative per chirurghi meno esperti e per i pazienti con deformità femorali o tibiali. Per migliorare la precisione chirurgica e ridurre le complicazioni legate alla maldisposizione protesica, il nostro team ha integrato la tecnologia di stampa tridimensionale (3D) per strumentazione specifica del paziente (PSI) con la pianificazione della simulazione preoperatoria basata sull'intelligenza artificiale (IA), affrontando così i limiti degli approcci tradizionali. Questo studio presenta un flusso di lavoro digitale completo per UKA a cuscinetti fissi che mira a ottenere un allineamento protesico preciso, migliorare l'efficienza e la sicurezza chirurgica, ridurre i tempi operatori e consentire un posizionamento personalizzato delle protesi con risultati coerenti e riproducibili. Il protocollo consiste in cinque passaggi critici: 1. Selezione rigorosa del paziente basata sulle indicazioni UKA a portamento fisso; 2. Acquisizione completa di immagini artificiali, inclusi TAC del ginocchio colpito, radiografie anteroposteriori e laterali, e radiografie a tutta lunghezza con carico in formato DICOM; 3. Pianificazione preoperatoria assistita da IA con rapporti dettagliati di simulazione chirurgica; 4. Fabbricazione di guide di taglio personalizzate stampate in 3D; 5. Esecuzione precisa dell'osteotomia con verifica intraoperatoria. Implementando questo approccio digitale standardizzato, dimostriamo come l'integrazione dell'IA e della stampa 3D possa ottimizzare i risultati UKA attraverso una maggiore riproducibilità, accuratezza e personalizzazione specifica per il paziente.

Introduzione

Negli ultimi anni, la profonda integrazione delle tecnologie digitali con la scienza ortopedica ha portato a un cambiamento di paradigma nella pratica clinica: la transizione da metodi empirici e generalizzati tradizionali a strategie diagnostiche e terapeutiche basate sulla precisione, personalizzate e completamente^{digitali 1}. In questo panorama trasformativo, la tecnologia di stampa 3D, come applicazione di punta dell'innovazione digitale, si è affermata come un fattore chiave per ottenere personalizzazione specifica per il paziente e interventi chirurgici altamente precisi in diverse procedure^{ortopediche 2,3}. L'osteoartrite (OA), riconosciuta come la malattia degenerativa articolare più comune a livello mondiale, presenta una forte correlazione tra la sua prevalenza e l'invecchiamento della popolazione, con studi epidemiologici che dimostrano che l'accelerazione dell'invecchiamento demografico globale ha stabilito l'OA come una causa principale di dolore cronico e disfunzione locomotoria nelle popolazioni di mezza età e^{anziane 4}. Per quanto riguarda le opzioni di trattamento per l'osteoartrite compartimentale mediale (MOA), l'UKA presenta vantaggi clinici distinti rispetto all'artroplastica totale del ginocchio (TKA), tra cui una migliore conservazione dell'anatomia e della funzione fisiologica nativa del ginocchio, una minore incidenza di complicanze post-operatorie e periodi di riabilitazione significativamente più brevi.

L'implementazione efficace dell'UKA mediale dipende in modo critico dalla ricostruzione precisa dell'allineamento degli arti inferiori, dove le sfide chiave includono la variabilità nell'esecuzione dell'osteotomia, l'equilibrio dei tessuti molli e l'allineamento dei componenti. Aspetti tecnicamente impegnativi come la selezione della protesi e il posizionamento dell'osteotomia rimangono prevalentemente dipendenti dalla stima visiva e dalle tecniche manuali del chirurgo, con una notevole variabilità dipendente dall'operatore, con discrepanze di prestazioni superiori al 30% tra chirurghi con diversi livelli di esperienza⁵. Inoltre, le variazioni anatomiche specifiche per il paziente, unite alla curva di apprendimento del chirurgo per i nuovi sistemi protesi, contribuiscono spesso a risultati clinici incoerenti nelle procedure UKA, evidenziando la necessità di una maggiore standardizzazione nelle tecniche^{chirurgiche 6}. L'integrazione della pianificazione AI e del PSI stampato in 3D affronta direttamente queste sfide consentendo una pianificazione dell'allineamento specifica per il paziente, la progettazione automatica delle guide e l'accuratezza submillimetrica dell'osteotomia, riducendo così la dipendenza dall'esperienza chirurgica e migliorando la riproducibilità. I recenti progressi nella stampa 3D PSI per UKA hanno ulteriormente dimostrato questi^{vantaggi 7}. Ricerche approfondite negli ultimi anni hanno dimostrato che la progettazione di immagini digitali 3D combinata con la tecnologia di stampa 3D consente lo sviluppo di sistemi di navigazione chirurgica personalizzati per l'artroplastica del ginocchio, dove la tomografia computerizzata-risonanza magnetica (TC-MRI) con immagini multimodali basate su fusione e PSI stampati in 3D migliora significativamente la precisione della correzione dell'allineamento degli arti, del controllo del volume dell'osteotomia, della dimensionamento del plateau tibiale^{e della posizione} 8 della protesi condilare femorale^{. 9,10}.

Per affrontare i limiti intrinseci delle tecniche convenzionali UKA, il nostro team di ricerca ha sviluppato un approccio innovativo integrando PSI stampati in 3D con la pianificazione virtuale preoperatoria basata su IA per assistere l'UKA a portamento fisso mediale. Stabilendo un flusso di lavoro chirurgico completamente digitalizzato per UKA a piattaforma fissa, sono stati raggiunti progressi tecnologici fondamentali, tra cui (1) simulazione biomeccanica preoperatoria con modellazione dinamica guidata dall'IA e (2) osteotomia submillimetrica guidata con precisione da moduli di navigazione stampati in 3D.

Protocollo

Questa ricerca ha ricevuto l'approvazione etica dal Comitato Etico della Ricerca del Primo Ospedale dell'Università Medica dell'Hebei. Il consenso informato è stato ottenuto da tutti i singoli partecipanti allo studio.

1. Selezione del paziente e imaging preoperatorio

1. Seleziona pazienti con osteoartrite compartimentale anteromediale o osteonecrosi condile del femore mediale.
2. Confermare un legamento crociato anteriore (LCA) intatto, un legamento collaterale mediale competente (LCM) e cartilagine del compartimento laterale con variazioni di grado Outerbridge ≤ II.
3. Escludere i pazienti con artrite infiammatoria, deformità del varo deformità del varo >15°, contrattura di flessione >15° o flessione del ginocchio <90°.
4. Effettuare una TAC a taglio sottile (≤1,0 mm) che si estende da 15 cm prossimale ai condili femorali fino a 15 cm distali al plateau tibiale.
5. Ottieni radiografie a tutta lunghezza e con carico di peso e viste dedicate al ginocchio per una valutazione preoperatoria completa.

2. Segmentazione dei dati CT

1. Apri il software Mimics v2.1 e importa i dati TC DICOM del femore, della rotula, della tibia e del perone.
2. Usa il comando Threshold per regolare l'intervallo standardizzato di soglia per l'osso (valore minimo: 175) e filtrare i voxel non ossei dall'immagine (Figura 1A).
3. Usa il comando Crescita Regione per estrarre ossa in regioni separate (Figura 1B).
4. Usa lo strumento Modifica Maschere per aggiungere e riempire eventuali aree scheletriche non selezionate (Figura 1C).
5. Converti le Maschere in dati mesh (griglia) (Figura 1D).
6. Esporta i modelli ossei STL per tutte le strutture rilevanti e salvali come file di backup (Figura 1E).

3. Profilo di protesi virtuali guidato dall'IA e simulazione chirurgica

1. Apri il software Creo Parametric e importa i dati del modello STL del femore, della rotula, della tibia e del perone.
2. Analizzare l'anatomia femorale identificando la linea condilare, la superficie distale del femore, la superficie condilare posteriore, l'asse meccanico e l'asse anatomico (Figura 2A-B).
3. Determinare gli angoli femorali specifici del paziente (ad esempio, varo femorale e rotazione esterna del femore) in base alle caratteristiche anatomiche individuali (Figura 2A-B).
4. Determinare gli angoli tibiali specifici del paziente (ad esempio, varo tibiale, retroversione tibiale e rotazione esterna tibiale) secondo il modello anatomico 3D (Figura 2C-D).
5. In base alla morfologia ossea di ogni paziente, si selezionano i componenti protesici appropriati: componente femorale (dimensioni 1-6) posizionata a 2-3 mm dal bordo corticale femorale; componente tibiale (taglia 1-6) evitando sporgenze o conflitti protesi; e inserto in polietilene (dimensioni 9-13 mm) (Figura 2E-F).
6. Verifica l'allineamento dell'impianto e l'equilibrio degli spazi per ottenere 0° di flessione e 90° di estensione entro una tolleranza di ±1 mm.
7. Generare un rapporto di pianificazione preoperatoria che riassuma la dimensione dei componenti, i parametri di allineamento e i risultati della simulazione virtuale.
   NOTA: La simulazione virtuale per questo piano preoperatorio è stata completata in una durata media inferiore a 2 ore su una postazione clinica standard. Questo processo richiedeva tipicamente da 3 a 5 iterazioni per perfezionare il posizionamento dei componenti e raggiungere un equilibrio ottimale dei tessuti molli, garantendo un flusso di lavoro riproducibile ed efficiente.

4. Progettazione e produzione di strumenti specifici per il paziente

1. Usa algoritmi di IA per generare automaticamente i progetti di guida di taglio dal piano 3D finalizzato. I progetti di strumenti specifici per il paziente (PSI) sono inizialmente generati utilizzando un flusso di lavoro automatizzato guidato dall'IA.
   NOTA: Gli algoritmi fondamentali, basati sulle Reti Neurali di Artificia (ANN) per il riconoscimento delle caratteristiche anatomiche, analizzano il modello osseo 3D, i piani osteotomici predefiniti e i punti di riferimento anatomici^{chiave 11}. Questo sistema genera automaticamente gli elementi funzionali fondamentali delle guide, incluse le posizioni delle fessure per osteotomia, la superficie di contatto con l'osso (geometria "adattamento all'osso") e la struttura di supporto esterna complessiva, ottimizzando parametri come profondità di resezione, stabilità della guida e area di contatto.
2. Esegui un passaggio obbligatorio di validazione manuale e modifica dopo la generazione dell'IA. Ispeziona meticolosamente i progetti proposti nel software di pianificazione. Se vengono identificati problemi, come contatto insufficiente con l'osso corticale o potenziale impingimento dei tessuti molli, i parametri rilevanti (ad esempio, spostamento della superficie di contatto, traiettoria del perno) devono essere regolati manualmente.
3. Progetta una guida di taglio tibiale per le resezioni coronali e assiali, incorporando tre punti di fissazione.
4. Progettare la guida femorale I per la resezione distale e la guida femorale II per tagli posteriori e perforazione dei fori (Figura 3).
5. Fabbricare tutte le guide utilizzando poliammide di grado medico 12 tramite produzione additiva con tecnologia di sinterizzazione laser selettiva (SLS). L'orientamento della stampa era ottimizzato per minimizzare la necessità di strutture di supporto su superfici critiche a contatto ossuo, orientando tipicamente la base della guida a un angolo di 15^\circ15 rispetto alla piattaforma di costruzione.
6. Post-elaborazione:
   1. Disimballaggio e depolverizzazione: Rimuovere con cura le parti dalla camera di costruzione
   2. Splodimento a colpo: eseguire splodimento per ottenere una finitura superficiale liscia
   3. Ispezione di qualità: Verifica l'accuratezza dimensionale rispetto al modello digitale
   4. Pulizia a ultrasuoni: Pulisci le guide in acqua deionizzata per rimuovere eventuali residui di polvere
   5. Asciugatura: Asciuga le guide e imballali per la sterilizzazione terminale tramite autoclaving a 132°C per 4 minuti prima dell'intervento.

5. Procedura chirurgica

1. Verifica l'identità e la procedura del paziente con il paziente e con le cartelle cliniche nell'area di detenzione preoperatoria. Conferma il consenso informato firmato.
2. Indurre anestesia endotracheale generale. Somministrare antibiotici profilattici per via endovenosa (cefuroxima 1,5 g) 30 minuti prima dell'incisione cutanea. Inoltre, somministrare 1 g di acido tranexamico endovenoso prima dell'inflazione del laccio emostatico per minimizzare la perdita di sangue chirurgica.
3. Posiziona il paziente supino sul tavolo operatorio. Posizionare un laccio emostatico non sterile in alto sulla coscia prossimale. Fissare un palo laterale al livello del laccio emostatico per stabilizzare il femore durante la flessione. Imbottire e fissare la gamba controlaterale. Prepara e drapeghia la gamba operatoria nel modo standard sterile, poi copri piede e caviglia con una maglietta sterile.
4. Eseguire un'artrotomia parapatellana mediale preservando il legamento meniscotibiale mediale.
5. Rimuovere gli osteofiti che possono compromettere l'indicazione con rongeurs e osteotomi. Esegui tutte le resezioni ossee (tibiale e femorale) utilizzando una sega oscillante. La rimozione degli osteofiti e i tagli ossei vengono eseguiti sotto visualizzazione diretta senza imaging intraoperatorio e sono guidati dal piano preoperatorio e dai punti di riferimento anatomici per garantire una posizione precisa dei componenti e un equilibrio dei tessuti molli.
6. Posizionare e fissare la guida di taglio tibiale usando fili Kirschner da 2,0 mm (fili K). Inserire i fili K sotto visualizzazione diretta con la loro traiettoria allineata con l'orientamento dei fori dei perni guida.
   NOTA: La fluoroscopia non viene utilizzata per l'allineamento delle guide; La collocazione si basa sull'esposizione anatomica diretta e sull'adesione ai punti di riferimento della pianificazione preoperatoria.
7. Esegui il taglio verticale tibiale utilizzando una lama oscillante inclinata posteriormente.
8. Eseguire il taglio tibiale orizzontale secondo la pendenza posteriore pianificata preoperatoriamente.
9. Posizionare e fissare la guida femorale I, poi eseguire la resezione distale del femore lungo il piano di resezione predefinito.
10. Posizionare e fissare la guida femorale II, poi eseguire i tagli posteriori a smusso e forare i fori dei perni di fissazione.
11. Prova i componenti della protesi e valuta la posizione dell'impianto, la stabilità articolare e l'equilibrio dei legamenti lungo l'ampiezza di movimento.

6. Verifica e validazione intraoperatoria

1. Proteggi il legamento collaterale mediale (MCL) con un retrattore Hohmann per tutta la procedura.
2. Utilizzando caliper a dita, verifica ogni superficie di osteotomia confrontandola con il modello osseo stampato in 3D preoperatorio per confermare l'accuratezza geometrica.
   NOTA: La geometria e le dimensioni di ciascuna superficie osteotomica sono verificate tramite confronto diretto con il modello osseo preoperatorio stampato in 3D. Sono stati utilizzati calibratori digitali per eseguire misurazioni quantitative precise (ad esempio, spessore della resection, dimensioni condilari) con una precisione di 0,1 mm, assicurando che i tagli ossei ottenuti rispecchiassero il piano preoperatorio.
3. Misurare gli spazi di flessione ed estensione in condizioni di carico fisiologico, assicurandosi che la differenza sia di <1 mm.
4. Valutare dinamicamente il tracciamento rotuleo durante l'arco completo di flessione-estensione per confermare il tracciamento centrale e prevenire il malallineamento.
5. Documentare la posizione finale dell'impianto tramite radiografie intraoperatorie e confermare l'assenza di sporgenze corticali e il ripristino della linea articolare.

Risultati

Un paziente maschio di 69 anni si è presentato con osteoartrite bilaterale al ginocchio, che due anni prima aveva già subito un'artroplastica unicompartmentale al ginocchio con portate mobili sul lato destro con un recupero postoperatorio soddisfacente. A causa di una procedura di chiodatura intramedullare eseguita due decenni fa per una frattura dell'anale femorale al ginocchio sinistro, la strumentazione chirurgica convenzionale non è stata inserita correttamente a causa dell'alterazion...

Discussione

L'implementazione con successo di questo protocollo digitale UKA dipende da diversi passaggi critici. Innanzitutto, l'acquisizione di dati CT di alta qualità e a sottili specchi (≤1,0 mm) è fondamentale, poiché la fedeltà dei successivi modelli 3D ossei e la precisione delle guide PSI dipendono direttamente^{da essa 8,12}. In secondo luogo, la fase di pianificazione virtuale guidata dall'IA è cruciale per determinare l'allineamento ...

Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo

Nome	Azienda	Numero di catalogo	Commenti
Creo Parametric 8.0.0.0	PTC	https://www.ptc.com/ en/products/creo	Output della guida alla simulazione chirurgica
Strumenti Specifici per Paziente stampati in 3D	Sikon Medical Co., Ltd. Cina	D250610	Conformità anatomica e Posizionamento di precisione; Allineamento Ottimizzato degli Arti; Efficienza chirurgica; approccio minimamente invasivo? Riproducibilità Potenziata
Componente femorale	Beijing Leadcom Biomedical Co., Ltd.	A5101-05lM	Riemergono il condilo femorale artritico (mediale/laterale).
Mimics Research 21.0	Materialise	https://www.materialise. com/en/software/mimics-research-suite	Elaborazione immagini
Inserto in polietilene	Beijing Leadcom Biomedical Co., Ltd.	A5301-0410	Agisce come superficie articolante tra i componenti femorale e tibiali
Componenti tibiali	Beijing Leadcom Biomedical Co., Ltd.	A5201-04LM	Sostituisce il logoro tibiale consumato e fornisce una base per   l'inserto in polietilene.