3D 프린팅 환자 전용 기구-결합 AI 가상 수술 전 계획-보조 내측 고정 베어링 단방 무릎 관절 성형술

요약

여기서는 고정 지지 단일 구획 무릎 관절 성형술의 정밀도를 높이기 위한 프로토콜을 소개합니다. 이 프로그램은 3D 프린팅된 환자 전용 기구와 수술 전 시뮬레이션을 결합한 디지털 워크플로우를 사용하여 정렬 정확도를 높이고 수술 안전성을 높이며 개인화되고 재현 가능한 결과를 가능하게 합니다.

초록

단일 구획 무릎 관절 성형술(UKA)은 진행성 무릎 골관절염에 효과적인 치료법으로 널리 인정받고 있습니다. 그러나 수술 경험과 2차원(2D) 방사선 촬영에 의존하기 때문에 경험이 적은 외과의사와 대퇴골 또는 경골 기형 환자에게 상당한 도전 과제가 있습니다. 수술 정밀도를 높이고 보철물 부위 관련 합병증을 줄이기 위해, 저희 팀은 환자별 기구(PSI)용 3차원(3D) 프린팅 기술과 인공지능(AI) 기반 수술 전 시뮬레이션 계획을 통합하여 전통적인 접근법의 한계를 해결했습니다. 본 연구는 고정 지지 UKA를 위한 포괄적인 디지털 워크플로우를 제시하며, 정밀한 보철 정렬을 달성하고, 수술 효율과 안전성을 향상시키며, 수술 시간을 단축하고, 일관되고 재현 가능한 결과를 위한 맞춤형 보철물 위치 조정을 가능하게 합니다. 프로토콜은 다섯 가지 중요한 단계로 구성됩니다: 1. 고정 방향 UKA 적응증에 기반한 엄격한 환자 선발; 2. 영향을 받은 무릎의 CT 스캔, 전후 및 외측 방사선, DICOM 형식의 전신 체중 부하 X선 촬영을 포함한 포괄적인 영상 촬영; 3. 상세한 수술 시뮬레이션 보고서를 포함한 AI 지원 수술 전 계획; 4. 맞춤형 3D 프린팅 절단 가이드 제작; 5. 수술 중 검증을 포함한 정확한 골절개 시술. 이 표준화된 디지털 접근법을 도입함으로써, AI와 3D 프린팅을 통합함으로써 재현성, 정확성, 환자별 맞춤화 향상을 통해 UKA 결과를 최적화할 수 있음을 보여줍니다.

서론

최근 몇 년간 디지털 기술과 정형외과 과학의 깊이 통합은 임상 실무에서 전통적인 경험적이고 일반화된 방법에서 정밀하고 개인화된 완전 디지털 진단 및 치료 전략으로의 전환을 촉진했습니다. 이러한 변혁적인 환경 속에서 3D 프린팅 기술은 디지털 혁신의 대표적 응용품으로서 환자 맞춤형 맞춤 제작과 다양한 정형외과 시술에서 매우 정밀한 수술 개입을 가능하게 하는 핵심 수단으로 부상했습니다 ^2,3. 전 세계적으로 가장 흔한 퇴행성 관절질환으로 인정받는 골관절염(OA)은 그 유병률과 인구 고령화 사이에 강한 상관관계를 보이며, 역학 연구에 따르면 가속화된 전 세계 인구 고령화가 중장년 및 노인 인구에서 만성 통증과 운동 기능 장애의 주요 원인으로 자리매김하게^{되었습니다.}. 내측 구획 골관절염(MOA) 치료 옵션과 관련해, UKA는 전무릎 관절 성형술(TKA)에 비해 뚜렷한 임상적 이점을 제공합니다. 여기에는 무릎 해부학 및 생리적 기능의 더 나은 보존, 수술 후 합병증 발생률 감소, 그리고 현저히 짧은 재활 기간이 포함됩니다.

내측 UKA의 성공적인 시행은 정밀한 하체 정렬 재건에 매우 중요하며, 주요 과제로는 골절개 시술의 변동성, 연부 조직 균형, 구성 요소 정렬 등이 있습니다. 보철물 선택과 골절개 위치 조정과 같은 기술적으로 까다로운 부분은 주로 외과의사의 시각적 추정과 수기 기술에 의존하며, 이는 수술자마다 상당한 변동성이 발생하며, 경험 수준에 따라 수행 성능 차이가 30%를 초과하는 경우가 발생한다⁵. 더불어, 환자별 해부학적 차이와 외과의사의 새로운 보철 시스템에 대한 학습 곡선이 결합되어 UKA 시술에서 임상 결과가 일관되지 않게 발생하며, 이는 수술 기술의 표준화 필요성을 강조합니다⁶. AI 계획과 3D 프린팅 PSI의 통합은 환자별 정렬 계획, 자동 가이드 설계, 서브밀리미터 골절골술 정확도를 가능하게 하여 이러한 문제를 직접적으로 해결하여 수술 경험에 대한 의존도를 줄이고 재현성을 향상시킵니다. UKA를 위한 3D 프린팅 PSI의 최근 발전은^{이러한 장점을} 더욱 입증했습니다. 7. 최근 몇 년간의 광범위한 연구는 3D 디지털 영상 설계와 3D 프린팅 기술을 결합하여 무릎 관절 성형술을 위한 맞춤형 수술 내비게이션 시스템 개발을 가능하게 하며, CT-MRI 다중 모달 영상 융합 기반 3D 프린팅 PSI가 사지 정렬 교정, 골절개 부피 조절, 경골 고원 크기 측정, 대퇴 과두 보철 위치 정확도를 크게 향상시키는 것으로 밝혀졌습니다^{8. 9, 10}.

기존 UKA 기법의 내재적 한계를 해결하기 위해, 우리 연구팀은 3D 프린팅된 PSI와 AI 기반 가상 수술 전 계획을 통합하여 내측 고정 방위 UKA를 지원하는 혁신적인 접근법을 개발했습니다. 고정 플랫폼 UKA의 완전 디지털화된 수술 워크플로우를 구축함으로써, (1) AI 기반 동적 모델링을 이용한 수술 전 생체역학적 시뮬레이션과 (2) 3D 프린팅 내비게이션 모듈에 의해 정밀하게 안내되는 서브밀리터 골절개술 등 중요한 기술 진보가 이루어졌습니다.

프로토콜

이 연구는 허베이의과대학 제1병원 연구 윤리위원회로부터 윤리적 승인을 받았습니다. 연구에 포함된 모든 개별 참가자로부터 사전 동의를 받았습니다.

1. 환자 선정 및 수술 전 영상

1. 전내측 구획 골관절염 또는 내측 대퇴 과과성 골괴사를 가진 환자를 선별합니다.
2. 전방십자인대(ACL), 기능하는 내측 측부 인대(MCL), 외측 구획 연골과 아우터브리지 ≤ II 등급 변화를 확인합니다.
3. 염증성 관절염, 내복 변형, 내복 변형>15°), 굴곡 수축>15°, 또는 무릎 굴곡<90°) 환자는 제외합니다.
4. 대퇴골 과두 근위쪽 15cm에서 경골 고원 15cm 지점까지 얇은 슬라이스 CT 스캔(≤1.0 mm)을 촬영하세요.
5. 전신 체중 부하 방사선 촬영과 전용 무릎 관측 영상을 통해 포괄적인 수술 전 평가를 받으세요.

2. CT 데이터 세분화

1. Mimics 소프트웨어 v2.1을 열고 대퇴골, 슬개골, 경골, 비골의 CT DICOM 데이터를 가져오세요.
2. Threshold 명령을 사용해 뼈의 표준화된 임계값 범위(최소 값: 175)를 조정하고, 비뼈 복셀은 이미지에서 필터링하세요(그림 1A).
3. Region Grow 명령어를 사용해 각 영역의 뼈를 추출하세요(그림 1B).
4. Edit Masks 도구를 사용해 선택하지 않은 골격 영역을 추가하고 채우세요(그림 1C).
5. 마스크를 메쉬(그리드) 데이터로 변환합니다(그림 1D).
6. 관련 구조물의 STL 본 모델을 내보내고 백업 파일로 저장하세요(그림 1E).

3. AI 유도 가상 보철물 템플릿 및 수술 시뮬레이션

1. Creo Parametric 소프트웨어를 열고 대퇴골, 슬개골, 경골, 비골의 STL 모델 데이터를 가져오세요.
2. 대퇴 해부학을 분석하여 하과선, 원위 대퇴 표면, 후방 요두면, 기계적 축, 해부학적 축을 식별합니다(그림 2A-B).
3. 개별 해부학적 특징에 따라 환자별 대퇴골각(예: 대퇴 전복 및 대퇴 외회전)을 결정합니다(그림 2A-B).
4. 3D 해부학적 모델(그림 2C-D)에 따라 환자별 경골각(예: 경골 후복, 경골 후퇴, 경골 외회전)을 결정합니다.
5. 각 환자의 뼈 형태에 따라 적절한 보철물 구성 요소를 선택하세요: 대퇴 피질 가장자리에서 2-3mm 떨어진 대퇴골 구성 요소(크기 1-6); 경골 부위(크기 1-6)는 가장자리 돌출 또는 보철물 충돌을 피합니다; 그리고 폴리에틸렌 삽입물(크기 9-13mm)(그림 2E-F)입니다.
6. 임플란트의 정렬과 간격 균형을 확인하여 ±1 mm 허용 오차 내에서 0° 굴곡과 90° 신장 간격을 달성하세요.
7. 구성 요소 크기, 정렬 매개변수, 가상 시뮬레이션 결과를 요약한 수술 전 계획 보고서를 생성하세요.
   참고: 이 수술 전 계획의 가상 시뮬레이션은 표준 임상 워크스테이션에서 평균 2시간 미만 동안 완료되었습니다. 이 과정은 보통 3번에서 5번의 반복으로 구성품 위치를 정교하게 조정하고 최적의 연조직 균형을 달성하여 재현 가능하고 효율적인 작업 흐름을 보장합니다.

4. 환자별 기구 설계 및 생산

1. 최종 3D 도면에서 AI 알고리즘을 사용해 자동으로 절단 가이드 디자인을 생성하세요. 환자별 기기(PSI) 설계는 처음에 자동화된 AI 기반 워크플로우를 통해 생성됩니다.
   참고: 해부학적 특징 인식을 위한 인공 신경망(ANN)을 기반으로 한 핵심 알고리즘은 3D 뼈 모델, 미리 정의된 골절개면, 주요 해부학적 랜드마크¹¹을 분석합니다. 이 시스템은 골절개 슬롯 위치, 뼈 접촉면("뼈에 맞는" 기하학), 전체 외부 지지 구조 등 가이드의 핵심 기능 요소를 자동으로 생성하며, 절제 깊이, 가이드 안정성, 접촉 면적 등 다양한 매개변수에 최적화합니다.
2. AI 생성 후 필수 수동 검증 및 편집 단계를 수행하세요. 계획 소프트웨어에서 제안된 설계를 꼼꼼히 검토하세요. 피질뼈와의 접촉 부족이나 연조직 충돌 가능성과 같은 문제가 발견되면, 관련 매개변수(예: 접촉면 오프셋, 핀 궤적)를 수동으로 조정해야 합니다.
3. 세 가지 고정 지점을 포함하는 경골 절제법 가이드를 설계하세요.
4. 원위 절제를 위한 대퇴골 가이드 I, 후방 절개 및 페그홀 드릴링을 위한 대퇴골 가이드 II를 설계합니다(그림 3).
5. 모든 가이드는 선택적 레이저 소결(SLS) 기술을 이용한 적층 제조를 통해 의료용 폴리아미드 12를 사용하여 제작합니다. 인쇄 방향은 뼈가 닿는 중요한 표면에 지지 구조물이 필요 없도록 최적화되었으며, 일반적으로 가이드 바닥을 제작 플랫폼에 대해 15^\circ15 각도로 배치했습니다.
6. 후처리 작업:
   1. 포장 해제 및 분말 제거: 부품을 빌드 챔버에서 조심스럽게 꺼내세요
   2. 샷 블라스팅: 부드러운 표면 마감을 위해 샷 블라스팅을 수행합니다
   3. 품질 검사: 치수 정확도를 디지털 모델과 비교해 검증합니다
   4. 초음파 세척: 가이드신 탈이온수를 세척하여 잔여 분말을 제거합니다
   5. 건조: 가이드를 건조시키고 수술 4분 전 132°C에서 오토클레이빙을 이용해 최종 멸균을 위해 포장하세요.

5. 수술 절차

1. 환자와 수술 전 대기 구역에서 환자 신원과 절차를 확인하고, 의료 기록과 대조하세요. 서명된 사전 동의서를 확인하세요.
2. 전신 기관내 마취를 유도하세요. 피부 절개 30분 전에 예방적 정맥주사 항생제(세푸록심 1.5 g)를 투여하세요. 또한, 지혈대 팽창 전에 정맥 주사 트라넥사믹산 1g을 투여하여 수술 출혈을 최소화하세요.
3. 환자를 수술대 위에 눕히세요. 비멸균 지혈대를 허벅지 근위 높이에 부착하세요. 굽힘 시 대퇴골을 안정시키기 위해 지혈대 높이에 측면 포스트를 고정하세요. 반대쪽 다리를 패드로 고정하세요. 수술 다리를 표준 멸균 방식으로 준비하고 드레이핑한 후, 발과 발목을 멸균 스톡이넷으로 덮습니다.
4. 내측 반월상공경인대를 보존하면서 내측 파라슬라 관절절제술을 시행하세요.
5. 론저와 오스테오톰을 사용해 교정 지도를 방해할 수 있는 골식물을 제거하세요. 모든 뼈 절제(경골 및 대퇴골)는 진동 톱을 사용해 시행하세요. 골염 제거와 골 절개는 수술 중 영상 없이 직접 시각화 하에 수행되며, 수술 전 계획과 해부학적 랜드마크에 따라 정확한 구성 요소 위치와 연부 조직 균형을 보장합니다.
6. 경골 절단 가이드를 2.0mm 키르슈너 와이어(K-와이어)로 위치시키고 고정하세요. K-와이어를 직접 시각화하면서, 그 궤적이 가이드 핀 구멍의 방향과 일치하도록 삽입합니다.
   참고: 투시는 가이드 정렬에 사용되지 않습니다; 배치는 직접적인 해부학적 노출과 수술 전 계획 기준 준수를 기준으로 합니다.
7. 뒤쪽으로 기울어진 진동 톱날을 사용해 수직 경골 절삭을 수행합니다.
8. 수술 전 계획된 후방 경사에 따라 수평 경골 절개를 시행합니다.
9. 대퇴골 가이드 I을 위치시키고 고정한 후, 미리 계획된 절제면을 따라 원위 대퇴골 절제술을 실행하세요.
10. 대퇴골 가이드 II를 위치시키고 고정한 후, 후방 대면퍼 절단과 고정 페그 구멍을 뚫습니다.
11. 보철물 구성 요소를 시험 사용하고 임플란트 위치, 관절 안정성, 인대 균형을 가동 범위 내에서 평가하세요.

6. 수술 중 검증 및 검증

1. 수술 내내 호만 견인기로 내측 측부 인대(MCL)를 보호하세요.
2. 숫자 캘리퍼스를 사용해 각 골절개 표면을 수술 전 3D 프린팅 뼈 모델과 비교하여 기하학적 정확성을 확인합니다.
   참고: 각 골절개 표면의 기하학적 및 치수는 수술 전 3D 프린팅된 뼈 모델과 직접 비교하여 검증됩니다. 디지털 캘리퍼스를 사용해 절제 두께, 과두 치수 등 정밀한 정량 측정을 0.1 mm까지 수행하여, 수술 전 계획과 일치하는 골절개를 확인하였습니다.
3. 생리학적 하중 조건에서 굴곡 및 신전 간격을 측정하여 차이가 < 1 mm인지 확인하세요.
4. 굴곡-신전 곡선을 따라 슬개골 추적을 동적으로 평가하여 중심 추적을 확인하고 정렬 불균형을 방지합니다.
5. 수술 중 방사선 촬영을 통해 최종 임플란트 위치를 기록하고, 피질 돌출 부재와 관절선의 복원 여부를 확인하세요.

결과

69세 남성 환자가 양측 무릎 골관절염으로 내원했으며, 2년 전 오른쪽에서 이동성 부위 단방 무릎 관절 성형술을 받았으며 수술 후 회복이 만족스러웠습니다. 20년 전 왼쪽 무릎의 대퇴골 골절에 대해 수질 내 못 박기 수술을 시행한 결과, 대퇴골 수도관 해부학적 변형으로 인해 기존 외과 기구를 제대로 삽입할 수 없었고, 이로 인해 표준 단일구획 무릎 치환술에서 보철물 정렬 위험이 크다. 이에 따라 수술팀은 3D 프린팅된 환자 전용 기구와 AI 기반 가상 수술 전 계획을 결합하여 내측 고정 지지 단방 무릎 관절 성형술을 촉진하는 혁신적인 접근법을 제안했습니다. 포괄적인 수술 전 영상 평가가 완료되었으며, 여기에는 양측 하지의 체중 부하 전신 방사선 촬영, 표준 체중 부하 전후 및 외측 무릎 방사선, 후반/외반 스트레스 방사선, 그리고 영향을 받은 무릎의 CT 촬영이 포함됩니다. 1mm 두께의 고해상도 CT 스캔이 수행되었으며, 원위 대퇴골부터 근위 경골까지 15cm 범위를 ...

토론

이 디지털 UKA 프로토콜의 성공적인 구현은 여러 중요한 단계에 달려 있습니다. 첫째, 고품질 얇은 슬라이스(≤1.0 mm) CT 데이터 획득이 매우 중요하며, 이후 3D 뼈 모델의 정밀도와 PSI 가이드의 정밀도가 직접적으로 좌우되기 때문입니다 ^8,12. 둘째, AI 기반 가상 계획 단계는 환자별 정렬을 결정하는 데 매우 중요합니다. 이는 해부학적 축과 랜드마크(예: 대퇴 요두선, 경골 비틀림)를 정확히 식별하여 개별 해부학을 존중하고 ±1 mm 허용오차 내에서 균형 잡힌 굽힘/신전 간격을 달성하는 부품 위치를 계획하는 것을 포함합니다^13,14. 마지막으로, 수술 중 시술은 완벽한 골-PSI 접촉을 방해할 수 있는 골골을 꼼꼼히 제거하고, 각 가이드를 K-와이...

재료

이 논문에 사용된 재료 목록

이름	회사	카탈로그 번호	댓글
Creo Parametric 8.0.0.0	PTC	https://www.ptc.com/ en/products/creo	외과 시뮬레이션 가이드 출력
3D 프린팅 환자 특 기기	시콘 메디컬 유한회사 중국	D250610	해부학적 적합성 및 정밀 위치 측정; 최적화된 사지 정렬; 수술 효율성; 최소 침습 접근법? 향상된 재현성
대퇴부 구성	베이징 리드콤 바이오메디컬 유한회사.	A5101-05lM	관절염이 있는 대퇴골 과과(내측/외측)를 재표면으로 재현합니다.
모방 연구 21.0	마실라이즈	https://www.materialise. com/en/software/mimics-research-suite	이미지 처리
폴리에틸렌 인서트	베이징 리드콤 바이오메디컬 유한회사.	A5301-0410	대퇴골< br/>과 경골 구성 요소를 연결하는 관절면 역할을 합니다
경골 코포넨	베이징 리드콤 바이오메디컬 유한회사.	A5201-04LM	마모된 경골 고원을 대체하고 < br/> 및 nbsp의 기반을 제공합니다; 폴리에틸렌 인서트.