Klinische toepassing van preoperatief planningssysteem met kunstmatige intelligentie in combinatie met het ophalen van een expertdatabase bij complexe revisieheupchirurgie

Samenvatting

Deze studie stelt een nieuwe preoperatieve planningsbenadering voor op basis van het ophalen van een database met chirurgische casussen door experts bij revisie heupartroplastiek. Bovendien werd de techniek aanvankelijk toegepast bij vijf patiënten, die een verkorting van de operatietijd en intraoperatieve bloeding vertoonden.

Samenvatting

Nauwkeurige preoperatieve planning bij revisie heupartroplastiek is cruciaal voor het bereiken van succesvolle resultaten. Om de intuïtieve evaluatie van de ernst van het acetabulaire botdefect te verbeteren en gebruik te maken van eerdere succesvolle ervaring met revisie heupartroplastiek, stelt deze studie een nieuwe benadering voor op basis van het ophalen van een database met chirurgische casussen door experts en wordt deze in eerste instantie geïmplementeerd in klinische toepassing. In deze studie werden vijf patiënten die een revisie van de heupartroplastiek nodig hadden, preoperatief gepland om gebruik te maken van het chirurgische planningssysteem van de expertcasusdatabase. De beeldvormingsgegevens van de patiënt werden in het systeem ingevoerd en gematcht met casussen in de database met expertcasussen. Op basis van de chirurgische ervaring van de deskundige werd een revisieoperatieplan aanbevolen. Als er geen geschikt geval werd gevonden, werden het model en de positie van de prothese gepland op basis van patiëntspecifieke reconstructieresultaten. In totaal namen vijf patiënten deel aan deze studie, vier mannen en één vrouw, met een gemiddelde leeftijd van 50,6 jaar. De diagnose was het losraken van de aseptische prothese na een heupartroplastiek. De gemiddelde operatietijd was 123,2 minuten en de gemiddelde intraoperatieve bloeding was 672 ml. Er werden geen intraoperatieve complicaties, zoals vaat- of zenuwbeschadiging, waargenomen. In geval 2 bijvoorbeeld stelde de toepassing van dit innovatieve planningsschema de chirurg in staat om het revisieoperatieplan voor deze patiënt in de preoperatieve periode af te bakenen, waardoor de operatietijd en intraoperatieve bloeding werden verkort. Bovendien kunnen patiënten van tevoren op de hoogte worden gebracht van de uitkomsten van analoge gevallen. Door gebruik te maken van een big data-analysebenadering via onze uitgebreide casusdatabase kan geautomatiseerde identificatie van overeenkomende behandelplannen van experts gedurende het hele proces worden gemaakt. Dit komt met name onervaren orthopedisch chirurgen ten goede door nauwkeurige begeleiding te bieden bij chirurgische strategieën om hen te helpen bij het selecteren van de juiste prothetische maten en montageposities. Bovendien kunnen de overeenkomende resultaten patiënten visualisaties bieden die voorspelde postoperatieve resultaten weergeven.

Inleiding

De toenemende prevalentie van primaire totale heupartroplastiek (THA) heeft geleid tot een overeenkomstige toename van de noodzaak van revisieartroplastiek als gevolg van een aantal factoren, waaronder aseptisch losraken, infectie, terugkerende dislocatie en periprothetische fractuur¹. Vergeleken met primaire heupartroplastiek is revisie heupchirurgie een technisch complexere en klinisch uitdagende procedure, met hogere sterftecijfers², hogere zorgkosten³ en grotere complicatierisico's⁴.

Bij revisie heupartroplastiek zijn de reconstructie van acetabulair botverlies en de selectie van prothesen van het grootste belang bij het bepalen van het succes van de operatie. De orthopedisch chirurg moet de resterende botvoorraad en de veranderde anatomie beoordelen, met als doel voldoende initiële stabiliteit van de nieuw geïmplanteerde acetabulaire cup¹. Daarom is een nauwkeurige preoperatieve planning van cruciaal belang om de beschikbare behandelingsopties te begeleiden.

Momenteel zijn orthopedisch chirurgen verantwoordelijk voor het uitvoeren van een uitgebreide beoordeling en planning van revisieartroplastiek op basis van preoperatieve beeldvormingsbevindingen en hun eigen chirurgische ervaring. Toch zal dit een grote uitdaging vormen voor de onervaren chirurg.

Met de ontwikkeling van kunstmatige intelligentie (AI)-technologie wordt het steeds vaker gebruikt in orthopedische chirurgie, voornamelijk voor beeldsegmentatie, diagnose en classificatie van pathologieën en implantaten⁵. Ondertussen begint AI eerste successen te boeken bij het assisteren van primaire THA⁶. Intelligente preoperatieve planning voor revisie heupartroplastiek blijft echter een onbeschreven blad. AI heeft een veelbelovende toekomst op het gebied van heuprevisiechirurgie, met name bij de beoordeling van botdefecten. Deze defecten zijn uniek voor elke patiënt, en hoewel ze bepaalde patronen vertonen, mist de traditionele Paprosky-classificatiemethode de precisie die nodig is om ze volledig te karakteriseren. Desalniettemin is AI in staat om meer gedetailleerde informatie uit beeldgegevens te halen, wat een veelbelovende manier biedt om de nauwkeurigheid en precisie van de beoordeling van botdefecten te verbeteren. We hebben een nieuw AI-ondersteund preoperatief planningssysteem ontwikkeld om orthopedisch chirurgen te begeleiden bij hun beslissingen over revisieartroplastiek op basis van het ophalen van een database met chirurgische casussen door experts.

We hebben eerst een nieuwe methode ontwikkeld voor de reconstructie van acetabulaire botdefecten, het kwantificeren en typeren van acetabulaire botdefecten. Vervolgens hebben we een database met heuprevisiegevallen opgebouwd door klinische en beeldvormende gegevens te verzamelen over 200 chirurgische gevallen van heuprevisie van een senior nationale expert. De database bestaat uit preoperatieve computertomografie (CT), preoperatieve röntgenfoto's, postoperatieve röntgenfoto's en demografische gegevens van patiënten. We kunnen casussen in de database matchen op basis van de huidige botdefectkenmerken van patiënten die voor een operatie zijn ingepland en de meest vergelijkbare casusscenario's vinden om de chirurg een preoperatieve referentie te geven. Deze aanpak stelt de chirurg in staat om een preoperatief idee te krijgen van het acetabulaire revisieprotocol, waardoor de intraoperatieve trial- en error-tijd wordt verkort.

Protocol

De studie kreeg toestemming van de ethische commissie van het orthopedisch-traumatologisch ziekenhuis van Luoyang in de provincie Henan. Bovendien was deze studie gebaseerd op beeldvormingsgegevens en zou het de vrijwilligers niet schaden of hun informatie vrijgeven. Daarom hoefden deelnemers of hun wettelijke voogden/naaste verwanten volgens de nationale wetgeving en institutionele vereisten geen formulier voor geïnformeerde toestemming te ondertekenen.

1. Afbeeldingen importeren

1. Importeer de originele CT-gegevens van de bilaterale totale heup van de patiënt. Open de medische beeldverwerkingssoftware, selecteer Gegevens importeren en klik op Lokale gegevens om de originele CT-gegevens van de patiënt te importeren. Afbeelding 1 toont de interface voor het importeren van afbeeldingen.

2. Herstel van acetabulaire botdefect aan de aangedane zijde

1. Bepaal of de patiënt een unilaterale of bilaterale laesie heeft. Selecteer het meetinstrument en gebruik de muis om een rechthoekig vak op de afbeelding te tekenen, waarbij u direct de HU-waarde (Hounsfield Unit, HU) van het heupbotgebied meet. Beschouw metaal als aanwezig wanneer de HU-waarde hoger is dan 1000 en duid dat gebied aan als het aangetaste heupgewricht.

3. Beeldsegmentatie en reconstructie

1. Selecteer de beeldgegevens van de patiënt om te plannen. Klik op de optie Automatische segmentatie , de CT-waarde van 400 is standaard geselecteerd voor grove segmentatie van het heupbot.
2. Selecteer de knop Bewerken om de segmentatieresultaten van elk deel van elke laag handmatig aan te passen. Selecteer vervolgens de optie 3D-reconstructie om de berekening van de 3D-reconstructie van de locatie van de patiënt te voltooien. Het gereconstrueerde 3D-model omvat voornamelijk de linker/rechter heupbeenderen en de linker/rechter dijbeengebieden. Zoals te zien is in Figuur 2, worden verschillende onderdelen weergegeven met verschillende kleuren.

4. Acetabulaire botdefectverdeling en berekening van het defectbedrag

1. Voor patiënten met een unilaterale heupoperatie selecteert u het 3D-model van de gezonde kant. Gebruik de spiegelfunctie om hem uit te lijnen met de anatomische structuur van de aangedane zijde. Hiermee is de reconstructie van het herstelmodel van het heupgewricht voltooid.
2. Voor patiënten met een bilaterale heupoperatie opent u de bibliotheek met standaardmodellen en selecteert u het heupmodel dat het meest lijkt op de anatomie van de patiënt als restauratiemodel.
3. Klik op de optie Partitie om het 3D-model van het heupdefect (aangedane zijde) dat in stap 2 is gereconstrueerd, te verdelen in het 3D-model van de in stap 3 herstelde heup. Klik vervolgens op de optie Verschilbewerking om de verschilbewerking uit te voeren op de twee gepartitioneerde heupbotmodellen om het acetabulaire defect te berekenen. Het heupbotmodel zal worden verdeeld in verschillende regio's volgens Qin's methode⁷, zoals weergegeven in figuur 3.
   OPMERKING: Vanwege de focus op 3-punts fixatie (rami ischii, rami ossis pubis en anterosuperieur deel van het acetabulum) van de acetabulaire cup binnen de grenzen van de acetabulaire wand, werd de acetabulair elke 120° in 3 gelijke delen verdeeld, gedefinieerd als het schedeldak, de voorste kolom en de achterste kolom, met uitzondering van de mediale wand. Om chirurgische ingrepen te begeleiden, fabriceert u de onderlagen op basis van de diameter van het acetabulum. Er werd bepaald dat de binnenste laag tussen 54 mm en 62 mm moest liggen en de buitenlaag tussen 62 mm en 70 mm voor mannen. De binnenste laag ligt tussen 50 mm en 58 mm en de buitenste laag ligt tussen 58 mm en 66 mm voor vrouwen.

5. Deskundige zoekfunctie in de database voor heuprevisie - planning van acetabulaire defecten

1. Open de database van de expert en gebruik het berekende acetabulair defectvolume zoals hierboven beschreven als invoer voor het ophalen. Selecteer de meetinstrumenten om de relevante planningsparameters op de preoperatieve en postoperatieve röntgenfoto's van de opgehaalde gevallen te beoordelen en verkrijg de planningsgegevens.
2. Open de basis van de expertcasus en voer het type en de hoeveelheid heupdefect in voor automatisch ophalen. De informatie van de overeenkomstige gevallen in de database zal worden verkregen, inclusief preoperatieve en postoperatieve beelden van vergelijkbare gevallen en de planningsparameters van de arts (implantaatgrootte, positie, enz.).
3. De zoekresultaten worden weergegeven in volgorde van gelijkenis van hoog naar laag. Laat de arts de meest vergelijkbare gevallen selecteren. De volledige procedure wordt weergegeven in figuur 4.
4. Als een soortgelijk geval niet kan worden gevonden in de bovenstaande database, neem dan het resultaat van de modelreconstructie uit stap 2 over, waarbij het midden van het intacte acetabulum wordt gebruikt als het midden van de acetabulaire cup. Standaard is de ante-versiehoek van de acetabulaire cup 20° en de abductiehoek 40° (deze regel is klinisch gedefinieerd).
   OPMERKING: Na het plannen kan de chirurg anticiperen op de chirurgische ingreep en de prothese en ondersteunende instrumenten met grotere precisie voorbereiden. Deze aanpak elimineert de mogelijkheid om een situatie tegen te komen waarin de juiste prothese tijdens de operatie niet beschikbaar is. Bovendien wordt de aanbevolen oplossing direct tijdens de operatie toegepast, waardoor alternatieve oplossingen, omwegen of langdurige trial-and-error-processen niet nodig zijn.

Resultaten

Op dit moment hebben we deze methode toegepast bij vijf patiënten die een revisie heupartroplastiek hebben ondergaan, waaronder vier mannen en één vrouw. De leeftijden varieerden van 42 tot 67 jaar. Ze werden gediagnosticeerd als aseptische prothese die loskwam na een heupartroplastiek en geclassificeerd op basis van de Paprosky-classificatie⁸. De gemiddelde operatietijd voor de vijf patiënten was 123,2 minuten, met een gemiddeld intraoperatief bloedverlies van 67...

Discussie

Vanwege aanzienlijke anatomische schade, de ingewikkelde aandoening van zacht weefsel na heupartroplastiek en de aanwezigheid van ernstige metalen artefacten die vaak worden geassocieerd met metalen implantaten, is het vaak nodig voor ervaren medische professionals om 3D-reconstructie te gebruiken om beeldvormingsresultaten en klinische manifestaties uitgebreid te analyseren om specifieke botdefecten bij patiënten te evalueren en vervolgens geschikte acetabulaire prothesen te plannen

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
PyCharm	JetBrains	243.21565.199	De Python IDE voor data science en webontwikkeling