3D-geprinte patiëntspecifieke instrumenten-gecombineerde AI virtuele preoperatieve planning-ondersteunde mediale vastdragende unicompartimentaire knieartroplastiek

Samenvatting

Hier presenteren we een protocol om de precisie van vastdragende unicompartimentaire knieartroplastiek te verbeteren. Het maakt gebruik van een digitale workflow, waarbij 3D-geprinte, patiëntspecifieke instrumenten worden gecombineerd met preoperatieve simulatie om de uitlijningsnauwkeurigheid te verbeteren, de chirurgische veiligheid te vergroten en gepersonaliseerde, reproduceerbare resultaten mogelijk te maken.

Samenvatting

Unicompartimentaire kniearthroplastiek (UKA) wordt algemeen erkend als een effectieve behandeling voor gevorderde knieartrose. De afhankelijkheid van chirurgische ervaring en tweedimensionale (2D) röntgenfoto's brengt echter aanzienlijke uitdagingen met zich mee voor minder ervaren chirurgen en voor patiënten met femorale of tibiaale botafwijkingen. Om de chirurgische precisie te verbeteren en complicaties gerelateerd aan prothese-malpositie te verminderen, heeft ons team driedimensionale (3D) printtechnologie voor patiëntspecifieke instrumentatie (PSI) geïntegreerd met preoperatieve simulatieplanning op basis van kunstmatige intelligentie (AI), waarmee de beperkingen van traditionele benaderingen worden aangepakt. Deze studie presenteert een uitgebreide digitale workflow voor vastgelegde UKA die gericht is op het bereiken van nauwkeurige prothetische uitlijning, het verbeteren van de chirurgische efficiëntie en veiligheid, het verkorten van de operatietijd en het mogelijk maken van gepersonaliseerde prothesepositionering met consistente en reproduceerbare resultaten. Het protocol bestaat uit vijf cruciale stappen: 1. Strikte patiëntselectie op basis van vaststaande UKA-indicaties; 2. Uitgebreide beeldvormende opnames, inclusief CT-scans van de aangedane knie, anteroposterieure en laterale röntgenfoto's, en röntgenfoto's van volledige lengte in DICOM-formaat; 3. AI-ondersteunde preoperatieve planning met gedetailleerde chirurgische simulatierapporten; 4. Fabricage van aangepaste 3D-geprinte snijgidsen; 5. Precieze osteotomie-uitvoering met intraoperatieve verificatie. Door deze gestandaardiseerde digitale aanpak te implementeren, laten we zien hoe het integreren van AI en 3D-printen UKA-resultaten kan optimaliseren door verbeterde reproduceerbaarheid, nauwkeurigheid en patiëntspecifieke aanpassing.

Inleiding

In de afgelopen jaren heeft de diepe integratie van digitale technologieën met orthopedische wetenschap een paradigmaverschuiving in de klinische praktijk veroorzaakt – de overgang van traditionele empirische en gegeneraliseerde methoden naar precisie-gebaseerde, gepersonaliseerde en volledig digitale diagnostische en therapeutische strategieën¹. Binnen dit transformerende landschap is 3D-printtechnologie, als vlaggenschiptoepassing van digitale innovatie, uitgegroeid tot een cruciale facilitator voor patiëntspecifieke maatwerk en zeer precieze chirurgische ingrepen in diverse orthopedische procedures ^2,3. Artrose (OA), erkend als de meest voorkomende degeneratieve gewrichtsziekte wereldwijd, vertoont een sterk verband tussen de prevalentie ervan en de veroudering van de bevolking, waarbij epidemiologische studies aantonen dat de versnellende demografische veroudering wereldwijd OA heeft vastgesteld als een belangrijke oorzaak van chronische pijn en locomotorische stoornissen bij middelbare leeftijd en ouderen⁴. Wat betreft behandelopties voor mediale compartimentartrose (MOA) biedt UKA duidelijke klinische voordelen ten opzichte van totale knieartroplastiek (TKA), waaronder een beter behoud van de natuurlijke knieanatomie en fysiologische functie, een lagere incidentie van postoperatieve complicaties en aanzienlijk kortere revalidatieperiodes.

De succesvolle implementatie van mediale UKA is van cruciaal belang afhankelijk van nauwkeurige reconstructie van de uitlijning van de onderbenen, waarbij belangrijke uitdagingen variabiliteit in osteotomie-uitvoering, zachte weefselbalans en componentuitlijning zijn. Technisch veeleisende aspecten zoals protheseselectie en osteotomie-positionering blijven overwegend afhankelijk van de visuele inschatting van de chirurg en handmatige technieken, wat resulteert in aanzienlijke operator-afhankelijke variabiliteit, met prestatieverschillen van meer dan 30% onder chirurgen met verschillende ervaringsniveaus⁵. Bovendien dragen patiëntspecifieke anatomische variaties, samen met de leercurve van de chirurg voor nieuwe prothesesystemen, vaak bij aan inconsistente klinische resultaten bij UKA-procedures, wat de noodzaak van meer standaardisatie in chirurgische technieken^{benadrukt 6}. De integratie van AI-planning en 3D-geprinte PSI pakt deze uitdagingen direct aan door patiëntspecifieke uitlijningsplanning, geautomatiseerd gidsontwerp en nauwkeurigheid van submillimeterosteotomie mogelijk te maken, waardoor de afhankelijkheid van chirurgische ervaring wordt verminderd en de reproduceerbaarheid verbetert. Recente vooruitgang in 3D-geprinte PSI voor UKA heeft deze voordelen verder aangetoond⁷. Uitgebreid onderzoek in de afgelopen jaren heeft aangetoond dat 3D-digitaal beeldvormingsontwerp gecombineerd met 3D-printtechnologie de ontwikkeling mogelijk maakt van gepersonaliseerde chirurgische navigatiesystemen voor knieartroplastiek, waarbij computertomografie-magnetische resonantiebeeldvorming (CT-MRI) multimodale beeldfusie-gebaseerde 3D-geprinte PSI de nauwkeurigheid van ledemaatuitlijning, osteotomievolumecontrole, tibiaplateau-grootte en femorale condylaire prothesepositie^{aanzienlijk verbetert 8, 9,10}.

Om de inherente beperkingen van conventionele UKA-technieken aan te pakken, heeft ons onderzoeksteam een innovatieve aanpak ontwikkeld door 3D-geprinte PSI te integreren met AI-gebaseerde virtuele preoperatieve planning ter ondersteuning van mediale vastdragende UKA. Door het opzetten van een volledig gedigitaliseerde chirurgische workflow voor fixed-platform UKA, zijn cruciale technologische vooruitgang geboekt, waaronder (1) preoperatieve biomechanische simulatie met AI-gestuurde dynamische modellering en (2) submillimeter osteotomieprecisie geleid door 3D-geprinte navigatiemodules.

Protocol

Dit onderzoek kreeg ethische goedkeuring van de onderzoeksethische commissie van het Eerste Ziekenhuis van de Hebei Medische Universiteit. Geïnformeerde toestemming werd verkregen van alle individuele deelnemers die in het onderzoek waren opgenomen.

1. Patiëntselectie en preoperatieve beeldvorming

1. Selecteer patiënten met anteromediale compartimentartrose of mediale femurcondylosteonecrose.
2. Bevestig een intact voorste kruisband (ACL), een competente mediale collaterale ligament (MCL) en lateraal compartimentkraakbeen met veranderingen in Outerbridge graad ≤ II.
3. Sluit patiënten met inflammatoire artritis, varusdeformiteit uit, varusdeformiteit >15°, flexiecontractuur >15° of knieflexie <90°.
4. Maak een dunne CT-scan (≤1,0 mm) die zich uitstrekt van 15 cm proximaal van de femorale condylen tot 15 cm distaal van het tibiaplateau.
5. Laat aanvullende volledige röntgenfoto's van volledige lengte en speciale kniefoto's en speciale kniebeelden zien voor een uitgebreide preoperatieve evaluatie.

2. CT-datasegmentatie

1. Open Mimics software v2.1 en importeert de CT DICOM-gegevens van het dijbeen, de knieschijf, het scheenbeen en de fibula.
2. Gebruik het Threshold-commando om het gestandaardiseerde drempelbereik voor bot aan te passen (minimale waarde: 175) en filter niet-bot-voxels uit de afbeelding (Figuur 1A).
3. Gebruik het Region Grow-commando om botten in aparte regio's te extraheren (Figuur 1B).
4. Gebruik het Edit Masks-gereedschap om niet-geselecteerde skeletgebieden toe te voegen en in te vullen (Figuur 1C).
5. Converteer de maskers naar mesh (grid) data (Figuur 1D).
6. Exporteer de STL-botmodellen voor alle relevante structuren en sla op als back-upbestanden (Figuur 1E).

3. AI-gestuurde virtuele prothese-templatering en chirurgische simulatie

1. Open Creo Parametric-software en importeer de STL-modelgegevens van het dijbeen, de knieschijf, het scheenbeen en het kuitbeen.
2. Analyseer de femorale anatomie door de condylaire lijn, het distale femorale oppervlak, het achterste condylaire oppervlak, de mechanische as en de anatomische as te identificeren (Figuur 2A-B).
3. Bepaal de patiëntspecifieke femorale hoeken (bijv. femorale varus en femure externe rotatie) op basis van individuele anatomische kenmerken (Figuur 2A-B).
4. Bepaal de patiëntspecifieke tibiahoeken (bijv. tibiale varus, tibiale retroversie en tibiale externe rotatie) volgens het 3D-anatomisch model (Figuur 2C-D).
5. Op basis van de botmorfologie van elke patiënt wordt de juiste prothesecomponenten geselecteerd: femorale component (grootte 1-6) geplaatst 2-3 mm van de femorale corticale rand; tibiale component (maat 1-6) het vermijden van randoverhang of protheseconflict; en polyethyleen-inzetstuk (maat 9-13 mm) (Figuur 2E-F).
6. Controleer de uitlijning van het implantaat en de balans van de opening om 0° buiging en 90° extensiegaps binnen een tolerantie van ±1 mm te bereiken.
7. Genereer een preoperatief planningsrapport met samenvatting van componenten, uitlijningsparameters en virtuele simulatieresultaten.
   OPMERKING: De virtuele simulatie voor dit preoperatieve plan werd gemiddeld in minder dan 2 uur op een standaard klinisch werkstation voltooid. Dit proces bestond doorgaans uit 3 tot 5 iteraties om de positionering van componenten te verfijnen en een optimale zachte weefselbalans te bereiken, wat zorgt voor een reproduceerbare en efficiënte workflow.

4. Ontwerp en productie van patiëntspecifieke instrumenten

1. Gebruik AI-algoritmen om automatisch snijgeleiders te genereren op basis van het definitieve 3D-plan. De patiëntspecifieke instrumentontwerpen (PSI) worden aanvankelijk gegenereerd met behulp van een geautomatiseerde, door AI aangestuurde workflow.
   OPMERKING: De kernalgoritmen, gebaseerd op Artificia Neural Networks (ANN's) voor anatomische kenmerken, analyseren het 3D-botmodel, vooraf gedefinieerde osteotomievlakken en belangrijke anatomische mijlpalen¹¹. Dit systeem genereert automatisch de kernfunctionele elementen van de geleiders, waaronder de posities van de osteotomiegleuf, het botcontactoppervlak ("fit-to-bone" geometrie) en de algehele externe ondersteuningsstructuur, waarbij wordt geoptimaliseerd voor parameters zoals resectiediepte, geleidingsstabiliteit en contactoppervlak.
2. Voer een verplichte handmatige validatie- en bewerkingstap uit na de AI-generatie. Bekijk de voorgestelde ontwerpen nauwkeurig in de planningssoftware. Als er problemen worden vastgesteld, zoals onvoldoende contact met het corticale bot of mogelijke inklemming van het zachte weefsel, moeten de relevante parameters (bijv. contactvlakverplaatsing, penbaan) handmatig worden aangepast.
3. Ontwerp een tibiaal snijgeleider voor coronale en axiale resecties, met drie fixatiepunten.
4. Ontwerp femorale geleider I voor distale resectie en femure geleider II voor achterste sneden en boren in pennen (Figuur 3).
5. Fabriceer alle geleidingen met medisch polyamide 12 via additive manufacturing met Selective Laser Sintering (SLS) technologie. De printoriëntatie werd geoptimaliseerd om de noodzaak van ondersteunende structuren op kritieke botcontactoppervlakken te minimaliseren, waarbij de basis van de geleider meestal onder een hoek van 15^\circ15 ten opzichte van het bouwplatform werd georiënteerd.
6. Nabewerking:
   1. Uitpakken en depoederen: Verwijder de onderdelen voorzichtig uit de bouwkamer
   2. Shot blasting: Voer shot blasting uit om een gladde oppervlakteafwerking te bereiken
   3. Kwaliteitsinspectie: Controleer de dimensionale nauwkeurigheid ten opzichte van het digitale model
   4. Ultrasone reiniging: Maak de geleiders schoon in gedeïoniseerd water om eventueel achtergebleven poeder te verwijderen
   5. Drogen: Droog de geleiders en pak ze in voor terminale sterilisatie via autoclaving op 132°C gedurende 4 minuten voorafgaand aan de operatie.

5. Chirurgische ingreep

1. Controleer de identiteit en procedure van de patiënt bij de patiënt en aan de hand van medische dossiers in de preoperatieve wachtruimte. Bevestig ondertekende geïnformeerde toestemming.
2. Induceer algemene endotracheale anesthesie. Dien profylactische intraveneuze antibiotica (cefuroxime 1,5 g) 30 minuten voor de incisie in. Daarnaast dient u 1 g intraveneus tranexaminezuur toe vóór tourniquet-opblaas om chirurgisch bloedverlies te minimaliseren.
3. Plaats de patiënt op rugligging op de operatietafel. Plaats een niet-steriel tourniquet hoog op het proximale dijbeen. Bevestig een laterale post op het niveau van de tourniquet om het dijbeen tijdens de buiging te stabiliseren. Klem en zet het tegenovergestelde been vast. Bereid het operatiebeen voor en dek het operatieve been op de standaard steriele manier, en bedek vervolgens de voet en enkel met een steriele stockinette.
4. Voer een mediale parapatellaire arthrotomie uit terwijl het mediale meniscotibialigament behouden blijft.
5. Verwijder osteofyten die de gidsappositie kunnen verstoren met behulp van rongeuren en osteotomen. Voer alle botresecties (tibiaal en femoral) uit met een oscillerende zaag. Het verwijderen van osteofyten en de botsnijwonden wordt uitgevoerd onder directe visualisatie zonder intraoperatieve beeldvorming en wordt geleid door het preoperatieve plan en anatomische herkenningspunten om nauwkeurige positionering van componenten en de balans van het zachte weefsel te waarborgen.
6. Positioneer en bevestig de tibiale snijgeleider met 2,0 mm Kirschner-draden (K-draden). Plaats de K-draden onder directe visualisatie met hun traject uitgelijnd met de oriëntatie van de geleidepingaten.
   OPMERKING: Fluoroscopie wordt niet gebruikt voor geleidingsuitlijning; Plaatsing is gebaseerd op directe anatomische blootstelling en het naleven van preoperatieve planningsmijlpalen.
7. Voer de verticale tibiale zaagzaag uit met een naar achteren gerigeerde oscillerende zaagblad.
8. Voer de horizontale tibia-snede uit volgens de preoperatief geplande achterste helling.
9. Positioneer en fixeer femorale geleider I, en voer vervolgens de distale femorale resectie uit langs het vooraf geplande resectievlak.
10. Positioneer en fixeer femorale geleider II, voer vervolgens de posterior afschudde sneden uit en boor de fixatiepengaten.
11. Test de prothesecomponenten uit en beoordeel de positie van het implantaat, de stabiliteit van de gewrichten en de balans van het ligament via het bewegingsbereik.

6. Intraoperatieve verificatie en validatie

1. Bescherm het mediale collaterale ligament (MCL) met een Hohmann-retractor gedurende de hele procedure.
2. Met behulp van vingerschuifklampen verifieer je elk osteotomieoppervlak door het te vergelijken met het preoperatieve 3D-geprinte botmodel om de geometrische nauwkeurigheid te bevestigen.
   OPMERKING: De geometrie en afmetingen van elk osteotomieoppervlak worden geverifieerd door directe vergelijking met het preoperatieve 3D-geprinte botmodel. Digitale remklauwen werden gebruikt om nauwkeurige kwantitatieve metingen uit te voeren (bijv. resectiedikte, condylaire afmetingen) met een precisie van 0,1 mm, zodat de behaalde botsneden overeenkwamen met het preoperatieve plan.
3. Meet buig- en extensieopeningen onder fysiologische belastingsomstandigheden, zodat het verschil <1 mm bedraagt.
4. Beoordeel de patellaire tracking dynamisch door de volledige flexie-extensieboog om centrale tracking te bevestigen en een misuitlijning te voorkomen.
5. Documenteer de definitieve positie van het implantaat met behulp van intraoperatieve röntgenfoto's en bevestig het ontbreken van corticale overhang en herstel van de gewrichtslijn.

Resultaten

Een 69-jarige mannelijke patiënt presenteerde zich met bilaterale knieartrose, die twee jaar geleden eerder een mobiel-dragende unicompartimentaire knieartroplastiek aan de rechterkant had ondergaan met bevredigend herstel na de operatie. Door een intramedullaire nageling, uitgevoerd voor een femurale schachtfractuur in de linkerknie, twee decennia geleden, kon conventionele chirurgische instrumentatie niet correct worden geplaatst vanwege de gewijzigde anatomie van het femorale medullair...

Discussie

De succesvolle implementatie van dit digitale UKA-protocol hangt af van verschillende cruciale stappen. Ten eerste is hoogwaardige, dunne slice (≤1,0 mm) CT-gegevensverzameling van het grootste belang, aangezien de nauwkeurigheid van de daaropvolgende 3D-botmodellen en de precisie van de PSI-gidsen er direct van afhangen ^8,12. Ten tweede is de door AI geleide virtuele planningsfase cruciaal om patiëntspecifieke uitlijning te bepa...

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
Creo Parametric 8.0.0.0	PTC	https://www.ptc.com/ nl/products/creo	Chirurgische simulatiegids output
3D-Gedrukte patiëntspecifieke Instrumenten	Sikon Medical Co., Ltd. China	D250610	Anatomische Conformiteit & Precisiegepositioneerd; Geoptimaliseerd ledemaatuitlijnen;Chirurgische Efficiëntie; Minimaal invasieve benadering?Verbeterde Reproduceerbaarheid
Femorale Component	Beijing Leadcom Biomedical Co., Ltd.	A5101-05lM	Herstelt het artritisgewricht van het dijbeen (mediaal/lateraal).
Mimics Research 21.0	Materialise	https://www.materialise. com/nl/software/mimics-research-suite	beeldverwerking
Polyethyleen Insert	Beijing Leadcom Biomedical Co., Ltd.	A5301-0410	Dient als een gewrichtsoppervlak tussen het dijbeen en de tibia componenten
Tibiaal Component	Beijing Leadcom Biomedical Co., Ltd.	A5201-04LM	Vervangt het versleten tibiale plateau en zorgt voor een basis voor  het polyethyleen insert.