Method Article

Kliniczne zastosowanie systemu planowania przedoperacyjnego sztucznej inteligencji w połączeniu z wyszukiwaniem specjalistycznych baz danych w złożonej operacji rewizyjnej stawu biodrowego

DOI:

10.3791/68063

⸱

February 28th, 2025

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Henan Luoyang Orthopedic Hospital, Henan Provincial Orthopedic Hospital, 2Wuhan United Imaging Surgical Co., Ltd., 3The First Affiliated Hospital of Zhejiang Chinese Medical University

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

To badanie proponuje nowatorskie podejście do planowania przedoperacyjnego oparte na specjalistycznym wyszukiwaniu danych przypadków chirurgicznych w rewizyjnej endoprotezoplastyce stawu biodrowego. Ponadto technika ta została początkowo zastosowana u pięciu pacjentów, wykazując skrócenie czasu operacji i śródoperacyjny krwotok.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Dokładne planowanie przedoperacyjne w rewizyjnej endoprotezoplastyce stawu biodrowego jest kluczowe dla osiągnięcia pomyślnych wyników. Aby usprawnić intuicyjną ocenę stopnia nasilenia ubytku kości panewki stawowej i wykorzystać wcześniejsze udane doświadczenia w rewizyjnej endoprotezoplastyce stawu biodrowego, w niniejszym badaniu zaproponowano nowatorskie podejście oparte na eksperckim wyszukiwaniu danych przypadków chirurgicznych i zostało wstępnie wdrożone do zastosowań klinicznych. W tym badaniu pięciu pacjentów, którzy wymagali rewizyjnej endoprotezoplastyki stawu biodrowego, zostało zaplanowanych przed operacją do zastosowania systemu planowania chirurgicznego z bazy danych przypadków. Dane obrazowe pacjenta zostały wprowadzone do systemu i dopasowane do przypadków znajdujących się w bazie danych ekspertów. Opierając się na doświadczeniu chirurgicznym eksperta, zalecono plan operacji rewizyjnej. Jeśli nie znaleziono odpowiedniego przypadku, model i położenie protezy były planowane na podstawie wyników rekonstrukcji specyficznych dla pacjenta. Do badania włączono łącznie pięciu pacjentów, czterech mężczyzn i jedną kobietę, o średniej wieku 50,6 lat. Rozpoznano to aseptyczne obluzowanie protezy po endoprotezoplastyce stawu biodrowego. Średni czas operacji wynosił 123,2 min, a średni krwotok śródoperacyjny 672 ml. Nie zaobserwowano powikłań śródoperacyjnych, takich jak uszkodzenie naczyń krwionośnych lub nerwów. Na przykład w przypadku 2 zastosowanie tego innowacyjnego schematu planowania umożliwiło chirurgowi nakreślenie planu operacji rewizyjnej dla tego pacjenta w okresie przedoperacyjnym, skracając w ten sposób czas operacji i krwotok śródoperacyjny. Co więcej, pacjenci mogli być z wyprzedzeniem informowani o wynikach analogicznych przypadków. Wykorzystanie podejścia opartego na analizie dużych zbiorów danych za pośrednictwem naszej obszernej bazy danych przypadków umożliwia automatyczną identyfikację pasujących do siebie planów leczenia ekspertów w całym procesie. Jest to szczególnie korzystne dla niedoświadczonych chirurgów ortopedów, ponieważ zapewnia dokładne wskazówki dotyczące strategii chirurgicznych, aby pomóc im w doborze odpowiednich rozmiarów protez i pozycji montażowych. Ponadto pasujące wyniki mogą oferować pacjentom wizualizacje przedstawiające przewidywane wyniki pooperacyjne.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Rosnące rozpowszechnienie pierwotnej całkowitej endoprotezoplastyki stawu biodrowego (THA) doprowadziło do odpowiedniego wzrostu konieczności rewizyjnej endoprotezoplastyki z powodu wielu czynników, w tym aseptycznego rozluźnienia, infekcji, nawracających zwichnięć i złamań okołoprotezowych1. W porównaniu z pierwotną endoprotezoplastyką stawu biodrowego, rewizyjna operacja stawu biodrowego jest bardziej złożoną technicznie i klinicznie trudną procedurą, z wyższymi wskaźnikami śmiertelności2, wyższymi kosztami opieki zdrowotnej3, i większym ryzykiem powikłań4.

W rewizyjnej endoprotezoplastyce stawu biodrowego, rekonstrukcja ubytku kości panewki stawowej i wybór protezy są najważniejsze w określeniu powodzenia operacji. Chirurg ortopeda musi ocenić resztki kości i zmienioną anatomię, dążąc do odpowiedniej początkowej stabilności nowo wszczepionego panewki panewki1. W związku z tym precyzyjne planowanie przedoperacyjne ma kluczowe znaczenie dla ukierunkowania dostępnych opcji leczenia.

Obecnie chirurdzy ortopedzi są odpowiedzialni za przeprowadzanie kompleksowej oceny i planowania endoprotezoplastyki rewizyjnej w oparciu o wyniki badań obrazowych przedoperacyjnych i własne doświadczenie chirurgiczne. Niemniej jednak będzie to stanowić poważne wyzwanie dla niedoświadczonego chirurga.

Wraz z rozwojem technologii sztucznej inteligencji (AI), jest ona coraz częściej stosowana w chirurgii ortopedycznej, głównie do segmentacji obrazu, diagnozy i klasyfikacji patologii i implantów5. Tymczasem sztuczna inteligencja zaczyna odnosić początkowe sukcesy w pomaganiu podstawowej klasie THA6. Jednak inteligentne planowanie przedoperacyjne rewizyjnej endoprotezoplastyki stawu biodrowego pozostaje czystą kartą. Sztuczna inteligencja ma przed sobą obiecującą przyszłość w chirurgii rewizyjnej stawu biodrowego, szczególnie w ocenie wad kostnych. Wady te są unikalne dla każdego pacjenta i chociaż wykazują pewne wzorce, tradycyjnej metodzie klasyfikacji Paprosky'ego brakuje precyzji wymaganej do ich pełnego scharakteryzowania. Niemniej jednak sztuczna inteligencja jest w stanie wydobywać bardziej szczegółowe informacje z danych obrazowych, oferując obiecującą drogę do zwiększenia dokładności i precyzji oceny ubytków kostnych. Opracowaliśmy nowatorski system planowania przedoperacyjnego wspomagany sztuczną inteligencją, aby kierować decyzjami chirurgów ortopedów dotyczącymi endoprotezoplastyki rewizyjnej w oparciu o specjalistyczne bazy danych przypadków chirurgicznych.

Najpierw opracowaliśmy nowatorską metodę rekonstrukcji ubytków kości panewki, określając ilościowo i typowo wady kości panewki. Następnie stworzyliśmy bazę danych przypadków rewizji stawu biodrowego, zbierając dane kliniczne i obrazowe dotyczące 200 przypadków operacji rewizji stawu biodrowego od starszego eksperta krajowego. Baza danych składa się z przedoperacyjnej tomografii komputerowej (CT), przedoperacyjnej rentgena, pooperacyjnej rentgeny rentgenowskiej oraz danych demograficznych pacjentów. Możemy dopasować przypadki w bazie danych na podstawie aktualnej charakterystyki ubytków kostnych pacjentów zaplanowanych do operacji i znaleźć najbardziej podobne scenariusze przypadków, aby zapewnić chirurgowi odniesienie przed operacją. Takie podejście pozwala chirurgowi mieć przedoperacyjne wyobrażenie o protokole rewizji panewki, skracając czas śródoperacyjnych prób i błędów.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Badanie otrzymało zgodę Komisji Etyki Szpitala Ortopedyczno-Traumatologicznego Luoyang w prowincji Henan. Ponadto badanie to opierało się na danych obrazowych i nie zaszkodziło ochotnikom ani nie ujawniło ich informacji. W związku z tym, zgodnie z ustawodawstwem krajowym i wymogami instytucjonalnymi, nie było potrzeby, aby uczestnicy lub ich opiekunowie prawni/najbliżsi krewni podpisywali formularz świadomej zgody.

1. Import obrazów

  1. Zaimportuj oryginalne dane tomografii komputerowej obustronnego całkowitego biodra pacjenta. Otwórz oprogramowanie do przetwarzania obrazów medycznych, wybierz opcję Importuj dane i kliknij opcję Dane lokalne, aby zaimportować oryginalne dane tomografii komputerowej pacjenta. Rysunek 1 pokazuje interfejs importu obrazów.

2. Leczenie ubytku kostnego panewki po stronie dotkniętej chorobą

  1. Określ, czy pacjent ma zmianę jednostronną czy obustronną. Wybierz narzędzie Pomiar i użyj myszy, aby narysować prostokątne pole na obrazie, bezpośrednio mierząc wartość HU (Hounsfield Unit, HU) obszaru kości biodrowej. Weź pod uwagę metal obecny, gdy wartość HU przekracza 1000 i oznacz ten obszar jako dotknięty staw biodrowy.

3. Segmentacja i rekonstrukcja obrazu

  1. Wybierz dane obrazu pacjenta do zaplanowania. Kliknij opcję Automatyczna segmentacja, wartość CT 400 jest domyślnie wybrana dla zgrubnej segmentacji kości biodrowej.
  2. Wybierz przycisk Edytuj, aby ręcznie dostosować wyniki segmentacji każdej części każdej warstwy. Następnie wybierz opcję Rekonstrukcja 3D, aby zakończyć obliczenia rekonstrukcji 3D miejsca pacjenta. Zrekonstruowany model 3D obejmuje głównie lewe/prawe kości biodrowe oraz lewe/prawe obszary kości udowej. Jak pokazano na Rysunek 2, różne części są wyświetlane w różnych kolorach.

4. Podział ubytku kości panewki stawowej i obliczanie ilości wad

  1. W przypadku pacjentów z jednostronną operacją stawu biodrowego należy wybrać model 3D zdrowej strony. Użyj funkcji lustra, aby wyrównać je ze strukturą anatomiczną dotkniętej strony. W ten sposób zakończona zostanie rekonstrukcja modelu odbudowy stawu biodrowego.
  2. W przypadku pacjentów z obustronną operacją stawu biodrowego otwórz bibliotekę modeli standardowych i wybierz model stawu biodrowego, który jest najbardziej podobny do anatomii pacjenta, jako model odbudowy.
  3. Kliknij opcję Partycja, aby podzielić model 3D ubytku stawu biodrowego (strona dotknięta chorobą) zrekonstruowany w kroku 2 i model 3D stawu biodrowego odtworzonego w kroku 3. Następnie kliknij opcję Operacja różnicy, aby wykonać operację różnicową na dwóch podzielonych modelach kości biodrowej w celu obliczenia ubytku panewki. Model kości biodrowej zostanie podzielony na różne obszary zgodnie z metodą Qin7, jak pokazano w Rysunek 3.
    UWAGA: Ze względu na skupienie się na 3-punktowym unieruchomieniu (rami ischii, rami ossis pubis i przednio-górna część panewki) panewki panewki w granicach ściany panewki, panewka została podzielona na 3 równe części co 120°, zdefiniowane jako dach czaszki, kolumna przednia i kolumna tylna, z wyłączeniem ściany przyśrodkowej. Aby kierować procedurami chirurgicznymi, Wytwarzaj podwarstwy w oparciu o średnicę panewki. Ustalono, że warstwa wewnętrzna musi leżeć między 54 mm a 62 mm, a warstwa zewnętrzna musi leżeć między 62 mm a 70 mm w przypadku mężczyzn. Warstwa wewnętrzna leży od 50 mm do 58 mm, a warstwa zewnętrzna od 58 mm do 66 mm dla kobiet.

5. Eksperckie wyszukiwanie w bazie danych rewizji stawu biodrowego - planowanie wad panewki

  1. Otwórz bazę przypadków eksperckich i użyj obliczonej objętości ubytku panewki firmy zgodnie z powyższym opisem jako danych wejściowych do wyszukiwania. Wybierz narzędzia pomiarowe, aby ocenić odpowiednie parametry planowania na przedoperacyjnych i pooperacyjnych kliszach rentgenowskich pobranych przypadków i uzyskać dane planistyczne.
  2. Otwórz bazę przypadków ekspertów i wprowadź rodzaj i stopień ubytku stawu biodrowego, który ma zostać automatycznie pobrany. Uzyskane zostaną odpowiednie informacje o przypadkach w bazie danych, w tym zdjęcia przedoperacyjne i pooperacyjne podobnych przypadków oraz parametry planowania lekarza (rozmiar implantu, pozycja itp.).
  3. Wyniki wyszukiwania zostaną przedstawione w kolejności podobieństwa od najwyższego do najniższego. Niech lekarz wybierze najbardziej podobne przypadki. Cała procedura jest pokazana w Rysunek 4.
  4. Jeśli podobnego przypadku nie można znaleźć w powyższej bazie danych, przyjmij wynik rekonstrukcji modelu z kroku 2, używając środka nienaruszonej panewki jako środka panewki. Domyślnie kąt panewki panewki w wersji ante wynosi 20°, a kąt odwodzenia 40° (zasada ta jest zdefiniowana klinicznie).
    UWAGA: Po zaplanowaniu chirurg jest w stanie przewidzieć zabieg chirurgiczny i z większą precyzją przygotować protezę oraz instrumenty wspomagające. Takie podejście eliminuje możliwość napotkania sytuacji, w której właściwa proteza nie jest dostępna podczas operacji. Co więcej, zalecane rozwiązanie jest stosowane bezpośrednio podczas operacji, eliminując potrzebę stosowania alternatywnych rozwiązań, objazdów lub długotrwałych procesów prób i błędów.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Obecnie stosujemy tę metodę w pięciu przypadkach pacjentów, którzy przeszli rewizyjną endoprotezoplastykę stawu biodrowego, w tym czterech mężczyzn i jedną kobietę. Wiek wahał się od 42 do 67 lat. Zostały one zdiagnozowane jako aseptyczne obluzowanie protezy po endoprotezoplastyce stawu biodrowego i sklasyfikowane na podstawie klasyfikacji Paprosky'ego8. Średni czas operacji dla pięciu pacjentów wynosił 123,2 min, przy średniej śródoperacyjnej utracie krwi 672 ml. Czas operacji to czas całkowity, ...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Ze względu na znaczne uszkodzenia anatomiczne, skomplikowany stan tkanek miękkich po endoprotezoplastyce stawu biodrowego oraz obecność poważnych artefaktów metalowych często związanych z metalowymi implantami, często konieczne jest, aby doświadczeni lekarze wykorzystali rekonstrukcję 3D do kompleksowej analizy wyników obrazowania i objawów klinicznych w celu oceny konkretnych ubytków kostnych u pacjentów, a następnie zaplanowania odpowiednich protez panewki stawu biodrowego9,

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Autor Xiaolu Xi, Ke Yuan i Qiang Xie są zatrudnieni przez Wuhan United Imaging Surgical Co., Ltd. Pozostali autorzy oświadczają, że nie mają sprzecznych interesów.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

System planowania przedoperacyjnego AI w tej pracy był wspierany przez Wuhan United Imaging Surgical Co., Ltd.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
PyCharmJetBrains243.21565.199IDE języka Python do nauki o danych i tworzenia stron internetowych

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Sadoghi, P., et al. Revision surgery after total joint arthroplasty: a complication-based analysis using worldwide arthroplasty registers. J Arthroplasty. 28 (8), 1329-1332 (2013).
  2. Laughlin, M. S., et al. Mortality after revision total hip arthroplasty. J Arthroplasty. 36 (7), 2353-2358 (2021).
  3. Bozic, K. J., et al. Comparative epidemiology of revision arthroplasty: Failed THA poses greater clinical and economic burdens than failed TKA. Clin Orthop Relat Res. 473 (6), 2131-2138 (2015).
  4. Mahomed, N. N., et al. Rates and outcomes of primary and revision total hip replacement in the United States medicare population. J Bone Joint Surg Am. 85 (1), 27-32 (2003).
  5. Ko, S., et al. Artificial intelligence in orthopedics: three strategies for deep learning with orthopedic specific imaging. Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc. 30 (3), 758-761 (2022).
  6. Velasquez Garcia, A., et al. Artificial intelligence-based three-dimensional templating for total joint arthroplasty planning: a scoping review. Int Orthop. 48 (4), 997-1010 (2024).
  7. Wang, J., et al. Statistical shape models quantify acetabular defects in hip revision surgery: implications for classification and surgical planning. Arch Orthop Trauma Surg. 145 (1), 45(2024).
  8. Telleria, J. J., Gee, A. O. Classifications in brief: Paprosky classification of acetabular bone loss. Clin Orthop Relat Res. 471 (11), 3725-3730 (2013).
  9. Zhang, J. W., et al. Comparison of 3D printing rapid prototyping technology with traditional radiographs in evaluating acetabular defects in revision hip arthroplasty: A prospective and consecutive study. Orthop Surg. 13 (6), 1773-1780 (2021).
  10. Li, Q., et al. Three-dimensional technology assisted trabecular metal cup and augments positioning in revision total hip arthroplasty with complex acetabular defects. J Orthop Surg Res. 14 (1), 431(2019).
  11. Matar, H. E., Platt, S. R., Board, T. N., Porter, M. L. Overview of randomized controlled trials in primary total hip arthroplasty (34,020 Patients): What have we learnt. J Am Acad Orthop Surg Glob Res Rev. 4 (8), e20.00120(2020).
  12. D'Apolito, R., Zagra, L. Uncemented cups and impaction bone grafting for acetabular bone loss in revision hip arthroplasty: A review of rationale, indications, and outcomes. Materials. 15 (10), 3728(2022).
  13. Mancino, F., et al. Reconstruction options and outcomes for acetabular bone loss in revision hip arthroplasty. Orthop Rev. 12 (Suppl 1), 8655(2020).
  14. Ying, J., et al. Treatment of acetabular bone defect in revision of total hip arthroplasty using 3D printed tantalum acetabular augment. Orthop Surg. 15 (5), 1264-1271 (2023).
  15. Shen, J., et al. Study on the causes of revision and prosthesis selection after total hip replacement for Crowe Type IV hip dysplasia. Chinese J Reparative Reconstructive Surg. 34 (05), 557-562 (2020).
  16. Yang, W., et al. Clinical application of artificial intelligence-assisted three-dimensional planning in direct anterior approach hip arthroplasty. Int Orthop. 48 (3), 773-783 (2024).
  17. Crutcher, J. P., Hameed, D., Dubin, J., Mont, M. A., Mont, M. Comparison of three-versus two-dimensional pre-operative planning for total hip arthroplasty. J Orthop. 47, 100-105 (2023).
  18. Chen, X., et al. Validation of CT-Based three-dimensional preoperative planning in comparison with acetate templating for primary total hip arthroplasty. Orthop Surg. 14 (6), 1152-1160 (2022).
  19. Huo, J., et al. Value of 3D preoperative planning for primary total hip arthroplasty based on artificial intelligence technology. J Orthop Surg Res. 16 (1), 156(2021).
  20. Saito, K., et al. Intraoperative hemorrhage in revision total hip arthroplasty: a retrospective single-center study. J Anesth. 33 (3), 399-407 (2019).
  21. Pflüger, M. J., Frömel, D. E., Meurer, A. Total hip arthroplasty revision surgery: Impact of morbidity on perioperative outcomes. J Arthroplasty. 36 (2), 676-681 (2021).
  22. Bautista, M., et al. Thromboprophylaxis for hip revision arthroplasty: Can we use the recommendations for primary hip surgery? A cohort study. Clin Appl Thromb Hemost. 25, 1076029618820167(2019).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Artificial Intelligence PlanningRevision Hip ArthroplastyExpert Database RetrievalPreoperative Planning SystemAcetabular Bone DefectSurgical Case DatabaseProsthesis LooseningOrthopedic SurgerySurgical Strategy GuidancePostoperative Outcome Prediction
Video Coming Soon

Related Articles