Aplicação Clínica do Sistema de Planejamento Pré-operatório de Inteligência Artificial Combinado com Recuperação de Banco de Dados Especializado em Cirurgia de Quadril de Revisão Complexa

Resumo

Este estudo propõe uma nova abordagem de planejamento pré-operatório de inteligência artificial baseada na recuperação de banco de dados de casos cirúrgicos especializados em artroplastia de quadril de revisão. Além disso, a técnica foi inicialmente empregada em cinco pacientes, exibindo redução do tempo operatório e hemorragia intraoperatória.

Resumo

O planejamento pré-operatório preciso na revisão da artroplastia do quadril é crucial para alcançar resultados bem-sucedidos. Para melhorar a avaliação intuitiva da gravidade do defeito ósseo acetabular e alavancar a experiência anterior bem-sucedida na revisão da artroplastia do quadril, este estudo propõe uma nova abordagem baseada na recuperação do banco de dados de casos cirúrgicos especializados e é inicialmente implementada na aplicação clínica. Neste estudo, cinco pacientes que necessitaram de revisão de artroplastia de quadril foram planejados no pré-operatório para empregar o sistema de planejamento cirúrgico de banco de dados de casos especializados. Os dados de imagem do paciente foram inseridos no sistema e combinados com os casos no banco de dados de casos especialistas. Com base na experiência cirúrgica do especialista, foi recomendado um plano cirúrgico de revisão. Caso não fosse encontrado nenhum caso adequado, o modelo e a posição da prótese eram planejados com base nos resultados da reconstrução específica do paciente. Um total de cinco pacientes foram incluídos neste estudo, quatro do sexo masculino e um do sexo feminino, com idade média de 50,6 anos. O diagnóstico foi de soltura asséptica da prótese após artroplastia do quadril. O tempo operatório médio foi de 123,2 min e a hemorragia intraoperatória média foi de 672 mL. Não foram observadas complicações intraoperatórias, como lesão vascular ou nervosa. No Caso 2, por exemplo, a aplicação desse esquema de planejamento inovador permitiu ao cirurgião delinear o plano cirúrgico de revisão para esse paciente no pré-operatório, reduzindo o tempo operatório e a hemorragia intraoperatória. Além disso, os pacientes podem ser informados sobre os resultados de casos análogos com antecedência. Aproveitar uma abordagem de análise de big data por meio de nosso banco de dados de casos abrangente permite a identificação automatizada de planos de tratamento especializados correspondentes em todo o processo. Isso beneficia particularmente cirurgiões ortopédicos inexperientes, fornecendo orientação precisa sobre estratégias cirúrgicas para ajudá-los a selecionar tamanhos protéticos e posições de montagem apropriados. Além disso, os resultados correspondentes podem oferecer aos pacientes visualizações que descrevem os resultados pós-operatórios previstos.

Introdução

A crescente prevalência de artroplastia total do quadril (ATQ) primária levou a um aumento correspondente na necessidade de artroplastia de revisão devido a uma série de fatores, incluindo soltura asséptica, infecção, luxação recorrente e fratura periprotética¹. Em comparação com a artroplastia primária do quadril, a cirurgia de revisão do quadril é um procedimento tecnicamente mais complexo e clinicamente desafiador, com maiores taxas de mortalidade², maiores custos de saúde³ e maiores riscos de complicações⁴.

Na artroplastia de quadril de revisão, a reconstrução da perda óssea acetabular e a seleção da prótese são primordiais para determinar o sucesso da cirurgia. O cirurgião ortopédico precisa avaliar o estoque ósseo residual e a anatomia alterada, visando a estabilidade inicial adequada da taça acetabular recém-implantada¹. Consequentemente, o planejamento pré-operatório preciso é crucial para orientar as opções de tratamento disponíveis.

Atualmente, os cirurgiões ortopédicos são responsáveis por realizar uma avaliação abrangente e planejar a artroplastia de revisão com base nos achados de imagem pré-operatórios e em sua própria experiência cirúrgica. No entanto, isso representará um desafio significativo para o cirurgião inexperiente.

Com o desenvolvimento da tecnologia de inteligência artificial (IA), ela tem sido cada vez mais utilizada em cirurgias ortopédicas, principalmente para segmentação de imagens, diagnóstico e classificação de patologias e implantes⁵. Enquanto isso, a IA está começando a alcançar o sucesso inicial na assistência à ATQ⁶ primária. No entanto, o planejamento pré-operatório inteligente para revisão de artroplastia de quadril permanece uma lousa em branco. A IA tem um futuro promissor na cirurgia de revisão do quadril, particularmente na avaliação de defeitos ósseos. Esses defeitos são exclusivos para cada paciente e, embora exibam certos padrões, o método tradicional de classificação de Paprosky carece da precisão necessária para caracterizá-los completamente. No entanto, a IA é capaz de extrair informações mais detalhadas dos dados de imagem, oferecendo um caminho promissor para aumentar a exatidão e a precisão da avaliação de defeitos ósseos. Desenvolvemos um novo sistema de planejamento pré-operatório assistido por IA para orientar as decisões dos cirurgiões ortopédicos sobre a revisão da artroplastia com base na recuperação do banco de dados de casos cirúrgicos especializados.

Primeiro estabelecemos um novo método para reconstrução de defeitos ósseos acetabulares, quantificando e tipificando defeitos ósseos acetabulares. Posteriormente, construímos um banco de dados de casos de revisão do quadril coletando dados clínicos e de imagem de 200 casos cirúrgicos de revisão do quadril de um especialista nacional sênior. O banco de dados consiste em tomografia computadorizada (TC) pré-operatória, raio-X pré-operatório, radiografia pós-operatória e dados demográficos do paciente. Podemos combinar casos no banco de dados com base nas características atuais do defeito ósseo dos pacientes agendados para cirurgia e encontrar os cenários de casos mais semelhantes para fornecer ao cirurgião uma referência pré-operatória. Essa abordagem permite que o cirurgião tenha uma ideia pré-operatória do protocolo de revisão acetabular, reduzindo o tempo de tentativa e erro intraoperatório.

Protocolo

O estudo recebeu permissão do Comitê de Ética do Hospital Ortopédico-Traumatológico de Luoyang, na província de Henan. Além disso, este estudo foi baseado em dados de imagem e não prejudicaria os voluntários nem divulgaria suas informações. Portanto, pela legislação nacional e pelas exigências institucionais, não houve necessidade de os participantes ou seus responsáveis legais/familiares assinarem o termo de consentimento livre e esclarecido.

1. Importação de imagens

1. Importe os dados originais da TC do quadril total bilateral do paciente. Abra o software de processamento de imagens médicas, selecione Importar dados e clique em Dados locais para importar os dados originais da TC do paciente. A Figura 1 mostra a interface de importação de imagens.

2. Recuperação do defeito ósseo acetabular no lado afetado

1. Determine se o paciente tem uma lesão unilateral ou bilateral. Selecione a ferramenta Medição e use o mouse para desenhar uma caixa retangular na imagem, medindo diretamente o valor de HU (Hounsfield Unit, HU) da área óssea do quadril. Considere o metal presente quando o valor de HU exceder 1000 e designe essa área como a articulação do quadril afetada.

3. Segmentação e reconstrução de imagens

1. Selecione os dados da imagem do paciente a ser planejado. Clique na opção Segmentação automática , o valor CT de 400 é selecionado por padrão para segmentação grosseira do osso do quadril.
2. Selecione o botão Editar para ajustar manualmente os resultados da segmentação de cada parte de cada camada. Em seguida, selecione a opção Reconstrução 3D para concluir o cálculo da reconstrução 3D do local do paciente. O modelo 3D reconstruído inclui principalmente os ossos do quadril esquerdo / direito e as regiões do fêmur esquerdo / direito. Conforme mostrado na Figura 2, diferentes peças são exibidas com cores diferentes.

4. Partição do defeito ósseo acetabular e cálculo da quantidade de defeito

1. Para pacientes com cirurgia unilateral do quadril, selecione o Modelo 3D do Lado Saudável. Use a função de espelho para alinhá-lo com a estrutura anatômica do lado afetado. Isso completará a reconstrução do modelo de restauração da articulação do quadril.
2. Para pacientes com cirurgia bilateral do quadril, abra a biblioteca de modelos padrão e selecione o Modelo de Quadril que é mais semelhante à anatomia do paciente como modelo de restauração.
3. Clique na opção Partição para dividir o modelo 3D do defeito do quadril (lado afetado) reconstruído na etapa 2 e o modelo 3D do quadril restaurado na etapa 3. Em seguida, clique na opção Operação de diferença para executar a operação de diferença nos dois modelos de osso do quadril particionados para calcular o defeito acetabular. O modelo ósseo do quadril será dividido em diferentes regiões de acordo com o método⁷ de Qin, conforme mostrado na Figura 3.
   NOTA: Devido ao foco na fixação de 3 pontos (ramos ísquios, ramos ósseos púbicos e parte ântero-superior do acetábulo) da taça acetabular dentro dos limites da parede acetabular, o acetábulo foi dividido em 3 partes iguais a cada 120°, definidas como teto craniano, coluna anterior e coluna posterior, excluindo a parede medial. Para orientar os procedimentos cirúrgicos, fabricar as subcamadas com base no diâmetro do acetábulo. Foi determinado que a camada interna deve estar entre 54 mm e 62 mm e a camada externa deve estar entre 62 mm e 70 mm para os homens. A camada interna fica entre 50 mm e 58 mm e a camada externa fica entre 58 mm e 66 mm para mulheres.

5. Pesquisa especializada no banco de dados de revisão do quadril - planejamento de defeitos acetabulares

1. Abra a base de casos especializados e use o volume de defeito acetabular calculado conforme descrito acima como entrada para recuperação. Selecione as ferramentas de medição para avaliar os parâmetros de planejamento relevantes nos filmes de raios-X pré e pós-operatórios dos casos recuperados e obtenha os dados de planejamento.
2. Abra a base do caso do especialista e insira o tipo e a quantidade de defeito do quadril para recuperação automática. Serão obtidas as informações dos casos correspondentes no banco de dados, incluindo imagens pré e pós-operatórias de casos semelhantes e os parâmetros de planejamento do médico (tamanho do implante, posição, etc.).
3. Os resultados da pesquisa serão apresentados em ordem de similaridade, do maior para o menor. Deixe o médico selecionar os casos mais semelhantes. O procedimento completo é mostrado na Figura 4.
4. Se um caso semelhante não puder ser encontrado no banco de dados acima, adote o resultado da reconstrução do modelo da etapa 2, usando o centro do acetábulo intacto como o centro da taça acetabular. Por padrão, o ângulo da versão ante da taça acetabular é de 20° e o ângulo de abdução é de 40° (esta regra é clinicamente definida).
   NOTA: Após o planejamento, o cirurgião é capaz de antecipar o procedimento cirúrgico e preparar a prótese e os instrumentos de suporte com maior precisão. Essa abordagem elimina a possibilidade de encontrar uma situação em que a prótese correta não esteja disponível durante a operação. Além disso, a solução recomendada é empregada diretamente durante a operação, evitando a necessidade de soluções alternativas, desvios ou processos prolongados de tentativa e erro.

Resultados

Atualmente, aplicamos esse método em cinco casos de pacientes submetidos à artroplastia de revisão do quadril, incluindo quatro homens e uma mulher. A idade variou de 42 a 67 anos. Foram diagnosticadas como soltura asséptica da prótese após artroplastia do quadril e classificadas com base na classificação de Paprosky8. O tempo operatório médio para os cinco pacientes foi de 123,2 min, com perda sanguínea intraoperatória média de 672 mL. O tempo operatório é o tempo total, incluindo a revisão da pr...

Discussão

Devido a danos anatômicos significativos, a intrincada condição dos tecidos moles após a artroplastia do quadril e a presença de artefatos metálicos graves frequentemente associados a implantes metálicos, é frequentemente necessário que profissionais médicos experientes utilizem a reconstrução 3D para analisar de forma abrangente os resultados de imagem e as manifestações clínicas, a fim de avaliar defeitos ósseos específicos em pacientes e, posteriormente, planejar próteses acetabulares...

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo

Nome	Empresa	Número de catálogo	Comentários
PyCharm	JetBrains	243.21565.199	O IDE Python para ciência de dados e desenvolvimento web