Instrumentos Específicos de Paciente Impressos em 3D - Planejamento Pré-Operatório Virtual Combinado de IA Artroplastia Unicompartmental Unicompartmental de Rolamento Fixo Com Rolamento Medial

Resumo

Aqui, apresentamos um protocolo para aprimorar a precisão da artroplastia unicompartmental de joelho com rolamento fixo. Utiliza um fluxo de trabalho digital, combinando instrumentos específicos para pacientes impressos em 3D com simulação pré-operatória para melhorar a precisão do alinhamento, aumentar a segurança cirúrgica e possibilitar resultados personalizados e reprodutíveis.

Resumo

A artroplastia unicompartimental do joelho (AU) é amplamente reconhecida como um tratamento eficaz para osteoartrite avançada do joelho. No entanto, sua dependência da experiência cirúrgica e das radiografias bidimensionais (2D) introduz desafios significativos para cirurgiões menos experientes e para pacientes com deformidades do femur ou do osso tibial. Para aumentar a precisão cirúrgica e reduzir complicações relacionadas à má posição da prótese, nossa equipe integrou tecnologia de impressão tridimensional (3D) para instrumentação específica do paciente (PSI) com planejamento pré-operatório baseado em inteligência artificial (IA), abordando assim as limitações das abordagens tradicionais. Este estudo apresenta um fluxo de trabalho digital abrangente para UKA de portamento fixo, que visa alcançar alinhamento preciso da prótese, melhorar a eficiência e segurança cirúrgica, reduzir o tempo cirúrgico e possibilitar o posicionamento personalizado da prótese com resultados consistentes e reprodutíveis. O protocolo consiste em cinco etapas críticas: 1. Seleção rigorosa do paciente baseada em indicações de UKA com portamento fixo; 2. Aquisição abrangente de imagem, incluindo tomografias computadorizadas do joelho afetado, radiografias anteroposteriores e laterais, e radiografias de apoio de peso em formato DICOM; 3. Planejamento pré-operatório assistido por IA com relatórios detalhados de simulação cirúrgica; 4. Fabricação de guias de corte personalizados impressos em 3D; 5. Execução precisa da osteotomia com verificação intraoperatória. Ao implementar essa abordagem digital padronizada, demonstramos como a integração de IA e impressão 3D pode otimizar os resultados do UKA por meio de maior reprodutibilidade, precisão e personalização específica para cada paciente.

Introdução

Nos últimos anos, a profunda integração das tecnologias digitais com a ciência ortopédica impulsionou uma mudança de paradigma na prática clínica — a transição de métodos empíricos e generalizados tradicionais para estratégias diagnósticas e terapêuticas baseadas em precisão, personalizadas e totalmente^{digitais 1}. Dentro desse cenário transformador, a tecnologia de impressão 3D, como aplicação principal da inovação digital, emergiu como um facilitador fundamental para alcançar personalização específica do paciente e intervenções cirúrgicas altamente precisas em diversos procedimentos ortopédicos ^2,3. A osteoartrite (OA), reconhecida como a doença degenerativa articular mais comum no mundo, apresenta forte correlação entre sua prevalência e o envelhecimento populacional, com estudos epidemiológicos demonstrando que o envelhecimento demográfico global acelerado estabeleceu a OA como uma das principais causas de dor crônica e disfunção locomoção em populações de meia-idade e^idosas.. Quanto às opções de tratamento para osteoartrite compartimental medial (MOA), a UKA apresenta vantagens clínicas distintas em relação à artroplastia total do joelho (ATC), incluindo melhor preservação da anatomia nativa do joelho e da função fisiológica, menor incidência de complicações pós-operatórias e períodos de reabilitação significativamente mais curtos.

A implementação bem-sucedida do UKA medial depende criticamente da reconstrução precisa do alinhamento dos membros inferiores, onde os principais desafios incluem variabilidade na execução da osteotomia, balanceamento dos tecidos moles e alinhamento dos componentes. Aspectos tecnicamente exigentes, como a seleção da prótese e o posicionamento da osteotomia, continuam dependendo predominantemente da estimativa visual e das técnicas manuais do cirurgião, resultando em variabilidade substancial dependente do operador, com discrepâncias de desempenho superiores a 30% entre cirurgiões com diferentes níveis de^{experiência 5}. Além disso, variações anatômicas específicas para cada paciente, aliadas à curva de aprendizado do cirurgião para novos sistemas de próteses, frequentemente contribuem para resultados clínicos inconsistentes nos procedimentos UKA, destacando a necessidade de maior padronização nas técnicas^{cirúrgicas 6}. A integração do planejamento por IA com PSI impresso em 3D aborda diretamente esses desafios, permitindo o planejamento de alinhamento específico para cada paciente, o design automatizado de guias e a precisão submilimétrica da osteotomia, reduzindo assim a dependência da experiência cirúrgica e melhorando a reprodutibilidade. Avanços recentes em PSI impresso em 3D para UKA demonstraram ainda mais essas^{vantagens 7}. Pesquisas extensas nos últimos anos mostraram que o design de imagem digital 3D combinado com tecnologia de impressão 3D permite o desenvolvimento de sistemas de navegação cirúrgica personalizados para artroplastia do joelho, onde tomografia computorizada-ressonância magnética (TC-MRI) com imagens multimodais baseadas em fusão e PSI impressas em 3D melhoram significativamente a precisão da correção do alinhamento dos membros, controle do volume da osteotomia, dimensionamento do platô tibial e posicionamento da prótese condilar^{femoral 8. 9,10}.

Para enfrentar as limitações inerentes às técnicas convencionais do UKA, nossa equipe de pesquisa desenvolveu uma abordagem inovadora ao integrar PSI impresso em 3D com planejamento pré-operatório virtual baseado em IA para auxiliar no UKA de suporte fixo medial. Ao estabelecer um fluxo de trabalho cirúrgico totalmente digitalizado para a UKA de plataforma fixa, avanços tecnológicos críticos foram alcançados, incluindo (1) simulação biomecânica pré-operatória usando modelagem dinâmica impulsionada por IA e (2) osteotomia submilimétrica guiada com precisão por módulos de navegação impressos em 3D.

Protocolo

Essa pesquisa recebeu aprovação ética do Comitê de Ética em Pesquisa do Primeiro Hospital da Universidade Médica de Hebei. O consentimento informado foi obtido de todos os participantes individuais incluídos no estudo.

1. Seleção de pacientes e imagem pré-operatória

1. Selecione pacientes com osteoartrite compartimental anteromedial ou osteonecrose côndila do fémur medial.
2. Confirme o ligamento cruzado anterior (LCA) intacto, o ligamento colateral medial competente (LCM) e a cartilagem do compartimento lateral com alterações de grau Outerbridge ≤ II.
3. Exclua pacientes com artrite inflamatória, deformidade do varo deformidade do varo >15°, contractura de flexão >15° ou flexão do joelho <90°.
4. Realizar uma tomografia computadorizada de corte fino (≤1,0 mm) que vai de 15 cm proximal aos côndilos femorais até 15 cm distal ao planalto tibial.
5. Obtenha radiografias complementares de comprimento total e suporte de peso e visões dedicadas do joelho para avaliação pré-operatória completa.

2. Segmentação de dados CT

1. Abra o software Mimics v2.1 e importe os dados DICOM da tomografia do fêmur, patela, tíbia e fíbula.
2. Use o comando Threshold para ajustar a faixa de limiar padronizada para osso (valor mínimo: 175) e filtrar voxels não ósseos da imagem (Figura 1A).
3. Use o comando Crescimento Regional para extrair ossos em regiões separadas (Figura 1B).
4. Use a ferramenta Editar Máscaras para adicionar e preencher quaisquer áreas esqueléticas não selecionadas (Figura 1C).
5. Converta as máscaras em dados de malha (grade) (Figura 1D).
6. Exporte os modelos ósseos STL de todas as estruturas relevantes e salve como arquivos de backup (Figura 1E).

3. Plantação de próteses virtuais guiadas por IA e simulação cirúrgica

1. Abra o software Creo Parametric e importe os dados do modelo STL do fêmur, patela, tíbia e fíbula.
2. Analise a anatomia femoral identificando a linha condilar, a superfície distal do fémur, a superfície côndila posterior, o eixo mecânico e o eixo anatômico (Figuras 2A-B).
3. Determine os ângulos femurais específicos do paciente (por exemplo, varo femoral e rotação externa do femoral) com base nas características anatômicas individuais (Figura 2A-B).
4. Determine os ângulos tibiais específicos do paciente (por exemplo, varo tibial, retroversão tibial e rotação externa tibial) de acordo com o modelo anatômico 3D (Figura 2C-D).
5. Com base na morfologia óssea de cada paciente, selecione os componentes apropriados da prótese: componente femoral (tamanho 1-6) posicionado a 2-3 mm da borda cortical femoral; componente tibial (tamanho 1-6) evitando saliência nas bordas ou conflito de próteses; e inserto de polietileno (tamanho 9-13 mm) (Figura 2E-F).
6. Verifique o alinhamento do implante e o equilíbrio da folga para alcançar 0° de flexão e 90° de extensão dentro de uma tolerância de ±1 mm.
7. Gere um relatório de planejamento pré-operatório resumindo o dimensionamento dos componentes, parâmetros de alinhamento e resultados de simulação virtual.
   NOTA: A simulação virtual deste plano pré-operatório foi concluída em uma duração média inferior a 2 horas em uma estação de trabalho clínica padrão. Esse processo normalmente envolvia de 3 a 5 iterações para refinar o posicionamento dos componentes e alcançar o equilíbrio ideal dos tecidos moles, garantindo um fluxo de trabalho reproduzível e eficiente.

4. Projeto e produção de instrumentos específicos para pacientes

1. Use algoritmos de IA para gerar automaticamente designs de guia de corte a partir do plano 3D finalizado. Os projetos específicos de instrumentos (PSI) para pacientes são inicialmente gerados usando um fluxo de trabalho automatizado impulsionado por IA.
   NOTA: Os algoritmos centrais, baseados em Redes Neurais Artificia (RNAs) para reconhecimento de características anatômicas, analisam o modelo ósseo 3D, planos de osteotomia pré-definidos e marcos anatômicos^{importantes 11}. Esse sistema gera automaticamente os elementos funcionais centrais das guias, incluindo as posições das ranhuras de osteotomia, a superfície de contato com osso (geometria "fit-to-bone") e a estrutura geral de suporte externo, otimizando para parâmetros como profundidade de ressecção, estabilidade da guia e área de contato.
2. Realize uma etapa obrigatória de validação e edição manual após a geração da IA. Inspecione os projetos propostos meticulosamente no software de planejamento. Se algum problema for identificado, como contato insuficiente com o osso cortical ou possível impacto de tecido mole, os parâmetros relevantes (por exemplo, deslocamento da superfície de contato, trajetória do pino) devem ser ajustados manualmente.
3. Projete um guia de corte tibial para ressecções coronal e axial, incorporando três pontos de fixação.
4. Projete o guia femoral I para resseção distal e o guia femoral II para cortes posteriores e perfuração de furos (Figura 3).
5. Fabricar todas as guias usando poliamida de grau médico 12 por meio de manufatura aditiva utilizando tecnologia de Sinterização A Laser Seletiva (SLS). A orientação da impressão foi otimizada para minimizar a necessidade de estruturas de suporte em superfícies críticas de contato ósseo, normalmente orientando a base do guia em um ângulo de 15^\circ15 em relação à plataforma de construção.
6. Pós-processamento:
   1. Desempacotamento e desempolvação: Remova cuidadosamente as peças da câmara de construção
   2. Jateamento de bala: Realize o jateamento para alcançar um acabamento liso na superfície
   3. Inspeção de qualidade: Verificar a precisão dimensional em relação ao modelo digital
   4. Limpeza ultrasônica: Limpe os guias em água deionizada para remover qualquer pó residual
   5. Secagem: Seque as guias e embale-as para esterilização terminal via autoclave a 132°C por 4 minutos antes da cirurgia.

5. Procedimento cirúrgico

1. Verifique a identidade e o procedimento do paciente junto ao paciente e com os registros médicos na área de detenção pré-operatória. Confirme consentimento informado assinado.
2. Induzir anestesia endotraqueal geral. Administre antibióticos profiláticos intravenosos (cefuroxima 1,5 g) 30 minutos antes da incisão na pele. Além disso, administre 1 g de ácido tranexâmico intravenoso antes da inflação do torniquete para minimizar a perda de sangue cirúrgica.
3. Posicione o paciente em deitado na mesa de cirurgia. Coloque um torniquete não estéril no alto da coxa proximal. Fixe um poste lateral no nível do torniquete para estabilizar o fêmur durante a flexão. Proteja e prenda a perna contralateral. Prepare e coloque a perna operatória no estilo estéril padrão e, em seguida, cubra o pé e o tornozelo com um ponto meia estéril.
4. Realize uma artrotomia parapatelar medial preservando o ligamento meniscotibial medial.
5. Remova osteófitos que podem prejudicar a posição de guia usando rongeurs e osteótomos. Realize todas as ressecções ósseas (tibial e femoral) usando uma serra oscilante. A remoção dos osteófitos e os cortes ósseos são realizados sob visualização direta, sem imagem intraoperatória, e são guiados pelo plano pré-operatório e pelos marcos anatômicos para garantir a posição precisa dos componentes e o equilíbrio dos tecidos moles.
6. Posicione e fixe o guia de corte tibial usando fios Kirschner de 2,0 mm (fios K). Insira os fios K sob visualização direta, com sua trajetória alinhada com a orientação dos furos dos pinos guia.
   NOTA: A fluoroscopia não é usada para alinhamento de guias; A colocação é baseada na exposição anatômica direta e na adesão aos marcos pré-operatórios do planejamento.
7. Realize o corte tibial vertical usando uma lâmina oscilante inclinada para trás.
8. Realize o corte tibial horizontal de acordo com a inclinação posterior pré-operatória.
9. Posicione e fixe o guia femoral I, depois execute a resseção distal do femur ao longo do plano de resseção pré-planejado.
10. Posicione e fixe o guia femoral II, depois execute os cortes posteriores no chanframento e perfure os furos dos pinos de fixação.
11. Teste os componentes da prótese e avalie a posição do implante, a estabilidade das articulações e o equilíbrio dos ligamentos ao longo da amplitude de movimento.

6. Verificação e validação intraoperatória

1. Proteja o ligamento colateral medial (LCM) com um afastador Hohmann durante todo o procedimento.
2. Usando calibradores de dígitos, verifique cada superfície da osteotomia comparando-a com o modelo ósseo impresso em 3D pré-operatório para confirmar a precisão geométrica.
   NOTA: A geometria e as dimensões de cada superfície de osteotomia são verificadas por comparação direta com o modelo ósseo impresso em 3D pré-operatório. Calibradores digitais foram utilizados para realizar medições quantitativas precisas (por exemplo, espessura da ressecção, dimensões condilares) com precisão de 0,1 mm, garantindo que os cortes ósseos alcançados correspondessem ao plano pré-operatório.
3. Meça as lacunas de flexão e extensão sob condições de carga fisiológica, garantindo que a diferença seja de <1 mm.
4. Avalie o rastreamento patelar dinamicamente durante todo o arco de flexão-extensão para confirmar o rastreamento central e prevenir desalinhamento.
5. Documente a posição final do implante usando radiografias intraoperatórias e confirme a ausência de saliência cortical e a restauração da linha articular.

Resultados

Um paciente do sexo masculino de 69 anos apresentou-se com osteoartrite bilateral no joelho, que havia passado por uma artroplastia unicompartmental do joelho com portamento móvel no lado direito dois anos antes, com recuperação pós-operatória satisfatória. Devido a um procedimento de pregação intramedular realizado para fratura do eixo femoral no joelho esquerdo há duas décadas, a instrumentação cirúrgica convencional não pôde ser inserida corretamente devido à anatomia alterada do canal...

Discussão

A implementação bem-sucedida desse protocolo digital UKA depende de várias etapas críticas. Primeiro, a aquisição de dados CT de alta qualidade e fatias finas (≤1,0 mm) é fundamental, pois a fidelidade dos modelos 3D de ossos subsequentes e a precisão dos guias PSI dependem diretamente^{disso 8,12}. Segundo, a etapa de planejamento virtual guiada por IA é crucial para determinar o alinhamento específico do paciente. Isso envolve ide...

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo

Nome	Empresa	Número de catálogo	Comentários
Creo Parametric 8.0.0.0	PTC	https://www.ptc.com/ en/products/creo	Saída do guia de simulação cirúrgica
Instrumentos Específicos para Pacientes Impressos em 3D	Sikon Medical Co., Ltd. China	D250610	Conformidade Anatômica & Posicionamento de Precisão; Alinhamento Otimizado de Membros; Eficiência cirúrgica; Abordagem Minimamente Invasiva? Reprodutibilidade Aprimorada
Componente Femoral	Beijing Leadcom Biomedical Co., Ltd.	A5101-05LM	Ressurgiu o côndilo femoral artrítico (medial/lateral).
Pesquisa em Imitações 21.0	Materialise	https://www.materialise. com/en/software/mimics-research-suite	Processamento de imagem
Inserto de polietileno	Beijing Leadcom Biomedical Co., Ltd.	A5301-0410	Atua como uma superfície articuladora entre os componentes femoral e tibial
Componentes tibiais	Beijing Leadcom Biomedical Co., Ltd.	A5201-04LM	Substitui o platô tibial desgastado e fornece uma base para   o inserto de polietileno.