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Cette étude propose une nouvelle approche de planification préopératoire basée sur l’intelligence artificielle basée sur la récupération d’une base de données de cas chirurgicaux experts dans l’arthroplastie de révision de la hanche. De plus, la technique a d’abord été utilisée chez cinq patients, présentant une réduction du temps opératoire et des hémorragies peropératoires.
Une planification préopératoire précise dans l’arthroplastie de révision de la hanche est cruciale pour obtenir des résultats réussis. Afin d’améliorer l’évaluation intuitive de la gravité des défauts osseux acétabulaires et de tirer parti de l’expérience réussie antérieure en arthroplastie de révision de la hanche, cette étude propose une nouvelle approche basée sur la récupération d’une base de données de cas chirurgicaux experte et est initialement mise en œuvre dans une application clinique. Dans cette étude, cinq patients nécessitant une arthroplastie de révision de la hanche ont été planifiés avant l’opération pour utiliser le système de planification chirurgicale de base de données de cas experts. Les données d’imagerie du patient ont été saisies dans le système et appariées aux cas de la base de données de cas experts. Sur la base de l’expérience chirurgicale de l’expert, un plan de chirurgie de révision a été recommandé. Si aucun cas approprié n’a été trouvé, le modèle et la position de la prothèse ont été planifiés sur la base des résultats de reconstruction spécifiques au patient. Au total, cinq patients ont été recrutés dans cette étude, quatre hommes et une femme, avec un âge moyen de 50,6 ans. Le diagnostic était un descellement aseptique de la prothèse après une arthroplastie de la hanche. La durée opératoire moyenne était de 123,2 minutes et l’hémorragie peropératoire moyenne était de 672 ml. Aucune complication peropératoire, telle qu’une lésion vasculaire ou nerveuse, n’a été observée. Dans le cas 2, par exemple, l’application de ce schéma de planification innovant a permis au chirurgien de définir le plan de révision chirurgicale de ce patient dans la période préopératoire, réduisant ainsi le temps opératoire et l’hémorragie peropératoire. De plus, les patients pouvaient être informés à l’avance des résultats de cas analogues. L’utilisation d’une approche d’analyse de données volumineuses grâce à notre base de données de cas complète permet l’identification automatisée des plans de traitement experts correspondants tout au long du processus. Cela profite particulièrement aux chirurgiens orthopédistes inexpérimentés, car il leur fournit des conseils précis sur les stratégies chirurgicales pour les aider à choisir les tailles de prothèses et les positions de montage appropriées. De plus, les résultats correspondants peuvent offrir aux patients des visualisations décrivant les résultats postopératoires prévus.
La prévalence croissante de l’arthroplastie totale primaire de la hanche (THA) a entraîné une augmentation correspondante de la nécessité d’une arthroplastie de révision en raison d’un certain nombre de facteurs, notamment le relâchement aseptique, l’infection, la luxation récurrente et la fracture périprothétique1. Par rapport à l’arthroplastie primaire de la hanche, la chirurgie de révision de la hanche est une procédure plus complexe techniquement et cliniquement difficile, avec des taux de mortalité plus élevés2, des coûts de soins de santé plus élevés3 et des risques de complications plus élevés4.
Dans l’arthroplastie de révision de la hanche, la reconstruction de la perte osseuse acétabulaire et le choix de la prothèse sont primordiaux pour déterminer le succès de la chirurgie. Le chirurgien orthopédiste doit évaluer le stock osseux résiduel et l’anatomie modifiée, en visant une stabilité initiale adéquate de la cupule acétabulaire1 nouvellement implantée. Par conséquent, une planification préopératoire précise est cruciale pour guider les options de traitement disponibles.
À l’heure actuelle, les chirurgiens orthopédistes sont chargés d’effectuer une évaluation complète et de planifier l’arthroplastie de révision en fonction des résultats de l’imagerie préopératoire et de leur propre expérience chirurgicale. Néanmoins, cela représentera un défi important pour le chirurgien inexpérimenté.
Avec le développement de la technologie de l’intelligence artificielle (IA), elle est de plus en plus utilisée en chirurgie orthopédique, principalement pour la segmentation d’images, le diagnostic et la classification des pathologies et des implants5. Pendant ce temps, l’IA commence à obtenir des succès initiaux dans l’assistance primaire THA6. Cependant, la planification préopératoire intelligente de l’arthroplastie de révision de la hanche reste une ardoise vierge. L’IA a un avenir prometteur dans la chirurgie de révision de la hanche, en particulier dans l’évaluation des défauts osseux. Ces défauts sont uniques à chaque patient, et bien qu’ils présentent certains motifs, la méthode traditionnelle de classification de Paprosky n’a pas la précision requise pour les caractériser pleinement. Néanmoins, l’IA est capable d’extraire des informations plus détaillées à partir de données d’image, offrant une voie prometteuse pour améliorer l’exactitude et la précision de l’évaluation des défauts osseux. Nous avons développé un nouveau système de planification préopératoire assisté par l’IA pour guider les décisions des chirurgiens orthopédistes concernant l’arthroplastie de révision sur la base de la récupération d’une base de données de cas chirurgicaux spécialisés.
Nous avons d’abord établi une nouvelle méthode de reconstruction des défauts osseux acétabulaires, en quantifiant et en typant les défauts osseux acétabulaires. Par la suite, nous avons construit une base de données de cas de révision de la hanche en recueillant des données cliniques et d’imagerie sur 200 cas chirurgicaux de révision de la hanche auprès d’un expert national senior. La base de données comprend la tomodensitométrie (TDM) préopératoire, les radiographies préopératoires, les radiographies postopératoires et les données démographiques des patients. Nous pouvons apparier les cas dans la base de données en fonction des caractéristiques actuelles des défauts osseux des patients devant subir une intervention chirurgicale et trouver les scénarios de cas les plus similaires pour fournir au chirurgien une référence préopératoire. Cette approche permet au chirurgien d’avoir une idée préopératoire du protocole de révision acétabulaire, réduisant ainsi le temps d’essais et d’erreurs peropératoires.
L’étude a reçu l’autorisation du comité d’éthique de l’hôpital orthopédique et traumatologique de Luoyang de la province du Henan. De plus, cette étude était basée sur des données d’imagerie et ne nuirait pas aux volontaires ni ne divulguerait leurs informations. Par conséquent, en vertu de la législation nationale et des exigences institutionnelles, il n’était pas nécessaire que les participants ou leurs tuteurs légaux/proches parents signent un formulaire de consentement éclairé.
1. Importation d’images
2. Récupération de l’insuffisance osseuse acétabulaire du côté affecté
3. Segmentation et reconstruction d’images
4. Partage de l’insuffisance osseuse acétabulaire et calcul de la quantité de défaut
5. Recherche experte dans la base de données de révision de la hanche - planification des défauts acétabulaires
Actuellement, nous avons appliqué cette méthode dans cinq cas de patients ayant subi une arthroplastie de révision de la hanche, dont quatre hommes et une femme. L’âge variait de 42 à 67 ans. Ils ont été diagnostiqués comme un descellement aseptique de la prothèse après une arthroplastie de la hanche et classés sur la base de la classification de Paprosky8. La durée opératoire moyenne des cinq patients était de 123,2 min, avec une perte de sang peropératoire moyenne de 672 ml. Le temps opératoire est le temps total, y compris la révision de la prothèse de tige fémorale. Les détails des patients sont présentés dans le tableau 1 et les résultats de la reconstruction sont présentés dans la figure 5.
Prenons l’exemple du deuxième cas : il s’agit d’une patiente de 67 ans qui a subi une THA il y a 13 ans. Elle s’est présentée à l’hôpital en janvier 2024 avec des douleurs à la hanche et une dysmobilité, qui persistaient depuis 3 ans. Le diagnostic était le descellement de la prothèse après THA, la classification de Paparosky en type IIC et une arthroplastie de révision de la hanche a été proposée. Nous avons importé les données de tomodensitométrie préopératoire du patient dans le système et les avons comparées à celles d’un patient de 58 ans vu en novembre 2017 qui présentait une anomalie osseuse acétabulaire remarquablement similaire. À ce moment-là, l’intervention chirurgicale a été réalisée à l’aide de la cupule Jumbo en conjonction avec la technique de greffe osseuse par compression, ce qui a permis d’obtenir une stabilité initiale complète, des résultats favorables lors du suivi de 5 ans et une stabilité fiable de la prothèse. Un plan chirurgical cohérent (coupe Jumbo avec une technique de greffe osseuse par compression) a été utilisé pour ce patient. Il a été démontré que le processus réduit le temps consacré à la planification peropératoire, ainsi que le temps consacré à la récupération et au remplacement de divers types de tampons et de gobelets géants. Par conséquent, il a été démontré qu’il réduit les saignements et le risque d’infection. En raison de la nécessité d’une révision simultanée de la face de la tige, l’hémorragie peropératoire a atteint 690 mL, mais la stabilité acétabulaire peropératoire était satisfaisante. Le patient est en observation depuis 8 mois, au cours desquels des résultats fiables ont été obtenus, et la hanche affectée a démontré une bonne fonctionnalité (Figure 6). Le patient n’a présenté aucune complication, y compris une douleur, un dysfonctionnement, une imagerie indiquant une prothèse en position, des marqueurs inflammatoires normaux et aucun signe d’infection ou de descellement secondaire de la prothèse.
Figure 1 : Interface d’importation d’images du système. Le système intègre à la fois des fonctions d’importation locales et PACS. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 2 : Modèle 3D reconstruit. Les différentes pièces sont présentées dans des couleurs différentes. Bleu : acétabulaire droit ; Rouge : fémur droit ; Jaune : acétabulaire gauche ; Vert : Fémur gauche. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 3 : Méthode de partage des défauts acétabulaires de Qin. L’acétabulum est divisé en trois secteurs défectueux (toit crânien, colonne antérieure et colonne postérieure). Les secteurs sont subdivisés en une couche interne et une couche externe. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 4 : Procédure de planification de l’arthroplastie de révision de la hanche. La procédure complète de reconstruction, d’évaluation et de planification des anomalies osseuses acétabulaires. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 5 : Résultats de reconstruction de l’acétabulaire des patients. La figure présente les résultats de la reconstruction pour les quatre patients en conjonction avec les cas de base de données correspondants et leurs résultats postopératoires. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 6 : Exemple d’appariement de cas. (A) Image préopératoire du deuxième cas. (B) Reconstruction des défauts osseux acétabulaires dans le cas 2. (C) Image postopératoire du deuxième cas. (D) Image préopératoire du cas d’expert correspondant. (E) Reconstruction des défauts de l’os acétabulaire dans le cas d’un expert correspondant. (F) image postopératoire d’un cas d’expert correspondant. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Cas | Genre | Âge | Diagnostic | Classification de Paparosky | Temps de fonctionnement (min) | Hémorragie peropératoire (mL) |
1 | Homme | 45 | Desserrage de la prothèse aseptique après une arthroplastie de la hanche | IIA | 112 | 560 |
2 | Femme | 67 | L’IIC | 135 | 690 | |
3 | Homme | 56 | IIIB | 146 | 1020 | |
4 | Homme | 42 | IIB | 106 | 420 | |
5 | Homme | 43 | L’IIC | 117 | 470 |
Tableau 1 : Résumé et comparaison des cas.
En raison de lésions anatomiques importantes, de l’état complexe des tissus mous après une arthroplastie de la hanche et de la présence d’artefacts métalliques sévères souvent associés aux implants métalliques, il est souvent nécessaire pour les professionnels de la santé expérimentés d’utiliser la reconstruction 3D pour analyser de manière exhaustive les résultats d’imagerie et les manifestations cliniques afin d’évaluer des défauts osseux spécifiques chez les patients et de planifier ensuite des prothèses acétabulaires appropriées9, 10. Aéroport international Cependant, même lorsqu’un modèle de patient est reconstruit, la planification préopératoire repose encore fortement sur l’expertise des cliniciens, en particulier lorsqu’il s’agit de patients atteints de malformations acétabulaires graves. Par conséquent, les jeunes médecins sont confrontés à des défis considérables lorsqu’ils traitent de tels patients. Afin d’évaluer plus précisément l’étendue des anomalies osseuses acétabulaires et de tirer parti de l’expérience antérieure dans la planification préopératoire complexe de l’articulation de la hanche comme référence pour les médecins, cette étude a utilisé une base de données de cas d’experts qui englobe presque tous les types cliniques d’anomalies de l’articulation de la hanche tout en classant les patients en fonction de certains critères. En utilisant les évaluations des anomalies osseuses acétabulaires de cette base de données, les médecins peuvent sélectionner des prothèses acétabulaires et des protocoles chirurgicaux appropriés pour assurer la stabilité post-chirurgicale et la récupération fonctionnelle de l’articulation de la hanche.
Bien que l’arthroplastie primaire de la hanche soit une procédure bien établie11, l’évaluation des défauts osseux acétabulaires joue un rôle essentiel pour assurer le succès et la stabilité de l’arthroplastie de révision de la hanche. Les techniques d’imagerie telles que les rayons X, l’imagerie par résonance magnétique (IRM) et la tomodensitométrie sont couramment utilisées pour évaluer les défauts osseux acétabulaires. Ces techniques offrent des informations détaillées sur la structure de l’acétabulum, y compris l’état osseux, la taille du défaut et l’emplacement. De plus, certains logiciels d’analyse d’images médicales peuvent être utilisés pour calculer l’épaisseur de l’acétabulum et visualiser les défauts à l’aide de cartes thermiques 12,13,14. Cependant, la présence d’artefacts de prothèse métallique dans les images préopératoires peut affecter la précision de la segmentation acétabulaire. Dans cette étude, des algorithmes logiciels tiers ont été utilisés pour retirer les artefacts avant leur importation dans le système pour des opérations ultérieures. Le raffinement des étapes de désartéfactage est un sujet à explorer dans les études futures. Le réseau a été formé avec des images d’artefacts authentiques formant l’ensemble d’apprentissage et des images post-traitées dépourvues d’artefacts formant l’ensemble d’étiquettes pour l’entraînement du réseau. Cette approche a donné des résultats satisfaisants dans l’élimination des artefacts métalliques. Par la suite, un réseau neuronal U-Net a été utilisé pour segmenter et reconstruire automatiquement les images originales en trois dimensions. En exploitant des valeurs de densité distinctes entre les os de la hanche et d’autres tissus, cette étude a atteint un taux de précision de segmentation impressionnant de 95 % pour l’articulation de la hanche. L’application de la technologie d’apprentissage profond réduit considérablement le temps de reconstruction du modèle et facilite la planification chirurgicale tout en améliorant l’efficacité clinique. Par conséquent, il présente une valeur pratique et clinique substantielle.
Une compréhension complète de la morphologie et de l’étendue des anomalies osseuses acétabulaires, associée à l’élaboration d’un plan de reconstruction approprié, est essentielle au succès de la chirurgie de révision de la hanche15. En raison du principe du calcul différentiel, la forme et la taille de l’acétabulum étaient différentes pour chaque patient. En conséquence, dans les cas où le patient présente une anomalie unilatérale, cette étude a utilisé un traitement miroir conforme à l’acétabulum du côté sain. Par la suite, le modèle d’acétabulum en miroir a été utilisé comme modèle de reconstruction, et un enregistrement rigide a été effectué avec l’acétabulum défectueux. Enfin, la différence entre l’acétabulum complet reconstruit et le modèle de défaut original a été calculée pour obtenir la quantité de défauts osseux. Afin de calculer l’étendue des défauts osseux dans cette étude, la méthode de partage acétabulaire proposée par Qin7 a été utilisée pour déterminer le degré de défauts osseux dans chaque partition. Celle-ci a ensuite été corrélée avec les cas de la base de données d’experts. Si le patient présente des anomalies bilatérales, la méthode de reconstruction consiste à utiliser à l’avance un modèle statistique de forme à partir d’un grand nombre de données complètes et saines d’acétabulum, sur la base d’un calcul statistique d’analyse en composantes principales de l’ACP, afin d’obtenir un ensemble de modèles moyens pour le calcul des défauts ultérieurs.
Une planification préopératoire précise peut réduire le temps opératoire, réduire la perte de sang peropératoire et améliorer les résultats chirurgicaux16. Il a été démontré que l’application de la planification préopératoire 3D dans l’ATH primaire permet des prédictions plus précises des dimensions de la cupule acétabulaire et de la tige fémorale, ainsi que de la position d’implantation de la prothèse, par rapport à la planification 2D conventionnelle. Cette avancée contribue de manière significative au succès de la chirurgie THA17,18. Avec le développement de la technologie de l’IA, la planification 3D THA basée sur l’IA a démontré une précision et une efficacité accrues19. Néanmoins, le potentiel de la planification préopératoire 3D et les applications cliniques importantes de la technologie de l’IA dans l’arthroplastie de révision de la hanche n’ont pas encore été pleinement exploités. Dans cette étude, la planification préopératoire 3D et la technologie de l’IA ont été appliquées à la révision clinique de l’arthroplastie de la hanche. Bien que l’application des cas ait été limitée (seulement 5 cas) et qu’il n’ait pas encore été possible d’évaluer la précision de l’appariement de la taille de la prothèse, l’appariement automatique de cas similaires pourrait fournir au chirurgien des suggestions de plans chirurgicaux. Pendant ce temps, les patients qui ont subi une chirurgie de révision basée sur le plan suggéré ont démontré une récupération fonctionnelle satisfaisante. De plus, dans des études antérieures, la durée moyenne de la chirurgie de révision était de 200 à 300 min, avec une perte de sang peropératoire moyenne de 800 à 2000 mL 20,21,22. La durée moyenne de l’intervention chirurgicale dans cette cohorte de cinq patients était de 123,2 min, avec une hémorragie peropératoire s’élevant à 672 mL. Il a été démontré que l’utilisation de notre nouvelle approche pour la révision de l’arthroplastie de la hanche réduit le temps opératoire et les hémorragies peropératoires.
L’utilisation d’une base de données de cas experts pour la reconstruction des défauts osseux acétabulaires et la planification préopératoire dans l’arthroplastie de révision de la hanche a démontré des avantages significatifs. La mise à profit des expériences antérieures en arthroplastie de révision de la hanche, en particulier pour les professionnels de la santé inexpérimentés, peut fournir des informations et des références précieuses pour améliorer la précision de la planification préopératoire. Lorsqu’ils sont confrontés à des chirurgies de révision complexes, l’adoption de plans chirurgicaux similaires à partir de cas d’experts permet aux médecins d’apporter les ajustements nécessaires ou même de les réutiliser en fonction de l’état du patient, réduisant ainsi le temps de planification préopératoire et améliorant l’efficacité clinique. Simultanément, les patients peuvent acquérir des connaissances préalables sur les résultats postopératoires grâce à la base de données de cas d’experts. Cependant, l’accès à la base de données d’experts reste limité en raison des capacités de récupération limitées et des périodes de suivi limitées pour les patients, d’autres suivis à long terme sont nécessaires pour évaluer l’efficacité du traitement. De plus, la planification de notre arthroplastie de révision de la hanche n’inclut pas le fémur latéral. Par conséquent, dans les cas où la révision latérale fémorale présente des défis, la durée globale de l’intervention chirurgicale peut ne pas être raccourcie. Pour mieux comprendre l’évolution du temps chirurgical à chaque étape, une étude de suivi enregistrera le temps global de l’intervention chirurgicale par sections. Cela permettra une analyse statistique et une comparaison des changements dans le temps chirurgical à différentes étapes.
Conclusion
La méthode de planification préopératoire, qui intègre la reconstruction et la récupération des défauts osseux acétabulaires à partir d’une base de données de cas d’experts, présente une nouvelle approche de la planification chirurgicale pour les professionnels de la santé. L’exploitation de l’expertise stockée dans la base de données de cas facilite l’exécution rapide et précise des chirurgies complexes de la hanche.
L’auteur Xiaolu Xi, Ke Yuan et Qiang Xie sont employés par Wuhan United Imaging Surgical Co., Ltd. Les autres auteurs déclarent qu’ils n’ont pas d’intérêts concurrents.
Le système de planification préopératoire par IA dans ce travail a été soutenu par Wuhan United Imaging Surgical Co., Ltd.
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