複雑な再置換股関節手術における専門家によるデータベース検索と組み合わせた人工知能術前計画システムの臨床応用

この研究は、新しい人工知能 人工股関節置換術における専門家の外科的症例データベースの検索に基づく術前計画アプローチ。さらに、この技術は最初に5人の患者に採用され、手術時間と術中出血の減少を示しました。

人工股関節置換術における正確な術前計画は、成功した結果を達成するために重要です。寛骨臼骨欠損の重症度の直感的な評価を強化し、股関節置換術における以前の成功経験を活用するために、この研究は、専門家の外科的症例データベースの検索に基づく新しいアプローチを提案し、最初に臨床応用に実装されます。この研究では、人工股関節の再形成術が必要な 5 人の患者が術前に、専門家の症例データベース手術計画システムを採用するように計画されました。患者の画像データがシステムに入力され、専門家の症例データベース内の症例と照合されました。専門家の手術経験に基づいて、修正手術計画が推奨されました。適切な症例が見つからなかった場合、患者固有の再建結果に基づいて、プロテーゼのモデルと位置が計画されました。この研究には、男性4人、女性1人の計5人の患者が登録され、平均年齢は50.6歳でした。診断は、股関節形成術後の無菌プロテーゼのゆるみでした。平均手術時間は123.2分、平均術中出血は672mLでした。血管損傷や神経損傷などの術中合併症は観察されませんでした。例えば、ケース2では、この革新的なプランニングスキームの適用により、外科医は術前の期間にこの患者の再手術計画を描写することができ、それによって手術時間と術中出血を減らすことができました。さらに、患者は類似の症例の結果を事前に知らされることができました。包括的なケースデータベースによるビッグデータ分析アプローチを活用することで、プロセス全体を通じて一致する専門家の治療計画を自動的に特定することができます。これは、経験の浅い整形外科医に特にメリットをもたらし、手術戦略に関する正確なガイダンスを提供して、適切な補綴サイズと取り付け位置を選択するのを支援します。さらに、マッチング結果は、予測された術後転帰を描写する視覚化を患者に提供することができます。

一次人工股関節全置換術 (THA) の有病率の増加は、無菌緩み、感染、再発性脱臼、人工関節周囲骨折¹ など、多くの要因により、再置換関節形成術の必要性の対応する上昇につながっています。人工股関節置換術と比較して、人工股関節再置換術は、より技術的に複雑で臨床的に困難な手順であり、死亡率²、医療費³、^{合併症リスク4}が高くなります。

人工股関節置換術では、寛骨臼骨欠損の再建とプロテーゼの選択が手術の成功を決定する上で最も重要です。整形外科医は、新たに移植された寛骨臼カップ¹ の適切な初期安定性を目指して、残留骨蓄積と変更された解剖学的構造を評価する必要があります。したがって、利用可能な治療オプションを導くためには、正確な術前計画が重要です。

現在、整形外科医は、術前の画像所見と自身の手術経験に基づいて、関節置換術の包括的な評価と計画を行う責任があります。それにもかかわらず、これは経験の浅い外科医にとって大きな課題を提示します。

人工知能(AI)技術の発展に伴い、整形外科手術では、主に画像のセグメンテーション、診断、病状やインプラントの分類など、ますます利用^{されるようになりました5。}一方、AIはプライマリTHA⁶の支援において最初の成功を収め始めています。しかし、人工股関節の再置換術のためのインテリジェントな術前計画は白紙の状態のままです。AIは、股関節再置換術、特に骨欠損の評価において有望な未来を持っています。これらの欠陥は各患者に固有であり、特定のパターンを示しますが、従来のPaprosky分類方法では、それらを完全に特徴付けるために必要な精度が不足しています。それにもかかわらず、AIは画像データからより詳細な情報を抽出することができ、骨欠損評価の精度と精度を向上させるための有望な手段を提供します。私たちは、専門家の手術症例データベースの検索に基づいて、整形外科医の関節置換術に関する意思決定を導くために、新しいAI支援術前計画システムを開発しました。

私たちはまず、寛骨臼骨欠損の再建のための新しい方法を確立し、寛骨臼骨欠損を定量化してタイピングしました。その後、200人の人工股関節置換術症例の臨床および画像データを収集することにより、股関節置換術の症例データベースを構築しました。データベースは、術前のコンピューター断層撮影 (CT)、術前の X 線、術後の X 線、および患者の人口統計で構成されています。手術が予定されている患者の現在の骨欠損特性に基づいてデータベース内の症例を照合し、最も類似した症例シナリオを見つけて、外科医に術前の参照を提供することができます。このアプローチにより、外科医は寛骨臼修正プロトコルの術前を把握することができ、術中の試行錯誤の時間を短縮できます。

この研究は、河南省の洛陽整形外科外傷科病院の倫理委員会から許可を得ました。さらに、この研究は画像データに基づいており、ボランティアに害を及ぼしたり、情報を開示したりすることはありません。したがって、国内の法律と制度上の要件により、参加者またはその法定後見人/近親者がインフォームドコンセントフォームに署名する必要はありませんでした。

1. 画像のインポート

1. 患者の両側人工股関節全置換術の元のCTデータをインポートします。医用画像処理ソフトウェアを開き、[ データのインポート ]を選択し、[ ローカルデータ ]をクリックして患者の元のCTデータをインポートします。 図 1 は、イメージのインポート インターフェイスを示しています。

2. 患側の寛骨臼骨欠損の回復

1. 患者に片側性病変か両側性病変かを判断します。 測定 ツールを選択し、マウスを使用して画像上に長方形のボックスを描画し、股関節骨領域のHU(ハウンズフィールドユニット、HU)値を直接測定します。HU 値が 1000 を超える場合に存在する金属を考慮し、その領域を影響を受ける股関節として指定します。

3. 画像のセグメンテーションと再構成

1. 計画する患者の画像データを選択します。 「自動セグメンテーション」 オプションをクリックすると、腰骨の粗いセグメンテーションにデフォルトでCT値400が選択されます。
2. [編集] ボタンを選択して、各レイヤーの各部分のセグメンテーション結果を手動で調整します。次に、3D再構成オプションを選択して、患者の部位の3D再構成計算を完了します。再構築された3Dモデルには、主に左右の腰骨と左右の大腿骨領域が含まれています。図2に示すように、異なる部品は異なる色で表示されます。

4.寛骨臼骨欠損分割と欠損量の計算

1. 片側股関節手術を受けた患者様は、 ヘルシーサイドの3Dモデルを選択します。ミラー機能を使用して、患側の解剖学的構造に合わせます。これで股関節修復モデルの再構築が完了します。
2. 両側の股関節手術を受ける患者の場合は、標準モデルライブラリを開き、患者の解剖学的構造に最も類似した 股関節モデルを 修復モデルとして選択します。
3. [パーティション]オプションをクリックして、手順2で再構築した股関節欠損(患側)の3Dモデルと、手順3で復元した股関節の3Dモデルを分割します。次に、[Difference Operation] オプションをクリックして、分割された 2 つの股関節骨モデルに対して差分演算を実行し、寛骨臼欠損を計算します。股関節の骨モデルは、図 3 に示すように、秦の方法⁷ に従ってさまざまな領域に分割されます。
   注:寛骨臼壁の境界内の寛骨臼カップの3点固定(蝋骨骨、恥骨腱、および寛骨臼の前上部分)に焦点を当てているため、寛骨臼は120°ごとに3つの等しい部分に分割され、頭蓋屋根、前柱、および後柱として定義され、内側壁を除く。外科的処置をガイドするために、寛骨臼の直径に基づいてサブレイヤーを作製します。男性の場合、内層は54mmから62mmの間、外層は62mmから70mmの間にある必要があると判断されました。女性の場合、内側の層は50mmから58mmの間にあり、外側の層は58mmから66mmの間にあります。

5. 専門家による人工股関節置換術データベース検索 - 寛骨臼欠損症の計画

1. エキスパートケースベースを開き、上記のように計算された寛骨臼欠損ボリュームを検索の入力として使用します。測定ツールを選択して、取得した症例の術前および術後のX線フィルムに関連する計画パラメータを評価し、計画データを取得します。
2. エキスパートケースベースを開き、自動取得のための股関節欠損の種類と量を入力します。データベース内の対応する症例の情報、これには、同様の症例の術前および術後の画像と医師の計画パラメータ (インプラントのサイズ、位置など) が含まれます。
3. 検索結果は、類似性の高いものから低いものへと表示されます。医師に最も類似した症例を選択させてください。完全な手順を 図 4 に示します。
4. 上記のデータベースで同様のケースが見つからない場合は、無傷の寛骨臼の中心を寛骨臼カップの中心として使用して、ステップ2のモデル再構成の結果を採用します。デフォルトでは、寛骨臼カップのアンティバージョンの角度は 20°、外転角度は 40° です (このルールは臨床的に定義されています)。
   注:計画後、外科医は外科的処置を予測し、プロテーゼと支持器具をより正確に準備することができます。このアプローチにより、手術中に正しいプロテーゼが利用できない状況に遭遇する可能性がなくなります。さらに、推奨されるソリューションは操作中に直接使用されるため、代替ソリューション、迂回、または長引く試行錯誤プロセスの必要性がなくなります。

現在、人工股関節再置換術を受けた患者様5例(男性4例、女性1例)にこの方法を適用しています。年齢は42歳から67歳まででした。彼らは、股関節形成術後の無菌プロテーゼのゆるみと診断され、パプロスキー分類⁸に基づいて分類されました。5人の患者の平均手術時間は123.2分で、平均術中失血は672mLでした。手術時間は、大腿骨幹プロテーゼの修正を含む全体の時間です。患者の詳細を 表1 に、再構成結果を 図5に示します。

ケース2を例にとると、患者は13年前にTHAを受けた67歳の女性です。彼女は2024年1月に、3年間続いた股関節の痛みと運動障害を訴えて病院を訪れました。診断はTHA後のプロテーゼのゆるみ、パパロスキーはIIC型に分類され、股関節の再形成術が提案されました。本研究では、術前のCTデータをシステムにインポートし、2017年11月に受診した寛骨臼骨欠損が顕著に認められた58歳の男性患者のCTデータと照合しました。当時、外科的処置はジャンボカップと圧迫骨移植技術を組み合わせて行われ、その結果、完全な初期安定性、5年間のフォローアップで良好な結果が得られ、信頼性の高いプロテーゼの安定性が得られました。この患者には、一貫した手術計画 (圧迫骨移植技術を備えたジャンボ カップ) が採用されました。このプロセスにより、術中計画に費やす時間だけでなく、さまざまな種類のパッドやジャンボカップの回収と交換に費やす時間も削減できることが示されています。その結果、出血や感染リスクを軽減することが実証されています。ステム側の同時修正が必要であったため、術中出血は690mLに達しましたが、術中の寛骨臼の安定性は満足のいくものでした。患者は8ヶ月間観察されており、その間に信頼性の高い結果が得られ、影響を受けた股関節は良好な機能を示しています(図6)。患者は、痛み、機能障害、プロテーゼの位置を示す画像、正常な炎症マーカー、および感染またはプロテーゼの二次的な緩みの証拠などの合併症を示さなかった。

図1:システムの画像インポートインターフェース。 このシステムには、ローカルインポート機能とPACSインポート機能の両方が組み込まれています。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図2:再構築された3Dモデル。 異なる部品は異なる色で表示されます。青:右寛骨臼。赤:右大腿骨;黄色:左寛骨臼。緑:左大腿骨。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図3:寛骨臼欠損の秦の分割方法。 寛骨臼は、3つの欠陥セクター(頭蓋屋根、前柱、後柱)に分かれています。セクターは、内側の層と外側の層に細分化されます。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図4:人工股関節置換術の計画の手順。 寛骨臼骨欠損の再建、評価、および計画の完全な手順。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図5:患者の寛骨臼の再建結果。 この図は、4 人の患者の再建転帰を、対応するデータベース ケースとその術後結果と併せて示しています。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図6:ケースマッチングの例(A)ケース2の術前画像。(B) 症例2における寛骨臼骨欠損の再建。(C) 症例2の術後画像。(D)マッチングエキスパートケースの術前画像。(E)マッチング専門家のケースにおける寛骨臼骨欠損の再建。(F)マッチングエキスパートケースの術後画像。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

表1:ケースの概要と比較。

重大な解剖学的損傷、股関節形成術後の複雑な軟部組織の状態、および金属インプラントにしばしば関連する重度の金属アーチファクトの存在により、経験豊富な医療専門家は、患者の特定の骨欠損を評価し、その後適切な寛骨臼プロテーゼ9を計画するために、3D再構成を利用してイメージング結果と臨床症状を包括的に分析することが頻繁に必要である9^。10.しかし、患者モデルを再構築した場合でも、特に重度の寛骨臼欠損症を持つ患者を扱う場合、術前計画は依然として臨床医の専門知識に大きく依存しています。その結果、若い医師はそのような患者を治療する際にかなりの課題に直面します。寛骨臼骨欠損の程度をより正確に評価し、複雑な股関節術前計画の以前の経験を医師の参考として活用するために、この研究では、股関節欠損のほぼすべての臨床タイプを網羅する専門家のケースデータベースを使用し、特定の基準に基づいて患者を分類しました。このデータベースからの寛骨臼骨欠損の評価を利用することにより、医師は適切な寛骨臼プロテーゼと手術プロトコルを選択して、股関節の術後の安定性と機能回復を確保できます。

一次股関節形成術は確立された手順^{ですが 11}、寛骨臼骨欠損の評価は、再置換股関節形成術の成功と安定性を確保する上で重要な役割を果たします。寛骨臼骨欠損の評価には、X線、磁気共鳴画像法(MRI)、CTなどの画像技術が一般的に使用されます。これらの技術は、骨の状態、欠陥のサイズ、位置など、寛骨臼の構造に関する詳細な情報を提供します。さらに、特定の医用画像解析ソフトウェアを利用して、寛骨臼の厚さを計算し、ヒートマップ12,13,14を通じて欠陥を視覚化することができる。ただし、術前の画像に金属製のプロテーゼアーティファクトが存在すると、寛骨臼セグメンテーションの精度に影響を与える可能性があります。この研究では、サードパーティのソフトウェアアルゴリズムを使用して、アーティファクトをシステムにインポートする前に削除し、その後の操作に役立てました。脱人工化ステップの洗練は、将来の研究で探求されるべき主題です。ネットワークは、学習セットを形成する本物のアーティファクト イメージと、ネットワーク トレーニングのラベル セットを形成するアーティファクトのない後処理イメージで学習されています。このアプローチは、金属アーティファクトの除去において満足のいく結果をもたらしました。その後、U-Netニューラルネットワークを使用して、元の画像を自動的にセグメント化して3次元に再構築しました。この研究では、股関節の骨と他の組織との間の明確な密度値を活用して、股関節のセグメンテーション精度95%という印象的な達成を達成しました。ディープラーニング技術の適用により、モデルの再構築時間が大幅に短縮され、臨床効率を高めながら手術計画を支援します。その結果、それは実用性と臨床的価値をかなり保持しています。

寛骨臼骨欠損の形態と範囲を包括的に把握し、適切な再建計画を作成することは、股関節再手術の成功にとって極めて重要です¹⁵。微分計算の原理により、寛骨臼の形状とサイズは患者ごとに異なっていました。したがって、患者が片側性の欠陥を呈する場合、この研究では、健康な側の寛骨臼に応じたミラー処理を採用しました。その後、ミラーリングされた寛骨臼モデルを再構築モデルとして利用し、欠陥のある寛骨臼に対して剛体レジストレーションを行いました。最後に、再構築された完全な寛骨臼と元の欠損モデルとの差を計算して、骨欠損の量を求めました。この研究では骨欠損の程度を計算するために、秦⁷ によって提案された寛骨臼分割法が採用され、各分割の骨欠損の程度が決定されました。次に、これは専門家データベースのケースと相関しました。患者に両側性の欠陥がある場合、再構築方法は、PCA主成分分析の統計計算に基づいて、事前に多数の完全で健康な寛骨臼データを通じて統計形状モデルを使用して、その後の欠陥を計算するための平均モデルのセットを取得することです。

正確な術前計画により、手術時間を短縮し、術中の失血を減らし、手術結果を改善する^{ことができます16}。一次THAにおける3D術前計画の適用は、従来の2D計画と比較して、寛骨臼カップと大腿骨ステムの寸法、およびプロテーゼの移植位置のより正確な予測をもたらすことが実証されています。この進歩は、THA手術の成功に大きく貢献しています^17,18。AI技術の発展に伴い、AIベースのTHA 3D計画は、精度と効率の向上を実証しています¹⁹。それにもかかわらず、3D 術前計画の可能性と、人工股関節の再置換術における AI 技術の重要な臨床応用はまだ完全には実現されていません。本研究では、3D術前プランニングとAI技術を股関節形成術の臨床修正に適用しました。症例の適用は限られており(5例のみ)、プロテーゼのマッチングサイズの精度を評価することはまだできませんでしたが、類似の症例の自動マッチングにより、外科医は手術計画の提案を得ることができました。一方、提案された計画に基づいて再手術を受けた患者は、満足のいく機能回復を示しました。さらに、以前の研究では、再手術の平均期間は 200-300 分で、術中平均失血は 800-2000 mL^でした 20,21,22。この研究コホートの 5 人の患者の平均手術時間は 123.2 分で、術中出血は 672 mL でした。股関節置換術への私たちの新しいアプローチの利用は、手術時間と術中出血を減らすことが実証されています。

寛骨臼骨欠損の再建と人工股関節再置換術の術前計画のための専門家の症例データベースの利用は、大きな利点を示しています。特に経験の浅い医療専門家にとって、人工股関節の再形成術における過去の経験を活用することで、術前計画の精度を高めるための貴重な洞察と参考を得ることができます。複雑な再手術に直面した場合、専門家の症例から同様の手術計画を採用することで、医師は患者の状態に基づいて必要な調整を行ったり、それらを再利用したりできるため、術前の計画時間が短縮され、臨床効率が向上します。同時に、患者は専門家の症例データベースを通じて術後の結果に関する事前知識を得ることができます。しかし、検索能力が制限されていることや、患者さんの追跡期間が限られていることなどから、専門家データベースへのアクセスには依然として制限があり、治療効果を評価するためにはさらなる長期追跡調査が必要です。さらに、私たちの修正股関節形成術の計画には、外側大腿骨は含まれていません。したがって、大腿骨の側方修正が課題となる場合、全体的な手術時間が短縮されない可能性があります。各段階での手術時間の推移についての洞察を得るために、追跡調査では、手術の全体的な時間をセクションごとに記録します。これにより、さまざまなステージにわたる手術時間の変化の統計分析と比較が可能になります。

結論
寛骨臼骨欠損の再建と専門家の症例データベースからの検索を組み込んだ術前計画法は、医療専門家のための手術計画への新しいアプローチを提示します。ケースデータベースに保存されている専門知識を活用することで、複雑な股関節手術を迅速かつ正確に行うことができます。

著者のXiaolu Xiさん、Ke Yuanさん、Qiang Xieさんは、Wuhan United Imaging Surgical Co., Ltd.に勤務しています。残りの著者は、競合する利益がないことを宣言します。

この研究におけるAI術前計画システムは、Wuhan United Imaging Surgical Co., Ltd.の支援を受けました。