Aplicación clínica del sistema de planificación preoperatoria de inteligencia artificial combinado con la recuperación de bases de datos expertas en cirugía de cadera de revisión compleja

Resumen

Este estudio propone un nuevo enfoque de planificación preoperatoria con inteligencia artificial basado en la recuperación de bases de datos de casos quirúrgicos expertos en artroplastia de cadera de revisión. Además, la técnica se empleó inicialmente en cinco pacientes, mostrando una reducción en el tiempo operatorio y en la hemorragia intraoperatoria.

Resumen

La planificación preoperatoria precisa en la artroplastia de cadera de revisión es crucial para lograr resultados exitosos. Para mejorar la evaluación intuitiva de la gravedad del defecto óseo acetabular y aprovechar la experiencia exitosa previa en la artroplastia de cadera de revisión, este estudio propone un enfoque novedoso basado en la recuperación de bases de datos de casos quirúrgicos expertos y se implementa inicialmente en la aplicación clínica. En este estudio, cinco pacientes que requirieron artroplastia de cadera de revisión fueron planificados preoperatoriamente para emplear el sistema de planificación quirúrgica de base de datos de casos expertos. Los datos de imagen del paciente se introdujeron en el sistema y se compararon con los casos de la base de datos de expertos. Con base en la experiencia quirúrgica del experto, se recomendó un plan quirúrgico de revisión. Si no se encontró un caso adecuado, el modelo y la posición de la prótesis se planificaron en función de los resultados de la reconstrucción específica del paciente. Un total de cinco pacientes fueron incluidos en este estudio, cuatro hombres y una mujer, con una edad media de 50,6 años. El diagnóstico fue aflojamiento aséptico de la prótesis tras una artroplastia de cadera. El tiempo operatorio medio fue de 123,2 min y la hemorragia intraoperatoria media de 672 mL. No se observaron complicaciones intraoperatorias, como lesión vascular o nerviosa. En el caso 2, por ejemplo, la aplicación de este innovador esquema de planificación permitió al cirujano delinear el plan quirúrgico de revisión para este paciente en el período preoperatorio, reduciendo así el tiempo operatorio y la hemorragia intraoperatoria. Además, los pacientes podían ser informados de los resultados de casos análogos con antelación. Aprovechar un enfoque de análisis de big data a través de nuestra amplia base de datos de casos permite la identificación automatizada de planes de tratamiento expertos coincidentes a lo largo de todo el proceso. Esto beneficia particularmente a los cirujanos ortopédicos sin experiencia, ya que proporciona una orientación precisa sobre las estrategias quirúrgicas para ayudarles a seleccionar los tamaños de prótesis y las posiciones de montaje adecuados. Además, los resultados coincidentes pueden ofrecer a los pacientes visualizaciones que representan los resultados postoperatorios previstos.

Introducción

El aumento de la prevalencia de la artroplastia total primaria de cadera (ATC) ha llevado a un aumento correspondiente en la necesidad de artroplastia de revisión debido a una serie de factores, incluido el aflojamiento aséptico, la infección, la luxación recurrente y la fractura periprotésica¹. En comparación con la artroplastia primaria de cadera, la cirugía de revisión de cadera es un procedimiento técnicamente más complejo y clínicamente más desafiante, con tasas de mortalidad^{más altas 2}, mayores costos de atención médica³ y mayores riesgos de complicaciones⁴.

En la artroplastia de cadera de revisión, la reconstrucción de la pérdida ósea acetabular y la selección de la prótesis son primordiales para determinar el éxito de la cirugía. El cirujano ortopédico debe evaluar el stock óseo residual y la anatomía alterada, con el objetivo de lograr una adecuada estabilidad inicial de la copa acetabular recién implantada¹. En consecuencia, la planificación preoperatoria precisa es crucial para guiar las opciones de tratamiento disponibles.

En la actualidad, los cirujanos ortopédicos son responsables de realizar una evaluación y planificación exhaustivas de la artroplastia de revisión en función de los hallazgos de las imágenes preoperatorias y de su propia experiencia quirúrgica. Sin embargo, esto presentará un desafío importante para el cirujano inexperto.

Con el desarrollo de la tecnología de inteligencia artificial (IA), se ha utilizado cada vez más en cirugía ortopédica, principalmente para la segmentación de imágenes, el diagnóstico y la clasificación de patologías e implantes⁵. Mientras tanto, la IA está comenzando a lograr un éxito inicial en la asistencia a la THA⁶ primaria. Sin embargo, la planificación preoperatoria inteligente para la artroplastia de cadera de revisión sigue siendo una pizarra en blanco. La IA tiene un futuro prometedor en la cirugía de revisión de cadera, especialmente en la evaluación de defectos óseos. Estos defectos son únicos para cada paciente y, aunque exhiben ciertos patrones, el método tradicional de clasificación de Paprosky carece de la precisión necesaria para caracterizarlos completamente. Sin embargo, la IA es capaz de extraer información más detallada de los datos de las imágenes, lo que ofrece una vía prometedora para mejorar la exactitud y la precisión de la evaluación de defectos óseos. Desarrollamos un novedoso sistema de planificación preoperatoria asistido por IA para guiar las decisiones de los cirujanos ortopédicos sobre la artroplastia de revisión en función de la recuperación de bases de datos de casos quirúrgicos expertos.

Primero establecimos un método novedoso para la reconstrucción de defectos óseos acetabulares, cuantificando y tipificando defectos óseos acetabulares. Posteriormente, construimos una base de datos de casos de revisión de cadera mediante la recopilación de datos clínicos y de imagen de 200 casos quirúrgicos de revisión de cadera de un experto nacional senior. La base de datos consta de tomografía computarizada (TC) preoperatoria, radiografía preoperatoria, radiografía postoperatoria y datos demográficos del paciente. Podemos hacer coincidir los casos en la base de datos en función de las características actuales de los defectos óseos de los pacientes programados para cirugía y encontrar los escenarios de casos más similares para proporcionar al cirujano una referencia preoperatoria. Este enfoque permite al cirujano tener una idea preoperatoria del protocolo de revisión acetabular, reduciendo el tiempo de prueba y error intraoperatorio.

Protocolo

El estudio recibió la autorización del Comité de Ética del Hospital Ortopédico-Traumatológico de Luoyang, provincia de Henan. Además, este estudio se basó en datos de imágenes y no dañaría a los voluntarios ni revelaría su información. Por lo tanto, de conformidad con la legislación nacional y los requisitos institucionales, no era necesario que los participantes o sus tutores legales o familiares más cercanos firmaran un formulario de consentimiento informado.

1. Importación de imágenes

1. Importe los datos originales de la TC de la cadera total bilateral del paciente. Abra el software de procesamiento de imágenes médicas, seleccione Importar datos y haga clic en Datos locales para importar los datos de TC originales del paciente. La figura 1 muestra la interfaz de importación de imágenes.

2. Recuperación del defecto óseo acetabular en el lado afectado

1. Determinar si el paciente tiene una lesión unilateral o bilateral. Seleccione la herramienta Medición y utilice el ratón para dibujar un cuadro rectangular en la imagen, midiendo directamente el valor HU (Unidad Hounsfield, HU) del área del hueso de la cadera. Considere el metal presente cuando el valor de HU supera 1000 y designe esa área como la articulación de la cadera afectada.

3. Segmentación y reconstrucción de imágenes

1. Seleccione los datos de la imagen del paciente a planificar. Haga clic en la opción Segmentación automática , el valor CT de 400 se selecciona de forma predeterminada para la segmentación gruesa del hueso de la cadera.
2. Seleccione el botón Editar para ajustar manualmente los resultados de la segmentación de cada parte de cada capa. A continuación, seleccione la opción Reconstrucción 3D para completar el cálculo de reconstrucción 3D del sitio del paciente. El modelo 3D reconstruido incluye principalmente los huesos de la cadera izquierdo/derecho y las regiones del fémur izquierdo/derecho. Como se muestra en la Figura 2, las diferentes partes se muestran con diferentes colores.

4. Partición del defecto óseo acetabular y cálculo de la cantidad del defecto

1. Para los pacientes con cirugía unilateral de cadera, seleccione el Modelo 3D del Lado Sano. Utilice la función de espejo para alinearlo con la estructura anatómica del lado afectado. Esto completará la reconstrucción del modelo de restauración de la articulación de la cadera.
2. Para los pacientes con cirugía bilateral de cadera, abra la biblioteca de modelos estándar y seleccione el modelo de cadera que sea más similar a la anatomía del paciente como modelo de restauración.
3. Haga clic en la opción Partición para dividir el modelo 3D del defecto de cadera (lado afectado) reconstruido en el paso 2 y el modelo 3D de la cadera restaurado en el paso 3. A continuación, haga clic en la opción Operación de diferencia para realizar la operación de diferencia en los dos modelos de hueso de la cadera particionados para calcular el defecto acetabular. El modelo de hueso de la cadera se dividirá en diferentes regiones de acuerdo con el método⁷ de Qin, como se muestra en la Figura 3.
   NOTA: Debido al enfoque en la fijación de 3 puntos (ramas isquiónicas, ramas de ósis del pubis y parte anterosuperior del acetábulo) de la copa acetabular dentro de los límites de la pared acetabular, la acetabular se dividió en 3 partes iguales cada 120°, definidas como el techo craneal, la columna anterior y la columna posterior, excluyendo la pared medial. Para guiar los procedimientos quirúrgicos, fabrique las subcapas en función del diámetro del acetábulo. Se determinó que la capa interna debe estar entre 54 mm y 62 mm y la capa externa debe estar entre 62 mm y 70 mm para los hombres. La capa interna se encuentra entre 50 mm y 58 mm y la capa externa se encuentra entre 58 mm y 66 mm para las mujeres.

5. Búsqueda experta en bases de datos de revisión de cadera: planificación de defectos acetabulares

1. Abra la base de casos expertos y utilice el volumen de defectos acetabulares calculado como se ha descrito anteriormente como entrada para la recuperación. Seleccionar las herramientas de medición para evaluar los parámetros de planificación relevantes en las radiografías preoperatorias y postoperatorias de los casos recuperados y obtener los datos de planificación.
2. Abra la base de casos expertos e introduzca el tipo y la cantidad de defecto de cadera para su extracción automática. Se obtendrá la información de los casos correspondientes en la base de datos, incluyendo imágenes preoperatorias y postoperatorias de casos similares y los parámetros de planificación del médico (tamaño del implante, posición, etc.).
3. Los resultados de la búsqueda se presentarán en orden de similitud de mayor a menor. Deje que el médico seleccione los casos más similares. El procedimiento completo se muestra en la Figura 4.
4. Si no se puede encontrar un caso similar en la base de datos anterior, adopte el resultado de la reconstrucción del modelo del paso 2, utilizando el centro del acetábulo intacto como el centro de la copa acetabular. De forma predeterminada, el ángulo de la versión anterior de la copa acetabular es de 20° y el ángulo de abducción es de 40° (esta regla está definida clínicamente).
   NOTA: Después de la planificación, el cirujano es capaz de anticipar el procedimiento quirúrgico y preparar la prótesis y los instrumentos de soporte con mayor precisión. Este enfoque elimina la posibilidad de encontrarse con una situación en la que no se disponga de la prótesis correcta durante la operación. Además, la solución recomendada se emplea directamente durante la operación, lo que evita la necesidad de soluciones alternativas, desvíos o procesos prolongados de prueba y error.

Resultados

Actualmente, aplicamos este método en cinco casos de pacientes sometidos a artroplastia de cadera de revisión, incluyendo cuatro hombres y una mujer. Las edades oscilaron entre los 42 y los 67 años. Se diagnosticaron como aflojamiento aséptico de prótesis después de la artroplastia de cadera y se clasificaron según la clasificación de Paprosky⁸. El tiempo operatorio medio de los cinco pacientes fue de 123,2 min, con una pérdida media de sangre intraoperat...

Discusión

Debido al daño anatómico significativo, la intrincada condición de los tejidos blandos después de la artroplastia de cadera y la presencia de artefactos^metálicos severos a menudo asociados con los implantes metálicos, con frecuencia es necesario que los profesionales médicos experimentados utilicen la reconstrucción 3D para analizar exhaustivamente los resultados de las imágenes y las manifestaciones clínicas con el fin de evaluar defectos óseos especí...

Materiales

Name	Company	Catalog Number	Comments
PyCharm	JetBrains	243.21565.199	The Python IDE for data science and web development