Vollautomatisierter Workflow zur Entwicklung patientenspezifischer orthopädischer Implantate: Anwendung auf die Totalendoprothese des Kniegelenks

Conceitos Básicos

Ein vollautomatisierter Workflow ermöglicht eine schnelle und zuverlässige Personalisierung von Knieimplantaten direkt aus CT-Bildern des Patienten, ohne manuellen Eingriff.

Resumo

Der Artikel beschreibt einen vollautomatisierten Workflow zur Entwicklung patientenspezifischer Kniegelenksendoprothesen.
Zunächst werden die proximalen und distalen Extremitäten von Femur und Tibia mittels künstlicher neuronaler Netze aus CT-Bildern segmentiert. Anschließend werden die vollständigen Knochen unter Verwendung erweiterter statistischer Formmodelle rekonstruiert, die sowohl Form- als auch Landmarkeninformationen kombinieren. Schließlich werden 77 morphologische Parameter berechnet, um patientenspezifische Implantate zu entwerfen.
Der entwickelte Workflow wurde anhand von 91 CT-Scans des Unterschenkels trainiert und auf 41 manuell segmentierten CT-Scans hinsichtlich Genauigkeit und Ausführungszeit evaluiert. Die Segmentierungsgenauigkeit betrug 0,4 ± 0,2 mm, die Genauigkeit der Knochenrekonstruktion 1,2 ± 0,4 mm und die Genauigkeit der Landmarkenbestimmung 2,8 ± 2,2 mm. Die angepassten Implantate passten mit einer Genauigkeit von 0,6 ± 0,2 mm auf die Anatomie der Patienten. Der gesamte Prozess von der Segmentierung bis zum Implantatdesign dauerte etwa 5 Minuten.
Der vorgeschlagene Workflow ermöglicht eine schnelle und zuverlässige Personalisierung von Knieimplantaten direkt aus CT-Bildern des Patienten, ohne manuellen Eingriff. Dies könnte dazu beitragen, die steigende Zahl an Knieendoprothesen zu bewältigen und gleichzeitig Komplikationen zu reduzieren und die Patientenzufriedenheit zu verbessern.

Estatísticas

Die Knieendoprothetik ist der am häufigsten durchgeführte Gelenkersatz, mit einem Anstieg um 62% in Frankreich von 2009 bis 2019 und einer erwarteten Zunahme auf über 150.000 Eingriffe im Jahr 2050.
In den USA wurden 2019 480.958 primäre Knieendoprothesen durchgeführt (+45% im Vergleich zu 2009) und es wird eine Zunahme auf über 1.800.000 Eingriffe im Jahr 2050 erwartet.
Die Revisionsrate bei Knieendoprothesen liegt zwischen 2% und 12%.

Citações

"Personalisierte Knieendoprothetik ist der Schlüssel, um die native Gelenkkinematik, Funktion und Wahrnehmung wiederherzustellen."
"Zwischen 5% und 15% der Patienten mit Knieendoprothesen sind mit den Operationsergebnissen unzufrieden, hauptsächlich aufgrund ihrer gestiegenen Erwartungen an Symptome, körperliche Funktion, Lebensqualität, Bewältigungsstrategien und Implantatlebensdauer."

Principais Insights Extraídos De

Fully automated workflow for the design of patient-specific orthopaedic implants

by Azil... às arxiv.org 03-25-2024

https://arxiv.org/pdf/2403.15353.pdf

Perguntas Mais Profundas

Welche Auswirkungen haben patientenspezifische Implantate auf die Langlebigkeit und Funktion des Kniegelenks im Vergleich zu Standardimplantaten?

Patientenspezifische Implantate haben signifikante Auswirkungen auf die Langlebigkeit und Funktion des Kniegelenks im Vergleich zu Standardimplantaten. Durch die individuelle Anpassung an die Anatomie des Patienten können diese Implantate eine bessere Passform bieten, was zu einer verbesserten Stabilität und Funktion des Kniegelenks führt. Dies kann dazu beitragen, die Belastung auf das Implantat und das umliegende Gewebe zu reduzieren, was wiederum die Lebensdauer des Implantats verlängern kann. Darüber hinaus ermöglichen patientenspezifische Implantate eine präzisere Ausrichtung und Positionierung im Kniegelenk, was zu einer verbesserten biomechanischen Funktion und einer natürlicheren Bewegungsfreiheit führen kann. Insgesamt können patientenspezifische Implantate dazu beitragen, die Zufriedenheit der Patienten zu erhöhen und das Risiko von Komplikationen zu verringern, was letztendlich zu besseren langfristigen Ergebnissen nach einer Knieendoprothese führen kann.

Wie können die verbleibenden Unsicherheiten bei der Bestimmung der Knochenlandmarken weiter reduziert werden, um eine noch genauere Implantatanpassung zu ermöglichen?

Um die verbleibenden Unsicherheiten bei der Bestimmung der Knochenlandmarken weiter zu reduzieren und eine noch genauere Implantatanpassung zu ermöglichen, können verschiedene Ansätze verfolgt werden. Eine Möglichkeit besteht darin, die Genauigkeit der Bildgebungstechniken zu verbessern, um eine präzisere Darstellung der Knochenstrukturen zu erhalten. Dies kann durch die Verwendung hochauflösender CT- oder MRT-Scans erreicht werden. Darüber hinaus können fortschrittliche Bildverarbeitungsalgorithmen und künstliche Intelligenz eingesetzt werden, um die automatische Erkennung und Lokalisierung von Knochenlandmarken zu optimieren. Durch die Integration von mehrdimensionalen Daten und die Berücksichtigung von Weichteilstrukturen können die Landmarken genauer bestimmt werden. Zudem kann die Validierung der automatisch ermittelten Landmarken durch manuelle Überprüfung und Vergleich mit Referenzdaten zur weiteren Verbesserung der Genauigkeit beitragen.

Welche Rolle spielen die Weichteile, insbesondere die Kreuzbänder, bei der Wiederherstellung der natürlichen Kniekinematik nach Knieendoprothese?

Die Weichteile, insbesondere die Kreuzbänder, spielen eine entscheidende Rolle bei der Wiederherstellung der natürlichen Kniekinematik nach einer Knieendoprothese. Die Kreuzbänder sind wichtige Strukturen im Kniegelenk, die für die Stabilität und Beweglichkeit des Gelenks verantwortlich sind. Nach einer Knieendoprothese müssen die Implantate so positioniert und ausgerichtet werden, dass sie die natürliche Funktion der Kreuzbänder nachahmen und die normale Kinematik des Knies wiederherstellen. Durch die Berücksichtigung der Weichteilstrukturen, insbesondere der Kreuzbänder, bei der Planung und Gestaltung der Implantate kann eine bessere Balance und Stabilität im Kniegelenk erreicht werden. Dies trägt dazu bei, die natürliche Bewegungsfreiheit, Belastbarkeit und Funktion des Knies nach der Operation zu verbessern und die Patientenzufriedenheit zu erhöhen.