מחקר זה מציע גישת תכנון טרום ניתוחית חדשה של בינה מלאכותית המבוססת על אחזור מאגר מקרים כירורגיים מומחים בניתוח מפרק ירך תיקון. בנוסף, הטכניקה שימשה בתחילה בחמישה חולים, והציגה הפחתה בזמן הניתוח ודימום תוך ניתוחי.
תכנון טרום ניתוחי מדויק בתיקון מפרק הירך הוא חיוני להשגת תוצאות מוצלחות. כדי לשפר את ההערכה האינטואיטיבית של חומרת מום בעצם האצטבולרי ולמנף ניסיון מוצלח קודם בתיקון מפרק הירך, מחקר זה מציע גישה חדשה המבוססת על אחזור מסד נתונים של מקרים כירורגיים מומחים ומיושמת בתחילה ביישום קליני. במחקר זה, חמישה מטופלים שנזקקו לתיקון מפרק הירך תוכננו לפני הניתוח להשתמש במערכת התכנון הכירורגי של מאגר המקרים המומחים. נתוני ההדמיה של המטופל הוזנו למערכת והותאמו למקרים במאגר המקרים של המומחים. על סמך הניסיון הכירורגי של המומחה, הומלץ על תוכנית ניתוח תיקון. אם לא נמצא מקרה מתאים, המודל והמיקום של התותבת תוכננו על סמך תוצאות שחזור ספציפיות למטופל. בסך הכל נרשמו למחקר זה חמישה חולים, ארבעה גברים ואישה אחת, עם גיל ממוצע של 50.6 שנים. האבחנה הייתה התרופפות תותבת אספטית לאחר ניתוח מפרק הירך. זמן הניתוח הממוצע היה 123.2 דקות, והדימום הממוצע תוך ניתוחי היה 672 מ"ל. לא נצפו סיבוכים תוך ניתוחיים, כגון פגיעה בכלי הדם או בעצבים. במקרה 2, למשל, יישום תוכנית תכנון חדשנית זו איפשר למנתח לשרטט את תוכנית ניתוח התיקון עבור מטופל זה בתקופה שלפני הניתוח, ובכך להפחית את זמן הניתוח ואת הדימום תוך הניתוח. יתר על כן, ניתן ליידע את המטופלים מראש על התוצאות של מקרים מקבילים. מינוף גישת ניתוח ביג דאטה באמצעות מסד הנתונים המקיף שלנו מאפשר זיהוי אוטומטי של תוכניות טיפול מומחה תואמות לאורך כל התהליך. זה מועיל במיוחד למנתחים אורטופדיים חסרי ניסיון על ידי מתן הדרכה מדויקת לגבי אסטרטגיות כירורגיות כדי לסייע להם בבחירת גדלי תותבות מתאימים ותנוחות הרכבה. בנוסף, תוצאות ההתאמה יכולות להציע למטופלים הדמיות המתארות תוצאות חזויות לאחר הניתוח.
השכיחות הגוברת של ניתוח מפרק ירך מלא ראשוני (THA) הובילה לעלייה מקבילה בצורך בניתוח מפרק תיקון עקב מספר גורמים, כולל התרופפות אספטית, זיהום, נקע חוזר ושבר פריפרוסטטי1. בהשוואה לניתוח מפרק ירך ראשוני, ניתוח מפרק ירך חוזר הוא הליך מורכב יותר מבחינה טכנית ומאתגר יותר מבחינה קלינית, עם שיעורי תמותה גבוהים יותר2, עלויות בריאות גבוהות יותר3 וסיכוני סיבוכים גדולים יותר4.
בתיקון מפרק הירך, שחזור אובדן עצם אצטבולרי ובחירת התותבת הם בעלי חשיבות עליונה בקביעת הצלחת הניתוח. המנתח האורטופדי צריך להעריך את מלאי העצם הנותר ואת האנטומיה שהשתנתה, במטרה ליציבות ראשונית נאותה של האצטבולריתהחדשה שהושתלה 1. כתוצאה מכך, תכנון טרום ניתוחי מדויק הוא חיוני כדי להנחות את אפשרויות הטיפול הזמינות.
נכון לעכשיו, מנתחים אורטופדיים אחראים על ביצוע הערכה ותכנון מקיפים של ניתוח מפרקים חוזר על סמך ממצאי הדמיה טרום ניתוחית וניסיונם הכירורגי האישי. עם זאת, זה יהווה אתגר משמעותי עבור המנתח חסר הניסיון.
עם התפתחות טכנולוגיית הבינה המלאכותית (AI), נעשה בה שימוש הולך וגובר בניתוחים אורטופדיים, בעיקר לצורך פילוח תמונה, אבחון וסיווג של פתולוגיות ושתלים5. בינתיים, בינה מלאכותית מתחילה להשיג הצלחה ראשונית בסיוע ל-THA6 ראשוני. עם זאת, תכנון טרום ניתוחי אינטליגנטי לתיקון מפרק הירך נותר לוח חלק. לבינה מלאכותית יש עתיד מבטיח בניתוחי תיקון מפרק הירך, במיוחד בהערכת פגמים בעצם. פגמים אלה ייחודיים לכל מטופל, ולמרות שהם מציגים דפוסים מסוימים, שיטת הסיווג המסורתית של פפרוסקי חסרה את הדיוק הנדרש כדי לאפיין אותם במלואם. עם זאת, בינה מלאכותית מסוגלת לחלץ מידע מפורט יותר מנתוני תמונה, ומציעה דרך מבטיחה לשיפור הדיוק והדיוק של הערכת פגמים בעצם. פיתחנו מערכת תכנון טרום ניתוחית חדשה בסיוע בינה מלאכותית כדי להנחות את החלטות המנתחים האורטופדיים לגבי ניתוח מפרקים על סמך אחזור מסד נתונים של מקרים כירורגיים מומחים.
לראשונה הקמנו שיטה חדשה לשחזור פגמים בעצם אצטבולרי, כימות ואפיון פגמים בעצם האצטבולרית. לאחר מכן, בנינו מסד נתונים של מקרי תיקון מפרק הירך על ידי איסוף נתונים קליניים והדמיה על 200 מקרים כירורגיים של תיקון מפרק הירך ממומחה לאומי בכיר. מסד הנתונים מורכב מטומוגרפיה ממוחשבת לפני הניתוח (CT), צילום רנטגן לפני הניתוח, צילום רנטגן לאחר הניתוח ודמוגרפיה של המטופלים. אנו יכולים להתאים מקרים במסד הנתונים על סמך מאפייני מום העצם הנוכחיים של חולים שנקבעו לניתוח ולמצוא את תרחישי המקרה הדומים ביותר כדי לספק למנתח התייחסות טרום ניתוחית. גישה זו מאפשרת למנתח לקבל מושג טרום ניתוחי על פרוטוקול התיקון האצטבולרי, ומפחיתה את זמן הניסוי והטעייה תוך הניתוח.
המחקר קיבל אישור מוועדת האתיקה של בית החולים האורתופדי-טראומטולוגי לו-יאנג במחוז הנאן. בנוסף, מחקר זה התבסס על נתוני הדמיה ולא פגע במתנדבים או חשף את המידע שלהם. לכן, על פי החקיקה הלאומית והדרישות המוסדיות, לא היה צורך שהמשתתפים או האפוטרופוסים החוקיים שלהם/קרובי משפחתם יחתמו על טופס הסכמה מדעת.
1. ייבוא תמונות
2. התאוששות של פגם בעצם האצטבולרי בצד הפגוע
3. פילוח ובנייה מחדש של תמונות
4. מחיצת פגם בעצם האצטבולרית וחישוב כמות הפגמים
5. חיפוש מומחה במאגר תיקון מפרק הירך - תכנון פגמים אצטבולריים
נכון לעכשיו, יישמנו שיטה זו בחמישה מקרים של מטופלים שעברו ניתוח תיקון של מפרק הירך, כולל ארבעה גברים ואישה אחת. הגילאים נעו בין 42 ל-67 שנים. הם אובחנו כהתרופפות תותבת אספטית לאחר ניתוח מפרק הירך וסווגו על סמך סיווג פפרוסקי8. זמן הניתוח הממוצע עבור חמשת החולים היה 123.2 דקות, עם איבוד דם ממוצע תוך ניתוחי של 672 מ"ל. זמן הניתוח הוא הזמן הכולל, כולל תיקון תותבת גזע הירך. פרטי המטופלים מוצגים בטבלה 1, ותוצאות השחזור מוצגות באיור 5.
קחו את המקרה השני כדוגמה: המטופלת היא אישה בת 67 שעברה THA לפני 13 שנה. היא הגיעה לבית החולים בינואר 2024 עם כאבי ירך וחוסר ניידות, שנמשכו במשך 3 שנים. האבחנה הייתה התרופפות תותבת לאחר THA, סיווג פפרוסקי כסוג IIC, והוצע תיקון מפרק הירך. ייבאנו למערכת נתוני CT טרום ניתוחיים של המטופל והתאמנו אותם לאלה של מטופל גבר בן 58 שנראה בנובמבר 2017 שהפגין פגם דומה להפליא בעצם האצטבולרי. באותה תקופה, ההליך הכירורגי בוצע באמצעות הג'מבו בשילוב עם טכניקת השתלת עצם דחיסה, שהביאה ליציבות ראשונית מלאה, תוצאות חיוביות במעקב של 5 שנים ויציבות תותבת אמינה. תוכנית כירורגית עקבית (ג'מבו עם טכניקת השתלת עצם דחיסה) הופעלה עבור מטופל זה. הוכח כי התהליך מפחית את הזמן המושקע בתכנון תוך ניתוחי, כמו גם את הזמן המושקע באחזור והחלפה של סוגים שונים של תחבושות וכוסות ג'מבו. כתוצאה מכך, הוכח שהוא מפחית דימום ואת הסיכון לזיהום. בשל הצורך בתיקון סימולטני של צד הגבעול, הדימום התוך ניתוחי הגיע ל-690 מ"ל, אך היציבות האצטבולרית תוך הניתוחית הייתה משביעת רצון. המטופל נמצא בהשגחה במשך 8 חודשים, במהלכם התקבלו תוצאות מהימנות, והירך הפגועה הדגימה תפקוד טוב (איור 6). המטופל לא הראה סיבוכים, כולל כאב, תפקוד לקוי, הדמיה המעידה על תותבת במקומה, סמני דלקת תקינים וללא עדות לזיהום או התרופפות משנית של התותבת.
איור 1: ממשק ייבוא תמונות של המערכת. המערכת משלבת פונקציות ייבוא מקומיות ופונקציות ייבוא PACS. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 2: מודל תלת-ממד משוחזר. חלקים שונים מוצגים בצבעים שונים. כחול: אצטבולרי ימני; אדום: עצם הירך הימנית; צהוב: אצטבולרי שמאלי; גרין: עצם הירך השמאלית. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 3: שיטת החלוקה של צ'ין של פגמים אצטבולריים. האצטבולום מחולק לשלושה מגזרים פגומים (גג גולגולת, עמוד קדמי ועמוד אחורי). המגזרים מחולקים לשכבה פנימית ושכבה חיצונית. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 4: נוהל תכנון תיקון מפרק הירך. ההליך המלא של שחזור, הערכה ותכנון של פגמים בעצם האצטבולרית. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 5: תוצאות שחזור של האצטבולרי של המטופלים. התרשים מציג את תוצאות השחזור עבור ארבעת החולים בשילוב עם מקרי מסד הנתונים המתאימים והתוצאות שלהם לאחר הניתוח. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 6: דוגמה להתאמת מקרה. (A) תמונה טרום-ניתוחית של מקרה שני. (B) שחזור של פגמים בעצם האצטבולרית במקרה 2. (ג) תמונה לאחר הניתוח של מקרה שני. (ד) תמונה טרום ניתוחית של מקרה מומחה תואם. (ה) שחזור פגמים בעצם האצטבולרית במקרה מומחה תואם. (ו) תמונה לאחר הניתוח של מקרה מומחה תואם. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.
מזוודה | מין | גיל | אבחון | סיווג פפרוסקי | זמן פעולה (דקות) | דימום תוך ניתוחי (מ"ל) |
1 | איש | 45 | התרופפות תותבת אספטית לאחר ניתוח מפרק הירך | IIA | 112 | 560 |
2 | אשה | 67 | IIC | 135 | 690 | |
3 | איש | 56 | גב | 146 | 1020 | |
4 | איש | 42 | ב | 106 | 420 | |
5 | איש | 43 | IIC | 117 | 470 |
טבלה 1: סיכום מקרה והשוואה.
בשל נזק אנטומי משמעותי, מצב הרקמות הרכות המורכב לאחר ניתוח מפרק הירך, ונוכחותם של חפצי מתכת חמורים הקשורים לעתים קרובות לשתלי מתכת, לעתים קרובות יש צורך באנשי מקצוע רפואיים מנוסים להשתמש בשחזור תלת מימד כדי לנתח באופן מקיף את תוצאות ההדמיה והביטויים הקליניים על מנת להעריך פגמים ספציפיים בעצם בחולים ובהמשך לתכנן תותבות אצטבולריות מתאימות9, 10. עם זאת, גם כאשר מודל מטופל משוחזר, תכנון טרום ניתוחי עדיין מסתמך במידה רבה על המומחיות של רופאים, במיוחד כאשר מדובר בחולים עם פגמים אצטבולריים חמורים. כתוצאה מכך, רופאים צעירים מתמודדים עם אתגרים ניכרים בטיפול בחולים כאלה. על מנת להעריך בצורה מדויקת יותר את היקף הפגמים בעצם האצטבולרית ולמנף ניסיון קודם בתכנון טרום ניתוחי מורכב של מפרק הירך כהתייחסות לרופאים, מחקר זה השתמש במאגר מקרים של מומחים המקיף כמעט את כל הסוגים הקליניים של פגמים במפרק הירך תוך סיווג חולים על סמך קריטריונים מסוימים. על ידי שימוש בהערכות של פגמים בעצם האצטבולרית ממסד נתונים זה, רופאים יכולים לבחור תותבות אצטבולריות מתאימות ופרוטוקולים כירורגיים כדי להבטיח יציבות לאחר הניתוח והתאוששות תפקודית של מפרק הירך.
למרות שניתוח מפרק ירך ראשוני הוא הליך מבוססהיטב 11, הערכת פגמים בעצם האצטבולרית ממלאת תפקיד קריטי בהבטחת ההצלחה והיציבות של ניתוח מפרק הירך המתוקן. טכניקות הדמיה כגון צילומי רנטגן, הדמיית תהודה מגנטית (MRI) ו-CT משמשות בדרך כלל להערכת פגמים בעצם האצטבולרי. טכניקות אלו מציעות מידע מפורט על מבנה האצטבולום, כולל מצב עצמות, גודל הפגם ומיקומו. יתר על כן, ניתן להשתמש בתוכנות מסוימות לניתוח תמונות רפואיות כדי לחשב את עובי האצטבולום ולהמחיש פגמים באמצעות מפות חום 12,13,14. עם זאת, נוכחותם של חפצי תותבת מתכת בתמונות טרום ניתוחיות יכולה להשפיע על הדיוק של פילוח אצטבולרי. במחקר זה, נעשה שימוש באלגוריתמים של תוכנה של צד שלישי כדי להסיר חפצים לפני ייבואם למערכת לפעולות הבאות. חידוד צעדי דה-ארטפקציה הוא נושא שייבחן במחקרים עתידיים. הרשת אומנה עם תמונות חפצים אמיתיות היוצרות את ערכת האימון ותמונות מעובדות לאחר מכן ללא חפצים המהווים את ערכת התוויות לאימון הרשת. גישה זו הניבה תוצאות משביעות רצון בהסרת חפצי מתכת. לאחר מכן, נעשה שימוש ברשת עצבית U-Net כדי לפלח ולשחזר באופן אוטומטי את התמונות המקוריות בתלת מימד. תוך מינוף ערכי צפיפות מובהקים בין עצמות הירך לרקמות אחרות, מחקר זה השיג שיעור דיוק סגמנטציה מרשים של 95% עבור מפרק הירך. היישום של טכנולוגיית למידה עמוקה מפחית משמעותית את זמן שחזור המודל ומסייע לתכנון כירורגי תוך שיפור היעילות הקלינית. כתוצאה מכך, יש לו פרקטיות משמעותית וערך קליני.
הבנה מקיפה של המורפולוגיה והיקף הפגמים בעצם האצטבולרית, יחד עם פיתוח תוכנית שחזור מתאימה, היא חיונית להצלחת ניתוח תיקון מפרק הירך15. בשל עקרון החישוב הדיפרנציאלי, צורתו וגודלו של האצטבולום היו שונים עבור כל מטופל. בהתאם לכך, במקרים בהם המטופל מציג פגם חד צדדי, מחקר זה השתמש בעיבוד מראה בהתאם לאצטבולום בצד הבריא. לאחר מכן, נעשה שימוש במודל האצטבולום המשקף כמודל השחזור, ובוצע רישום קשיח עם האצטבולום הפגום. לבסוף, חושב ההבדל בין האצטבולום השלם המשוחזר למודל הפגמים המקורי כדי לקבל את כמות הפגמים בעצם. על מנת לחשב את היקף פגמי העצם במחקר זה, נעשה שימוש בשיטת החלוקה האצטבולרית שהוצעה על ידי צ'ין7 כדי לקבוע את מידת פגמי העצם בכל מחיצה. לאחר מכן זה תואם למקרים במאגר המומחים. אם למטופל יש פגמים דו-צדדיים, שיטת השחזור היא להשתמש במודל צורה סטטיסטי באמצעות מספר רב של נתוני אצטבולום מלאים ובריאים מראש, המבוססים על חישוב סטטיסטי של ניתוח רכיבים עיקריים של PCA, כדי לקבל קבוצה של מודלים ממוצעים לחישוב הפגמים הבאים.
תכנון טרום ניתוחי מדויק יכול להפחית את זמן הניתוח, להפחית את אובדן הדם תוך הניתוח ולשפר את תוצאות הניתוח16. היישום של תכנון טרום ניתוחי תלת מימדי ב-THA ראשוני הוכח כמניב תחזיות מדויקות יותר של מידות הכוס האצטבולרית וגזע הירך, כמו גם מיקום השתלת התותבת, בהשוואה לתכנון דו-ממדי קונבנציונלי. התקדמות זו תורמת באופן משמעותי להצלחת ניתוח THA17,18. עם התפתחות טכנולוגיית הבינה המלאכותית, תכנון THA 3D מבוסס בינה מלאכותית הוכיח דיוק ויעילות משופרים19. עם זאת, הפוטנציאל של תכנון טרום ניתוחי תלת מימדי והיישומים הקליניים המשמעותיים של טכנולוגיית AI בתיקון מפרק הירך טרם מומשו במלואם. במחקר זה, תכנון טרום ניתוחי תלת מימדי וטכנולוגיית AI יושמו לתיקון קליני של מפרק הירך. למרות שיישום המקרים היה מוגבל (רק 5 מקרים), ועדיין לא ניתן היה להעריך את הדיוק של גודל התאמת התותבת, ההתאמה האוטומטית של מקרים דומים יכלה לספק למנתח הצעות לתוכניות ניתוחיות. בינתיים, מטופלים שעברו ניתוח תיקון על סמך התוכנית המוצעת הראו התאוששות תפקודית משביעת רצון. יתר על כן, במחקרים קודמים, האורך הממוצע של ניתוח תיקון היה 200-300 דקות, עם איבוד דם ממוצע תוך ניתוחי של 800-2000 מ"ל 20,21,22. משך הניתוח הממוצע בקבוצת מחקר זו של חמישה חולים היה 123.2 דקות, עם דימום תוך ניתוחי של 672 מ"ל. השימוש בגישה החדשנית שלנו לתיקון מפרק הירך הוכח כמפחית את זמן הניתוח ואת הדימום תוך הניתוח.
השימוש במסד נתונים של מקרי מומחים לשחזור פגמים בעצם האצטבולרית ותכנון טרום ניתוחי בתיקון מפרק הירך הוכיח יתרונות משמעותיים. מינוף חוויות קודמות בתיקון מפרק הירך, במיוחד עבור אנשי מקצוע רפואיים חסרי ניסיון, יכול לספק תובנות והפניות חשובות לשיפור הדיוק של תכנון טרום ניתוח. כאשר עומדים בפני ניתוחי תיקון מורכבים, אימוץ תוכניות כירורגיות דומות ממקרים מומחים מאפשר לרופאים לבצע התאמות נדרשות או אפילו לעשות בהן שימוש חוזר על סמך מצבי המטופל, ובכך להפחית את זמן התכנון לפני הניתוח ולשפר את היעילות הקלינית. במקביל, מטופלים יכולים לקבל ידע מוקדם על תוצאות לאחר הניתוח באמצעות מאגר המקרים של המומחים. עם זאת, עדיין קיימות מגבלות בגישה למאגר המומחים עקב יכולות אחזור מוגבלות ותקופות מעקב מוגבלות למטופלים, נדרשים מעקבים ארוכי טווח נוספים כדי להעריך את יעילות הטיפול. יתר על כן, התכנון של ניתוח מפרק הירך החוזר שלנו אינו כולל את הירך הרוחבית. לכן, במקרים בהם תיקון לרוחב הירך מציב אתגרים, ייתכן שזמן הניתוח הכולל לא יתקצר. כדי לקבל תובנה לגבי התפתחות זמן הניתוח בכל שלב, מחקר המשך יתעד את זמן הניתוח הכולל בחלקים. הדבר יאפשר ניתוח סטטיסטי והשוואה של שינויים בזמן הניתוח בשלבים שונים.
מסקנה
שיטת התכנון הטרום ניתוחית, המשלבת שחזור ואחזור של פגמים בעצם האצטבולרית ממאגר מקרים מומחים, מציגה גישה חדשה לתכנון כירורגי עבור אנשי מקצוע רפואיים. מינוף המומחיות המאוחסנת במאגר המקרים מאפשר ביצוע מזורז ומדויק של ניתוחי ירך מורכבים.
הסופר שיאולו שי, קה יואן וצ'יאנג שיה מועסקים על ידי ווהאן יונייטד הדמיה כירורגית בע"מ. שאר המחברים מצהירים שאין להם אינטרסים מתחרים.
מערכת התכנון הטרום ניתוחי של AI בעבודה זו נתמכה על ידי Wuhan United Imaging Surgical Co., Ltd.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
PyCharm | JetBrains | 243.21565.199 | The Python IDE for data science and web development |
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request PermissionExplore More Articles
This article has been published
Video Coming Soon
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved