Computer Aided Tools voor het ontwerp en de planning van gepersonaliseerde schouderartroplastiek

Schouderartroplastie is de derde meest voorkomende gewrichtsvervangingsprocedure, na knie- en heupartroplastiek, en momenteel de snelst groeiende op orthopedisch gebied. De belangrijkste chirurgische opties omvatten totale schouderartroplastie (TSA), waarbij de normale gewrichtsanatomie wordt hersteld, en, voor patiënten met rotator cuff arthropatie, omgekeerde schouderartroplastiek (RSA), waarbij de bal en de kom van het glenohumerale gewricht zijn omgekeerd. Ondanks de recente vooruitgang in het ontwerp, zijn de gerapporteerde complicaties bij RSA hoger dan bij conventionele schouderprothesen. Een patiëntspecifieke benadering, waarbij clinici de chirurgische behandeling aanpassen aan de kenmerken van de patiënt en de preoperatieve toestand, b.v. door op aangepaste implantaten en pre-planning, kan het postoperatieve problemen helpen verminderen en het functionele resultaat verbeteren. Het belangrijkste doel van dit proefschrift is het ontwikkelen en evalueren van nieuwe methoden voor gepersonaliseerde RSA, waarbij gebruik wordt gemaakt van de modernste computerondersteunde technologieën om de ontwerp- en planningsfasen te standaardiseren en automatiseren.

Aangepaste implantaten zijn een geschikte oplossing bij de behandeling van patiënten met uitgebreid glenoïdbotverlies. Klinisch ingenieurs worden echter geconfronteerd met een enorme ontwerpruimte voor implantaten (aantal en type schroeven, contactoppervlak, enz.) en een grote anatomische en pathologische variabiliteit. Momenteel bestaan er geen objectieve hulpmiddelen om hen te begeleiden bij het kiezen van het optimale ontwerp, d.w.z. met voldoende initiële implantaatstabiliteit, waardoor het ontwerpproces langdradig, tijdrovend en gebruikersafhankelijk wordt. In dit proefschrift is een Virtual Bench Test (VBT) ontwikkeld met behulp van een eindige-elementenmodel om automatisch de initiële stabiliteit van aangepaste schouderimplantaten te evalueren. Door middel van een validatie-experiment werd aangetoond dat de output van de Virtual Bench Test door klinische ingenieurs kan worden gebruikt als referentie ter ondersteuning van hun beslissingen en aanpassingen tijdens het ontwerpproces van het implantaat.

Bij het ontwerpen van schouderimplantaten is kennis over botmorfologie en botkwaliteit van de scapula in de hele populatie fundamenteel. In het bijzonder wordt rekening gehouden met de gebieden met de beste botvoorraad (corticaal bot) om de positie en oriëntatie van de schroefgaten te bepalen, waarbij wordt gestreefd naar een optimale fixatie. Als alternatief voor handmatige metingen, waarvan de generalisatie wordt beperkt door de analyse van kleine subgroepen van de potentiële patiënten, worden Statistical Shape Models (SSM’s) vaak gebruikt om vormvariabiliteit binnen een populatie te beschrijven. Deze SSM’s bevatten echter doorgaans geen informatie over de corticale dikte. Daarom werd een methodologie ontwikkeld om scapulaire botvorm en cortexmorfologie te combineren in een SSM. Eerst werd een methode gepresenteerd en geëvalueerd om de corticale dikte te schatten, uitgaande van een profielanalyse van Hounsfield Units (HU). Vervolgens werd met behulp van 32 handmatig gesegmenteerde gezonde scapulae een statistical shape model met corticale informatie gemaakt en beoordeeld. De ontwikkelde tool kan worden gebruikt om virtueel een nieuw ontwerp te implanteren en de overeenstemming ervan te testen binnen een gegenereerde virtuele populatie, waardoor het aantal ontwerp-iteraties en testen op donorschouders wordt verminderd.

Metingen van spierverlenging in de deltaspier en rotator cuff tijdens de chirurgische planning kunnen clinici helpen bij het kiezen van een geschikt implantaatontwerp en -positie. Een dergelijke beoordeling vereist echter de indicatie van anatomische oriëntatiepunten als referentie voor de spieraanhechtingspunten, een proces dat tijdrovend en gebruikersafhankelijk is, aangezien het vaak handmatig wordt uitgevoerd. Bovendien bevatten de medische beelden, die normaal gesproken worden gebruikt voor schouderprothesen, meestal alleen de proximale humerus, waardoor het onmogelijk is om die spieraanhechtingspunten aan te geven die buiten het gezichtsveld van de scan liggen. Daarom werd een volledig geautomatiseerde methode, gebaseerd op SSM, voor het meten van de verlenging van de deltaspier en rotator cuff ontwikkeld en geëvalueerd. De klinische toepasbaarheid ervan werd aangetoond door het bepalen van de nauwkeurigheid van de geautomatiseerde schatting van de spierverlenging voor een reeks artritische schoudergewrichten die worden gebruikt voor preoperatieve planning van RSA. Hiermee werd dat het een geschikt hulpmiddel is voor chirurgen bij het evalueren en verfijnen van klinische beslissingen.

In dit onderzoek werd een grote stap gezet in de richting van een meer gepersonaliseerde benadering van omgekeerde schouderartroplastiek, waarbij de chirurgische behandeling, d.w.z. het ontwerp en de positie van het implantaat, wordt aangepast aan de patiëntspecifieke kenmerken en preoperatieve toestand. Door computerondersteunde technologieën toe te passen in de klinische praktijk, kunnen ontwerp- en planningsprocessen worden geautomatiseerd en gestandaardiseerd, waardoor kosten en doorlooptijden worden verminderd. Bovendien verwachten we, dankzij de nieuwe methoden die in dit proefschrift worden gepresenteerd, in de toekomst een breder gebruik van de gepersonaliseerde benadering, met belangrijke voordelen voor zowel chirurgen als patiënten.