Algorithmus zur Abriebbestimmung in Knieendoprothesen – Abstract nominiert für Wilhelm-Roux-Preis

„Akkurate Abriebbestimmung bei Standardröntgenaufnahmen nach einer Knieendoprothese mittels 2D-3D–Registrierung und künstlicher Intelligenz: Eine In-Vivo-Validierung“ – so lautet der Titel unseres Abstracts, den wir auf dem diesjährigen Deutschen Kongress für Orthopädie und Unfallchirurgie (DKOU) eingereicht haben. Dieser wurde akzeptiert und für den Wilhelm-Roux-Preis nominiert. Die Arbeit stellt eine vollautomatische Methode zur präzisen Verschleißmessung in Kniegelenksendoprothesen anhand von klinischen AP-Röntgenbildern vor.

Polyethylen-Abrieb ist ein wesentlicher Risikofaktor für den Langzeiterfolg von Kniegelenksendoprothesen. Derzeitig klinisch verfügbare Verfahren zur Abriebmessung anhand von Standardröntgenbildern weisen eine unzureichende Präzision auf und können moderne Implantatmaterialien daher nicht objektiv und valide evaluieren. Alternative Messverfahren, wie die hochpräzise RSA-Methode (Radiostereometric Analysis), benötigen kostenintensive Spezialapparaturen für Doppelaufnahmen und sind somit ungeeignet für Post-Market Surveillance Studien oder Multicenterstudien mit großen Kohorten.

Vollautomatischer Algorithmus zur Abriebbestimmung

Mit dem Ziel, einen Algorithmus zur präzisen Abriebmessung anhand von klinischen AP-Röntgenaufnahmen zu entwickeln und zu validieren, arbeitete unser Forschungsteam – Tanja Bien und Priyanka Grover unter der Leitung von Dr. Marcel Dreischarf – mit PD Dr. Christoph Lutter und Prof. Dr. Wolfram Mittelmeier (Universitätsmedizin Rostock) sowie Prof. Dr. Dr. Thomas Grupp und Marius Selig (Aesculap AG) zusammen.

Mithilfe unseres neuartigen Algorithmus analysierte das Team 20 postoperative Röntgenbilder nach einer Kniegelenksendoprothesen-Implantation. Der Algorithmus kombiniert eine Convolutional Neural Network-basierte Segmentierung des Röntgenbildes mit einer 2D-3D–Registrierung von CAD-Implantat-Modellen. Das erlaubt eine exakte Berechnung der dreidimensionalen Position der Implantate im Gelenk. Anhand dieser wurde die minimale Distanz der beteiligten Implantatkomponenten ermittelt, deren zeitliche postoperative Änderung eine Bestimmung des Abriebs im Röntgenbild ermöglicht.

Automatisierte Beurteilung des Knieimplantatverschleißes und der relativen Implantatpositionierung
Fig. 1: (A) Standard-AP-Röntgenbild; (B) Segmentierung/Lokalisierung der einzelnen Implantatkomponenten; (C–E) Berechnung der dreidimensionalen Position der Implantate mittels 2D-3D–Registrierung; (F) Bestimmung der minimalen Komponentendistanz

Erstmals wird damit eine vollautomatisierte Methode vorgestellt, die anhand eines klinischen Röntgenbildes und der CAD-Implantat-Modelle eine akkurate und präzise Bestimmung der Inlayhöhe und, in der Folge, des Abriebs in Kniegelenksendoprothesen möglich macht. Präzision und Genauigkeit sind vergleichbar mit dem aktuellen Goldstandard (RSA), ohne jedoch auf spezielle Röntgenaufbauten angewiesen zu sein. Die entwickelte Methode kann somit zur objektiven Untersuchung neuer Implantatmaterialen und Designs genutzt werden.

Wilhelm-Roux-Preis auf der DKOU 2021

Wir freuen uns darauf, diese Ergebnisse im Rahmen eines der diesjährigen DKOU-Programmhighlights vorstellen zu können. Die Präsentation wird von PD Dr. Christoph Lutter während der Wilhelm-Roux-Preis-Sitzung am Donnerstag, 28. Oktober 2021, um 10:30 Uhr gehalten.

Der Wilhelm-Roux-Preis der Sektion Grundlagenforschung kürt den besten Vortrag auf dem Gebiet der Grundlagenforschung auf dem DKOU. Ziel der Sektion Grundlagenforschung ist es, durch eine enge Zusammenarbeit mit den Gremien der Deutschen Gesellschaft für Orthopädie und Unfallchirurgie (DGOU), der Deutschen Gesellschaft für Unfallchirurgie (DGU) und der Deutschen Gesellschaft für Orthopädie und Orthopädische Chirurgie (DGOOC) gemeinsame forschungspolitische Inhalte zu definieren.

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