Réalité augmentée en orthopédie

La révolution numérique est arrivée depuis longtemps dans le domaine de la médecine. Différentes méthodes assistées par ordinateur sont utilisées depuis longtemps en chirurgie orthopédique. La réalité augmentée est l’une de ces techniques émergentes, dont l’histoire remonte à 1968. La réalité augmentée se caractérise par une extension de la perception de la réalité assistée par ordinateur, ce qui signifie concrètement que l’environnement réel est augmenté d’informations virtuelles pour l’utilisateur.

La révolution numérique est arrivée depuis longtemps dans le domaine de la médecine. Différentes méthodes assistées par ordinateur sont utilisées depuis longtemps en chirurgie orthopédique. L’une de ces techniques émergentes est la réalité augmentée, dont l’histoire remonte à 1968, date à laquelle Sutherland l’a décrite pour la première fois [1]. La réalité augmentée se caractérise par une extension de la perception de la réalité assistée par ordinateur, ce qui signifie concrètement que l’environnement réel est augmenté d’informations virtuelles pour l’utilisateur. En revanche, la réalité virtuelle (en anglais Virtual Reality) expose l’utilisateur à un environnement entièrement virtuel. Ces technologies sont principalement appliquées via un système basé sur un écran ou des lunettes de données. Ces dernières sont de plus en plus populaires, car l’utilisation de lunettes de données offre une grande flexibilité et permet à l’utilisateur de se déplacer librement dans la pièce tout en gardant les informations virtuelles dans son champ de vision. La commercialisation croissante des lunettes de données disponibles, telles que les Google Glass (Google Inc., Mountain View, Californie, États-Unis) ou les Microsoft HoloLens (Microsoft, Redmond, WA) (Fig. 1), a également contribué à cette évolution.

En chirurgie orthopédique, la planification et la réalisation des interventions chirurgicales reposent souvent sur des radiographies ou des tomodensitogrammes réalisés en préopératoire ou en peropératoire. Les étapes de l’opération, comme la mise en place d’un implant ou la réalisation d’une ostéotomie, sont guidées par cette imagerie. En raison de la nature souvent mécanique des étapes individuelles d’une intervention orthopédique, la réalité augmentée semble donc prédestinée à être utilisée comme aide à la navigation en orthopédie. C’est probablement l’une des principales raisons pour lesquelles on observe un intérêt global croissant pour cette technologie en orthopédie [2]. Outre l’avantage de l’aide à la navigation peropératoire, la réalité augmentée en orthopédie offre également d’autres possibilités d’utilisation, comme par exemple l’application à la formation chirurgicale et à l’entraînement à des interventions spécifiques.

Plusieurs études ont montré que l’utilisation de la réalité augmentée en chirurgie orthopédique permettait de réduire la durée des interventions, de diminuer l’exposition du patient et de l’orthopédiste aux radiations et d’augmenter la précision des interventions réalisées. Voici un aperçu des principales applications de la réalité augmentée en chirurgie orthopédique à ce jour.

Navigation pour la mise en place d’instruments et d’implants

Lors d’une intervention orthopédique, l’orthopédiste doit souvent se fier à son imagination tridimensionnelle pour positionner correctement les instruments et les implants nécessaires. L’utilisation d’une fluoroscopie peropératoire ne fournit que des images bidimensionnelles et l’orthopédiste traitant est confronté au défi mental de transposer les images bidimensionnelles à l’anatomie tridimensionnelle réelle du patient. Dans de tels cas, la réalité augmentée offre le potentiel de réduire les variables dépendant du chirurgien traitant pour le résultat postopératoire. Concrètement, cela peut se faire, par exemple, en utilisant des lunettes de données et en affichant la planification préopératoire dans le champ de vision du chirurgien ou en affichant le positionnement correct des instruments ou des implants à l’aide d’un “hologramme de superposition”. Par exemple, une étude de Sawbone a montré que l’utilisation de la réalité augmentée à l’aide de lunettes de données, par lesquelles l’anatomie était projetée sur le situs peropératoire, augmentait la précision lors de l’insertion des vis pédiculaires et que la perforation pédiculaire était moins fréquente [3]. Cela semble particulièrement important en raison de la proximité anatomique des racines nerveuses et de la moelle épinière lors de cette étape chirurgicale délicate, qui est très souvent utilisée dans la chirurgie de la colonne vertébrale dans le cadre de spondylodèses.

Une autre modalité thérapeutique fréquemment utilisée dans le traitement des patients atteints de maladies de la colonne vertébrale est ce que l’on appelle les infiltrations des facettes articulaires. De telles infiltrations sont généralement réalisées sous fluoroscopie ou sous navigation à l’aide d’une tomographie assistée par ordinateur. Ici aussi, une étude Sawbone a montré que les infiltrations de l’articulation facettaire lombaire pouvaient être réalisées avec succès en utilisant la réalité augmentée, sans risque de mauvais placement de l’aiguille et, en outre, avec un temps d’intervention nettement réduit par rapport aux infiltrations naviguées par tomographie assistée par ordinateur [4]. Outre l’utilisation de la réalité augmentée dans la chirurgie de la colonne vertébrale pour le positionnement des instruments ou des implants, cette technologie est déjà utilisée dans d’autres sous-spécialités orthopédiques. Par exemple, une étude sur fantôme a montré que l’utilisation de la réalité augmentée permettait d’améliorer la précision du positionnement du cotyle lors de l’implantation d’une prothèse totale de hanche, l’une des interventions les plus courantes en chirurgie orthopédique [5]. Une autre intervention fréquente en chirurgie orthopédique et traumatologique est l’ostéosynthèse médullaire, utilisée entre autres pour diverses fractures du fémur ou du tibia. L’insertion percutanée des vis de verrouillage distales sous contrôle fluoroscopique est une étape chirurgicale difficile dans ce type d’intervention. En utilisant la navigation en réalité augmentée, il a été montré que cette étape est réalisée avec seulement 2 images fluoroscopiques en moyenne, contrairement à la méthode conventionnelle avec laquelle il a été décrit qu’il faut jusqu’à 25 images fluoroscopiques pour placer correctement une vis de verrouillage [6].

De nombreuses étapes de développement seront encore nécessaires avant une application large de la réalité augmentée pour la navigation holographique dite “directe”. La navigation holographique “directe” signifie qu’un hologramme est affiché au chirurgien directement sur la structure anatomique correspondante, permettant ainsi la navigation. En amont, des étapes d’enregistrement sont obligatoires pour relier la réalité à la virtualité. La première opération directe de la colonne vertébrale par navigation holographique au monde a été réalisée en décembre 2020 à l’Hôpital universitaire Balgrist dans le cadre d’une étude randomisée et contrôlée.

Réalisation d’ostéotomies

Les ostéotomies ont toujours été utilisées en chirurgie orthopédique pour corriger les déformations osseuses les plus diverses. L’ostéotomie est définie comme la section chirurgicale ciblée d’un os pour en corriger ensuite la position, de sorte que l’os se consolide dans une position optimale du point de vue biomécanique et/ou fonctionnel. Les conditions préalables à ces ostéotomies de correction sont une planification préopératoire précise ainsi qu’une mise en œuvre peropératoire précise de l’ostéotomie et de la correction, afin que le patient profite au maximum d’une telle intervention et ne souffre pas d’une mauvaise position persistante. L’une des ostéotomies de correction les plus courantes de nos jours en orthopédie est l’ostéotomie de correction en présence d’un hallux valgus. Si une telle intervention n’est pas planifiée avec précision ou si l’ostéotomie et la correction ne sont pas effectuées avec précision, il peut potentiellement en résulter un raccourcissement du gros orteil, qui peut à son tour entraîner une métatarsalgie de transfert et donc une douleur persistante à l’avant-pied. Il a été démontré dans une étude sur modèle fantôme (Fig. 2) que l’utilisation de la réalité augmentée permettait à des orthopédistes moins expérimentés de réaliser une ostéotomie de correction de l’hallux valgus avec plus de précision que la méthode traditionnelle [7].

Une autre ostéotomie, probablement l’une des plus difficiles à réaliser en orthopédie, est l’ostéotomie périacétabulaire. Celle-ci est utilisée chez des patients sélectionnés présentant une dysplasie de la hanche et un conflit fémoro-acétabulaire. Il s’agit de détacher le cotyle dysplasique (acétabulum) du reste du bassin au moyen d’ostéotomies techniquement sophistiquées et de le réorienter de la manière la plus physiologique possible. Une étude de “preuve de concept” a déjà montré que l’utilisation de la réalité augmentée au moyen de l’incrustation holographique des plans d’ostéotomie corrects dans le champ de vision du chirurgien (Fig. 3) améliore la précision de cette ostéotomie de correction exigeante pour les chirurgiens moins expérimentés [8].

Chirurgie orthopédique des tumeurs

La chirurgie orthopédique des tumeurs est un autre domaine d’application prédestiné pour la réalité augmentée. En particulier pour les tumeurs malignes, une résection complète de la tumeur est absolument nécessaire pour le succès du traitement. Cependant, il est fréquent que l’étendue exacte d’une tumeur osseuse ne soit pas directement visible en peropératoire. Dans ce cas, le chirurgien doit à nouveau faire appel à sa vision tridimensionnelle. La transformation mentale de l’étendue de la tumeur relevée lors de l’imagerie préopératoire en situs peropératoire peut être très exigeante, mais elle est déterminante pour le patient. C’est pourquoi des efforts continus sont déployés pour améliorer la précision des résections tumorales. L’utilisation de la réalité augmentée pour permettre au chirurgien orthopédiste de visualiser en permanence l’étendue exacte de la tumeur constitue également un progrès potentiel. Dans des modèles animaux, il a déjà été démontré que l’utilisation de la réalité augmentée à l’aide d’un système basé sur un moniteur (tablette PC) permettait de retirer la marge de résection de tumeurs osseuses simulées dans les os longs [9] et dans le bassin [10] de manière plus précise et avec un respect plus fiable de la marge de résection requise par rapport à la résection traditionnelle.

Éducation et formation

La plupart des interventions orthopédiques reposent sur une certaine courbe d’apprentissage. Plus une intervention est réalisée par un chirurgien orthopédique, meilleurs sont ses résultats. Cependant, chaque chirurgien orthopédiste se trouve à un moment de sa carrière à un point où il est encore dans la branche ascendante de la courbe d’apprentissage pour une certaine intervention. Afin d’obtenir des résultats idéaux dès le début, des efforts sont faits pour rendre cela possible en utilisant la réalité augmentée. Par exemple, il a été démontré que les internes formés aux infiltrations des facettes articulaires par réalité augmentée étaient ensuite capables de réaliser des infiltrations des facettes articulaires par la méthode traditionnelle avec plus de précision que les internes formés uniquement à la méthode traditionnelle [11]. En outre, la possibilité d’une orthopédie dite “téléguidée” a déjà été décrite. Dans ce cas, un chirurgien orthopédique expérimenté assiste un collègue moins expérimenté en se connectant virtuellement à l’opération via la réalité augmentée, sans avoir à se rendre physiquement sur place. Cela a déjà été démontré avec succès dans le cadre de différentes interventions de l’épaule techniquement exigeantes [12,13].

Messages Take-Home

L’utilisation de la réalité augmentée en chirurgie orthopédique offre le potentiel de raccourcir les temps d’intervention, de réduire l’exposition aux radiations pour le patient et le chirurgien traitant, et d’augmenter la reproductibilité et la précision des interventions.
Jusqu’à présent, le principal avantage de la réalité augmentée est de permettre au chirurgien orthopédiste d’afficher des informations supplémentaires pertinentes dans son champ de vision pendant des étapes chirurgicales définies, sans qu’il ait à se détourner à plusieurs reprises du champ opératoire.
Les études menées jusqu’à présent sur la réalité augmentée en orthopédie comprennent principalement des études sur des fantômes et des cadavres. La première navigation holographique directe sur un patient a été réalisée en décembre 2020 à Zurich dans le cadre d’une étude contrôlée.

Littérature :

Sutherland IE : Affichage tridimensionnel monté sur la tête. Proc Fall Joint Comput Conf 1968 ; 757-764.
Jud L, Fotouhi J, Andronic O, et al. : Applicability of augmented reality in orthopedic surgery – A systematic review. BMC Musculoskelet Disord 2020 ; doi : 10.1186/s12891-020-3110-2.
Dennler C, Jaberg L, Spirig J, et al : Augmented reality-based navigation increases precision of pedicle screw insertion. J Orthop Surg Res 2020 ; doi : 10.1186/s13018-020-01690-x.
Agten CA, Dennler C, Rosskopf AB, et al : Augmented Reality-Guided Lumbar Facet Joint Injections. Invest Radiol 2018 ; doi : 10.1097/RLI.0000000000000478.
Fotouhi J, Alexander CP, Unberath M, et al. : Plan in 2D, execute in 3D : An augmented reality solution for cup placement in total hip arthroplasty 2018 ; arXiv.
Londei R, Esposito M, Diotte B, et al : Réalité augmentée intra-opératoire dans le verrouillage distal. Int J Comput Assist Radiol Surg 2015 ; doi : 10.1007/s11548-015-1169-2.
Viehöfer AF, Wirth SH, Zimmermann SM, et al. : Ostéotomie guidée par réalité augmentée dans la correction de l’hallux valgus. BMC Musculoskelet Disord 2020 ; doi : 10.1186/s12891-020-03373-4.
Kiarostami P, Dennler C, Roner S, et al : Augmented reality-guided periacetabular osteotomy – proof of concept. J Orthop Surg Res 2020 ; doi : 10.1186/s13018-020-02066-x.
Cho HS, Park YK, Gupta S, et al : Augmented reality in bone tumour resection : An experimental study. Bone Jt Res 2017 ; doi : 10.1302/2046-3758.63.BJR-2016-0289.R1.
Cho HS, Park MS, Gupta S, et al : Can augmented reality be helpful in pelvic bone cancer surgery ? Une étude in vitro. Clin Orthop Relat Res 2018 ; doi : 10.1007/s11999.0000000000000233.
Yeo CT, Ungi T, U-Thainual P, et al : The effect of augmented reality training on percutaneous needle placement in spinal facet joint injections. IEEE Trans Biomed Eng 2011 ; doi : 10.1109/TBME.2011.2132131.
Ponce BA, Jennings JK, Clay TB, et al : Telementoring : Use of augmented reality in orthopedic education : AAOS exhibit selection. J Bone Jt Surg – Am Vol 2014 ; doi : 10.2106/JBJS.M.00928.
Ponce BA, Menendez ME, Oladeji LO, et al. : Technologie émergente dans l’enseignement de la chirurgie : Combiner la réalité augmentée en temps réel et les dispositifs informatiques portables. Orthopedics 2014 ; doi : 10.3928/01477447-20141023-05.