Introduction

La mise en place d’une Prothèse Totale de Genou (PTG),  qui soit mécaniquement adaptée au patient en étant stable et mobile au sein d’une enveloppe ligamentaire, nécessite de résoudre une équation aux nombreuses variables qui sont liées entre elles.

Une amélioration du positionnement des implants, une meilleure fonction des patients en diminuant le risque de complications restent les objectifs principaux des chirurgiens qui travaillent pour cela en collaboration avec les ingénieurs et l’industrie.

Parmi « les pistes » d’amélioration et pour répondre aux exigences d’aujourd’hui les chirurgiens peuvent utiliser depuis quelques années l’outil informatique.

La navigation chirurgicale fait partie de ces outils.

A l’heure où les contraintes médico-économiques sont fréquemment mises en avant et où notre temps est compté, les systèmes de navigation chirurgicale ont du mal à trouver une place forte dans la communauté orthopédique et industrielle. La frilosité actuelle des sociétés industrielles, après une période d’embellie, ainsi que la faible mobilisation des chirurgiens dans les sociétés nationales et internationales autour de ces systèmes en sont la preuve.

Convaincu de l’intérêt et de l’avenir de ces systèmes de navigation chirurgicale nous avons souhaité développer un système qui réponde aux contraintes actuelles et modernes de la chirurgie prothétique du genou.

L’objet de ce travail est  de présenter le système de navigation « PLEOS genou » (dont le lancement a donné lieu le 3  juin dernier à l’organisation d’une « live surgery » retransmise à l’EFORT) en revenant, à partir des données de la littérature, sur les points forts et les points faibles de la navigation chirurgicale des PTG .

Le cahier des charges était de créer avec PLEOS genou un système :

• précis et pratique : il se conçoit comme un ancillaire informatique qui apporte des informations plus précises au chirurgien (précision au millimètre et au degré),

• personnalisable : afin qu’il soit  utilisable par le plus grand nombre, grâce à ses nombreuses options, il s’adapte aux habitudes et aux attentes de chacun (niveau de coupe; séquence de coupes ; coupes dépendantes, coupes indépendantes, contrôle de la rotation et choix des référentiels),

• ergonomique et convivial : grâce aux informations claires et concises qu’il donne il permet au chirurgien de rester concentré sur les objectifs chirurgicaux sans être distrait par un environnement souvent perçu comme trop technique et  trop virtuel. Il permet aussi une autonomie du chirurgien qui peut  progresser dans le logiciel informatique et modifier les paramètres de l’écran sans avoir recourt à un tiers.

La  page d’accueil comporte plusieurs onglets (figure 1)

• onglet chirurgien : permet de pré régler les paramètres habituellement choisis pour une technique chirurgicale donnée (profil utilisateur) en ajoutant des paramètres spécifiques à l’intervention,
• onglet patient : permet de saisir un code identifiant patient et le côté à opérer,
• onglet chirurgie : lance la procédure et adapte les paramètres pré définis à chaque cas particulier,
• onglet sauvegarde : permet la sauvegarde des données et la procédure qui ont été automatiquement enregistrées,
• onglet aide : aide au fonctionnement du logiciel,
• onglet sortie : permet de quitter l’application

Figure 1 : Ecran d’applications.

Figure 2 : PLEOS genou un profil personnalisé.

Figure 3 : Temps d’acquisition.

Figure 4 : Fiche morphométrique statique et dynamique.

Un objectif ciblé ; une procédure personnalisée qui s’adapte aux habitudes du chirurgien

La procédure débute par une étape de paramétrage qui s’effectue à partir d’un écran pré configuré correspondant au  profil du chirurgien utilisateur (figure 2 ).

Ce profil, qui peut être modifié  sur l’écran tactile, est créé par le chirurgien qui définit les paramètres de la procédure (ordre et niveau des coupes, ordre des étapes chirurgicales, référentiels utilisés…). Un même praticien peut définir plusieurs profils correspondant à différents cas de figure (AFTI, AFTE,…). Ce système permet donc au chirurgien de garder ses habitudes chirurgicales et d’adapter la procédure  à chaque cas particulier.

En paramétrant cet écran le  chirurgien fixe donc pour chaque patient les objectifs et la cible à atteindre et les moyens d’y arriver. Le système de navigation constitue alors un GPS guidant, par les informations qu’il donne, le chirurgien pour que la cible soit atteinte.

Mise en place des capteurs 
La mise en place des capteurs sur le tibia et sur le fémur peut être faite dans ou en dehors de l’incision en fonction des conditions anatomiques locales. Il est important de conserver une distance minimale (qui  est repérée sur le palpeur) par rapport à l’interligne articulaire afin d’éviter tout conflit entre l’ancillaire et les capteurs en cours de procédure. La bonne position des capteurs (qui doivent  être vus par la caméra optique durant toute l’intervention) est vérifiée en extension et en flexion maximale sur l’écran.

Etape d’acquisition et fiche morpho métrique du patient
Il s’agit d’une étape très importante puisque les « points » fondamentaux choisis sont ceux qui vont permettre de guider le chirurgien dans la réalisation des coupes. La prise des points doit donc être précise mais rapide pour limiter le temps opératoire. Pour cela le système PLEOS calcule les points à partir de petites surfaces que le chirurgien palpe. L’ordre logique et descendant (de proximal à distal) est indiqué sur l’interface graphique et le temps d’acquisition n’est généralement que de quelques minutes (figure 3).

Cette étape permet de produire une fiche morpho métrique d’éléments statiques et dynamiques caractéristiques du patient en début d’intervention (figure 4 ) :
- l’axe fémoro tibial mécanique global et variation en stress,
- arc de mobilité,
- la laxité latérale et médiale en extension et à 90 ° de flexion  qui permet de bien appréhender la gestion de l’équilibrage ligamentaire.

Cette fiche morpho métrique du patient en début d’intervention pourra ensuite être comparée à une fiche de fin d’intervention qui est produite prothèse d’essai et prothèse définitive en place (figure 5).

Figure 5 : Traçabilité et compte rendu personnalisé.

Figure 6 : Positionnement approché de l’ancillaire.

Figure 7 : Réglage fin de l’orientation des coupes.

Des coupes programmées ciblées et naviguées

Ce système permet de réaliser ds coupes fémorales et tibiales dépendantes ou indépendantes en réalisant la première coupe  sur le tibia (il s’agit de notre préférence) ou sur le fémur.

L’objectif est de réaliser ces coupes en respectant l’orientation 3D (orientation frontale sagittale horizontale) et la hauteur de coupe souhaitée et programmée.

Les coupes fémorales et tibiales s’effectuent avec le même ancillaire et repose sur la même séquence chirurgicale.

La mise en place de l’ancillaire est guidée par les informations qui sont affichées sur l’interface graphique de l’écran.

Nous avons souhaité que ce système soit convivial, visuel et d’utilisation pratique.

Une cible sur laquelle se déplace une bille est visible à l’écran.

La bille est rouge si elle est en dehors du centre de la cible et devient verte lorsqu’elle s’en rapproche. La fixation de l’ancillaire dans une position où la bille est verte permet de positionner grossièrement l’ancillaire (figure 6) et un réglage plus fin permet ensuite d’atteindre les objectifs de la programmation.

La représentation virtuelle des coupes (liées à la position du guide de coupe dans les plans sagittal et frontal) apparaît sur l’interface graphique sous la forme de ligne de couleurs différentes.

La représentation  de face et de profil des coupes qui ont été programmées (cible) apparait sur l’interface graphique  sous la forme de lignes blanches dont l’orientation et la position sont fixes.

Le but est d’obtenir une concordance parfaite des lignes de couleurs (orientation du guide) et des lignes blanches (orientation programmée des coupes) pour qu’elles se confondent.

Ce réglage se fait en 2 étapes :

- réglage par une rotule de l’orientation frontale et sagittale du guide (les lignes de couleur du plan sagittal et frontal sont réglées parallèlement aux lignes blanches de coupes programmées) (figure 7),

- réglage de la Hauteur de coupe par une molette qui permet en montant ou en descendant le guide d’obtenir une fusion des lignes de couleur et des lignes blanches. Les lignes deviennent vertes  et la bille est alors parfaitement au centre de la cible (figure 8).

Pour ceux qui le souhaitent il est possible d’utiliser le système de la coupe sur broches et chaque coupe  peut être vérifiée (figure 9).

Navigation des coupes dans les PTG : quelques éléments de la littérature

• Positionnement des implants tibial et fémoral dans le plan frontal :

Les travaux princeps concernant l’apport de la navigation dans le contrôle du positionnement des implants datent de 2001 ^[4] et 2002 ^[6]. Ils comparaient dans 2 études prospectives randomisées 2 séries de PTG (10 et 25) respectivement posées avec un ancillaire classique et avec un ancillaire navigué. Ces études plaidaient en faveur de la navigation chirurgicale qui semblait permettre un meilleur positionnement des implants avec une très nette diminution des écarts types.
2 méta analyses récentes ^[1] et ^[2] portant sur près de 3400 cas chacune confirment que la navigation permet d’optimiser le positionnement frontal des implants tibial et fémoral avec une diminution de 25% des malpositions supérieures à 3 °.

• Positionnement sagittal de l’implant fémoral :

Le positionnement correct de l’implant fémoral, pose dans ce plan un problème difficile lié à la détermination du référentiel de coupe fémorale.

Dans le plan sagittal, l’axe fémoral, appelé souvent à tord « axe fémoral mécanique » manque de précision et choisir cet axe (centre de la tête du fémur - centre du genou) expose à des erreurs de positionnement de l’implant fémoral (flexum, récurvatum, entame corticale antérieure).

Pour autant dans le plan sagittal comme dans le plan frontal la navigation permet d’optimiser le positionnement de l’implant par rapport au référentiel qui a été choisi ^[5]

Dans la navigation du positionnement sagittal de l’implant fémoral, c’est donc le choix du référentiel utilisé et non la précision du système lui-même qui doit être discuté et critiqué.

Un système de coupe à référence corticale antérieure avec une prise en compte de l’anatomie épiphysaire semble préférable pour optimiser le positionnement sagittal et la taille de l’implant fémoral ; nous souhaitons faire évoluer PLEOS genou qui utilise pour l’instant comme référentiel l’axe sagittal.

• Positionnement sagittal de l’implant tibial :

Le positionnement de l’implant tibial dans le plan sagittal est bien contrôlé par les ancillaires mécaniques classiques. La navigation permet de reproduire sans amélioration nette ce positionnement qui est déjà bon.

• La rotation fémorale.

Le contrôle de la rotation fémorale dépend :

- du choix du référentiel (axe bi épicondylien, ligne de whiteside ; axe bicondylien postérieur…)
- de la qualité de repérage per opératoire de ce référentiel
- de la précision avec laquelle le contrôle de la rotation  fémorale est fait par rapport au référentiel qui a été choisi.

Le choix du référentiel reste une prérogative du chirurgien et la navigation ne permet pas pour l’instant d’aider ce choix. Toutefois, on peut penser, que dans l’avenir, l’outil d’évaluation que constitue la navigation pourra être en mesure d’apporter les informations supplémentaires, utiles à un choix plus éclairé.

Si les points anatomiques de référence sont précis, la navigation permet comme dans les plans frontal et sagittal de mieux repérer dans l’espace le référentiel qui a été choisi et de guider avec une meilleure fiabilité la rotation fémorale de l’implant par rapport à ce repère.

La navigation est donc un outil qui augmente la précision du positionnement des implants dans tous les plans.

Nous souhaitons souligner les points suivants :

- la plupart des études restent critiquables  lorsque  la  pangonométrie des membres inférieurs en charge constitue l’examen de référence dans le calcul des axes mécaniques post opératoires. Elle génère en effet une imprécision intrinsèque qui peut être supérieure à la précision du système de navigation. Il semble donc indispensable de s’orienter dans l’avenir vers le développement de techniques de mesures adaptées à la précision de ces systèmes. La réalisation de clichés pangonométriques en reconstruction 3D paraît à ce titre une proposition intéressante ^[3].

- L’évaluation du positionnement frontal des implants est faite dans la plupart des travaux publiés en étudiant leur position par rapport à une position « idéale » orthogonale aux axes mécaniques du tibia et du fémur (angle fémoro tibial mécanique de 180 °).

Il serait plus juste de mesurer dans l’avenir l’écart entre la cible qui a été fixée avant l’intervention (objectif du positionnement après programmation) et le résultat obtenu après la chirurgie ; en effet, l’objectif de la navigation est de contrôler précisément le positionnement des implants que le chirurgien peut souhaiter non orthogonal à l’axe mécanique du tibia ou du fémur (varus fémoral ; cal vicieux…) (figure 10).

- L’intérêt des systèmes de navigation et de PLEOS genou est important lorsqu’il existe une déformation extra articulaire du fémur ou du tibia qui ne permet pas d’utiliser avec fiabilité les techniques de guide intra ou extra médullaire des ancillaires classiques (présence de matériel, cal vicieux ; déformation constitutionnelle, fémur ou tibia courbe) (figure 11).

- Notons enfin que la navigation permet d’approcher des notions nouvelles comme l’évolution dynamique des axes en fonction de la position du genou et de la position des implants (mesure des axes au cours de la flexion et de l’extension du genou).

Figure 8 : Réglage fin de la hauteur de coupe.

Figure 9 : Technique de coupe et vérification.

Figure 10 : PLEOS genou pour un objectif ciblé.

Figure 11.

Figure 12 : Contrôle navigué des gestes de libération : mesure de la déviation frontale et des espaces.

Figure 13 : PLEOS genou une autre vision des espaces et des coupes.

Une meilleure gestion de l’équilibrage ligamentaire

Les systèmes de navigation chirurgicale dédiés aux prothèses totales de genoux ouvrent de nouvelles perspectives pour une meilleure gestion des espaces prothétiques, et des relations qui unissent les espaces, les coupes osseuses et les gestes d’équilibrage ligamentaire.

Comme pour les coupes  ce système s’adapte aux habitudes de chacun et permet un équilibrage ligamentaire premier en flexion ou en extension.

Un équilibrage ligamentaire mesuré

La navigation permet d’approcher de façon plus objective et quantifiée la notion d’équilibrage ligamentaire en flexion et en extension.

Dans ce système, ce contrôle de l’équilibrage ligamentaire peut  être fait avec et sans stress (figure 12) :
* par mesure et par quantification de la déviation frontale, 
* par mesure et quantification des espaces entre les coupes en flexion et les coupes en extension. Les gestes d’équilibrage ligamentaires sont guidés et contrôlés par la navigation.

Des espaces simulés et navigués

L’utilisation d’un ancillaire mécanique fige et hiérarchise à l’avance la séquence des réflexions et des gestes selon  un choix technique (coupes dépendantes, coupes indépendantes). 

La diversité et la complexité variables, des cas que nous traitons, suggèrent qu’aucune séquence n’est idéale dans tous les cas et qu’il faut pouvoir s’adapter à des situations particulières.

L’outil informatique et l’ancillaire navigué peuvent permettre une gestion différente des espaces et des coupes (figure 13).

• dans un schéma classique de coupe indépendante, la navigation permet de contrôler et d’orienter les 3 coupes en mesurant les espaces qui ont été créés. Les gestes de libération ligamentaire peuvent être faits sous contrôle informatique pour  équilibrer les espaces en flexion et en extension mais il n’existe aucune étape de simulation préalable : les coupes et la  balance ligamentaire ne sont pas dépendantes.

• dans un schéma classique de coupe dépendante, la navigation permet de contrôler et d’orienter les 2 premières coupes (une coupe sur le tibia et une coupe sur le fémur ; de mesurer l’espace crée et de l’équilibrer ; de simuler après report de cet espace la coupe qui reste à faire.

Dans ce cas la navigation sert à mesurer, à contrôler mais aussi à simuler le positionnement prothétique et la balance ligamentaire pour guider la dernière coupe osseuse et les gestes d’équilibrage ligamentaire qui pourrait y être associés. 

• PLEOS genou permet  une troisième voie de coupe dépendante avec simulation ^[7] elle permet de ne faire qu’une coupe et de simuler ensuite (selon les mêmes principes) les 2 autres coupes et la balance ligamentaire.

Dans ce cas les étapes de simulations sont virtuelles et permettent « sans avoir coupé » pour une enveloppe ligamentaire donnée de connaître le positionnement 3D des implants. Des gestes de libération ligamentaire peuvent alors être menés sous contrôle informatique jusqu’à ce que le meilleur compromis soit obtenu entre les coupes et les gestes d’équilibrage ligamentaire qui sont alors étroitement liés.

Ce système permet donc de simuler, de contrôler et de naviguer  les coupes et les gestes de libération ligamentaire pour mieux prévoir et mieux gérer les espaces prothétiques en flexion et en extension.

Notons que, si la navigation permet de mieux contrôler les gestes de libération ligamentaire elle ne résout pas le problème de la mise en tension des tissus mous (par un scaper, un distracteur ou un tenseur) et de la quantification peut reproductible du stress que l’opérateur applique sur l’enveloppe ligamentaire au moment de son geste.

Limiter les gestes invasifs

Les systèmes de navigation évitent l’utilisation des guides centro médullaires qui sont potentiellement source de complication (embolie graisseuse) et de saignement plus important.

Des complications spécifiques rares (fracture du fémur, lors de la fixation trans osseuse des capteurs) ont été rapportées. Cela incite à travailler sur des systèmes de fixation métaphysaire qui auraient en plus l’avantage de s’adapter aux contraintes de la chirurgie mini invasive.

Amélioration du contrôle fémoro patellaire

A ce jour le contrôle spécifique du resurfaçage rotulien est mal intégré dans les systèmes de  navigation chirurgicale. Les problèmes fémoro patellaires constituent pourtant une cause d’insatisfaction des patients et une cause de complications des PTG.

La plupart des travaux publiés insistent sur l’intérêt que peut avoir la navigation dans le meilleur contrôle du positionnement fémoro tibial qui optimise le fonctionnement fémoro patellaire.

Nous travaillons pour le développement d’un système qui pourrait mieux gérer la coupe rotulienne (épaisseur et orientation de la coupe rotulienne ; position, taille et tracking du bouton rotulien) lors de la mise en place d’une PTG.

La simplification des procédures et gain de temps

Tous ces systèmes sont perfectibles mais la plupart d’entre eux allongent, pour un opérateur entraîné, le temps opératoire par rapport à une chirurgie conventionnelle. Ceci constitue un frein évident à la diffusion de ces systèmes. Ces systèmes doivent être « plus chirurgicaux » et tout doit être fait dans l’avenir pour simplifier les procédures naviguées et pour gagner du temps. 

De nouveaux environnements : pour répondre à une nécessité d’évolution et de progrès

La chirurgie doit évoluer en s’adaptant à de nouveaux environnements.
 

Environnement technique

Nous avons tous à l’esprit les discussions que certains de nos maîtres ont pu avoir dans le passé lors du développement de techniques qui étaient en leur temps novatrices, mais qui avaient étés condamnées car coûteuses et consommatrices de temps.

Pourtant ces techniques, parce que leur bénéfice s’est progressivement imposé aux yeux de tous, sont devenues routinières et ces débats sont du passé.

La navigation chirurgicale s’est imposée en neuro chirurgie par exemple et finira probablement par devenir incontournable dans la chirurgie arthroplastique du genou. Il apparaît en effet, qu’il s’agit pour les chirurgiens d’un outil pédagogique et de progrès et qu’au-delà de la valeur ajoutée intrinsèque que la navigation apporte, nos enfants qui sont les chirurgiens de demain souhaiterons pouvoir évoluer dans un environnement moderne.

Environnement qualité

La traçabilité de nos actes est de plus en plus présente dans le quotidien de nos activités. La navigation chirurgicale permet de suivre pas à pas les étapes chirurgicales qui ont été faites et PLEOS genou permet de produire un rapport opératoire objectif de ce qui à été fait (figure 5).

L’outil informatique permet aussi l’analyse rétrospective précise des séquences chirurgicales et peut à ce titre être un outil très intéressant de progrès et d’enseignement.

Conclusion

Aujourd’hui la navigation chirurgicale constitue un  outil optionnel lors de la mise en place d’une PTG.

Cet outil est perfectible mais  permet d’accroître la précision du contrôle d’un nombre important d’étapes chirurgicales en laissant au chirurgien tout son  pouvoir de décision. Au delà des problèmes économiques il est probable qu’à moyen terme, ces techniques deviendront routinières dans la chirurgie prothétique du genou pour des raisons aussi diverses que leur précision intrinsèque et que l’évolution d’un environnement en perpétuel changement. Avec Pléos genou nous avons donc choisi d’être actif dans cette dynamique de progrès.