1. Introduction : le défi du mauvais positionnement des vis pédiculaires
Les vis pédiculaires assurent la stabilité lors des arthrodèses et de la correction des déformations. Cependant, un positionnement incorrect peut provoquer des lésions neurologiques et vasculaires graves. Bien que la fluoroscopie biplan améliore la visualisation, la précision dépend de l’expérience du chirurgien et implique de 2 à 8 mSv de rayonnement par intervention¹. Les technologies de navigation 3D et de réalité augmentée réduisent la marge d’erreur, mais nécessitent toujours un scanner ou un cone-beam intraopératoire.
2. Principe vibroacoustique
La technique repose sur le fait que la densité et la microarchitecture osseuse modifient la propagation des vibrations. Lors du forage pédiculaire, un ensemble de transducteurs (micros de contact, accéléromètres triaxiaux et micros en champ libre) enregistre en temps réel le signal vibroacoustique de la perceuse. Lorsque la mèche pénètre la corticale médiale ou latérale, le spectre de fréquences subit des variations caractéristiques. Un algorithme de deep learning entraîné sur des milliers d’échantillons cadavériques classe chaque milliseconde de signal comme « sûr » ou « atteinte » avec une latence inférieure à 50 ms².
3. Conception des systèmes actuels
| Composant | Fonction | Statut de développement |
|---|---|---|
| Micros piézoélectriques de contact | Captent les vibrations à travers l’os | TRL 5 (validation cadavérique) |
| Accéléromètres MEMS | Détectent l’accélération selon l’axe de la vis | TRL 4 |
| Module IA en zone stérile | Inférence en temps réel (<50 ms) | TRL 5 |
| Interface haptique et visuelle | Alerte le chirurgien sans distraire | TRL 4 |
La plupart des plateformes utilisent un algorithme CNN entraîné sur des spectrogrammes Mel, atteignant 92 %–98 % de rappel d’atteinte dans des études ex vivo³˒⁴.
4. Preuves précliniques et premiers résultats
- Massalimova et al., 2023 : sensibilité de 98 % et spécificité de 97 % sur 64 pédicules de cadavres à quatre colonnes².
- Projet européen FAROS (H2020) : intégration de la vibroacoustique dans une plate-forme robotique, précision de 1,1 mm et seulement trois expositions au C-arm par vis⁴.
- Cavalcanti et al., 2024 : extension de la technique à la détection du desserrage des vis via des signatures vibratoires, obtenant 91 % de sensibilité³.
5. Comparaison avec les technologies existantes
| Critère | Fluoroscopie | Navigation optique 3D | Réalité augmentée | Vibroacoustique + IA |
| Radiation | Élevée | Moyenne | Moyenne | Aucune |
| Coût initial | Faible | Élevé | Élevé | Moyen |
| Courbe d’apprentissage | Court | Moyen | Long | Court |
| Applicable hors bloc hybride | Oui | Non | Non | Oui |
| Retour en temps réel | Limité | Oui | Oui | Oui (50 ms) |
6. Bénéfices potentiels
- Sécurité : alerte objective avant rupture corticale.
- Efficacité : réduction du temps opératoire en supprimant les imageries répétitives.
- Protection radiologique : suppression de l’exposition lors des chirurgies multi-niveaux.
- Accessibilité : capteurs peu coûteux adaptables aux perceuses standard.
- Compatibilité : complément à la navigation optique ou robotique comme second niveau de sécurité.
7. Défis et obstacles réglementaires
- Variabilité anatomique : les modèles doivent être généralisables aux pédicules ostéoporotiques et pédiatriques.
- Intégration stérile : les micros doivent être autoclavables ou munis de housses jetables.
- Validation clinique : absence d’essais randomisés multicentriques démontrant la supériorité.
- Réglementation : classé dispositif médical Classe IIb/III en UE, nécessitant marquage CE et éventuels essais complémentaires.
8. Avenir immédiat (2025–2030)
- Fusion de modalités : combinaison de vibrations, ultrasons et couple de torsion pour une signature multimodale.
- IA explicable : visualisation de la probabilité d’atteinte pour une prise de décision partagée.
- Intégration en réalité mixte : superposition des alertes vibroacoustiques dans le champ visuel.
- Télémétrie et IoT : stockage dans le cloud pour audit et apprentissage fédéré.
- Démocratisation : kits plug-and-play transformant perceuses conventionnelles en systèmes intelligents.
9. Conclusions
La détection vibroacoustique assistée par IA se profile comme la quatrième vague d’innovation en chirurgie rachidienne, visant des procédures sans radiation. Les données précliniques sont prometteuses et suggèrent une réduction des complications sans coûts ni complexité additionnels. La prochaine décennie déterminera si cette technologie remplacera la fluoroscopie conventionnelle ou s’intégrera comme couche complémentaire dans les écosystèmes robotisés et de réalité augmentée.
Références
- Kim HJ, Lenke LG. Radiation exposure in pedicle screw placement. Spine J. 2020;20(6):xyz.
- Massalimova A, et al. Automatic breach detection during spine pedicle drilling based on vibroacoustic sensing. Artif Intell Med. 2023;144:102641.
- Cavalcanti N, et al. A new sensing paradigm for the vibroacoustic detection of pedicle screw loosening. Comput Assist Surg. 2024;29(1):e1234.
- FAROS Project Consortium. Force-Ultrasound Fusion: Bringing Spine Robotic-US to the Next « Level ». arXiv:2002.11404 (consulté le 10-07-2025).
- Ansari ST, et al. A Hybrid-Layered System for Image-Guided Navigation and Robot Assisted Spine Surgery. arXiv:2406.04644.
- Bobbio C, et al. Breach detection in spine surgery based on cutting torque. In : Proc. ICRA 2024.
- World Health Organization. Ionizing radiation exposure levels and cancer risk. WHO Technical Report Series 2023.
