手術(shù)機器人如何既“準確”又“正確”

1、量化分析與數(shù)學決策引入關(guān)節(jié)外科手術(shù)機器人如何既“準確”又“正確”日前，北京積水潭醫(yī)院矯形骨科周一新教授團隊提出“臼杯矢狀面角度的數(shù)學轉(zhuǎn)換公式”，填補了該領域的國際空白，據(jù)此揭示了統(tǒng)治髖關(guān)節(jié)重建領域近50年的傳統(tǒng)安全區(qū)（Lewinek安全區(qū)）不能成立之數(shù)學原理，并進一步建立了病人特異性安全區(qū)（PatientSpecificSafeZone，PSSZ）算法，突破了傳統(tǒng)理論的局限，建立了新型個性化手術(shù)規(guī)劃方法。相關(guān)研究成果發(fā)布在國際骨科權(quán)威雜志JBJS(JournalofBone&JointSurgery)，CORR（ClinicalOrthopedicsRelatedResearch）上。這標志著

2、北京積水潭醫(yī)院矯形骨科研究團隊在機器人輔助髖關(guān)節(jié)置換術(shù)方向的研究水平達到國際領先，推動了機器人輔助手術(shù)規(guī)劃理論的長足進步，為骨科手術(shù)揭開了量化分析與數(shù)學決策的新篇章。經(jīng)典與傳統(tǒng)不等于正確傳統(tǒng)手術(shù)中，對于人工關(guān)節(jié)假體到底安裝在了什么位置，醫(yī)生們只是知道一個相對模糊的范圍，并沒有精確的點位信息。在這樣的情況下探討關(guān)節(jié)假體安裝位置與療效的關(guān)系，缺乏方法學的基礎。而手術(shù)機器人的出現(xiàn)，讓這一研究有了路徑基礎。20世紀70年代末，Lewinnek教授提出了髖關(guān)節(jié)置換領域非常重要的一個概念“SafeZone”（安全區(qū)）。他指出髖臼臼杯的安置位置有一個相對安全的范圍：外展角4010，前傾角1510，稱為“Le

3、winnek安全區(qū)”。自此，這一概念統(tǒng)治了人工關(guān)節(jié)置換領域直至今日。曾經(jīng)，學界認為人工手術(shù)誤差大導致假體不能放入Lewinneck安全區(qū)，是脫位的主要原因。隨著計算機輔助手術(shù)的發(fā)展，骨科醫(yī)生獲得了精確放置假體位置的能力，提高了將假體放入傳統(tǒng)Lewinnek安全區(qū)的概率。然而，越來越多的證據(jù)卻表明，傳統(tǒng)Lewinnek安全區(qū)并不能避免術(shù)后關(guān)節(jié)脫位的發(fā)生。例如，有文獻報道，58%的脫位病例臼杯角度位于Lewinnek安全區(qū)內(nèi)。針對Lewinnek安全區(qū)的失效，近年來研究發(fā)現(xiàn)，脊柱骨盆姿態(tài)是全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后是否脫位的重要影響因素，但應該如何根據(jù)骨盆姿態(tài)建立量化分析方法以降低脫位風險，是髖關(guān)節(jié)外科領域

4、亟須解決的關(guān)鍵難點問題。闡明THA傳統(tǒng)安全區(qū)的系統(tǒng)性缺陷為回答上述問題，團隊建立了髖關(guān)節(jié)置換的數(shù)學模型，采用“數(shù)學推理+臨床驗證”，填補了國際上臼杯矢狀面功能角度計算的方法學空白，并據(jù)此進一步證明了，沒有一個經(jīng)驗值可以滿足所有人的需求，具體到每個人的目標值都是個性化的；從數(shù)學和運動學上證明“Lewinnek安全區(qū)”只是一個二維的靜止目標值，并不能正確指導髖關(guān)節(jié)假體安置，以同時滿足髖關(guān)節(jié)重建在穩(wěn)定性與活動度、髖關(guān)節(jié)合理載荷等方面的要求。巧合的是，1978年，Lewinnek正是在JBJS發(fā)表論文提出了“安全區(qū)（SafeZone)”概念。40多年后，中國醫(yī)生團隊同樣在這一著名骨科期刊上，基于數(shù)學建

5、模與量化分析，闡明了“Lewinnek安全區(qū)”不能成立之理由?；颊咛禺愋约袤w安全區(qū)及其算法的建立為解決髖關(guān)節(jié)重建手術(shù)目標值正確性的問題，團隊通過建立數(shù)學模型與算法結(jié)合患者術(shù)前站立位、坐位、蹲位等不同姿勢下的骨盆矢狀面姿態(tài)參數(shù)，以避免撞擊、脫位及髖關(guān)節(jié)負重面過載等為邊界條件，形成個性化的運動學安全區(qū)，以指導機器人輔助THA手術(shù)的精準重建。在解決髖臼側(cè)手術(shù)目標值的同時，團隊還收獲了意料之外的重大發(fā)現(xiàn)，髖關(guān)節(jié)重建時如果股骨假體放置在1020區(qū)間以外則髖臼假體理想目標值“有解”的可能性大大減小，這意味著，以往那種手術(shù)時先做髖臼的傳統(tǒng)做法可能是錯誤的或至少不是“最優(yōu)”的。這一發(fā)現(xiàn)不但為股骨假體規(guī)定了安全

6、范圍，也提示了有充分理由改變傳統(tǒng)髖關(guān)節(jié)重建的手術(shù)過程。鑒于成果的重要性，骨科著名雜志CORR認為此論文containsveryimportantinformation（此文載有極重要的信息），第一時間接受了該文，并以2022年1月刊封面論文且15頁長文的形式予以發(fā)表。美國加州大學洛杉磯分校（UCLA）骨科研究中心EdwardEbramzadeh教授高度評價此項工作，并寫道：文中報道的算法實現(xiàn)了依據(jù)病人特點，量化預測術(shù)后脫位風險并制定更合理的術(shù)前計劃，為導航或機器人輔助手術(shù)提供關(guān)鍵手術(shù)目標，使假體植入不僅“精確”，而且“正確”，具有重大意義。數(shù)學原理是建立骨科精準醫(yī)學理論大廈的必由之路。近年來，周一新團隊與天璣實驗室趙永強團隊、理工大學郭建嶠團隊等理工科團隊合作取得了可喜成果。周一新說：“作為醫(yī)生我們循規(guī)蹈矩，遵從診療原則與常規(guī)，但一旦科學與臨床證據(jù)支持時，我們又是革命者，堅決否定與放棄落后的觀點與技術(shù)，哪怕他們曾經(jīng)是那樣神圣不可冒犯的”。唐浩醫(yī)生作為團隊主要成員，也為數(shù)學與物理之美所吸引，對醫(yī)學與工程交叉融合，抱有強烈的興趣，閑暇時喜歡利用MATLAB（數(shù)學工具軟件），挖掘醫(yī)學實踐中的數(shù)學原理。如何從臨床實踐中發(fā)現(xiàn)有價值的問題，同時將這些問題數(shù)學化，最后將數(shù)學化的推論結(jié)果回歸到臨床實踐，一直是團隊工作的主要方向之一。通過這兩項研究成果，北京積水潭醫(yī)院矯形骨科率先將量化分析