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量化分析與數(shù)學(xué)決策引入關(guān)節(jié)外科——

手術(shù)機(jī)器人如何既“準(zhǔn)確”又“正確”

光明日報(bào)記者 崔興毅 光明日報(bào)通訊員 唐浩

日前，北京積水潭醫(yī)院矯形骨科周一新教授團(tuán)隊(duì)提出“臼杯矢狀面角度的數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換公式”，填補(bǔ)了該領(lǐng)域的國際空白，據(jù)此揭示了統(tǒng)治髖關(guān)節(jié)重建領(lǐng)域近50年的傳統(tǒng)安全區(qū)（Lewinek安全區(qū)）不能成立之?dāng)?shù)學(xué)原理，并進(jìn)一步建立了病人特異性安全區(qū)（Patient Specific Safe Zone，PSSZ）算法，突破了傳統(tǒng)理論的局限，建立了新型個(gè)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(Journal of Bone & Joint Surgery)，CORR（Clinical Orthopedics Related Research）上。這標(biāo)志著北京積水潭醫(yī)院矯形骨科研究團(tuán)隊(duì)在機(jī)器人輔助髖關(guān)節(jié)置換術(shù)方向的研究水平達(dá)到國際領(lǐng)先，推動了機(jī)器人輔助手術(shù)規(guī)劃理論的長足進(jìn)步，為骨科手術(shù)揭開了量化分析與數(shù)學(xué)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(gè)相對模糊的范圍，并沒有精確的點(diǎn)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(xué)的基礎(chǔ)。而手術(shù)機(jī)器人的出現(xiàn)，讓這一研究有了路徑基礎(chǔ)。

20世紀(jì)70年代末，Lewinnek教授提出了髖關(guān)節(jié)置換領(lǐng)域非常重要的一個(gè)概念“Safe Zone”（安全區(qū)）。他指出髖臼臼杯的安置位置有一個(gè)相對安全的范圍：外展角40±10°，前傾角15±10°，稱為“Lewinnek安全區(qū)”。自此，這一概念統(tǒng)治了人工關(guān)節(jié)置換領(lǐng)域直至今日。

曾經(jīng)，學(xué)界認(rèn)為人工手術(shù)誤差大導(dǎo)致假體不能放入Lewinneck安全區(qū)，是脫位的主要原因。隨著計(jì)算機(jī)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(xiàn)報(bào)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(yīng)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(fēng)險(xiǎn)，是髖關(guān)節(jié)外科領(lǐng)域亟須解決的關(guān)鍵難點(diǎn)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(tuán)隊(duì)建立了髖關(guān)節(jié)置換的數(shù)學(xué)模型，采用“數(shù)學(xué)推理+臨床驗(yàn)證”，填補(bǔ)了國際上臼杯矢狀面功能角度計(jì)算的方法學(xué)空白，并據(jù)此進(jìn)一步證明了，沒有一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值可以滿足所有人的需求，具體到每個(gè)人的目標(biāo)值都是個(gè)性化的；從數(shù)學(xué)和運(yùn)動學(xué)上證明“Lewinnek安全區(qū)”只是一個(gè)二維的靜止目標(biāo)值，并不能正確指導(dǎo)髖關(guān)節(jié)假體安置，以同時(shí)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)（Safe Zone)”概念。40多年后，中國醫(yī)生團(tuán)隊(duì)同樣在這一著名骨科期刊上，基于數(shù)學(xué)建模與量化分析，闡明了“Lewinnek安全區(qū)”不能成立之理由。

患者特異性假體安全區(qū)及其算法的建立

為解決髖關(guān)節(jié)重建手術(shù)目標(biāo)值正確性的問題，團(tuán)隊(duì)通過建立數(shù)學(xué)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(fù)重面過載等為邊界條件，形成個(gè)性化的運(yùn)動學(xué)安全區(qū)，以指導(dǎo)機(jī)器人輔助THA手術(shù)的精準(zhǔn)重建。在解決髖臼側(cè)手術(shù)目標(biāo)值的同時(shí)，團(tuán)隊(duì)還收獲了意料之外的重大發(fā)現(xiàn)，髖關(guān)節(jié)重建時(shí)如果股骨假體放置在10°~20°區(qū)間以外則髖臼假體理想目標(biāo)值“有解”的可能性大大減小，這意味著，以往那種手術(shù)時(shí)先做髖臼的傳統(tǒng)做法可能是錯(cuò)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(rèn)為此論文contains very important information（此文載有極重要的信息），第一時(shí)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(xué)洛杉磯分校（UCLA）骨科研究中心Edward Ebramzadeh教授高度評價(jià)此項(xiàng)工作，并寫道：文中報(bào)道的算法實(shí)現(xiàn)了依據(jù)病人特點(diǎn)，量化預(yù)測術(shù)后脫位風(fēng)險(xiǎn)并制定更合理的術(shù)前計(jì)劃，為導(dǎo)航或機(jī)器人輔助手術(shù)提供關(guān)鍵手術(shù)目標(biāo)，使假體植入不僅“精確”，而且“正確”，具有重大意義。

數(shù)學(xué)原理是建立骨科精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)理論大廈的必由之路。近年來，周一新團(tuán)隊(duì)與天璣實(shí)驗(yàn)室趙永強(qiáng)團(tuán)隊(duì)、理工大學(xué)郭建嶠團(tuán)隊(duì)等理工科團(tuán)隊(duì)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(xué)與臨床證據(jù)支持時(shí)，我們又是革命者，堅(jiān)決否定與放棄落后的觀點(diǎn)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(tuán)隊(duì)主要成員，也為數(shù)學(xué)與物理之美所吸引，對醫(yī)學(xué)與工程交叉融合，抱有強(qiáng)烈的興趣，閑暇時(shí)喜歡利用MATLAB（數(shù)學(xué)工具軟件），挖掘醫(yī)學(xué)實(shí)踐中的數(shù)學(xué)原理。如何從臨床實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)有價(jià)值的問題，同時(shí)將這些問題數(shù)學(xué)化，最后將數(shù)學(xué)化的推論結(jié)果回歸到臨床實(shí)踐，一直是團(tuán)隊(duì)工作的主要方向之一。

通過這兩項(xiàng)研究成果，北京積水潭醫(yī)院矯形骨科率先將量化分析與數(shù)學(xué)決策引入關(guān)節(jié)外科，顛覆了人們對手術(shù)目標(biāo)值的認(rèn)識，也顛覆與重構(gòu)了手術(shù)流程。在臨床中，將此研究成果應(yīng)用于計(jì)算THA個(gè)性化手術(shù)目標(biāo)值與分析髖關(guān)節(jié)脫位的運(yùn)動學(xué)成因，獲得了良好臨床療效。