精准关节手术：量体裁衣 指哪打哪
孔祥朋 柴伟来源：光明日报
说起骨科手术，许多人首先会想到，骨折后需要通过手术来固定骨头，比如使用石膏、钢钉、钢板等；对于老年人或者关节疾病患者，关节置换手术可以显著改善关节功能，减轻疼痛；对于运动员或者热爱运动的人来说，韧带重建手术可以帮助他们治疗运动损伤，重新回到运动场上；对于腰椎间盘突出、颈椎病等脊柱疾病患者，脊柱手术可以解除神经压迫，帮助他们恢复正常生活……
目前，骨科可以大致细分为：关节外科、创伤骨科、脊柱外科、运动医学、骨肿瘤等不同专科。大部分骨科手术要使用钢板螺钉，但由于它们仅起到临时固定作用，可以在术后一定时间内取出；而关节置换手术中所安装的人工关节则需要永久跟随患者，为患者服务终生。这对医生的手术技术和人工关节的质量都要求极高。为了使人工关节这一新“器官”正常工作，医生又需要做好哪些工作？
建成国人关节数据库
选择关节的过程看似简单，但却存在很多技术难点。俗话说，鞋子合不合脚，只有穿的人才知道。
髋关节发育不良和老年膝骨关节炎是我国人群好发疾病，以往，我国所使用的人工关节主要靠进口，多根据欧美人群的关节形态设计。而设计一款适合中国人群的人工关节，需要收集大量的国人骨骼解剖数据，然后进行分析设计，这并非一日之功。过去，由于缺乏中国人的骨骼数据库，科研人员无法针对国人骨骼特点进行相应医疗设备的研发。
针对这一情况，特别是数据体量小、解剖不匹配、形态地域和种族覆盖性差等问题，中国人民解放军总医院骨科医学部关节外科团队经过10余年采集研发，建成国人关节数据库和关节疾病真实世界数据平台，包括4个专病数据库、162个数据模块和9110例髋膝关节病例（临床信息库、影像数据库及标本库），牵头制定国内首个髋关节发育不良疾病数据集团队标准，揭示该类患者假体磨损快、关节寿命短的特有力学机制，据此提出了关节置换的镜像重建理念，并设计了相应的配套器材。
得益于国人关节平台数据库的扩容，智能化骨科内植物高效研发与应用有了共性理论与关键技术支撑。其中，国人适配的新型髋关节假体成果，让过去不敢换或无关节可用的关节重度畸形患者大为获益，不仅恢复了正常生活，更避免了多次翻修手术的痛苦。
人工智能的手术规划
假体位置是影响假体寿命和关节功能的决定性因素。初次髋关节置换术中骨折发生率为1.1%，下肢不等长发生率为50%~80%，髋关节脱位发生率为3.2%~6.5%，这都与术前规划不充分相关。
欧美国家多使用二维术前规划软件，虽然在一定程度上提高了手术的准确度，但由于二维影像无法完整反映三维信息，要求规划者具有丰富的临床经验，规划可重复性低，尤其对复杂关节疾病手术而言，其可提供的参考作用较小。为解决二维术前规划软件存在的问题，三维术前规划软件应运而生。但这些软件均需手动对关节CT图像进行逐层分割，单名患者要耗时近1小时，难以大范围应用于临床。
随着人工智能技术的逐渐成熟，人工智能与医疗的结合逐渐成为业界关注的热点。主要包括：医疗影像智能识别、辅助诊疗、癌症诊断、医疗机器人、个人健康大数据、药物靶点寻找的智能分析等。
基于前期建立的真实世界数据平台病例库，我们将人工智能成功应用到关节置换手术中——只需要上传患者CT数据，便可以在几分钟内智能生成关节置换的手术方案。
这是怎么做到的？首先，我们与国内知名团队合作，通过特有神经网络实现了骨盆、股骨等复杂解剖结构的精确识别、智能分割和三维重建；然后，将团队多年完成的各类关节置换手术进行机器学习，归纳总结了国内数10位专家的手术经验，实现了假体选型和位置的智能匹配；最后，基于以上经验总结和技术突破，合作开发关节置换手术规划系统，牵头完成多项多中心临床注册试验。目前，关节置换手术方案平均规划时间从60分钟缩短至4分钟，规划准确率由73.3%提高到96.7%，有效解决了二维规划不准确、三维规划效率低的临床难题。
手术机器人精准执行
有了合适的人工关节和智能手术方案，如何精准执行是摆在关节外科医生面前的又一道难关。前文所述，关节置换手术不同于其他骨科手术，对假体的位置和角度要求极高。人工关节在植入体内后，在数10年的磨损过程中，哪怕1°或者1mm的偏差，都会对人工关节的使用寿命造成明显影响。
手术机器人的出现为破解上述问题提供了思路。手术机器人在骨科领域的应用最早可追溯到20世纪80年代，用于辅助髋关节置换。近年来，随着机器人技术和导航技术的发展，骨科手术机器人的大众接受度越来越高，应用也已覆盖三大类骨科手术：关节置换、创伤以及脊柱微创。
我们曾在南方医科大学深圳医院进行过一场手术，在智能骨科手术机器人的协助下，分别帮助83岁患者完成左侧全膝关节置换术、72岁患者完成左侧全髋关节置换术。整个过程十分顺畅，机器人的辅助也很符合手术习惯。在进行膝关节手术时，我们用高精度压力传感器衬垫来辅助手术操作，实现了手术的精准平衡以及精确截骨，术后获得了非常平衡的屈伸间隙以及稳定的膝关节。针对髋关节病人重度发育不良且个子不高的问题，手术机器人自带的规划系统，帮我们在术前制定了良好的手术计划，并且在手术台上就可以模拟病人深蹲、屈膝。更让我们惊喜的是，术后第二天，患者就可以正常下地活动了。
可见，与传统手术相比，机器人辅助手术可以有效提高精准度，且对软组织损伤少、后期并发症少。特别是对于髋关节发育不良和融合髋等复杂病例，临床中发现，采用“虚拟臼外精确配准”方法和“先注册后截骨”机器人手术策略后，术中辐射剂量会降低78.2%，精准性可达94.3%。
骨科治疗领域的创新技术和趋势不断涌现，这些技术正在改善患者的治疗效果，减轻痛苦，并提高康复速度。随着科学技术的不断发展，我们期待有更多创新的方法用于处理骨科问题，以更好的医疗服务改善患者生活质量。
（作者：孔祥朋、柴伟，分别系中国人民解放军总医院骨科医学部关节外科主治医师、主任）
(责编：王震、陈键)
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