孔祥朋 柴偉

說起骨科手術(shù)，許多人首先會想到，骨折后需要通過手術(shù)來固定骨頭，比如使用石膏、鋼釘、鋼板等;對于老年人或者關(guān)節(jié)疾病患者，關(guān)節(jié)置換手術(shù)可以顯著改善關(guān)節(jié)功能，減輕疼痛;對于運(yùn)動員或者熱愛運(yùn)動的人來說，韌帶重建手術(shù)可以幫助他們治療運(yùn)動損傷，重新回到運(yùn)動場上;對于腰椎間盤突出、頸椎病等脊柱疾病患者，脊柱手術(shù)可以解除神經(jīng)壓迫，幫助他們恢復(fù)正常生活……

目前，骨科可以大致細(xì)分為：關(guān)節(jié)外科、創(chuàng)傷骨科、脊柱外科、運(yùn)動醫(yī)學(xué)、骨腫瘤等不同?？?。大部分骨科手術(shù)要使用鋼板螺釘，但由于它們僅起到臨時固定作用，可以在術(shù)后一定時間內(nèi)取出;而關(guān)節(jié)置換手術(shù)中所安裝的人工關(guān)節(jié)則需要永久跟隨患者，為患者服務(wù)終生。這對醫(yī)生的手術(shù)技術(shù)和人工關(guān)節(jié)的質(zhì)量都要求極高。為了使人工關(guān)節(jié)這一新“器官”正常工作，醫(yī)生又需要做好哪些工作?

建成國人關(guān)節(jié)數(shù)據(jù)庫

選擇關(guān)節(jié)的過程看似簡單，但卻存在很多技術(shù)難點(diǎn)。俗話說，鞋子合不合腳，只有穿的人才知道。

髖關(guān)節(jié)發(fā)育不良和老年膝骨關(guān)節(jié)炎是我國人群好發(fā)疾病，以往，我國所使用的人工關(guān)節(jié)主要靠進(jìn)口，多根據(jù)歐美人群的關(guān)節(jié)形態(tài)設(shè)計。而設(shè)計一款適合中國人群的人工關(guān)節(jié)，需要收集大量的國人骨骼解剖數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行分析設(shè)計，這并非一日之功。過去，由于缺乏中國人的骨骼數(shù)據(jù)庫，科研人員無法針對國人骨骼特點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)醫(yī)療設(shè)備的研發(fā)。

針對這一情況，特別是數(shù)據(jù)體量小、解剖不匹配、形態(tài)地域和種族覆蓋性差等問題，中國人民解放軍總醫(yī)院骨科醫(yī)學(xué)部關(guān)節(jié)外科團(tuán)隊經(jīng)過10余年采集研發(fā)，建成國人關(guān)節(jié)數(shù)據(jù)庫和關(guān)節(jié)疾病真實世界數(shù)據(jù)平臺，包括4個專病數(shù)據(jù)庫、162個數(shù)據(jù)模塊和9110例髖膝關(guān)節(jié)病例(臨床信息庫、影像數(shù)據(jù)庫及標(biāo)本庫)，牽頭制定國內(nèi)首個髖關(guān)節(jié)發(fā)育不良疾病數(shù)據(jù)集團(tuán)隊標(biāo)準(zhǔn)，揭示該類患者假體磨損快、關(guān)節(jié)壽命短的特有力學(xué)機(jī)制，據(jù)此提出了關(guān)節(jié)置換的鏡像重建理念，并設(shè)計了相應(yīng)的配套器材。

得益于國人關(guān)節(jié)平臺數(shù)據(jù)庫的擴(kuò)容，智能化骨科內(nèi)植物高效研發(fā)與應(yīng)用有了共性理論與關(guān)鍵技術(shù)支撐。其中，國人適配的新型髖關(guān)節(jié)假體成果，讓過去不敢換或無關(guān)節(jié)可用的關(guān)節(jié)重度畸形患者大為獲益，不僅恢復(fù)了正常生活，更避免了多次翻修手術(shù)的痛苦。

人工智能的手術(shù)規(guī)劃

假體位置是影響假體壽命和關(guān)節(jié)功能的決定性因素。初次髖關(guān)節(jié)置換術(shù)中骨折發(fā)生率為1.1%，下肢不等長發(fā)生率為50%~80%，髖關(guān)節(jié)脫位發(fā)生率為3.2%~6.5%，這都與術(shù)前規(guī)劃不充分相關(guān)。

歐美國家多使用二維術(shù)前規(guī)劃軟件，雖然在一定程度上提高了手術(shù)的準(zhǔn)確度，但由于二維影像無法完整反映三維信息，要求規(guī)劃者具有豐富的臨床經(jīng)驗，規(guī)劃可重復(fù)性低，尤其對復(fù)雜關(guān)節(jié)疾病手術(shù)而言，其可提供的參考作用較小。為解決二維術(shù)前規(guī)劃軟件存在的問題，三維術(shù)前規(guī)劃軟件應(yīng)運(yùn)而生。但這些軟件均需手動對關(guān)節(jié)CT圖像進(jìn)行逐層分割，單名患者要耗時近1小時，難以大范圍應(yīng)用于臨床。

隨著人工智能技術(shù)的逐漸成熟，人工智能與醫(yī)療的結(jié)合逐漸成為業(yè)界關(guān)注的熱點(diǎn)。主要包括：醫(yī)療影像智能識別、輔助診療、癌癥診斷、醫(yī)療機(jī)器人、個人健康大數(shù)據(jù)、藥物靶點(diǎn)尋找的智能分析等。

基于前期建立的真實世界數(shù)據(jù)平臺病例庫，我們將人工智能成功應(yīng)用到關(guān)節(jié)置換手術(shù)中——只需要上傳患者CT數(shù)據(jù)，便可以在幾分鐘內(nèi)智能生成關(guān)節(jié)置換的手術(shù)方案。

這是怎么做到的?首先，我們與國內(nèi)知名團(tuán)隊合作，通過特有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了骨盆、股骨等復(fù)雜解剖結(jié)構(gòu)的精確識別、智能分割和三維重建;然后，將團(tuán)隊多年完成的各類關(guān)節(jié)置換手術(shù)進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)，歸納總結(jié)了國內(nèi)數(shù)10位專家的手術(shù)經(jīng)驗，實現(xiàn)了假體選型和位置的智能匹配;最后，基于以上經(jīng)驗總結(jié)和技術(shù)突破，合作開發(fā)關(guān)節(jié)置換手術(shù)規(guī)劃系統(tǒng)，牽頭完成多項多中心臨床注冊試驗。目前，關(guān)節(jié)置換手術(shù)方案平均規(guī)劃時間從60分鐘縮短至4分鐘，規(guī)劃準(zhǔn)確率由73.3%提高到96.7%，有效解決了二維規(guī)劃不準(zhǔn)確、三維規(guī)劃效率低的臨床難題。

手術(shù)機(jī)器人精準(zhǔn)執(zhí)行

有了合適的人工關(guān)節(jié)和智能手術(shù)方案，如何精準(zhǔn)執(zhí)行是擺在關(guān)節(jié)外科醫(yī)生面前的又一道難關(guān)。前文所述，關(guān)節(jié)置換手術(shù)不同于其他骨科手術(shù)，對假體的位置和角度要求極高。人工關(guān)節(jié)在植入體內(nèi)后，在數(shù)10年的磨損過程中，哪怕1°或者1mm的偏差，都會對人工關(guān)節(jié)的使用壽命造成明顯影響。

手術(shù)機(jī)器人的出現(xiàn)為破解上述問題提供了思路。手術(shù)機(jī)器人在骨科領(lǐng)域的應(yīng)用最早可追溯到20世紀(jì)80年代，用于輔助髖關(guān)節(jié)置換。近年來，隨著機(jī)器人技術(shù)和導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展，骨科手術(shù)機(jī)器人的大眾接受度越來越高，應(yīng)用也已覆蓋三大類骨科手術(shù)：關(guān)節(jié)置換、創(chuàng)傷以及脊柱微創(chuàng)。

我們曾在南方醫(yī)科大學(xué)深圳醫(yī)院進(jìn)行過一場手術(shù)，在智能骨科手術(shù)機(jī)器人的協(xié)助下，分別幫助83歲患者完成左側(cè)全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)、72歲患者完成左側(cè)全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)。整個過程十分順暢，機(jī)器人的輔助也很符合手術(shù)習(xí)慣。在進(jìn)行膝關(guān)節(jié)手術(shù)時，我們用高精度壓力傳感器襯墊來輔助手術(shù)操作，實現(xiàn)了手術(shù)的精準(zhǔn)平衡以及精確截骨，術(shù)后獲得了非常平衡的屈伸間隙以及穩(wěn)定的膝關(guān)節(jié)。針對髖關(guān)節(jié)病人重度發(fā)育不良且個子不高的問題，手術(shù)機(jī)器人自帶的規(guī)劃系統(tǒng)，幫我們在術(shù)前制定了良好的手術(shù)計劃，并且在手術(shù)臺上就可以模擬病人深蹲、屈膝。更讓我們驚喜的是，術(shù)后第二天，患者就可以正常下地活動了。

可見，與傳統(tǒng)手術(shù)相比，機(jī)器人輔助手術(shù)可以有效提高精準(zhǔn)度，且對軟組織損傷少、后期并發(fā)癥少。特別是對于髖關(guān)節(jié)發(fā)育不良和融合髖等復(fù)雜病例，臨床中發(fā)現(xiàn)，采用“虛擬臼外精確配準(zhǔn)”方法和“先注冊后截骨”機(jī)器人手術(shù)策略后，術(shù)中輻射劑量會降低78.2%，精準(zhǔn)性可達(dá)94.3%。

骨科治療領(lǐng)域的創(chuàng)新技術(shù)和趨勢不斷涌現(xiàn)，這些技術(shù)正在改善患者的治療效果，減輕痛苦，并提高康復(fù)速度。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，我們期待有更多創(chuàng)新的方法用于處理骨科問題，以更好的醫(yī)療服務(wù)改善患者生活質(zhì)量。

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