手術機器人如何既“準確”又“正確”
量化分析與數學決策引入關節外科——
手術機器人如何既“準確”又“正確”
光明日報記者 崔興毅 光明日報通訊員 唐浩
日前，北京積水潭醫院矯形骨科週一新教授團隊提出“臼杯矢狀面角度的數學轉換公式”，填補了該領域的國際空白，據此揭示了統治髖關節重建領域近50年的傳統安全區（Lewinek安全區）不能成立之數學原理，並進一步建立了病人特異性安全區（Patient Specific Safe Zone，PSSZ）算法，突破了傳統理論的侷限，建立了新型個性化手術規劃方法。相關研究成果發佈在國際骨科權威雜誌JBJS(Journal of Bone & Joint Surgery)，CORR（Clinical Orthopedics Related Research）上。這標誌着北京積水潭醫院矯形骨科研究團隊在機器人輔助髖關節置換術方向的研究水平達到國際領先，推動了機器人輔助手術規劃理論的長足進步，為骨科手術揭開了量化分析與數學決策的新篇章。
經典與傳統不等於正確
傳統手術中，對於人工關節假體到底安裝在了什麼位置，醫生們只是知道一個相對模糊的範圍，並沒有精確的點位信息。在這樣的情況下探討關節假體安裝位置與療效的關係，缺乏方法學的基礎。而手術機器人的出現，讓這一研究有了路徑基礎。
20世紀70年代末，Lewinnek教授提出了髖關節置換領域非常重要的一個概念“Safe Zone”（安全區）。他指出髖臼臼杯的安置位置有一個相對安全的範圍：外展角40±10°，前傾角15±10°，稱為“Lewinnek安全區”。自此，這一概念統治了人工關節置換領域直至今日。
曾經，學界認為人工手術誤差大導致假體不能放入Lewinneck安全區，是脱位的主要原因。隨着計算機輔助手術的發展，骨科醫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Lewinnek安全區的概率。然而，越來越多的證據卻表明，傳統Lewinnek安全區並不能避免術後關節脱位的發生。例如，有文獻報道，58%的脱位病例臼杯角度位於Lewinnek安全區內。針對Lewinnek安全區的失效，近年來研究發現，脊柱骨盆姿態是全髖關節置換術後是否脱位的重要影響因素，但應該如何根據骨盆姿態建立量化分析方法以降低脱位風險，是髖關節外科領域亟須解決的關鍵難點問題。
闡明THA傳統安全區的系統性缺陷
為回答上述問題，團隊建立了髖關節置換的數學模型，採用“數學推理+臨牀驗證”，填補了國際上臼杯矢狀面功能角度計算的方法學空白，並據此進一步證明了，沒有一個經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；從數學和運動學上證明“Lewinnek安全區”只是一個二維的靜止目標值，並不能正確指導髖關節假體安置，以同時滿足髖關節重建在穩定性與活動度、髖關節合理載荷等方面的要求。
巧合的是，1978年，Lewinnek正是在JBJS發表論文提出了“安全區（Safe Zone)”概念。40多年後，中國醫生團隊同樣在這一著名骨科期刊上，基於數學建模與量化分析，闡明瞭“Lewinnek安全區”不能成立之理由。
患者特異性假體安全區及其算法的建立
為解決髖關節重建手術目標值正確性的問題，團隊通過建立數學模型與算法結合患者術前站立位、坐位、蹲位等不同姿勢下的骨盆矢狀面姿態參數，以避免撞擊、脱位及髖關節負重面過載等為邊界條件，形成個性化的運動學安全區，以指導機器人輔助THA手術的精準重建。在解決髖臼側手術目標值的同時，團隊還收穫了意料之外的重大發現，髖關節重建時如果股骨假體放置在10°~20°區間以外則髖臼假體理想目標值“有解”的可能性大大減小，這意味着，以往那種手術時先做髖臼的傳統做法可能是錯誤的或至少不是“最優”的。這一發現不但為股骨假體規定了安全範圍，也提示了有充分理由改變傳統髖關節重建的手術過程。
鑑於成果的重要性，骨科著名雜誌CORR認為此論文contains very important information（此文載有極重要的信息），第一時間接受了該文，並以2022年1月刊封面論文且15頁長文的形式予以發表。美國加州大學洛杉磯分校（UCLA）骨科研究中心Edward Ebramzadeh教授高度評價此項工作，並寫道：文中報道的算法實現了依據病人特點，量化預測術後脱位風險並制定更合理的術前計劃，為導航或機器人輔助手術提供關鍵手術目標，使假體植入不僅“精確”，而且“正確”，具有重大意義。
數學原理是建立骨科精準醫學理論大廈的必由之路。近年來，週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。週一新説：“作為醫生我們循規蹈矩，遵從診療原則與常規，但一旦科學與臨牀證據支持時，我們又是革命者，堅決否定與放棄落後的觀點與技術，哪怕他們曾經是那樣神聖不可冒犯的”。唐浩醫生作為團隊主要成員，也為數學與物理之美所吸引，對醫學與工程交叉融合，抱有強烈的興趣，閒暇時喜歡利用MATLAB（數學工具軟件），挖掘醫學實踐中的數學原理。如何從臨牀實踐中發現有價值的問題，同時將這些問題數學化，最後將數學化的推論結果迴歸到臨牀實踐，一直是團隊工作的主要方向之一。
通過這兩項研究成果，北京積水潭醫院矯形骨科率先將量化分析與數學決策引入關節外科，顛覆了人們對手術目標值的認識，也顛覆與重構了手術流程。在臨牀中，將此研究成果應用於計算THA個性化手術目標值與分析髖關節脱位的運動學成因，獲得了良好臨牀療效。
《光明日報》（ 2022年05月28日 07版）