手术机器人如何既“准确”又“正确”

量化分析与数学决策引入关节外科——

手术机器人如何既“准确”又“正确”

光明日报记者 崔兴毅 光明日报通讯员 唐浩

日前，北京积水潭医院矫形骨科周一新教授团队提出“臼杯矢状面角度的数学转换公式”，填补了该领域的国际空白，据此揭示了统治髋关节重建领域近50年的传统安全区（Lewinek安全区）不能成立之数学原理，并进一步建立了病人特异性安全区（Patient Specific Safe Zone，PSSZ）算法，突破了传统理论的局限，建立了新型个性化手术规划方法。相关研究成果发布在国际骨科权威杂志JBJS(Journal of Bone & Joint Surgery)，CORR（Clinical Orthopedics Related Research）上。这标志着北京积水潭医院矫形骨科研究团队在机器人辅助髋关节置换术方向的研究水平达到国际领先，推动了机器人辅助手术规划理论的长足进步，为骨科手术揭开了量化分析与数学决策的新篇章。

经典与传统不等于正确

传统手术中，对于人工关节假体到底安装在了什么位置，医生们只是知道一个相对模糊的范围，并没有精确的点位信息。在这样的情况下探讨关节假体安装位置与疗效的关系，缺乏方法学的基础。而手术机器人的出现，让这一研究有了路径基础。

20世纪70年代末，Lewinnek教授提出了髋关节置换领域非常重要的一个概念“Safe Zone”（安全区）。他指出髋臼臼杯的安置位置有一个相对安全的范围：外展角40±10°，前倾角15±10°，称为“Lewinnek安全区”。自此，这一概念统治了人工关节置换领域直至今日。

曾经，学界认为人工手术误差大导致假体不能放入Lewinneck安全区，是脱位的主要原因。随着计算机辅助手术的发展，骨科医生获得了精确放置假体位置的能力，提高了将假体放入传统Lewinnek安全区的概率。然而，越来越多的证据却表明，传统Lewinnek安全区并不能避免术后关节脱位的发生。例如，有文献报道，58%的脱位病例臼杯角度位于Lewinnek安全区内。针对Lewinnek安全区的失效，近年来研究发现，脊柱骨盆姿态是全髋关节置换术后是否脱位的重要影响因素，但应该如何根据骨盆姿态建立量化分析方法以降低脱位风险，是髋关节外科领域亟须解决的关键难点问题。

阐明THA传统安全区的系统性缺陷

为回答上述问题，团队建立了髋关节置换的数学模型，采用“数学推理+临床验证”，填补了国际上臼杯矢状面功能角度计算的方法学空白，并据此进一步证明了，没有一个经验值可以满足所有人的需求，具体到每个人的目标值都是个性化的；从数学和运动学上证明“Lewinnek安全区”只是一个二维的静止目标值，并不能正确指导髋关节假体安置，以同时满足髋关节重建在稳定性与活动度、髋关节合理载荷等方面的要求。

巧合的是，1978年，Lewinnek正是在JBJS发表论文提出了“安全区（Safe Zone)”概念。40多年后，中国医生团队同样在这一著名骨科期刊上，基于数学建模与量化分析，阐明了“Lewinnek安全区”不能成立之理由。

患者特异性假体安全区及其算法的建立

为解决髋关节重建手术目标值正确性的问题，团队通过建立数学模型与算法结合患者术前站立位、坐位、蹲位等不同姿势下的骨盆矢状面姿态参数，以避免撞击、脱位及髋关节负重面过载等为边界条件，形成个性化的运动学安全区，以指导机器人辅助THA手术的精准重建。在解决髋臼侧手术目标值的同时，团队还收获了意料之外的重大发现，髋关节重建时如果股骨假体放置在10°~20°区间以外则髋臼假体理想目标值“有解”的可能性大大减小，这意味着，以往那种手术时先做髋臼的传统做法可能是错误的或至少不是“最优”的。这一发现不但为股骨假体规定了安全范围，也提示了有充分理由改变传统髋关节重建的手术过程。

鉴于成果的重要性，骨科著名杂志CORR认为此论文contains very important information（此文载有极重要的信息），第一时间接受了该文，并以2022年1月刊封面论文且15页长文的形式予以发表。美国加州大学洛杉矶分校（UCLA）骨科研究中心Edward Ebramzadeh教授高度评价此项工作，并写道：文中报道的算法实现了依据病人特点，量化预测术后脱位风险并制定更合理的术前计划，为导航或机器人辅助手术提供关键手术目标，使假体植入不仅“精确”，而且“正确”，具有重大意义。

数学原理是建立骨科精准医学理论大厦的必由之路。近年来，周一新团队与天玑实验室赵永强团队、理工大学郭建峤团队等理工科团队合作取得了可喜成果。周一新说：“作为医生我们循规蹈矩，遵从诊疗原则与常规，但一旦科学与临床证据支持时，我们又是革命者，坚决否定与放弃落后的观点与技术，哪怕他们曾经是那样神圣不可冒犯的”。唐浩医生作为团队主要成员，也为数学与物理之美所吸引，对医学与工程交叉融合，抱有强烈的兴趣，闲暇时喜欢利用MATLAB（数学工具软件），挖掘医学实践中的数学原理。如何从临床实践中发现有价值的问题，同时将这些问题数学化，最后将数学化的推论结果回归到临床实践，一直是团队工作的主要方向之一。

通过这两项研究成果，北京积水潭医院矫形骨科率先将量化分析与数学决策引入关节外科，颠覆了人们对手术目标值的认识，也颠覆与重构了手术流程。在临床中，将此研究成果应用于计算THA个性化手术目标值与分析髋关节脱位的运动学成因，获得了良好临床疗效。

《光明日报》（ 2022年05月28日 07版）