亚历山大医院研发全球新颖的人工智能算法

新加坡2025年2月12日 /美通社/ -- 亚历山大医院（AH）骨科手术团队获得了由世界知识产权组织（WIPO）管理的国际专利合作条约（PCT），该条约保护了机器人全膝关节置换（rTKR）算法的独特性，新颖性和专有权。自2024年8月在150多个成员国申请专利保护以来，通过独立专利机构的严格审查和大量数据检索，迄今为止，尚未发现其他类似概念或技术。新加坡的专利在2023年10月就已申请并获得，并已确定这种计算算法，在提高机器人全膝关节置换（rTKR）的准确性和效率，是独一无二的。

亚历山大医院（AH）的骨科手术顾问医生廖子强与当时还是医学生的陆炜强（中）和黄颂平医生共同开发了新加坡首个获得就机器人全膝换术人工智能（A.I.）的算法的全球专利

该算法由亚历山大医院的骨科手术顾问医生廖子强与黄颂平医生和陆炜强先生共同开发。后二者在参与该项目时还是医学生。 这项人工智能驱动的创新技术通过在rTKR手术中创建符合每位患者独特膝关节解剖结构的个性化植入物定位精度，优化了rTKR手术中的个性化植入物定位。 这种创新方法解决了手术期间手动规划的问题，帮助外科医生精确对齐膝关节组件，从而可能带来更好的术后效果和植入物寿命，并缩短手术时间，提高生产效率，堪称该领域的颠覆性创新。自2023年8月以来，已有约200名患者使用这种新方法接受了手术。

克服当前rTKR方法的挑战：

全膝关节置换术（TKR）是最常见的骨科手术之一，其应用越来越广泛，从1999年的每10万名65岁及以上患者中有187名患者接受手术，到2019年的499名患者。在此期间，患病率增加了2.7倍[1]。对于因骨关节炎等各种退行性疾病而出现严重膝关节疼痛的患者，全膝关节置换手术（TKR）为他们提供了恢复无痛活动能力的机会，从而改善他们的生活质量。在过去的五年中，机器人全膝关节置换手术（rTKR）因其精确性和改善患者预后的潜力而变得越来越受欢迎。

然而，挑战依然存在。在机器人膝关节置换手术中，找到满足外科医生目标和患者解剖结构的最佳解决方案可能是一个复杂的过程，因为每个人的骨骼和韧带结构都是独一无二的。植入物的准确定位对于术后膝关节的生物力学功能、患者的舒适度和手术的成功至关重要。

目前，rTKR外科医生在手术中手动计划和调整股骨和胫骨植入物的定位。这可能是一个复杂的过程，因为它需要至少在8个运动轴/自由度上对两个植入物进行三维考虑。由于每个自由度都会影响其他自由度，因此为每位患者找到最理想的植入物位置可能具有挑战性。这可能需要外科医生考虑上千种可能性，并多次重复锯骨和松解软组织。目前，在手术室中，这项工作需要手动完成，耗时长达15分钟。在时间压力下，外科医生在确定实施方案之前，探索更多可能性的时间有限。因此，手动规划可能耗时较长，并可能影响手术结果。

新算法和方案的特点：

这种新颖的人工智能算法集成在切割机器人的软件界面中，经证实能够应对上述挑战，提高手术规划的精确度，缩短手术时间。它考虑了定位中至少8个自由度及其相互关系（即每个自由度如何影响其他自由度）。该算法计算了数千种排列组合，以确定理想的优化植入物规划定位，精度高达±0.5mm，用时不到0.1秒（点击链接：亚历山大医院的动画视频），最大限度地减少了手术期间手动调整所需的时间。

临床益处和未来前景：

该算法已被证明可显著提高TKR植入物计划的准确性，并节省手术时间，从而减少失血量和缩短麻醉时间。目前正在进行进一步的长期研究，以调查这项创新技术通过降低植入位置不理想、不必要的手术时间、失血量和感染率，从而改善患者预后和安全性。通过提高计划精度，还可以降低术后并发症的风险，如松动、磨损和不稳定，减少所需的翻修手术次数，并有助于提高长期植入物的功能和寿命，从而节省长期成本。

• 提高精确度：根据患者独特的解剖结构和外科医生的个人理念，实现植入物计划定位精度为±0.5mm。
• 计算效率：在0.1秒内（以前需要15分钟，包括重做骨锯切割和软组织释放），算法可解决数千个解决方案的超平面，并有效排列最佳解决方案。
• 缩短手术时间：最大限度地减少术中计划所需的时间，从而缩短手术总时间。
• 手术效率：使用该算法的手术比依赖人工计划的手术大约快48%[2]。
• 患者择期手术的等待时间可能缩短。

AH团队曾进行了一项研究，评估该算法的有效性，结果表明有望提高精确度并缩短手术时间。该研究项目在2024年新加坡骨科协会年度科学会议上获得了P Balasubramaniam奖，并在2024年国际人工关节置换技术学会（ISTA）科学大会上进行了展示。

一项涉及2021年11月至2023年12月期间接受rTKR手术的67名连续患者的预期研究证明了该算法的有效性。在这些患者中，25名在手术中使用了该算法，而42名没有使用：

• 提高精确度：使用该算法的rTKR患者中，92%的手术间隙在±1.5mm以内，而未使用该算法的手动手术组中，只有52%的手术间隙在±1.5mm以内。
• 输出一致性：手术效果不受患者年龄、性别、身高或膝关节退化程度等变量的影响。
• 更高的患者满意度：由于对齐效果更好且并发症更少，患者对膝关节置换术的满意度往往更高。

“我热衷于采用创新解决方案来提高患者治疗效果。“廖子强顾问医生说道。他补充道：“看到我的患者术后生活质量显著提高，我感到非常高兴和满足。通过持续研究来验证其长期影响，这种人工智能驱动的方法有可能为机器人辅助骨科手术树立新的标准，最终惠及全球的患者和外科医生。”

[1] 新加坡卫生部管理医疗成本增加（https://www.moh.gov.sg/newsroom/managing-healthcare-cost-increases)

[2] 从平均一小时以上缩短到40分钟以内。

消息来源：Alexandra Hospital (AH)