北京积水潭医院矫形骨科周一新教授团队提出的“臼杯矢状面角度的数学转换公式”,借助数学原理,明确了传统髋关节置换“安全区”不安全的深层原因,建立了患者特异性安全区算法及个性化手术规划方法。相关研究相继在《骨与关节外科杂志》(JBJS)和《临床骨科与研究》(CORR)杂志上发表,推动了机器人辅助手术规划理论的进步,为骨科手术揭开了量化分析与数学决策的新篇章。为深入了解这一系列研究,我们采访了周一新教授。
髋关节置换安全区真的安全吗
40多年前,Lewinnek教授提出了髋关节置换安全区概念,那之后把关节假体准确放置在安全区成为很多骨科医生的努力方向。如今,随着计算机辅助手术的发展,这个目标已经不难实现,但手术效果仍难以令人满意。此时,我们应该反思一下,我们设定的目标安全区真的安全吗?
——周一新
传统手术中,对于髋关节假体到底安装在什么位置,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。直到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)。他指出髋臼杯的安放位置有一个相对安全的范围:外展角40±10度,前倾角15±10度,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。
据周一新介绍,学界曾经认为人工手术误差导致假体不能放入Lewinneck安全区,是术后关节假体脱位的主要原因。近些年,随着计算机辅助手术的发展,骨科医生普遍具备了精确放置假体的能力,临床上将假体准确放入Lewinnek安全区的概率大幅提升。然而,越来越多的证据表明,这并不能避免术后关节脱位的发生。有文献报道,58%的脱位病例臼杯角度位于Lewinnek安全区内。
在临床实践中,周一新团队也对安全区是否真的安全提出了质疑。为了探寻其内在原因,团队建立了髋关节置换的数学模型,采用数学推理结合临床验证的模式,建立了臼杯矢状面功能角度计算新的方法学。在此基础上,团队进一步探讨,最终明确两个观点:1.没有一个经验值可以满足所有患者的需求,每个患者的臼杯矢状面功能角度目标值都应是个性化的;2.Lewinnek安全区只是一个二维的静止目标值,不能正确指导髋关节假体安置,难以同时满足髋关节重建在稳定性、活动度、髋关节合理载荷等方面的要求。
假体安全区需要个性化设计
髋关节重建手术后,患者不仅要借助新关节站立,还要能蹲、能坐、能运动。髋关节假体的安装位置要考虑骨骼负重等因素,也要兼顾周围软组织维持适度张力。众多影响因素使得每名患者都需要个性化的关节重建方案,这样才能最大限度地减少术后关节脱位以及各种不适。
——周一新
为解决髋关节重建手术目标值正确性的问题,周一新带领团队首先收集了患者术前站立位、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,建立了数学模型与算法,为患者寻找个性化的运动学安全区。最后,再以此指导机器人辅助手术为髋关节置换患者进行精准重建。
在解决髋臼手术目标值的同时,团队还有个意外的收获。团队发现,髋关节重建时如果股骨假体放置在10~20度区间以外,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。这个发现不但为股骨假体明确了放置安全范围,还有望改变传统髋关节重建手术的流程。
团队将这一论文发送给《临床骨科与研究》杂志编辑部后,编辑部第一时间接收了文章,将其定为2022年1月刊封面论文且以15页长文的形式发表。美国加州大学洛杉矶分校骨科研究中心Edward Ebramzadeh教授在述评中对此评价:文中报道的算法,让骨科医生能够依据患者特点,量化预测术后关节脱位风险,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。
复杂推演可以向数学工具借力
大多数骨科医生对于骨骼的受力分析等物理原理都很熟悉,但当我们需要动态分析众多因素,并在综合考量的基础上,为患者设计精准诊疗方案时,把这些问题数学化是更好的选择。
——周一新
提到团队创新的特色,周一新教授反复提到了数学,他表示“数学原理是建立骨科精准医学理论大厦的必由之路”。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。
团队主要成员唐浩医生,也是一名数学发烧友,他对医学与工程交叉融合有强烈兴趣,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。除了培养唐浩这样的医生,提升自己团队成员的数学应用能力,周一新还不断向外借脑。团队与天玑实验室赵永强团队、北京理工大学郭建桥团队等理工科团队建立了长期合作关系,上述研究都是他们共同取得的成果。
通过系列研究,北京积水潭医院矫形骨科将量化分析与数学决策引入关节外科,改变了人们对手术目标值的认识,也重构了手术流程。在临床治疗中,通过加入个性化手术目标值确立和髋关节脱位运动学成因分析环节,团队改进了治疗流程,并获得了良好的临床疗效。利用患者特异性安全区算法求解手术目标值,团队已开展机器人髋关节置换术400余例,到目前为止无一例脱位,极大改善了患者术后髋关节运动范围。
“从临床实践中发现一些有价值的问题,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,这是医学科研人员大有可为的地方。”周一新说。
文:健康报记者 郑颖璠 北京积水潭医院 靳晓方
编辑:于梦非 郑颖璠
校对:马杨
审核:徐秉楠 闫龑