精准关节手术:量体裁衣 指哪打哪

2024-04-27 18:45:36 来源:网络

说起骨科手术,许多人首先会想到,骨折后需要通过手术来固定骨头,比如使用石膏、钢钉、钢板等;对于老年人或者关节疾病患者,关节置换手术可以显著改善关节功能,减轻疼痛;对于运动员或者热爱运动的人来说,韧带重建手术可以帮助他们治疗运动损伤,重新回到运动场上;对于腰椎间盘突出、颈椎病等脊柱疾病患者,脊柱手术可以解除神经压迫,帮助他们恢复正常生活……

目前,骨科可以大致细分为:关节外科、创伤骨科、脊柱外科、运动医学、骨肿瘤等不同专科。大部分骨科手术要使用钢板螺钉,但由于它们仅起到临时固定作用,可以在术后一定时间内取出;而关节置换手术中所安装的人工关节则需要永久跟随患者,为患者服务终生。这对医生的手术技术和人工关节的质量都要求极高。为了使人工关节这一新“器官”正常工作,医生又需要做好哪些工作?

建成国人关节数据库

选择关节的过程看似简单,但却存在很多技术难点。俗话说,鞋子合不合脚,只有穿的人才知道。

髋关节发育不良和老年膝骨关节炎是我国人群好发疾病,以往,我国所使用的人工关节主要靠进口,多根据欧美人群的关节形态设计。而设计一款适合中国人群的人工关节,需要收集大量的国人骨骼解剖数据,然后进行分析设计,这并非一日之功。过去,由于缺乏中国人的骨骼数据库,科研人员无法针对国人骨骼特点进行相应医疗设备的研发。

针对这一情况,特别是数据体量小、解剖不匹配、形态地域和种族覆盖性差等问题,中国人民解放军总医院骨科医学部关节外科团队经过10余年采集研发,建成国人关节数据库和关节疾病真实世界数据平台,包括4个专病数据库、162个数据模块和9110例髋膝关节病例(临床信息库、影像数据库及标本库),牵头制定国内首个髋关节发育不良疾病数据集团队标准,揭示该类患者假体磨损快、关节寿命短的特有力学机制,据此提出了关节置换的镜像重建理念,并设计了相应的配套器材。

得益于国人关节平台数据库的扩容,智能化骨科内植物高效研发与应用有了共性理论与关键技术支撑。其中,国人适配的新型髋关节假体成果,让过去不敢换或无关节可用的关节重度畸形患者大为获益,不仅恢复了正常生活,更避免了多次翻修手术的痛苦。

人工智能的手术规划

假体位置是影响假体寿命和关节功能的决定性因素。初次髋关节置换术中骨折发生率为1.1%,下肢不等长发生率为50%~80%,髋关节脱位发生率为3.2%~6.5%,这都与术前规划不充分相关。

欧美国家多使用二维术前规划软件,虽然在一定程度上提高了手术的准确度,但由于二维影像无法完整反映三维信息,要求规划者具有丰富的临床经验,规划可重复性低,尤其对复杂关节疾病手术而言,其可提供的参考作用较小。为解决二维术前规划软件存在的问题,三维术前规划软件应运而生。但这些软件均需手动对关节CT图像进行逐层分割,单名患者要耗时近1小时,难以大范围应用于临床。

随着人工智能技术的逐渐成熟,人工智能与医疗的结合逐渐成为业界关注的热点。主要包括:医疗影像智能识别、辅助诊疗、癌症诊断、医疗机器人、个人健康大数据、药物靶点寻找的智能分析等。

基于前期建立的真实世界数据平台病例库,我们将人工智能成功应用到关节置换手术中——只需要上传患者CT数据,便可以在几分钟内智能生成关节置换的手术方案。

这是怎么做到的?首先,我们与国内知名团队合作,通过特有神经网络实现了骨盆、股骨等复杂解剖结构的精确识别、智能分割和三维重建;然后,将团队多年完成的各类关节置换手术进行机器学习,归纳总结了国内数10位专家的手术经验,实现了假体选型和位置的智能匹配;最后,基于以上经验总结和技术突破,合作开发关节置换手术规划系统,牵头完成多项多中心临床注册试验。目前,关节置换手术方案平均规划时间从60分钟缩短至4分钟,规划准确率由73.3%提高到96.7%,有效解决了二维规划不准确、三维规划效率低的临床难题。

手术机器人精准执行

有了合适的人工关节和智能手术方案,如何精准执行是摆在关节外科医生面前的又一道难关。前文所述,关节置换手术不同于其他骨科手术,对假体的位置和角度要求极高。人工关节在植入体内后,在数10年的磨损过程中,哪怕1°或者1mm的偏差,都会对人工关节的使用寿命造成明显影响。

手术机器人的出现为破解上述问题提供了思路。手术机器人在骨科领域的应用最早可追溯到20世纪80年代,用于辅助髋关节置换。近年来,随着机器人技术和导航技术的发展,骨科手术机器人的大众接受度越来越高,应用也已覆盖三大类骨科手术:关节置换、创伤以及脊柱微创。

我们曾在南方医科大学深圳医院进行过一场手术,在智能骨科手术机器人的协助下,分别帮助83岁患者完成左侧全膝关节置换术、72岁患者完成左侧全髋关节置换术。整个过程十分顺畅,机器人的辅助也很符合手术习惯。在进行膝关节手术时,我们用高精度压力传感器衬垫来辅助手术操作,实现了手术的精准平衡以及精确截骨,术后获得了非常平衡的屈伸间隙以及稳定的膝关节。针对髋关节病人重度发育不良且个子不高的问题,手术机器人自带的规划系统,帮我们在术前制定了良好的手术计划,并且在手术台上就可以模拟病人深蹲、屈膝。更让我们惊喜的是,术后第二天,患者就可以正常下地活动了。

可见,与传统手术相比,机器人辅助手术可以有效提高精准度,且对软组织损伤少、后期并发症少。特别是对于髋关节发育不良和融合髋等复杂病例,临床中发现,采用“虚拟臼外精确配准”方法和“先注册后截骨”机器人手术策略后,术中辐射剂量会降低78.2%,精准性可达94.3%。

骨科治疗领域的创新技术和趋势不断涌现,这些技术正在改善患者的治疗效果,减轻痛苦,并提高康复速度。随着科学技术的不断发展,我们期待有更多创新的方法用于处理骨科问题,以更好的医疗服务改善患者生活质量。

(作者:孔祥朋、柴伟,分别系中国人民解放军总医院骨科医学部关节外科主治医师、主任)

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