一例人工智能三維規(guī)劃系統(tǒng)輔助全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)

宋平 吳東 劉星宇 孔祥朋 郭人文 陳繼營 柴偉 唐佩福

作者單位：1.解放軍醫(yī)學(xué)院，北京100853；2.中國人民解放軍總醫(yī)院第一醫(yī)學(xué)中心骨科，北京100853；3.清華大學(xué)生命科學(xué)院，北京100084；4.北京長木谷醫(yī)療科技有限公司，北京100080

隨著我國老齡化社會的到來，膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)病率逐年增加，全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)（total knee arthroplasty，TKA）已成為骨科手術(shù)中普及率最高的術(shù)式之一［1］，最大程度恢復(fù)膝關(guān)節(jié)功能，實現(xiàn)假體遺忘和長期使用是病人和關(guān)節(jié)外科醫(yī)生的共同追求。假體旋轉(zhuǎn)、尺寸匹配及下肢力線是術(shù)后關(guān)節(jié)舒適度和遠(yuǎn)期壽命的重要影響因素［2_5］。個體間解剖結(jié)構(gòu)及磨損情況存在固有差異，沒有統(tǒng)一的截骨角度，Andrews等［6］回顧性分析了788例連續(xù)TKA病例，股骨遠(yuǎn)端均固定外翻6°截骨，術(shù)后有14%的病人下肢力線不正（機(jī)械軸＞3°或＜-3°），而TKA手術(shù)截骨角度和厚度的偏差可能導(dǎo)致手術(shù)災(zāi)難性的結(jié)果，因此，為實現(xiàn)術(shù)后下肢良好對線，TKA術(shù)前有必要進(jìn)行個性化的規(guī)劃，幫助術(shù)者選取合適型號的假體并施行個性化手術(shù)［6_7］。

中國人民解放軍總醫(yī)院第一醫(yī)學(xué)中心骨科于2020年7月收治1例膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎病人，術(shù)前通過人工智能TKA手術(shù)三維規(guī)劃系統(tǒng)（AI KNEE，北京長木谷），精準(zhǔn)規(guī)劃假體大小、位置及角度，術(shù)中根據(jù)規(guī)劃順利完成手術(shù)，現(xiàn)報告如下。

臨床資料

病人，女，63歲，主因雙膝疼痛16年，左膝加重10年入院。專科查體：痛性跛行步態(tài)，左膝內(nèi)翻，局部可見因外用中藥引起的斑片狀色素沉著，范圍約10 cm×20 cm，軟組織不腫脹，局部皮溫不高。左膝關(guān)節(jié)內(nèi)、外側(cè)間隙有明顯壓痛，髕骨固定，活動度差，內(nèi)外側(cè)無移動，屈伸時僅有微動，浮髕試驗陰性，膝關(guān)節(jié)內(nèi)外翻試驗陰性，前后抽屜試驗陰性。左膝關(guān)節(jié)活動度為0°～90°。X線檢查示雙膝關(guān)節(jié)退行性改變，骨質(zhì)增生，關(guān)節(jié)間隙狹窄。

術(shù)前采集病人下肢全長X線和膝關(guān)節(jié)CT影像。下肢全長X線拍攝要求病人膝關(guān)節(jié)完全伸直位，雙足并攏，腳尖向前，雙側(cè)髕骨朝前（如有旋轉(zhuǎn)只需要髕骨朝前），圖像為JPEG或DICOM格式。膝關(guān)節(jié)CT拍攝要求病人膝關(guān)節(jié)完全伸直位，雙側(cè)髕骨朝前，層厚：1 mm，無間隙、無重疊，掃描范圍為雙側(cè)膝關(guān)節(jié)中心上下20 cm，橫向切片1∶1節(jié)距，使用螺旋（螺線）掃描，矩陣：512×512，KVP：120～140 kV，MA：200～250 Ma，圖像為DICOM格式。去除病人個人信息并簽署知情同意書后，數(shù)據(jù)導(dǎo)入AI KNEE系統(tǒng)，快速智能生成并自動分割病人膝關(guān)節(jié)三維骨性解剖結(jié)構(gòu)。軟件自動識別解剖結(jié)構(gòu)標(biāo)志并測量膝關(guān)節(jié)關(guān)鍵參數(shù)：下肢力線內(nèi)翻角為11.2°，股骨外翻角為6°，股骨外旋角為2.9°。使用ATTUNE_PS固定平臺假體（強(qiáng)生公司，美國），AI KNEE系統(tǒng)據(jù)此智能生成手術(shù)方案，股骨側(cè)為ATTUNE_PS假體4N號，脛骨側(cè)選用ATTUNE_FB假體3號。

術(shù)中使用常規(guī)膝關(guān)節(jié)工具輔助完成手術(shù)，截骨角度與厚度根據(jù)AI KNEE手術(shù)方案執(zhí)行（圖1），股骨遠(yuǎn)端外翻6°，截骨厚度9 mm；后髁外旋3°，截骨厚度8 mm；脛骨側(cè)后傾3°，截骨厚度9.5 mm（圖2）。手術(shù)僅用時45 min，所用假體型號、截骨角度與術(shù)前規(guī)劃完全一致，內(nèi)外側(cè)間隙及屈伸間隙平衡，髕骨軌跡及關(guān)節(jié)活動度良好，術(shù)后復(fù)查X線片示假體位置良好，下肢力線恢復(fù)至中立位（圖3）。

圖1 術(shù)中參考人工智能三維規(guī)劃

圖2 術(shù)前規(guī)劃界面

圖3 病人，女，63歲，主因雙膝疼痛16年，左膝加重10年入院 a：術(shù)前X線片示髖膝踝角為11.2°；b：術(shù)后X線片示髖膝踝角為0°，冠狀面股骨組件外翻角為6°，脛骨組件角為90°（理想值為90°）；c：脛骨組件后傾角為3°

討 論

現(xiàn)有膝關(guān)節(jié)術(shù)前規(guī)劃方式分為兩類，二維模板測量法和三維手工規(guī)劃法。二維模板測量法通過影像學(xué)測量下肢全長X線片或CT影像，獲取下肢力線及膝關(guān)節(jié)角度，為術(shù)者術(shù)中截骨提供假體大小、截骨角度等參考，但因X線攝片過程中存在放大率不準(zhǔn)確、投照角度不固定等不足，加之病人膝關(guān)節(jié)常存在屈曲攣縮畸形等情況，無法保證膝關(guān)節(jié)X線正位、側(cè)位片為標(biāo)準(zhǔn)的正側(cè)位X線片，常存在有扭轉(zhuǎn)、重疊等情況發(fā)生，導(dǎo)致X線片無法準(zhǔn)確反映病人膝關(guān)節(jié)的實際情況，測量結(jié)果的誤差較大，在假體型號預(yù)測方面的準(zhǔn)確性較低［8_9］。CT影像測量需要全程手工標(biāo)定，操作繁瑣，要求規(guī)劃者具有豐富的臨床經(jīng)驗，規(guī)劃可重復(fù)性低，尤其對于復(fù)雜膝關(guān)節(jié)疾病手術(shù)而言，可提供的參考作用較小，手術(shù)效果較依賴術(shù)者手術(shù)經(jīng)驗。近年來，為解決二維術(shù)前規(guī)劃軟件存在的問題，三維術(shù)前規(guī)劃軟件應(yīng)運而生，具有代表性的有Zed_Knee［10］（LEXI公司，日本）、Knee_Plan?［11］（Symbios公司，瑞典），然而這些軟件需手動對膝關(guān)節(jié)CT圖像進(jìn)行逐層分割，操作較二維術(shù)前規(guī)劃軟件更加復(fù)雜，且關(guān)鍵的解剖標(biāo)志點以及膝關(guān)節(jié)機(jī)械力線的標(biāo)注均由手工完成，對規(guī)劃者要求較高，具有一定的學(xué)習(xí)曲線［10］，難以有效滿足臨床需要。由于我國膝關(guān)節(jié)手術(shù)的平均術(shù)前住院天數(shù)僅為6 d［12］，加之此類型軟件均為國外研發(fā)，在國內(nèi)無準(zhǔn)入許可，價格昂貴，采購困難，也無法得到大范圍推廣。

本次手術(shù)首次使用基于人工智能的TKA手術(shù)三維規(guī)劃系統(tǒng)進(jìn)行術(shù)前規(guī)劃，該系統(tǒng)可根據(jù)病人術(shù)前CT圖像，運用像素級分割網(wǎng)絡(luò)，基于循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的邊緣平滑技術(shù)對骨骼骨塊進(jìn)行精準(zhǔn)分割。采用力學(xué)運動模擬技術(shù)以及包含注意力機(jī)制的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，精確地對骨骼關(guān)鍵解剖點位進(jìn)行識別，識別精度接近毫米級且具有較高的魯棒性（robustness）。在假體放置方面，該系統(tǒng)將監(jiān)督學(xué)習(xí)和基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的無監(jiān)督學(xué)習(xí)相結(jié)合，依據(jù)假體設(shè)計理念及病人股骨、脛骨的解剖結(jié)構(gòu)特點，準(zhǔn)確、快速、個性化地放置膝關(guān)節(jié)假體，計算最適角度，個性化制定病人三維術(shù)前規(guī)劃，以最大限度恢復(fù)病人股骨旋轉(zhuǎn)及下肢力線，提高病人術(shù)后滿意度。

在本病例中，術(shù)前規(guī)劃的假體大小、角度和位置均與術(shù)中實際應(yīng)用完全一致，與傳統(tǒng)三維術(shù)前規(guī)劃相比，該系統(tǒng)的優(yōu)勢體現(xiàn)在術(shù)前規(guī)劃由人工智能在3 min內(nèi)自動生成，隨著病例規(guī)劃-反饋-學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)積累過程以及算法的不斷改進(jìn)，可以持續(xù)進(jìn)行自我完善，不受限于操作者的專業(yè)水平，快速、準(zhǔn)確地給出人工智能解決方案。針對一些股骨嚴(yán)重畸形或殘留內(nèi)固定等影響髓內(nèi)導(dǎo)向器使用的病例，在術(shù)前規(guī)劃方案的基礎(chǔ)上可以進(jìn)一步設(shè)計病人特異性截骨導(dǎo)航器械，或借助骨科機(jī)器人，精準(zhǔn)輔助完成TKA手術(shù)［13］。