髖關節(jié)置換數(shù)字模型讓假體植入更加準確

目前，北京積水潭醫(yī)院矯形骨科主任周一新教授團隊提出的“臼杯矢狀面角度的數(shù)學轉換公式”填補了國際空白，該新算法可以根據(jù)患者站立、坐位乃至蹲位等不同姿態(tài)下骨盆傾斜角的變化、關節(jié)活動度等綜合因素，為每位患者計算出一個功能最優(yōu)且最安全的目標值，形成個性化的“患者特異性假體安全區(qū)”，更精準地指導機器人輔助全髖關節(jié)置換手術。這種算法從數(shù)學原理上揭示了統(tǒng)治髖關節(jié)重建領域50多年的傳統(tǒng)安全區(qū)（即Lewinnek安全區(qū)）不能成立的原因，并建立了患者特異性安全區(qū)算法。相關研究成果發(fā)表在國際骨科權威雜志《骨與關節(jié)外科雜志》和《臨床骨科和相關研究》上。

傳統(tǒng)安全區(qū)存在哪些問題？患者特異性安全區(qū)算法有哪些優(yōu)勢？研究團隊如何取得這一理論突破？研究團隊的核心成員，為我們揭開謎底。

傳統(tǒng)放置假體的安全區(qū)或許不安全

人工關節(jié)假體應該安裝在身體的哪個位置？

“過去，醫(yī)生們對于人工關節(jié)假體安裝位置，通常只知道一個相對模糊的范圍，缺乏精確的目標信息?！敝芤恍聢F隊研究成員之一、北京積水潭醫(yī)院矯形骨科主治醫(yī)師唐浩表示。

20世紀70年代末，Lewinnek教授提出了髖關節(jié)置換領域的重要概念“安全區(qū)”。他指出，髖臼杯的安置位置有一個相對安全的范圍：外展角40°±10°，前傾角15°±10°。這一安全范圍被稱為Lewinnek安全區(qū)。自此，這一概念長期統(tǒng)治人工關節(jié)置換領域。

然而在實際操作中，讓人工髖關節(jié)實現(xiàn)術后走、跑、蹲等運動功能的同時又避免假體脫位，并非易事，術后關節(jié)脫位時有發(fā)生。起初學術界認為，這主要是由于人工手術誤差大造成的。隨著計算機輔助手術的發(fā)展，骨科醫(yī)生獲得了精確放置假體位置的能力，提高了將假體放Lewinnek安全區(qū)的概率。

“然而，此后越來越多的證據(jù)表明，術后關節(jié)脫位依然無法避免。”唐浩解釋道，一般來說，術后關節(jié)脫臼的概率在1%—10%。有文獻稱，58%的脫臼病例臼杯角度位于Lewinnek安全區(qū)內。

因此，Lewinnek安全區(qū)受到了質疑，它并不能有效防止術后關節(jié)脫位，也不能確?；颊咝g后的關節(jié)活動度等。

唐浩說：“基于Lewinnek安全區(qū)的原始模型是靜態(tài)的，沒有考慮到人的骨盆是動態(tài)的。但最近的研究發(fā)現(xiàn)，骨盆在實現(xiàn)不同功能時的空間位置變化很大，且人與人之間的差異也非常大，繼續(xù)用靜態(tài)方法來確定關節(jié)置換的手術目標，就好比‘刻舟求劍?！?/p>

為患者量身打造特異性假體安全區(qū)

“一些我們早已習慣的傳統(tǒng)理論或方法，也許從根上就存在瑕疵，如果這些理論與方法是錯誤的，我們又該怎么辦？”周一新和團隊成員決定揭開這個謎底。

近年來，有研究發(fā)現(xiàn)，脊柱骨盆姿態(tài)是全髖關節(jié)置換術后是否脫臼的重要影響因素，有學者報道了假體在矢狀面上的功能角度是影響其穩(wěn)定性的關鍵。

于是，周一新研究團隊建立了髖關節(jié)置換的數(shù)學模型。該模型可以作為定量工具來確定全髖關節(jié)置換術中患者特異性的安全區(qū)，填補了國際上臼杯矢狀面功能角度計算的方法學空白。

他們發(fā)現(xiàn)，沒有一個固定的經(jīng)驗值可以滿足所有患者的需求，每個患者對應的目標值都是個性化的。此外，他們從數(shù)學和運動學上證明了Lewinnek安全區(qū)只是一個二維的靜止目標值，并不能正確指導髖關節(jié)假體安置，以及同時滿足髖關節(jié)重建在穩(wěn)定性與活動度、髖關節(jié)合理載荷等方面的要求。

這套算法可以根據(jù)患者站立、坐位乃至蹲位等不同姿態(tài)下骨盆傾斜角的變化、關節(jié)活動度等綜合因素，為每位患者計算出一個功能最優(yōu)且最安全的目標值，形成個性化的“患者特異性假體安全區(qū)”，更精準地指導機器人輔助全髖關節(jié)置換手術。

唐浩介紹，這一發(fā)現(xiàn)不但為假體規(guī)定了安全范圍，且提示了有充分理由改變傳統(tǒng)髖關節(jié)重建的手術過程。

唐浩表示，采用新的理論方法，他們已經(jīng)為400多位患者實施了機器人輔助髖關節(jié)手術，截至目前，沒有一例發(fā)生術后脫臼。

唐浩介紹，研究團隊還根據(jù)此方法對多例置換術后關節(jié)脫位患者進行了精準分析指導下的翻修手術，極大地降低了手術難度，提高了療效。

讓數(shù)學在臨床醫(yī)學中迸發(fā)能量

美國加州大學洛杉磯分校骨科研究中心愛德華·埃布拉姆扎德教授對此項研究工作評價道，這一新的算法可依據(jù)病的特點，量化預測術后脫臼風險并制訂更合理的術前計劃，為引導或機器人輔助手術提供關鍵手術目標，使假體植入不僅精確而且正確，具有重大意義。

唐浩介紹，團隊提出的“患者特異性假體安全區(qū)”，突破了傳統(tǒng)理論的局限，建立了新型個性化手術規(guī)劃方法。

“數(shù)學原理是建立骨科精準醫(yī)學理論大廈的必由之路?！碧坪普f。

一直以來，臨床醫(yī)學與生物、化學等學科有著更緊密的聯(lián)系，至于數(shù)學則似乎要疏遠一些。如何從臨床實踐中發(fā)現(xiàn)有價值的問題，同時將這些問題數(shù)學化，最后將數(shù)學化的推論結果回歸到臨床實踐，一直是周一新團隊研究的主要方向之一。

“骨科相較于其他臨床科室，有更多與力學、統(tǒng)計學、數(shù)理模擬等方面打交道的機會，這讓我們在探索數(shù)學與臨床結合方面有了更多可能?！碧坪普f。

周一新表示：“作為醫(yī)生，我們循規(guī)蹈矩，遵從診療原則與常規(guī)，但一旦有了科學與臨床證據(jù)的支持時，我們又是革命者，堅決否定與放棄落后的觀點與技術，哪怕它們曾經(jīng)是那樣的神圣不可冒犯?！彼J為，醫(yī)學可能是最后一個被數(shù)學加持的領域。

這場晚到的結合，未來所迸發(fā)出的能量將是巨大的?！皵?shù)學能夠應用于更多創(chuàng)新性的研究，除了髖關節(jié)置換，在膝關節(jié)置換以及治療脊柱側彎、X型腿和O型腿矯正方面都有著很好的應用前景?！碧坪普f。