數(shù)字骨科技術(shù)在膝關(guān)節(jié)單髁置換術(shù)中的應(yīng)用進(jìn)展

管士坤，丁堃，劉寧

(哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院骨三科，黑龍江 哈爾濱 150001)

膝關(guān)節(jié)單髁置換術(shù)(unicompartmental knee arthroplasty，UKA)誕生于20世紀(jì)70年代，在半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展中不斷更新優(yōu)化，已在全世界范圍廣泛開(kāi)展。近幾年國(guó)內(nèi)UKA的手術(shù)量也呈現(xiàn)出高速增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。以牛津單髁為例，在國(guó)內(nèi)以每年40%～50%的平均復(fù)合增長(zhǎng)率連續(xù)數(shù)年快速增長(zhǎng)。但UKA也存在著一定的學(xué)習(xí)曲線(xiàn)，文獻(xiàn)中也指出其翻修率仍然較高，對(duì)初學(xué)者來(lái)說(shuō)存在著一定的失敗率[1]。因此，如何提高單髁手術(shù)的成功率與假體生存率一直是研究的熱點(diǎn)。

數(shù)字骨科結(jié)合了骨科臨床與計(jì)算機(jī)數(shù)字技術(shù)，其涉及到解剖學(xué)、材料學(xué)、工程學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)及生物力學(xué)等，是一門(mén)新興的交叉學(xué)科[2]。目前應(yīng)用于UKA中的數(shù)字技術(shù)主要包括計(jì)算機(jī)輔助、人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)、有限元分析及依賴(lài)于3D打印的個(gè)性化定制假體等技術(shù)。合理的應(yīng)用數(shù)字技術(shù)將有助于提高UKA假體置入的精準(zhǔn)性及可重復(fù)性，提高假體存活率、并改善長(zhǎng)期預(yù)后。本文從數(shù)字骨科技術(shù)為切入點(diǎn)，綜述其在膝關(guān)節(jié)單髁置換術(shù)中的應(yīng)用。

1 術(shù)中計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)

目前在UKA領(lǐng)域應(yīng)用的計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)包括計(jì)算機(jī)術(shù)中導(dǎo)航與手術(shù)機(jī)器人，其目標(biāo)均為提高UKA手術(shù)的精準(zhǔn)性及可重復(fù)性。

計(jì)算機(jī)導(dǎo)航技術(shù)始于20世紀(jì)80年代，在2000年即有運(yùn)用于UKA中的報(bào)道[3]。使用計(jì)算機(jī)導(dǎo)航技術(shù)輔助UKA可以提高手術(shù)精準(zhǔn)度、減小力線(xiàn)偏差及維持軟組織平衡[4]。Keene等[5]在研究中對(duì)雙側(cè)UKA患者一側(cè)使用計(jì)算機(jī)導(dǎo)航，另一側(cè)使用傳統(tǒng)術(shù)式進(jìn)行對(duì)照研究，結(jié)果示導(dǎo)航側(cè)的準(zhǔn)確率更高，下肢力線(xiàn)對(duì)齊更佳。Manzotti等[6]及Ma等[7]的研究同樣示導(dǎo)航UKA提高了脛骨側(cè)、股骨側(cè)假體植入及下肢力線(xiàn)對(duì)齊的準(zhǔn)確性。Weber等[8]進(jìn)行的Meta分析示導(dǎo)航UKA明顯提高了假體植入的精確度。此外，導(dǎo)航可以為經(jīng)驗(yàn)不足的術(shù)者在截骨、軟組織松解和假體定位等方面提供參考，有助于其提高手術(shù)技術(shù)。但一部分研究認(rèn)為導(dǎo)航技術(shù)的優(yōu)勢(shì)不明顯。首先，導(dǎo)航手術(shù)的手術(shù)時(shí)間較傳統(tǒng)手術(shù)更長(zhǎng)[8]，而Valenzuela等[9]的研究認(rèn)為計(jì)算機(jī)導(dǎo)航技術(shù)并沒(méi)有顯著提高UKA中的假體及力線(xiàn)對(duì)齊，同時(shí)Manzotti等[6]及Ma等[7]的研究也顯示導(dǎo)航技術(shù)帶來(lái)的準(zhǔn)確度提升并未使為膝關(guān)節(jié)功能得到改善。在長(zhǎng)期結(jié)局方面，Konyves等[10]進(jìn)行的長(zhǎng)達(dá)9年的隨訪(fǎng)研究顯示計(jì)算機(jī)導(dǎo)航UKA的生存率與臨床結(jié)局對(duì)比傳統(tǒng)手術(shù)無(wú)明顯差別?？紤]到目前的研究存在樣本量少、技術(shù)異質(zhì)性大等局限性，導(dǎo)航技術(shù)的長(zhǎng)期結(jié)局仍有待進(jìn)一步研究。

近年來(lái)，手術(shù)機(jī)器人發(fā)展迅速，目前，用于UKA中的手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)主要有Mako(Stryker，美國(guó))及Navio(Blue Belt，美國(guó))，其中Mako在UKA中使用最廣泛。其依照術(shù)前CT進(jìn)行規(guī)劃并執(zhí)行，術(shù)中機(jī)械臂將會(huì)給予術(shù)者觸覺(jué)反饋并阻止其過(guò)度截骨。Navio作為開(kāi)放平臺(tái)的特點(diǎn)是可適配多種型號(hào)假體，且無(wú)需術(shù)前CT。研究顯示二者短期治療效果相當(dāng)[11]，但Navio的手術(shù)時(shí)間較長(zhǎng)，這可能與其注冊(cè)步驟更為復(fù)雜有關(guān)[12]。在軟組織張力方面，二者均可以于術(shù)中獲取張力數(shù)據(jù)并對(duì)假體位置進(jìn)行微調(diào)以獲得更佳的軟組織平衡及力線(xiàn)。在治療效果方面，機(jī)器人輔助UKA在早期表現(xiàn)更好，Blyth等[13]研究顯示機(jī)器人組在術(shù)后8周內(nèi)的疼痛程度相對(duì)更低。Kayani等[14-15]研究顯示Mako輔助UKA的疼痛更輕、功能恢復(fù)更好、出院更早。但機(jī)器人UKA同樣存在手術(shù)時(shí)間較傳統(tǒng)手術(shù)時(shí)間更長(zhǎng)的問(wèn)題[14]。在精準(zhǔn)度方面，Negrín等[16]及MacCallum等[17]報(bào)道，機(jī)器人組的股骨側(cè)、脛骨側(cè)假體的植入位置更加準(zhǔn)確，力線(xiàn)偏差更小。Bell等[18]使用Mako進(jìn)行的手術(shù)脛骨側(cè)假體植入角度提升約3.2°。Negrín等[19]使用Navio進(jìn)行的手術(shù)的影像學(xué)準(zhǔn)確率為87%，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)手術(shù)組的28%。在中期結(jié)局方面，機(jī)器人UKA有明顯優(yōu)勢(shì)，Dretakis等[20]對(duì)其使用Mako進(jìn)行的手術(shù)隨訪(fǎng)3年，其假體生存率為100%。Batailler等[21]對(duì)其使用Navio平臺(tái)進(jìn)行的手術(shù)隨訪(fǎng)4年，其翻修率(5%)低于傳統(tǒng)手術(shù)組(9%)，且植入位置更精準(zhǔn)，力線(xiàn)偏差更小。在長(zhǎng)期結(jié)局方面，由于手術(shù)機(jī)器人在該領(lǐng)域應(yīng)用的時(shí)間較短，目前仍有待進(jìn)一步研究?？傮w來(lái)說(shuō)，手術(shù)機(jī)器人能夠有效提升UKA假體植入及力線(xiàn)對(duì)齊的準(zhǔn)確性，并有助于降低翻修率、提升治療效果。

2 術(shù)前人工智能規(guī)劃

人工智能(artificial intelligence，AI)概念最先由約翰·麥卡錫(John McCarthy)于1956年首先提出。機(jī)器學(xué)習(xí)是AI的一個(gè)分支，其可自我學(xué)習(xí)并自動(dòng)改進(jìn)，而基于此的計(jì)算機(jī)圖像識(shí)別將協(xié)助術(shù)者進(jìn)行UKA術(shù)前規(guī)劃、膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎診斷以獲得良好的治療效果。

在術(shù)前規(guī)劃方面，我國(guó)科技企業(yè)開(kāi)發(fā)的UKA術(shù)前規(guī)劃系統(tǒng)現(xiàn)已投入使用，其利用術(shù)前CT快速建立膝關(guān)節(jié)三維模型，并智能計(jì)算出股骨機(jī)械軸、股骨解剖軸及脛骨機(jī)械軸間夾角等解剖參數(shù)，并以此規(guī)劃出假體型號(hào)、截骨量、截骨及假體角度。術(shù)者可以參照該系統(tǒng)提供的意見(jiàn)進(jìn)行手術(shù)，節(jié)省術(shù)中匹配假體耗時(shí)，提高手術(shù)效率，其優(yōu)勢(shì)在于無(wú)需額外耗材，成本較低。筆者所在科室自2021年起應(yīng)用該系統(tǒng)進(jìn)行UKA術(shù)前規(guī)劃并行數(shù)例手術(shù)，治療效果良好。

在膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎的診斷上，Tiulpin等[22]開(kāi)發(fā)的AI模型可以對(duì)患者進(jìn)行自動(dòng)Kellgren-Lawrence分級(jí)，其準(zhǔn)確程度與有經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)生相當(dāng)。Norman等[23]使用DenseNet神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)開(kāi)發(fā)了一個(gè)自動(dòng)的Kellgren-Lawrence分級(jí)模型。該模型的靈敏度和特異性分別為69%～86%和84%～99%。性能上與Tiulpin等[22]開(kāi)發(fā)的模型相近。運(yùn)用該類(lèi)模型可有效提高膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎的診斷效率，有助于更好地控制手術(shù)適應(yīng)證，提升診療效果。

3 術(shù)前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

目前增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(augmented reality，AR)、虛擬現(xiàn)實(shí)(virtual reality，VR)及混合現(xiàn)實(shí)(mixed reality，MR)技術(shù)已初步應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。研究顯示AR技術(shù)可增強(qiáng)術(shù)者的信息獲取能力，提高手術(shù)效率及準(zhǔn)確性[24]。而VR技術(shù)則更多應(yīng)用于醫(yī)學(xué)培訓(xùn)領(lǐng)域，利用其進(jìn)行虛擬手術(shù)[25]將有助于解決開(kāi)展手術(shù)教學(xué)相關(guān)的安全及倫理道德問(wèn)題，并提高學(xué)習(xí)效果。一項(xiàng)與UKA培訓(xùn)有關(guān)的對(duì)照研究顯示，相較傳統(tǒng)教學(xué)VR教學(xué)的滿(mǎn)意度更高，培訓(xùn)效果相當(dāng)[26]。另一項(xiàng)研究顯示使用VR進(jìn)行Mako輔助UKA培訓(xùn)能夠增強(qiáng)學(xué)習(xí)及記憶效果[27]。MR技術(shù)則是由AR及VR發(fā)展而來(lái)，其結(jié)合了現(xiàn)實(shí)世界和虛擬世界，能夠在不脫離現(xiàn)實(shí)世界的情況下與全息圖像進(jìn)行交互。其可提供術(shù)區(qū)骨骼、周?chē)窠?jīng)和血管組織的虛擬3D圖像，使術(shù)者能夠更加直觀(guān)的了解術(shù)區(qū)狀況。

應(yīng)用該類(lèi)技術(shù)可以在術(shù)前對(duì)術(shù)中操作要點(diǎn)、假體植入位置等進(jìn)行詳細(xì)規(guī)劃，并在術(shù)中起到實(shí)時(shí)參考作用，有助于提高手術(shù)成功率、改善治療效果。同時(shí)虛擬手術(shù)在醫(yī)療培訓(xùn)領(lǐng)域可起到重要作用。但總體來(lái)說(shuō)，目前該類(lèi)技術(shù)的應(yīng)用范圍及價(jià)值有限，仍需進(jìn)一步研究并拓展其應(yīng)用范圍。

4 “數(shù)字孿生”及有限元分析

“數(shù)字孿生”是一個(gè)超越現(xiàn)實(shí)的概念，其利用數(shù)字模型、傳感器數(shù)據(jù)等相關(guān)信息，集成多學(xué)科進(jìn)行多尺度、多方式的仿真過(guò)程。最終在虛擬空間中建立物理實(shí)體的全方位數(shù)字模型并加以利用。在骨科領(lǐng)域，建立膝關(guān)節(jié)的“數(shù)字孿生”，模擬假體安放并進(jìn)行有限元分析(finite element analysis，F(xiàn)EA)將有助于分析假體及周?chē)堑膽?yīng)力狀況[28]，為相關(guān)生物力學(xué)分析提供幫助。在UKA領(lǐng)域，Kang等[29]通過(guò)FEA研究發(fā)現(xiàn)脛骨內(nèi)翻、股骨外翻會(huì)加大雙側(cè)副韌帶應(yīng)力，進(jìn)而加重假體墊片磨損而導(dǎo)致翻修。同時(shí)，其研究顯示假體關(guān)節(jié)線(xiàn)的升高或降低均會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力增加，且關(guān)節(jié)線(xiàn)升高時(shí)更明顯。因此恢復(fù)關(guān)節(jié)線(xiàn)、尤其應(yīng)避免關(guān)節(jié)線(xiàn)升高對(duì)改善預(yù)后及假體存活率起關(guān)鍵作用[30]。Dai等[31]則建議脛骨假體應(yīng)輕度內(nèi)翻，以降低內(nèi)側(cè)應(yīng)力，提高存活率。Kwon等[32]研究顯示，對(duì)前交叉韌帶或內(nèi)側(cè)副韌帶缺損的患者行內(nèi)側(cè)UKA往往預(yù)后不良。Kwon等[33]對(duì)UKA中的固定平臺(tái)及活動(dòng)平臺(tái)假體進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果示固定平臺(tái)假體繼發(fā)外側(cè)間室骨關(guān)節(jié)炎的可能性更大，其結(jié)果與尸體實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符，證明了其準(zhǔn)確性。FEA可為術(shù)前規(guī)劃、手術(shù)操作及、適應(yīng)證及術(shù)后評(píng)價(jià)等方面提供理論依據(jù)，并可對(duì)假體設(shè)計(jì)與植入角度等進(jìn)行理論驗(yàn)證，有著良好的應(yīng)用前景。

5 個(gè)性化UKA技術(shù)

個(gè)性化UKA是一種新的手術(shù)理念，其目標(biāo)為盡可能恢復(fù)患者的正常解剖結(jié)構(gòu)和關(guān)節(jié)形態(tài)。其主要包括個(gè)性化截骨導(dǎo)板(personal specific instrumentation，PSI)及個(gè)性化假體技術(shù)，其中PSI為針對(duì)患者解剖特點(diǎn)設(shè)計(jì)的個(gè)性化手術(shù)器械，其通常需使用影像資料進(jìn)行設(shè)計(jì)并進(jìn)行3D打印。對(duì)比傳統(tǒng)手術(shù)，其優(yōu)勢(shì)在于可以于術(shù)前規(guī)劃假體型號(hào)，節(jié)省術(shù)中匹配假體所需時(shí)間、節(jié)約部分器械成本、提高經(jīng)驗(yàn)不足術(shù)者的手術(shù)成功率[34]并降低UKA的開(kāi)展難度[35]。Jaffry等[36]進(jìn)行的對(duì)照研究顯示，使用PSI進(jìn)行的UKA術(shù)式在假體安放位置及角度上較傳統(tǒng)手術(shù)更精準(zhǔn)，與使用機(jī)器人輔助的效果接近，并且用時(shí)更短。但部分研究對(duì)PSI的效果提出了質(zhì)疑。如Ollivier等[37]研究稱(chēng)PSI輔助UKA在功能學(xué)方面沒(méi)有明顯改善，并且其額外花費(fèi)較高，住院時(shí)間更長(zhǎng)。同時(shí)受影像學(xué)技術(shù)限制，PSI對(duì)軟骨組織適配不佳，易導(dǎo)致其精準(zhǔn)度降低。因此，大規(guī)模推廣PSI的價(jià)值仍有待進(jìn)一步研究。

個(gè)性化假體對(duì)部分年輕、活動(dòng)量大或不適用普通假體的患者可能是更好的選擇。Demange等[38]為期3年的對(duì)照研究顯示個(gè)性化假體能夠明顯改善假體覆蓋率及生存率。Kang等[39]通過(guò)FEA研究發(fā)現(xiàn)個(gè)性化假體能夠有效減少繼發(fā)外側(cè)間室骨關(guān)節(jié)炎的可能性，其生物力學(xué)方面更接近于正常膝關(guān)節(jié)。此外，Carpenter等[40]研究發(fā)現(xiàn)個(gè)性化假體可以明顯減少假體覆蓋不足或過(guò)度覆蓋現(xiàn)象的發(fā)生率。使用個(gè)性化UKA假體能夠更好地恢復(fù)膝關(guān)節(jié)正常解剖結(jié)構(gòu)、關(guān)節(jié)線(xiàn)位置并獲得更好的運(yùn)動(dòng)功能。但目前受成本限制而無(wú)法大規(guī)模推廣。

6 局限與展望

數(shù)字骨科技術(shù)為UKA手術(shù)帶來(lái)了更多元化的發(fā)展，但仍存在著一定的局限性。首先，部分新技術(shù)的使用成本較傳統(tǒng)手術(shù)偏高，這制約了其在欠發(fā)達(dá)地區(qū)的推廣應(yīng)用。同時(shí)，額外的影像輻照導(dǎo)致患者受到的輻射量增加。另一方面，導(dǎo)航與手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)品牌眾多且多為封閉平臺(tái)，缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，相互間兼容性不高，需要未來(lái)推進(jìn)開(kāi)放式平臺(tái)的服務(wù)。目前，AI相關(guān)結(jié)果無(wú)法進(jìn)行逆向驗(yàn)證，其準(zhǔn)確性及可靠性尚未明確，存在一定風(fēng)險(xiǎn)。而VR技術(shù)依賴(lài)于計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)，受其限制，擬真程度偏低，目前實(shí)際應(yīng)用僅處在起步階段。最后，新興技術(shù)在宣傳階段往往會(huì)產(chǎn)生夸大現(xiàn)象，因此切勿理論脫離實(shí)際，仍應(yīng)保持謹(jǐn)慎的態(tài)度。

展望未來(lái)，UKA的方向是微創(chuàng)化、精準(zhǔn)化、個(gè)性化。使用機(jī)器人植入定制化假體有望實(shí)現(xiàn)真正的精準(zhǔn)UKA，而隨著我國(guó)國(guó)產(chǎn)機(jī)器人的開(kāi)發(fā)上市以及3D打印技術(shù)的推廣，未來(lái)機(jī)器人及定制化假體的使用成本有望大幅度降低。而AI術(shù)前規(guī)劃與手術(shù)機(jī)器人的結(jié)合也將會(huì)極大的提高手術(shù)開(kāi)展的效率及可重復(fù)性，同時(shí)，MR技術(shù)與5G的有機(jī)結(jié)合，將會(huì)使遠(yuǎn)程會(huì)診的呈現(xiàn)形式由二維圖像轉(zhuǎn)化為三維模型，結(jié)合機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，有望實(shí)現(xiàn)真正的遠(yuǎn)程手術(shù)，線(xiàn)上跨區(qū)域醫(yī)療將成為新的發(fā)展熱點(diǎn)。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷突破，未來(lái)數(shù)字骨科技術(shù)勢(shì)必會(huì)出現(xiàn)革命性的進(jìn)步。新時(shí)代的關(guān)節(jié)外科醫(yī)生應(yīng)注重學(xué)科間合作，面對(duì)數(shù)字骨科技術(shù)帶來(lái)的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，要努力應(yīng)用其武裝自己，強(qiáng)化自己的業(yè)務(wù)水平，將醫(yī)工有效結(jié)合，更好地服務(wù)于患者。