数字骨科在终末期骨关节炎中应用的研究进展*

赵畅, 陈铭俊, 蔡道章

南方医科大学第三附属医院关节外科(广东广州 510630)

骨关节炎(osteoarthritis，OA)是一种慢性退行性关节疾病，以膝、髋、脊柱以及指间关节为主，导致患者出现受累关节僵硬、肿胀、疼痛和丧失活动能力[1-2]。OA影响着全球超过2.4亿人[3]，是成年人活动受限最常见的原因。目前已有证据表明年龄、肥胖、炎症、创伤、关节过度使用、代谢紊乱、遗传等能加速骨关节炎的发生、发展[4]。据统计，我国目前中老年人膝骨关节炎的发病率约21%[5]，而随着社会人口老龄化的不断加剧，OA发病率也随之升高。人工关节置换术，主要包括人工膝关节置换术(totalkneearthroplasty)和人工髋关节置换术(totalhiparthroplasty)，被誉为20世纪最伟大的术式[6]之一，是终末期骨关节炎最有效的治疗手段。术后关节功能恢复和疼痛缓解是影响人工髋、膝关节置换术后近期患者满意度的主要原因[7]，而其中与假体位置不良、力线不佳、关节不稳定、肢体不等长等原因密切相关[8-10]。为了减少关节置换术后的并发症及提高患者满意度，日益发展的数字骨科技术开始在关节外科领域上应用。数字骨科学是骨科临床与计算机数字技术紧密结合的一门新型数字化医学学科，被喻为骨科第三次技术浪潮[11]。数字骨科的发展使得终末期骨关节炎的治疗愈发标准化、精准化、个性化。目前各类新型数字骨科技术的应用如火如荼，如3D打印技术、个性化截骨技术、虚拟现实技术、机器人辅助手术等。上述技术的应用可以科学地评估手术适应证，拟定最佳手术方案，最大限度地减少手术创伤，尽早恢复肢体功能，现将部分前沿技术予以述评。

1 3D打印(three-demensionprinting)技术

3D打印是一种以数字模型文件为基础，将计算机中设计的三维模型打印出实物的快速成型技术[12]。2012年爱丁堡赫瑞瓦特大学Faulkner-Jones等[13]利用3D打印技术将人体细胞立体制作成人造肝脏组织，将3D打印技术带进了临床医学的领域。从术前实物模型的制作、手术辅助材料的打印到内植入物的打印，3D打印技术应用使得术前计划的实施和手术方式的选择出现革新。相较于传统阅片过程，收集患者影像学资料并通过计算机处理，利用3D打印机直接制作其三维骨骼结构，并以3D模型的形式直观地展示在医生面前方式，手术医生对复杂的关节畸形、骨缺损或者骨赘将有更全面的认识，并为术中决策的制订提供依据[14]。对于疑难的病例，手术医生可以通过3D模型进行手术前的预演和模拟植入，进一步确定手术术式，假体尺寸、数量和类型，尽量减少手术意外和并发症的发生[15]。Won等[16]利用3D打印技术为患者制作髋臼模型，并根据术前3D模型为21例髋臼侧严重畸形患者制定个性化手术方案并进行术前模拟手术置入，术后假体组件均按计划精确植入。Kavalerskiy等[17]利用患者髋关节的3D打印模型，评估了17例人工髋关节翻修手术术前规划，结果显示64.3%实际使用髋臼杯尺寸与术前规划一致。在剩下病例中，两者的差异也<2 mm。3D打印技术在术前规划的应用除了在复杂初次关节置换手术和翻修手术中有独特的优势，关节翻修手术中在拍摄CT时，由于原有假体的金属伪影，对于假体周围微骨折的识别存在困难，3D打印技术在术前评估骨缺损的大小以及识别假体周围的微骨折中有独特的优势。Marongiu等[18]已经表明3D模型有助于术前模板的选择以及假体周围骨折的发现。且在病情沟通和术前谈话环节，通过向患者展示其病患处的3D模型，更易于病情的陈述和医患沟通[19]。除却术前3D打印技术，术中的3D打印技术也广泛应用。通过3D打印技术为患者定做髋臼假体、股骨柄假体、股骨、胫骨假体以及配套的衬垫等，比起常规关节置换术中固定尺寸的关节假体，在截骨后假体更加贴合患者的骨面。尤其在一些复杂关节置换手术中，更有优势。Aprato等[20]在治疗PaproskyⅢB型髋臼巨大骨缺损时，利用了3D打印技术定做的髋臼假体，术后复查显示所有的髋臼安装位置良好。定制的关节假体可以减少非必要的截骨，明显减少出血量和手术时长，在术后疼痛方面也有一定的缓解。目前也在利用3D打印技术开发多孔型的股骨柄，这种柄可能会减少75%的继发于应力屏蔽的骨质流失[21]，并可能成为未来髋关节置换手术中重要的备选假体。

2 个性化截骨(patient-specificinstrumentation，PSI)

目前常规的引导装置和截骨工具经过多代的升级和改装，已经可以适配大多数人的置换需求。但是在面对复杂关节，例如关节外畸形、巨大的骨缺损等，常规的手术工具容易导致手术失败。对于这类型患者，需要有更量体定做的手术工具，为患者进行个性化、精准化的手术。PSI导板技术是根据术前患者影像学数据制作的个性化截骨工具，理论上可以更加贴合患者的实际情况。吴东迎等[22]在一项随机对照实验中分别使用3D打印截骨导板和常规的截骨导板，发现在使用了3D导板后期手术疗效、出血、手术时长都由于常规组，且在出血量减少及手术时长缩短有显著优势。邓杨等[23]在全髋关节置换术中利用3D打印导板技术在精准放置髋臼假体，使得手术时长及术中出血都优于对照组。除此，Gong等[24]发现应用PSI工具有利于重建患者下肢的力线(77.6%vs75.2%)，尤其是冠状位力线(87.7%vs85%)。此外在经济效益方面，一些厂家的PSI工具为一次性仪器包，不产生消毒费用，也提高了其便捷性和易用性，能够缩短手术时间，在不具备购买骨科手术机器人的医院具有一定的成本效益[25]。

3 人工智能、机器学习在关节外科的应用

人工智能(artificial intelligence，AI)于1956年夏季由约翰麦卡锡(John McCarthy)在美国的达特茅斯举办的研讨会上首次提出[26]。机器学习是人工智能的一个分支，人工智能是计算机通过海量的学习数据并从中总结规律，通过统计方法，计算机可以得到总体概率分布并做出总体预测[26]。目前骨关节炎的诊断有影像学和临床诊断，但是在判断关节置换手术适应证上尚未有共识，如何更加精准地判断患者的手术适应证也是目前的难题之一。Karnuta等[27]描述了一种基于X线片诊断骨关节炎的技术，通过计算机分析图像中的像素来提取OA特征，并使用算法将其与已知的OA模型相匹配并诊断是否OA。丛锐军等[28]在利用卷积神经网络(DCNN)的计算机自动学习系统对全膝关节置换手术指征进行判断，且大样本数据学习后准确率进一步提高。术前规划是关节外科医生术前准备最重要的环节之一，在术前根据患者的影像学初步判断患者的截骨方式，拟采用假体的型号、大小，假体安放的角度、位置等。但是传统的阅片测量需要仰仗测量医生临床经验与测量技术，且不同医生之间的测量结可能存在差异。AI术前规划通过前期的大规模的机器学习，通过导入患者的影像学资料，依靠机器学习测量出患者的各种精确的解剖数据，并在电脑中进行植入拟合，给假体型号的提供参考。医生还可以根据AI的数据与阅片测量的结果进行比对、参考。AIJOINT®与传统模板对比，其基于人工智能深度学习后，能快速实现精准分割和三维重建，提升人工全膝关节置换术前规划的工作效率；中日友好医院利用AIJOINT®对关节置换术假体型号进行预测，其假体型号吻合率较传统模板测量吻合率同步提高34.3%[29]。目前AI技术在不断发展和完善，但是其带来的伦理问题亟待讨论，且目前国内关于AI术前规划关节置换还缺少大规模的多中心研究去进一步研究验证。

4 骨科机器人手术

骨科手术机器人在临床应用已经超过20年了，目前常应用的有两种方式的机器人——全自动机器人和半自动机器人。前者可根据内置程序直接执行某些指令；而后者需要操作者参与，医生通过传感器获得触觉反馈，并且利用其操作臂进行精细操作。例如在使用半自动机器人进行骨赘的清除时，当机械臂清除完了骨赘后即将触碰到了截骨参数外的骨组织时，会发出响声或者震动提示操作者。此外，机器人系统可能有“封闭”或“开放”的平台。一些封闭系统的平台只允许使用一种或者几种假体；反之开放式平台可以根据外科医生的偏好或患者的需求使用多种类型的关节假体。虽然许多开放系统可以兼容多种假体，但是与封闭系统相比，在预测假体置入的位置、方向的精度等方面就会有所欠缺。ROBODOC®是第一批应用在关节置换的手术机器人，它的优势包括型号的选择和假体放置的高精度。但是其与传统手术以及与许多其他机器人平台相比，术前规划、术前准备和铣削所需的时间增加了，意味着手术时长增加和感染风险的提升；其次，操作者在术中修改手术计划也非常的繁琐[30]。CASPAR也是一款早期的骨科手术机器人系统，虽然可以增加胫股对齐，但是使用CASPAR系统需要在术前放置股骨和胫骨的皮质螺钉作为术前标记，对于部分患者反而会明显增加其手术时长[31]。一项前瞻性试验评估了在全髋关节置换术中使用CASPAR系统的效果，结果显示应用了该系统后与常规手术组相比，手术时长延长了约50 min，且外展肌功能降低，并发症升高[32]。由于获益比风险小，CASPAR系统退出主流机器人市场。Mako是目前更为先进一代机器人的代表，其基于术前CT数据用于手术规划，以确定假体的型号、位置和骨切除的方式，其通过触觉反馈以防止计划以外[33]的骨切除。目前，Mako是全球范围内装机数量最多的关节置换机器人系统[34]，通常用于辅助UKA和THA手术。与常规的置换手术相比，利用机器人系统在重建胫骨后倾角以及冠状位对齐方面的准确性更高[35-36]。Mako在THA手术中的操作精确度与准确度也同样优秀：在一项多中心研究中，95%的THA病例中的髋臼杯放置在术前规划区域5°[37]以内。总体来说，机器人辅助进行髋、膝关节置换手术的优势不仅在于术前可进行三维手术规划，而且手术过程中借助机械臂能够更好地实现术前规划，避免了人为误差。机器人系统的加入也降低了学习置换手术的学习曲线[38]。我国骨科手术机器人起步较晚，2016年首部国产机器人(天智航)面世并获得国家药品监督管理局核发的器械注册证，但是还缺少大型的多中心临床数据证明它效果。总体来说，临床医生对于骨科手术机器人的认知仍较为谨慎。

5 虚拟现实技术(virtual reality，VR)与增强显示技术(augmented reality，AR)

由于现代关节置换术的复杂性增加，如果由经验不足的医生进行手术，手术时间将更长，并发症的发生率可能更高[39-41]。因此需要不断优化教学技术，缩短学习曲线使得医生更好地适应。为此，VR作为一种沉浸式技术，有可能彻底改变现代手术培训，并以低成本效益的方式提高手术教育效率和手术执行效率。Logishetty等[42]发现在全髋关节置换术的手术新手应用VR手术模拟器学习，发现在同样没有任何临床手术经验的情况下，接受VR训练的学员技术表现更好；Zaid等[34]利用VR学习模块对单髁置换术进行学习，虽然与对照组相比平均手术时长没有明显差异，但是大多数受训者都认为VR是对住院医师教育有显著的作用。国外许多学者也建议采用VR作为外科医生的培训工具[43]。除了能改变一种学习模式，VR技术还能可视化患者的解剖结构，增强术前规划和提供术中指导。由卡耐基梅隆大学在1995年研发的HipNavTM能够利用CT重建进行髋臼和股骨假体的术前定位，并且能够对假体的3D模型进行关节活动度的模拟来评估假体的稳定性和检查是否存在撞击[44]。除此之外，VR技术在关节置换术后的患者也有所建树。在国外许多国家和康复中心正借助VR技术的沉浸感体验帮助关节置换患者术后的早期康复：Gianola等[45]利用VR技术能促进全膝关节置换术后的早期康复，帮助患者达到更好的功能锻炼；Bettger等[46]则发现远程康复的虚拟物理康复治疗显著降低了TKA后3个月的医疗成本，并且与常规的康复治疗有着一样的治疗效果。

AR技术利用头戴式智能设备将电脑生成的三维形象叠加到真实物体的表面，同时用户可以与这种叠加的虚拟影像进行互动，并且通过眼部动作和特定手势对这种虚拟模型下一步操作[47]。AR技术的应用可以改善手术过程中的信息获取、处理和传递[48]。在VR和AR技术的帮助下，手术医生可在术前对手术入路、假体安放位置、软组织松解程度等操作要点进行详细规划，并可模拟手术训练，从而提高手术成功率、改善术后满意度。有文献报道AR辅助比传统手工全髋关节置换术和全膝关节置换术的假体安放更加准确[49-51]。但Ogawa等[52]将46例THA患者随机分配使用AR导航系统或传统器械进行臼杯放置，但结果显示髋臼前倾准确性和术后效果均无明显差异。总之，虽然VR和AR技术正在逐渐从概念应用到临床中，但仍需进一步探索来评估其临床参考价值。

6 展望

数字骨科技术在医疗领域应用逐渐扩展，在置换手术中术前规划的准备、手术方案的选择、植入假体的设计、型号，甚至手术教学和术后康复锻炼都有了革命性的变化，对于终末期骨关节炎的治疗也向着更精细化、个性化的方向前进。但是目前许多骨科技术在临床上的应用还存在一定的局限性，如许多新技术由于各级医院的关节外科设备水平存在差异，不能普及和应用；缺乏大型临床中心的研究和随访数据，许多医生不能把握其适应证而束之高阁；国产设备尚未完全落地，费用较常规手术高等。

正如其他工业中的也要经历数字化、自动化再到机器人的过程，对于终末期骨关节炎、关节置换手术的数字化过程也要经历一个发展的时期。数字骨科技术也并不是完全服务于上述的复杂的关节置换手术。在骨科手术数字化的加持下，医生的能力得以大幅提升，掌握复杂术式的学习曲线显著缩短，资深医生的专业经验通过数字化方式固化并下沉到基层，基层医院骨科的技术水平也将被进一步激活。因此骨科手术数字化不会只局限于一线城市的三甲医院，而是借助骨科数字化的春风帮助普通医院、普通医生高质量地完成手术。为患者提供全方位、全周期的医疗服务，改善治疗效果，提高患者的满意度。

展望未来，关节外科的发展方向是手术微创化、精准化和个性化。作为新时代的关节外科医生，要想达到这个目标就必须借助新理念、新技术和新工具的帮助。面对一些复杂关节的初次置换甚至翻修手术，我们如今拥有了更多的研究工具和解决办法。虽然目前的骨科数字化不能广泛应用于中国复杂的骨科市场，但是随着设备和技术的进一步研发和普及，医生和民众认识度的提高，收费细则的规范，在准确把握其适应证后，数字骨科定能惠及普通民众，也将有更多、更完善的技术应用在终末期骨关节炎的诊治中。未来,我国的数字骨科学也必将迎接快速发展的时代。

利益相关声明：所有作者均声明无利益冲突。

作者贡献说明：赵畅、陈铭俊负责论文撰写和论文修改；蔡道章负责专业指导和总体设计。