科技日报/2022.06.09/有了髋关节置换数字模型 假体植入不仅“精确”而且“正确”
周一新团队探索的新算法可以根据患者站立、坐位乃至蹲位等不同姿态下骨盆倾斜角的变化、关节活动度等综合因素，为每位患者计算出一个功能最优且最安全的目标值，形成个性化的“患者特异性假体安全区”，更精准地指导机器人辅助全髋关节置换手术。
北京积水潭医院矫形骨科主任周一新教授团队提出“臼杯矢状面角度的数学转换公式”填补了国际空白，从数学原理上揭示了统治髋关节重建领域50多年的传统安全区（即Lewinnek安全区）不能成立的原因，并建立了患者特异性安全区算法。日前，相关研究成果发表在国际骨科权威杂志《骨与关节外科杂志》和《临床骨科和相关研究》上。
传统安全区存在哪些问题？患者特异性安全区算法有哪些优势？研究团队如何取得这一理论突破？科技日报记者就此采访了上述研究团队的核心成员。
传统放置假体的安全区或许不安全
人工关节假体应该安装在身体的哪个位置？
“过去，医生们对于人工关节假体安装位置，通常只知道一个相对模糊的范围，缺乏精确的目标信息。”周一新团队研究成员之一、北京积水潭医院矫形骨科主治医师唐浩表示。
20世纪70年代末，Lewinnek教授提出了髋关节置换领域的重要概念“安全区”。他指出，髋臼臼杯的安置位置有一个相对安全的范围：外展角40°±10°，前倾角15°±10°。这一安全范围被称为Lewinnek安全区。自此，这一概念长期统治人工关节置换领域。
然而在实际操作中，让人工髋关节实现术后走、跑、蹲等运动功能的同时又避免假体脱位，并非易事，术后关节脱位时有发生。起初学术界认为，这主要是由于人工手术误差大造成的。随着计算机辅助手术的发展，骨科医生获得了精确放置假体位置的能力，提高了将假体放Lewinnek安全区的概率。
“然而，此后越来越多的证据表明，术后关节脱位依然无法避免。”唐浩告诉记者，一般来说，术后关节脱臼的概率在1%—10%。有文献称，58%的脱臼病例臼杯角度位于Lewinnek安全区内。
因此，Lewinnek安全区受到了质疑，它并不能有效防止术后关节脱位，也不能确保患者术后的关节活动度等。
唐浩说：“基于Lewinnek安全区的原始模型是静态的，没有考虑到人的骨盆是动态的。但最近的研究发现，骨盆在实现不同功能时的空间位置变化很大，且人与人之间的差异也非常大，继续用静态方法来确定关节置换的手术目标，就好比‘刻舟求剑’。”
为患者量身打造特异性假体安全区
“一些我们早已习惯的传统理论或方法，也许从根上就存在瑕疵，如果这些理论与方法是错误的，我们又该怎么办？”周一新和团队成员决定揭开这个谜底。
近年来，有研究发现，脊柱骨盆姿态是全髋关节置换术后是否脱臼的重要影响因素，有学者报道了假体在矢状面上的功能角度是影响其稳定性的关键。
于是，周一新研究团队建立了髋关节置换的数学模型。该模型可以作为定量工具来确定全髋关节置换术中患者特异性的安全区，填补了国际上臼杯矢状面功能角度计算的方法学空白。
他们发现，没有一个固定的经验值可以满足所有患者的需求，每个患者对应的目标值都是个性化的。此外，他们从数学和运动学上证明了Lewinnek安全区只是一个二维的静止目标值，并不能正确指导髋关节假体安置，以及同时满足髋关节重建在稳定性与活动度、髋关节合理载荷等方面的要求。
这套算法可以根据患者站立、坐位乃至蹲位等不同姿态下骨盆倾斜角的变化、关节活动度等综合因素，为每位患者计算出一个功能最优且最安全的目标值，形成个性化的“患者特异性假体安全区”，更精准地指导机器人辅助全髋关节置换手术。
唐浩介绍，这一发现不但为假体规定了安全范围，且提示了有充分理由改变传统髋关节重建的手术过程。
唐浩表示，采用新的理论方法，他们已经为400多位患者实施了机器人辅助髋关节手术，截至目前，没有一例发生术后脱臼。
唐浩介绍，研究团队还根据此方法对多例置换术后关节脱位患者进行了精准分析指导下的翻修手术，极大地降低了手术难度，提高了疗效。
让数学在临床医学中迸发能量
美国加州大学洛杉矶分校骨科研究中心爱德华·埃布拉姆扎德教授对此项研究工作评价道，这一新的算法可依据病的特点，量化预测术后脱臼风险并制订更合理的术前计划，为引导或机器人辅助手术提供关键手术目标，使假体植入不仅精确而且正确，具有重大意义。
唐浩介绍，团队提出的“患者特异性假体安全区”，突破了传统理论的局限，建立了新型个性化手术规划方法。
“数学原理是建立骨科精准医学理论大厦的必由之路。”唐浩说。
一直以来，临床医学与生物、化学等学科有着更紧密的联系，至于数学则似乎要疏远一些。如何从临床实践中发现有价值的问题，同时将这些问题数学化，最后将数学化的推论结果回归到临床实践，一直是周一新团队研究的主要方向之一。
“骨科相较于其他临床科室，有更多与力学、统计学、数理模拟等方面打交道的机会，这让我们在探索数学与临床结合方面有了更多可能。”唐浩说。
周一新表示：“作为医生，我们循规蹈矩，遵从诊疗原则与常规，但一旦有了科学与临床证据的支持时，我们又是革命者，坚决否定与放弃落后的观点与技术，哪怕它们曾经是那样的神圣不可冒犯。”他认为，医学可能是最后一个被数学加持的领域。
这场晚到的结合，未来所迸发出的能量将是巨大的。“数学能够应用于更多创新性的研究，除了髋关节置换，在膝关节置换以及治疗脊柱侧弯、X型腿和O型腿矫正方面都有着很好的应用前景”。唐浩告诉记者。
