髖關節置換數字模型讓假體植入更加準確

目前，北京積水潭醫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學轉換公式”填補了國際空白，該新算法可以根據患者站立、坐位乃至蹲位等不同姿態下骨盆傾斜角的變化、關節活動度等綜合因素，為每位患者計算出一個功能最優且最安全的目標值，形成個性化的“患者特異性假體安全區”，更精準地指導機器人輔助全髖關節置換手術。這種算法從數學原理上揭示了統治髖關節重建領域50多年的傳統安全區（即Lewinnek安全區）不能成立的原因，并建立了患者特異性安全區算法。相關研究成果發表在國際骨科權威雜志《骨與關節外科雜志》和《臨床骨科和相關研究》上。

傳統安全區存在哪些問題？患者特異性安全區算法有哪些優勢？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。

傳統放置假體的安全區或許不安全

人工關節假體應該安裝在身體的哪個位置？

“過去，醫生們對于人工關節假體安裝位置，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、北京積水潭醫院矯形骨科主治醫師唐浩表示。

20世紀70年代末，Lewinnek教授提出了髖關節置換領域的重要概念“安全區”。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。自此，這一概念長期統治人工關節置換領域。

然而在實際操作中，讓人工髖關節實現術后走、跑、蹲等運動功能的同時又避免假體脫位，并非易事，術后關節脫位時有發生。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展，骨科醫生獲得了精確放置假體位置的能力，提高了將假體放Lewinnek安全區的概率。

“然而，此后越來越多的證據表明，術后關節脫位依然無法避免?！碧坪平忉尩溃话銇碚f，術后關節脫臼的概率在1%—10%。有文獻稱，58%的脫臼病例臼杯角度位于Lewinnek安全區內。

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

唐浩說：“基于Lewinnek安全區的原始模型是靜態的，沒有考慮到人的骨盆是動態的。但最近的研究發現，骨盆在實現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，繼續用靜態方法來確定關節置換的手術目標，就好比‘刻舟求劍?！?/p>

為患者量身打造特異性假體安全區

“一些我們早已習慣的傳統理論或方法，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，有研究發現，脊柱骨盆姿態是全髖關節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定性的關鍵。

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

他們發現，沒有一個固定的經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，他們從數學和運動學上證明了Lewinnek安全區只是一個二維的靜止目標值，并不能正確指導髖關節假體安置，以及同時滿足髖關節重建在穩定性與活動度、髖關節合理載荷等方面的要求。

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

唐浩介紹，這一發現不但為假體規定了安全范圍，且提示了有充分理由改變傳統髖關節重建的手術過程。

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

唐浩介紹，研究團隊還根據此方法對多例置換術后關節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。

讓數學在臨床醫學中迸發能量

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”，突破了傳統理論的局限，建立了新型個性化手術規劃方法。

“數學原理是建立骨科精準醫學理論大廈的必由之路。”唐浩說。

一直以來，臨床醫學與生物、化學等學科有著更緊密的聯系，至于數學則似乎要疏遠一些。如何從臨床實踐中發現有價值的問題，同時將這些問題數學化，最后將數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、統計學、數理模擬等方面打交道的機會，這讓我們在探索數學與臨床結合方面有了更多可能。”唐浩說。

周一新表示：“作為醫生，我們循規蹈矩，遵從診療原則與常規，但一旦有了科學與臨床證據的支持時，我們又是革命者，堅決否定與放棄落后的觀點與技術，哪怕它們曾經是那樣的神圣不可冒犯。”他認為，醫學可能是最后一個被數學加持的領域。

這場晚到的結合，未來所迸發出的能量將是巨大的。“數學能夠應用于更多創新性的研究，除了髖關節置換，在膝關節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。