管士坤，丁堃，劉寧

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

膝關節(jié)單髁置換術(unicompartmental knee arthroplasty，UKA)誕生于20世紀70年代，在半個世紀的發(fā)展中不斷更新優(yōu)化，已在全世界范圍廣泛開展。近幾年國內(nèi)UKA的手術量也呈現(xiàn)出高速增長的態(tài)勢。以牛津單髁為例，在國內(nèi)以每年40%～50%的平均復合增長率連續(xù)數(shù)年快速增長。但UKA也存在著一定的學習曲線，文獻中也指出其翻修率仍然較高，對初學者來說存在著一定的失敗率[1]。因此，如何提高單髁手術的成功率與假體生存率一直是研究的熱點。

數(shù)字骨科結合了骨科臨床與計算機數(shù)字技術，其涉及到解剖學、材料學、工程學、計算機科學及生物力學等，是一門新興的交叉學科[2]。目前應用于UKA中的數(shù)字技術主要包括計算機輔助、人工智能、虛擬現(xiàn)實、有限元分析及依賴于3D打印的個性化定制假體等技術。合理的應用數(shù)字技術將有助于提高UKA假體置入的精準性及可重復性，提高假體存活率、并改善長期預后。本文從數(shù)字骨科技術為切入點，綜述其在膝關節(jié)單髁置換術中的應用。

1 術中計算機輔助技術

目前在UKA領域應用的計算機輔助技術包括計算機術中導航與手術機器人，其目標均為提高UKA手術的精準性及可重復性。

計算機導航技術始于20世紀80年代，在2000年即有運用于UKA中的報道[3]。使用計算機導航技術輔助UKA可以提高手術精準度、減小力線偏差及維持軟組織平衡[4]。Keene等[5]在研究中對雙側UKA患者一側使用計算機導航，另一側使用傳統(tǒng)術式進行對照研究，結果示導航側的準確率更高，下肢力線對齊更佳。Manzotti等[6]及Ma等[7]的研究同樣示導航UKA提高了脛骨側、股骨側假體植入及下肢力線對齊的準確性。Weber等[8]進行的Meta分析示導航UKA明顯提高了假體植入的精確度。此外，導航可以為經(jīng)驗不足的術者在截骨、軟組織松解和假體定位等方面提供參考，有助于其提高手術技術。但一部分研究認為導航技術的優(yōu)勢不明顯。首先，導航手術的手術時間較傳統(tǒng)手術更長[8]，而Valenzuela等[9]的研究認為計算機導航技術并沒有顯著提高UKA中的假體及力線對齊，同時Manzotti等[6]及Ma等[7]的研究也顯示導航技術帶來的準確度提升并未使為膝關節(jié)功能得到改善。在長期結局方面，Konyves等[10]進行的長達9年的隨訪研究顯示計算機導航UKA的生存率與臨床結局對比傳統(tǒng)手術無明顯差別?？紤]到目前的研究存在樣本量少、技術異質性大等局限性，導航技術的長期結局仍有待進一步研究。

近年來，手術機器人發(fā)展迅速，目前，用于UKA中的手術機器人系統(tǒng)主要有Mako(Stryker，美國)及Navio(Blue Belt，美國)，其中Mako在UKA中使用最廣泛。其依照術前CT進行規(guī)劃并執(zhí)行，術中機械臂將會給予術者觸覺反饋并阻止其過度截骨。Navio作為開放平臺的特點是可適配多種型號假體，且無需術前CT。研究顯示二者短期治療效果相當[11]，但Navio的手術時間較長，這可能與其注冊步驟更為復雜有關[12]。在軟組織張力方面，二者均可以于術中獲取張力數(shù)據(jù)并對假體位置進行微調以獲得更佳的軟組織平衡及力線。在治療效果方面，機器人輔助UKA在早期表現(xiàn)更好，Blyth等[13]研究顯示機器人組在術后8周內(nèi)的疼痛程度相對更低。Kayani等[14-15]研究顯示Mako輔助UKA的疼痛更輕、功能恢復更好、出院更早。但機器人UKA同樣存在手術時間較傳統(tǒng)手術時間更長的問題[14]。在精準度方面，Negrín等[16]及MacCallum等[17]報道，機器人組的股骨側、脛骨側假體的植入位置更加準確，力線偏差更小。Bell等[18]使用Mako進行的手術脛骨側假體植入角度提升約3.2°。Negrín等[19]使用Navio進行的手術的影像學準確率為87%，遠高于傳統(tǒng)手術組的28%。在中期結局方面，機器人UKA有明顯優(yōu)勢，Dretakis等[20]對其使用Mako進行的手術隨訪3年，其假體生存率為100%。Batailler等[21]對其使用Navio平臺進行的手術隨訪4年，其翻修率(5%)低于傳統(tǒng)手術組(9%)，且植入位置更精準，力線偏差更小。在長期結局方面，由于手術機器人在該領域應用的時間較短，目前仍有待進一步研究?？傮w來說，手術機器人能夠有效提升UKA假體植入及力線對齊的準確性，并有助于降低翻修率、提升治療效果。

2 術前人工智能規(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。機器學習是AI的一個分支，其可自我學習并自動改進，而基于此的計算機圖像識別將協(xié)助術者進行UKA術前規(guī)劃、膝關節(jié)骨關節(jié)炎診斷以獲得良好的治療效果。

在術前規(guī)劃方面，我國科技企業(yè)開發(fā)的UKA術前規(guī)劃系統(tǒng)現(xiàn)已投入使用，其利用術前CT快速建立膝關節(jié)三維模型，并智能計算出股骨機械軸、股骨解剖軸及脛骨機械軸間夾角等解剖參數(shù)，并以此規(guī)劃出假體型號、截骨量、截骨及假體角度。術者可以參照該系統(tǒng)提供的意見進行手術，節(jié)省術中匹配假體耗時，提高手術效率，其優(yōu)勢在于無需額外耗材，成本較低。筆者所在科室自2021年起應用該系統(tǒng)進行UKA術前規(guī)劃并行數(shù)例手術，治療效果良好。

在膝關節(jié)骨關節(jié)炎的診斷上，Tiulpin等[22]開發(fā)的AI模型可以對患者進行自動Kellgren-Lawrence分級，其準確程度與有經(jīng)驗的醫(yī)生相當。Norman等[23]使用DenseNet神經(jīng)網(wǎng)絡架構開發(fā)了一個自動的Kellgren-Lawrence分級模型。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]開發(fā)的模型相近。運用該類模型可有效提高膝關節(jié)骨關節(jié)炎的診斷效率，有助于更好地控制手術適應證，提升診療效果。

3 術前虛擬現(xiàn)實技術

目前增強現(xiàn)實(augmented reality，AR)、虛擬現(xiàn)實(virtual reality，VR)及混合現(xiàn)實(mixed reality，MR)技術已初步應用于醫(yī)學領域。研究顯示AR技術可增強術者的信息獲取能力，提高手術效率及準確性[24]。而VR技術則更多應用于醫(yī)學培訓領域，利用其進行虛擬手術[25]將有助于解決開展手術教學相關的安全及倫理道德問題，并提高學習效果。一項與UKA培訓有關的對照研究顯示，相較傳統(tǒng)教學VR教學的滿意度更高，培訓效果相當[26]。另一項研究顯示使用VR進行Mako輔助UKA培訓能夠增強學習及記憶效果[27]。MR技術則是由AR及VR發(fā)展而來，其結合了現(xiàn)實世界和虛擬世界，能夠在不脫離現(xiàn)實世界的情況下與全息圖像進行交互。其可提供術區(qū)骨骼、周圍神經(jīng)和血管組織的虛擬3D圖像，使術者能夠更加直觀的了解術區(qū)狀況。

應用該類技術可以在術前對術中操作要點、假體植入位置等進行詳細規(guī)劃，并在術中起到實時參考作用，有助于提高手術成功率、改善治療效果。同時虛擬手術在醫(yī)療培訓領域可起到重要作用。但總體來說，目前該類技術的應用范圍及價值有限，仍需進一步研究并拓展其應用范圍。

4 “數(shù)字孿生”及有限元分析

“數(shù)字孿生”是一個超越現(xiàn)實的概念，其利用數(shù)字模型、傳感器數(shù)據(jù)等相關信息，集成多學科進行多尺度、多方式的仿真過程。最終在虛擬空間中建立物理實體的全方位數(shù)字模型并加以利用。在骨科領域，建立膝關節(jié)的“數(shù)字孿生”，模擬假體安放并進行有限元分析(finite element analysis，F(xiàn)EA)將有助于分析假體及周圍骨的應力狀況[28]，為相關生物力學分析提供幫助。在UKA領域，Kang等[29]通過FEA研究發(fā)現(xiàn)脛骨內(nèi)翻、股骨外翻會加大雙側副韌帶應力，進而加重假體墊片磨損而導致翻修。同時，其研究顯示假體關節(jié)線的升高或降低均會導致應力增加，且關節(jié)線升高時更明顯。因此恢復關節(jié)線、尤其應避免關節(jié)線升高對改善預后及假體存活率起關鍵作用[30]。Dai等[31]則建議脛骨假體應輕度內(nèi)翻，以降低內(nèi)側應力，提高存活率。Kwon等[32]研究顯示，對前交叉韌帶或內(nèi)側副韌帶缺損的患者行內(nèi)側UKA往往預后不良。Kwon等[33]對UKA中的固定平臺及活動平臺假體進行對比分析，結果示固定平臺假體繼發(fā)外側間室骨關節(jié)炎的可能性更大，其結果與尸體實驗結果相符，證明了其準確性。FEA可為術前規(guī)劃、手術操作及、適應證及術后評價等方面提供理論依據(jù)，并可對假體設計與植入角度等進行理論驗證，有著良好的應用前景。

5 個性化UKA技術

個性化UKA是一種新的手術理念，其目標為盡可能恢復患者的正常解剖結構和關節(jié)形態(tài)。其主要包括個性化截骨導板(personal specific instrumentation，PSI)及個性化假體技術，其中PSI為針對患者解剖特點設計的個性化手術器械，其通常需使用影像資料進行設計并進行3D打印。對比傳統(tǒng)手術，其優(yōu)勢在于可以于術前規(guī)劃假體型號，節(jié)省術中匹配假體所需時間、節(jié)約部分器械成本、提高經(jīng)驗不足術者的手術成功率[34]并降低UKA的開展難度[35]。Jaffry等[36]進行的對照研究顯示，使用PSI進行的UKA術式在假體安放位置及角度上較傳統(tǒng)手術更精準，與使用機器人輔助的效果接近，并且用時更短。但部分研究對PSI的效果提出了質疑。如Ollivier等[37]研究稱PSI輔助UKA在功能學方面沒有明顯改善，并且其額外花費較高，住院時間更長。同時受影像學技術限制，PSI對軟骨組織適配不佳，易導致其精準度降低。因此，大規(guī)模推廣PSI的價值仍有待進一步研究。

個性化假體對部分年輕、活動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年的對照研究顯示個性化假體能夠明顯改善假體覆蓋率及生存率。Kang等[39]通過FEA研究發(fā)現(xiàn)個性化假體能夠有效減少繼發(fā)外側間室骨關節(jié)炎的可能性，其生物力學方面更接近于正常膝關節(jié)。此外，Carpenter等[40]研究發(fā)現(xiàn)個性化假體可以明顯減少假體覆蓋不足或過度覆蓋現(xiàn)象的發(fā)生率。使用個性化UKA假體能夠更好地恢復膝關節(jié)正常解剖結構、關節(jié)線位置并獲得更好的運動功能。但目前受成本限制而無法大規(guī)模推廣。

6 局限與展望

數(shù)字骨科技術為UKA手術帶來了更多元化的發(fā)展，但仍存在著一定的局限性。首先，部分新技術的使用成本較傳統(tǒng)手術偏高，這制約了其在欠發(fā)達地區(qū)的推廣應用。同時，額外的影像輻照導致患者受到的輻射量增加。另一方面，導航與手術機器人系統(tǒng)品牌眾多且多為封閉平臺，缺乏統(tǒng)一的標準，相互間兼容性不高，需要未來推進開放式平臺的服務。目前，AI相關結果無法進行逆向驗證，其準確性及可靠性尚未明確，存在一定風險。而VR技術依賴于計算機圖形技術，受其限制，擬真程度偏低，目前實際應用僅處在起步階段。最后，新興技術在宣傳階段往往會產(chǎn)生夸大現(xiàn)象，因此切勿理論脫離實際，仍應保持謹慎的態(tài)度。

展望未來，UKA的方向是微創(chuàng)化、精準化、個性化。使用機器人植入定制化假體有望實現(xiàn)真正的精準UKA，而隨著我國國產(chǎn)機器人的開發(fā)上市以及3D打印技術的推廣，未來機器人及定制化假體的使用成本有望大幅度降低。而AI術前規(guī)劃與手術機器人的結合也將會極大的提高手術開展的效率及可重復性，同時，MR技術與5G的有機結合，將會使遠程會診的呈現(xiàn)形式由二維圖像轉化為三維模型，結合機器人技術的發(fā)展，有望實現(xiàn)真正的遠程手術，線上跨區(qū)域醫(yī)療將成為新的發(fā)展熱點。

隨著計算機技術的不斷突破，未來數(shù)字骨科技術勢必會出現(xiàn)革命性的進步。新時代的關節(jié)外科醫(yī)生應注重學科間合作，面對數(shù)字骨科技術帶來的機遇與挑戰(zhàn)，要努力應用其武裝自己，強化自己的業(yè)務水平，將醫(yī)工有效結合，更好地服務于患者。