李 成, 肖念蘇(綜述), 胡 巍(審校)

人工智能(artificial intelligence,AI)的現(xiàn)代定義是“算法的應(yīng)用,為機(jī)器提供解決傳統(tǒng)上需要人類智能的問題的能力”[1]。AI自動(dòng)化已經(jīng)在其他許多行業(yè)中得到了利用,如市場營銷、銀行、媒體和制造業(yè)[2]。同時(shí),AI對(duì)醫(yī)療保健也產(chǎn)生了巨大影響,其中AI已經(jīng)應(yīng)用于指導(dǎo)腫瘤治療,如通過照片診斷糖尿病視網(wǎng)膜病變,早期檢測腦卒中以及在其他許多方面中的應(yīng)用。在骨科中,AI也體現(xiàn)了強(qiáng)大的作用,包括放射學(xué)[3]、創(chuàng)傷[4-6]、運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)[7]和關(guān)節(jié)置換術(shù)[8]等。AI在脊柱外科的研究中顯示出良好的應(yīng)用前景,大量研究已使用AI技術(shù)自動(dòng)測量Cobb角,從雙平面X線片中創(chuàng)建青少年特發(fā)性脊柱側(cè)彎的三維模型,自動(dòng)篩選青少年特發(fā)性脊柱側(cè)彎[9]、脊柱側(cè)凸畸形分類[10]、全自動(dòng)脊柱參數(shù)分析[11]等應(yīng)用。脊柱矯形手術(shù)是脊柱畸形終末期的治療方式,目的是挽救患者生命、提高生活質(zhì)量,但脊柱矯形手術(shù)的創(chuàng)傷大、風(fēng)險(xiǎn)高、并發(fā)癥多,而且行脊柱矯形手術(shù)的患者中包括很多青少年,如治療不當(dāng),可能會(huì)造成嚴(yán)重后果。AI可以根據(jù)患者情況選擇治療方案以減少手術(shù)并發(fā)癥和改善手術(shù)結(jié)果,也可以分析特定手術(shù)患者的相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)因素以預(yù)測并發(fā)癥和結(jié)果,還可以設(shè)計(jì)更智能的置入物。利用AI輔助脊柱矯形手術(shù)可以取得較為滿意的結(jié)果,本文就AI在脊柱矯形手術(shù)中的應(yīng)用及研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 AI在脊柱矯形手術(shù)中預(yù)測的應(yīng)用

AI的核心是尋求在計(jì)算機(jī)中復(fù)制AI或自然智能的經(jīng)驗(yàn)。雖然廣義和自動(dòng)化智能的目標(biāo)目前超出了技術(shù)范疇,但現(xiàn)在仍可以使用AI的開發(fā)系統(tǒng)從巨大的數(shù)據(jù)集中重建人類智能、做出決策、提供建議、適應(yīng)新的數(shù)據(jù)環(huán)境。機(jī)器學(xué)習(xí)是AI的一個(gè)分支,它利用計(jì)算機(jī)算法從數(shù)據(jù)和先前的經(jīng)驗(yàn)中學(xué)習(xí)來構(gòu)建智能模型。機(jī)器學(xué)習(xí)算法允許計(jì)算機(jī)在沒有用戶定義或預(yù)先確定的規(guī)則的情況下提取數(shù)據(jù)集中固有的模式,從數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)關(guān)系,然后做出特定的預(yù)測或決定[12]。脊柱外科為利用AI和機(jī)器學(xué)習(xí)的計(jì)算能力提供了一個(gè)獨(dú)特的領(lǐng)域[13]。在過去的幾十年里,人們對(duì)脊柱疾病的認(rèn)知極大提升。除了臨床表現(xiàn)的差異性外,脊柱疾病還涉及各種不同的病因,包括腫瘤、創(chuàng)傷、退行性疾病和脊柱畸形等。隨著脊柱矯形技術(shù)完善和廣泛實(shí)施,脊柱外科醫(yī)師對(duì)脊柱畸形及畸形矯正手術(shù)的認(rèn)識(shí)較為充分。成人脊柱畸形(adult spinal deformity,ASD)是脊柱手術(shù)中一個(gè)獨(dú)特的領(lǐng)域,它可以很好地利用機(jī)器學(xué)習(xí)和發(fā)揮AI的巨大潛力。AI識(shí)別新見解及幫助臨床醫(yī)師確定不同的手術(shù)方案或預(yù)后因素。它通過分析患者的獨(dú)立資料,可以更好地預(yù)測患者術(shù)后結(jié)果,也可以幫助臨床醫(yī)師根據(jù)患者個(gè)體的需求和目標(biāo)定制治療計(jì)劃。ASD患者不同的癥狀,可能會(huì)出現(xiàn)不同程度的疼痛或殘疾,畸形的程度與癥狀的嚴(yán)重程度相關(guān)[14]。側(cè)凸矯形手術(shù)可以顯著改善患者的生活質(zhì)量,但個(gè)體對(duì)手術(shù)的耐受反應(yīng)仍存在一個(gè)不可預(yù)測性的組成部分[15]。此外,矯形手術(shù)通常具有侵入性,有時(shí)需要截骨以達(dá)到理想的矯正,發(fā)生主要并發(fā)癥的風(fēng)險(xiǎn)性相對(duì)較高[16-17]。綜合ASD臨床表現(xiàn)的差異性和脊柱外科醫(yī)師提供的大量手術(shù)技術(shù)數(shù)據(jù),AI提供的治療算法可能相對(duì)復(fù)雜,有較多可能性。由于脊柱側(cè)彎矯形手術(shù)的并發(fā)癥多、創(chuàng)傷性大,ASD手術(shù)可以受益于AI預(yù)測模型,專門針對(duì)患者的個(gè)人健康情況,為其提供額外的幫助和風(fēng)險(xiǎn)分層。AI通過學(xué)習(xí)歷史數(shù)據(jù)后,可供臨床醫(yī)師使用預(yù)測模型結(jié)合患者的具體情況進(jìn)行前瞻性的部署。患者在共享信息過程中,可根據(jù)自己的目標(biāo)和需求定制治療計(jì)劃。大多數(shù)ASD的預(yù)測分析都與術(shù)后預(yù)后的評(píng)估有關(guān),一些早期的研究探索了手術(shù)期預(yù)測預(yù)后模型的可行性。Durand等[18]在超過1 000例ASD患者隊(duì)列中使用“決策樹”和“隨機(jī)森林模型”預(yù)測術(shù)中和術(shù)后輸血需求,曲線下面積(area under the curve,AUC)分別為0.79和0.85。預(yù)測輸血需求的影響變量包括手術(shù)時(shí)間、手術(shù)難度、紅細(xì)胞壓積、患者體重及年齡。Safaee等[19]在653例患者中使用了廣義線性回歸模型,能夠在2 d內(nèi)估算ASD患者的住院時(shí)間,準(zhǔn)確率為75.4%,主要預(yù)測因子是分期手術(shù)、術(shù)前C7矢狀縱軸和融合水平的數(shù)量。Scheer等[20]利用“決策樹”和引導(dǎo)方法預(yù)測術(shù)后6周的主要并發(fā)癥(AUC為0.89),能夠預(yù)測早期并發(fā)癥風(fēng)險(xiǎn)或ASD患者的住院時(shí)間,可以幫助制定出院計(jì)劃和工作流程,甚至能夠在術(shù)前階段識(shí)別手術(shù)高風(fēng)險(xiǎn)的患者?；谙惹安渴痤A(yù)測模型的成功,Scheer等[21]又在510例ASD患者中使用基于機(jī)器學(xué)習(xí)的模型來預(yù)測近端交界區(qū)內(nèi)固定失敗和近端交界性后凸(proximal junctional kyphosis,PJK)的比率。研究使用類似的“決策樹”和自舉方法,最終模型達(dá)到了86%的準(zhǔn)確率(AUC為0.89),并證明了最高的預(yù)測因素是年齡、下固定椎和術(shù)前C7矢狀縱軸。Passias等[22]用一種更獨(dú)特的方法預(yù)測胸腰椎A(chǔ)SD手術(shù)后的頸椎排列異常,并開發(fā)了一個(gè)AUC為0.89的模型,顯示基線C2-T3Cobb角,Smith-Peterson截骨術(shù)數(shù)量的增加可以高度預(yù)測頸椎代償差。Pellisé等[23]在研究中建立了來自1 612例ASD患者的超過100個(gè)輸入特征的“隨機(jī)森林模型”,以評(píng)估發(fā)生主要并發(fā)癥、再手術(shù)及再入院3種主要結(jié)局的風(fēng)險(xiǎn)(AUC為0.67～0.92)。這項(xiàng)研究的新穎之處在于,它為每個(gè)結(jié)局開發(fā)了2個(gè)預(yù)測模型:一個(gè)模型只包含術(shù)前變量,另一個(gè)模型包含圍手術(shù)期信息。脊柱外科醫(yī)師已經(jīng)在預(yù)測分析方面取得了進(jìn)展,但仍無法發(fā)揮機(jī)器學(xué)習(xí)和AI技術(shù)的巨大力量,以及AI如何被廣泛使用,以增強(qiáng)治療和護(hù)理脊柱畸形患者的能力。隨著對(duì)生物標(biāo)志物認(rèn)識(shí)的增加,獲得更多額外的信息,包括對(duì)人的生物識(shí)別和生物物理健康概況的各個(gè)方面的使用,AI對(duì)ASD的幫助更大。

2 AI在脊柱矯形手術(shù)中術(shù)前規(guī)劃的應(yīng)用

脊柱矯形手術(shù)的手術(shù)難度大,手術(shù)的成功率顯得尤為重要。AI集成各種技術(shù)可以極大地提高外科手術(shù)的安全性、一致性、可靠性及有效性。術(shù)前深入規(guī)劃手術(shù)入路和干預(yù)措施是微創(chuàng)技術(shù)和高難度手術(shù)的重要基礎(chǔ)。20世紀(jì)90年代中期,神經(jīng)外科引入了術(shù)前三維規(guī)劃,使得到達(dá)手術(shù)目標(biāo)的通路更短。在虛擬環(huán)境中對(duì)成像數(shù)據(jù)的三維重建能夠加快對(duì)患者個(gè)體解剖結(jié)構(gòu)的理解,以及幫助年輕外科醫(yī)師進(jìn)行解剖學(xué)學(xué)習(xí)。目前,國外較流行的脊柱側(cè)凸術(shù)前規(guī)劃軟件——Surgimap軟件,導(dǎo)入患者的影像學(xué)數(shù)據(jù)后可以輔助測量Cobb角等影像學(xué)參數(shù),還可以自動(dòng)識(shí)別椎體節(jié)段,無須手動(dòng)標(biāo)定,極大地幫助醫(yī)師提高閱片效率。后路長節(jié)段內(nèi)固定融合手術(shù)是脊柱畸形的有效治療方法,目的是通過釘棒的彎曲和椎體的旋轉(zhuǎn)移位來重建冠狀面和矢狀面排列,以保持脊柱的穩(wěn)定性。但是融合可能會(huì)增加頭端節(jié)段椎體的應(yīng)力,并最終加速鄰近椎間盤的退變。Kosterhon等[24]構(gòu)建規(guī)劃程序以優(yōu)化近端連接角(proximal joint angle,PJA),防止每個(gè)脊柱側(cè)彎患者術(shù)后PJK,整合了生物力學(xué)和機(jī)器學(xué)習(xí)來支持手術(shù)決策。對(duì)于新個(gè)體,基于學(xué)習(xí)模型可以同時(shí)預(yù)測PJK和最優(yōu)PJA的風(fēng)險(xiǎn)。在一些側(cè)凸患者中,需要截骨矯形,確定截骨的范圍和大小是矯形手術(shù)的難點(diǎn)。Hetherington等[25]設(shè)計(jì)了一套脊柱水平識(shí)別(spine level identification,SLIDE)系統(tǒng),能較好地對(duì)脊柱進(jìn)行掃描與重建,為術(shù)式的選擇、截骨的范圍等提供了可循的證據(jù)。

3 AI在脊柱矯形手術(shù)中的應(yīng)用

脊柱手術(shù)在過去的幾十年里有許多技術(shù)創(chuàng)新,如手術(shù)技術(shù)、置入物、生物制劑、計(jì)算機(jī)輔助導(dǎo)航及手術(shù)機(jī)器人等方面都取得了進(jìn)步。脊柱側(cè)彎矯形手術(shù)在脊柱外科手術(shù)中難度較大。側(cè)彎手術(shù)創(chuàng)傷大、手術(shù)時(shí)間久、術(shù)后并發(fā)癥也較多。由于脊柱毗鄰許多重要的血管和神經(jīng),在矯形手術(shù)中不僅要求醫(yī)師有良好的螺釘置入能力,而且還要考慮脊柱整體的生物力學(xué)功能。隨著實(shí)時(shí)圖像引導(dǎo)和導(dǎo)航能力的提升,處理患者相關(guān)數(shù)據(jù)和重建成交互式三維脊柱“地圖”的計(jì)算能力增強(qiáng),外科手術(shù)機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用得到了推廣。外科手術(shù)機(jī)器人和導(dǎo)航在改善現(xiàn)代脊柱手術(shù)方面具有巨大的潛力,一些研究在應(yīng)用外科手術(shù)機(jī)器人和導(dǎo)航來提高椎弓根螺釘準(zhǔn)確性方面取得了成功[26]。鑒于這些特點(diǎn),脊柱矯形手術(shù)中使用術(shù)中導(dǎo)航和機(jī)器人輔助系統(tǒng)較為理想。

3.1機(jī)器人輔助系統(tǒng) 脊柱矯形手術(shù)中機(jī)器人主要是在螺釘置入的過程中使用,螺釘?shù)陌踩萌胧浅C形手術(shù)成功的前提。機(jī)器人可以配準(zhǔn)跟蹤術(shù)者手部動(dòng)作,消除不自覺震顫,也可以輔助手術(shù)程序中的精細(xì)化操作,減少操作不當(dāng)或失誤帶來的醫(yī)源性損傷[27]。脊柱側(cè)凸往往是三維,而且凹槽椎弓根往往較凸側(cè)更細(xì),在胸椎椎管容積較小的前提下,行凹側(cè)置釘時(shí)容錯(cuò)率更低,在機(jī)器人的輔助下行螺釘置入則更加精準(zhǔn),安全性較高。機(jī)器人輔助手術(shù)已被其他外科亞?？剖褂枚嗄辍＿@些機(jī)器人有各種各樣的設(shè)計(jì),有不同程度的“輔助”,可以分為三大類:(1)監(jiān)控系統(tǒng),機(jī)器被編程與預(yù)定的動(dòng)作,由機(jī)器人自主監(jiān)督;(2)遠(yuǎn)程手術(shù)系統(tǒng),如達(dá)芬奇機(jī)器人,讓外科醫(yī)師從遠(yuǎn)程指揮站完全控制機(jī)器的運(yùn)動(dòng);(3)共享控制模型,一種共同自主的形式,允許外科醫(yī)師和機(jī)器人同時(shí)控制運(yùn)動(dòng)[28]。目前關(guān)于機(jī)器人輔助脊柱手術(shù)設(shè)備研究較多,有研究利用了機(jī)器人輔助技術(shù)的準(zhǔn)確性,在機(jī)器人的輔助下操作與術(shù)前模板相比,實(shí)際置入物位置的平均偏差為1 mm或更少[29]。Roser等[30]發(fā)現(xiàn)使用脊柱輔助機(jī)器人的腰骶椎弓根內(nèi)固定的準(zhǔn)確率為99%,而使用透視引導(dǎo)的準(zhǔn)確率為98%。Kantelhardt等[31]同樣報(bào)道了使用脊柱輔助機(jī)器人和常規(guī)透視的準(zhǔn)確率分別為95%和92%。在現(xiàn)有的外科手術(shù)機(jī)器人的新應(yīng)用中,Medtech設(shè)計(jì)的ROSA機(jī)器人增加了一個(gè)機(jī)械臂,機(jī)械臂與患者的移動(dòng)是一致的,攝像機(jī)實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測,經(jīng)皮放置幾個(gè)跟蹤針,以參考附著在機(jī)器人上的跟蹤球。在ROSA機(jī)器人應(yīng)用脊柱手術(shù)中,Lonjon等[32]在初步研究中報(bào)道了椎弓根螺釘內(nèi)固定的準(zhǔn)確率為97.3%,而徒手打釘?shù)臏?zhǔn)確率為92.0%,結(jié)果仍需要更多的數(shù)據(jù)來驗(yàn)證。達(dá)芬奇機(jī)器人在2000年被美國食品藥品監(jiān)督管理局(Food and Drug Administration,FDA)批準(zhǔn)用于普通腹腔鏡手術(shù),可縮短住院時(shí)間,恢復(fù)更快,術(shù)后疼痛減少和切口更小[33]。但達(dá)芬奇機(jī)器人并沒有被FDA批準(zhǔn)用于實(shí)際的脊柱內(nèi)固定,需要更多的探索來驗(yàn)證其使用。

3.2三維成像和術(shù)中導(dǎo)航 基于CT的3D導(dǎo)航在脊柱手術(shù)中的應(yīng)用已經(jīng)被廣泛研究,并進(jìn)行了多個(gè)臨床試驗(yàn)。大多數(shù)研究評(píng)估了利用該技術(shù)置入椎弓根螺釘?shù)臏?zhǔn)確性和安全性。即使有大量文獻(xiàn)證明了導(dǎo)航下椎弓根螺釘置入的安全性和可靠性,但仍然有不少文獻(xiàn)結(jié)論不確定。這可能與徒手椎弓根螺釘內(nèi)固定的成功率和安全性有關(guān),也與不同計(jì)算機(jī)輔助導(dǎo)航平臺(tái)的技術(shù)限制有關(guān),這可能會(huì)使結(jié)果的差異性顯著增加。為此,想要運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助導(dǎo)航技術(shù)的醫(yī)療機(jī)構(gòu)不僅要求相關(guān)設(shè)施的配備齊全,還要求醫(yī)師和手術(shù)室醫(yī)務(wù)人員掌握對(duì)系統(tǒng)的操作。脊柱手術(shù)機(jī)器人通過適當(dāng)?shù)臋C(jī)械臂定位來規(guī)劃螺釘軌跡的能力是基于利用脊柱成像數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)輔助導(dǎo)航。影像學(xué)數(shù)據(jù)的采集既可以通過術(shù)前透視記錄的CT,也可以通過術(shù)中CT實(shí)現(xiàn)。目前可用的術(shù)中3D脊柱成像設(shè)備均可提供足夠的成像數(shù)據(jù),且與其他設(shè)備交叉兼容[34]。因此,即使制造商不同、數(shù)據(jù)傳輸和成像配準(zhǔn)系統(tǒng)不完全配對(duì),但利用AI的術(shù)中三維成像和導(dǎo)航技術(shù)可以使得螺釘置入更加安全。

4 結(jié)語

AI技術(shù)的發(fā)展可以更好地服務(wù)于脊柱外科醫(yī)師,現(xiàn)階段脊柱矯形手術(shù)在AI技術(shù)的幫助下,不僅使螺釘置入的安全性大大提高,而且可以縮短脊柱外科醫(yī)師暴露射線的時(shí)間。AI技術(shù)的總體目標(biāo)是提高外科醫(yī)師的能力,以提供一致、可預(yù)測和安全的手術(shù),從而產(chǎn)生可靠和最佳的手術(shù)結(jié)果。AI技術(shù)包括一系列廣泛的工具,關(guān)鍵組件包括手術(shù)計(jì)劃軟件、先進(jìn)的計(jì)算機(jī)輔助導(dǎo)航、術(shù)中三維成像和機(jī)器人設(shè)備。隨著技術(shù)不斷進(jìn)步,計(jì)算機(jī)科學(xué)工具將為臨床醫(yī)師提供新的見解和數(shù)據(jù),通過機(jī)器學(xué)習(xí)和AI應(yīng)用于臨床實(shí)踐獲得的信息可與患者共享,使更多患者受益。