手術機器人如何從“準確”到“正確”

“易生於簡,簡生於明”

“ 在手術機器人的研發和應用中,“精準度”是目前許多人追求的目標,而對於週一新,他更感興趣于底層基本認知的“正確性”。通過數理模型或公式,將臨床問題抽象化處理為更為簡潔和底層的基本理論邏輯,並探討其正確與否。”  

手術機器人如何從“準確”到“正確”

近些年,隨著一系列新興技術的發展,臨床領域也在悄然發生著巨變。這其中,手術機器人無疑是最熱門的領域之一,尤其在骨科這類以外科治療為主導的科室,機器人的介入讓手術朝著更精準與標準化的方向發展。於是,手術機器人的研發與應用,成為骨科領域各大醫院領軍科室、醫療器械公司重磅載入的主賽道。  

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圖 | 北京積水潭醫院“矯形骨科天團”  

北京積水潭醫院作為全國骨科的執牛耳者,是國內最早開展機器人輔助手術的單位。週一新教授帶領的積水潭醫院矯形骨科團隊,在國內乃至全球率先進行了機器人輔助關節外科手術的一系列創新嘗試,並自主研發出了國內首臺用於髖關節置換的手術機器人。  

在週一新看來,“機器人可以載著你去到以前到不了的地方”,讓之前一些難以實現的手術操作成為可能。  

在手術機器人的研發和應用中,“精準度”是目前許多人追求的目標,而對於週一新,他更感興趣于底層基本認知的“正確性”。  

“如果精準定位於一個錯誤的位置,那麼結果只能是一個精準的錯誤。”  

對於“正確性”的探索,成為過去一年週一新團隊非常重要的一項工作。  

經典與傳統≠正確 

在人工關節置換領域,尤其是髖膝關節置換的療效方面,在過去長達幾十年的時間裏始終未能有大的突破進展。似乎早已進入了一個平臺期,想要再進一步變得異常困難。  

“是不是既往的手術目標和執行方式,存在著明顯的天花板或瑕疵?”  

這是很長時間以來困擾著週一新的疑問,他需要找到答案,只是一直苦於沒有合適的工具來完成這一探索。  

“機器人的出現,解決了精準安放的問題,讓我們進而有機會探討正確性的問題。”  

傳統手術中,對於人工關節假體到底安裝在了什麼位置,醫生們只是知道一個相對模糊的範圍,並沒有精確的點位資訊。在這樣的情況,探討關節假體安裝位置與療效的關係,缺乏方法學的基礎。而手術機器人的出現,讓這一研究有了路徑基礎。  

上世紀70年代末,Lewinnek教授提出了髖關節置換領域非常重要的一個概念“Safe Zone”(安全區)。他指出髖臼臼杯的安置位置有一個相對安全的範圍:外展角40±10°,前傾角15±10°,稱為“Lewinnek安全區”。自此,這一概念統治了人工關節置換領域直至今日。  

“我們現在每天的手術中執行的都是Lewinnek提出的目標,但在實際臨床工作中卻發現安全區也並非絕對安全,安全區內的髖關節脫位時有發生,大量臨床研究表明50%髖關節脫位病人的假體安置方位是落在安全區內的。”  

這不由讓週一新開始思考“Lewinnek 安全區”的目標到底對不對,尤其是在手術機器人出現之後。  

相較于很多人擁擠于手術機器人“精準度”的賽道上,週一新倒是顯得沒那麼“潮流”,他更著迷于一些基礎層面的東西。通過數理模型或公式,將臨床問題抽象化處理為更為簡潔和底層的基本理論邏輯,並探討其正確與否。  

“破”與“立”

“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,我們又該怎麼辦?”  

週一新不是第一個發出此疑問的人,在他之前,已有少數學者提出過“Lewinnek 安全區”並不能有效防止脫位,也不能確保患者在術後的關節活動度等療效,但他們並沒有闡述其原因是什麼。週一新決定要揭開這個謎底。  

為此,週一新與唐浩及其團隊其他成員建立了髖關節置換的數學模型,用數學歸納法證明髖臼臼杯安裝位置的兩大主要問題:(1)沒有一個經驗值可以滿足所有人的需求,具體到每個人的目標值都是個性化的;(2)從數學和運動學上證明“Lewinnek安全區”只是一個二維的靜止目標值,並不能滿足人們在運動過程中,髖關節比較優化的位置。  

他們的這一重要研究成果以<Conversion of the  Sagittal Functional Safe Zone to the Coronal Plane Using a Mathematical Algorithm-the reason for failure of Lewinnek Safe Zone>(借由數學演算法將矢狀面功能安全區轉化至冠狀面-Lewinnek 安全區不能成立之理由)為題,於今年1月線上發表于JBJS——骨科領域頂級雜誌The Journal of Bone & Joint Surgery(JBJS,《骨與關節外科雜誌》),系統闡述了“Lewinnek安全區”失敗的原因。  

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週一新教授團隊發表于JBJS的文章截圖  

文章指出,全髖關節置換術中臼杯的目標定位應該是個性化的,“Lewinnek安全區”的失敗是因為它不能準確預測臼杯的功能定位,因此通用型安全區髖臼臼杯定位的概念應該被改變,取而代之的是患者特異性的手術目標值。  

有意思的是,1978年,Lewinnek正是在JBJS發表論文提出了“Safe Zone”概念。40多年後,中國醫生團隊同樣在JBJS上,基於數學建模對臨床相關病例的分析,闡述了“Lewinnek安全區”不能成立之理由。  

這是“破”,接下來週一新需要思考的是如何在打破傳統的基礎上重“立”。  

於是,週一新團隊開始探索一種新的演算法,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,即最優化臼杯安裝位置。最終這套演算法被成功開發出來,據此可以根據患者站立、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,然後交由機器人去執行。  

這項突出的工作,被同為全球骨科領域的頂尖雜誌-Clinical Orthopaedics and Related Research( CORR,《臨床骨科與研究》)選為封面文章,並作為特例刊發了15頁的長文:<A Modeling Study of a Patient-specific Safe Zone for THA:Calculation,Validation,and Key Factors Based on Standing and Sitting Sagital Pelvic Tilt>.  

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CORR封面文章  

目前,週一新團隊已經利用這套方法,為400多位患者實施了髖關節手術,其中包括100多例翻修術。  

“‘正確’帶給你的是對底層基本理論以及什麼是脊柱骨盆聯動機制對髖關節重建的影響的重新認識,基於這樣的重新認識,你需要個性化確立每個病人的手術目標值並重新解構和重組手術的流程,這是我們的一大收穫。”  

數學加持

將量化分析、數學決策等數學化的手段引入到關節置換與重建的手術中,這是之前沒有人做過的。  

臨床醫學一直以來與生物、化學甚至一些文科類學科有著更緊密的聯繫,至於數學則似乎要疏遠一些。而週一新認為,醫學可能是最後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。  

“當臨床問題有了數學加持後,思維就會一下子開闊許多,以前一些不太好理解的地方開始變得容易理解了。”  

對數學一直有著濃厚興趣的週一新,算是臨床醫生中比較特別的一位。尤記得高考結束後那年的暑假,週一新借來兩本高等數學書,饒有興致地啃讀起來,上面的微積分方程常讓他著迷,這便是數學之美之於他的吸引力。  

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而骨科相較于其他臨床科室,有著更多的與力學、統計學、數理模擬等方面打交道的機會,這讓週一新在探索數學與臨床結合方面有了更多可能。  

也許是因為這種潛移默化的影響,週一新的團隊總能吸引到一些有著很好數學素養的醫生的加入。作為上述兩項研究主要參與者之一的年輕醫生唐浩,便是對數學有著很強的興趣,閒暇時喜歡研究MATLAB(數學倣真軟體,用於數據分析、深度學習、圖像處理及電腦視覺等),會自己去推算建立方程。  

這樣一個有著優秀數學背景的醫生團隊,成為週一新得以通過數學工具解決臨床問題的關鍵所在。  

“如何從臨床實踐中發現一些有價值的問題,同時將這些問題數學化,最後將數學化的推論結果回歸到臨床實踐,這是我們大有可為的地方。”  

簡生於明

數學帶來的抽象化和邏輯思維訓練,讓週一新團隊很擅于從一些複雜的臨床問題中找出規律,進而探索總結出一系列的創新理論和臨床實踐工具。

將對臨床的認知以及手術的流程、目標值等進行數學化,然後整合至機器人中,這是週一新團隊在機器人開發中與很多同行不一樣的地方。

他們為膝關節手術設計的一款專用醫療設備“求解器”,便是一個典型例子。從這個數學風濃郁的名字中,我們大概可以猜到這是一款數學化的臨床工具。它可以幫助骨科醫生對膝關節當前所處的狀態進行一個量化分析,以決定下一步手術該怎麼做。類似于在函數方程中,輸入臨床指標,機器便可推導出接下來的手術步驟。

“求解器對手術目標值和手術步驟的改進,可以説是顛覆性的。”

當你走進積水潭醫院矯形外科的手術室,眼前會出現多塊顯示屏,其中一些顯示著手術機器人的數據,另一些則顯示著求解器的參數,最後將兩者的數據貫通以指導手術進程。傳統膝關節置換術中, 力線、間隙、軟組織張力等手術參數與目標值是相互割裂的, 絕大多數手術都無法測定軟組織張力,更惘論標定軟組織的力學行為。求解器的出現統一了術中“力線、間隙、與軟組織張力”三個最重要的手術參數與目標值。做到了軟組織松解的最小化, 最大程度減輕了術後疼痛,提升了關節功能。

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週一新團隊在手術中

在求解器的基礎上,週一新團隊重新設計了人工膝關節置換的流程,解決了人工膝關節平衡的精準微調問題。這一次他們將該項新技術命名為“滴定”,一個化學名詞,表明其能像化學滴定技術那樣實現微量水準的精準控制。

“滴定”技術借由微積分的思想,分解手術步驟,利用感測器技術對軟組織平衡狀態“求導”,明確軟組織不平衡的趨勢並在下一手術步驟中予以逆轉,最後逼近完美的軟組織平衡狀態,同時也將力線、張力等因素控制在完全可接受的狀態。

在開發了一系列獨創性臨床工具的同時,週一新更是將數學、物理思想,結合進了骨關節手術臨床理論體系的創新中。

通常在人工膝關節手術之前,需要先畫一條力線(通過髖關節、膝關節和踝關節中心的軸線),以此來判斷患者的腿是不是夠直以及周圍軟組織的平衡情況。當人工膝關節裝至骨頭上,若是周圍的軟組織太松,就會不穩定;而若是太緊,則會僵硬。

以往的人工膝關節手術,總是希望把腿做得特別直。這主要是出於載荷角度的考慮,通常認為腿越直,載荷分佈就會越均勻,人工膝關節的使用壽命就會更長。

“因此‘直’就成了很多人的追求。但直與平衡之間,有時候是有矛盾的,太直了就不平衡了。”

力線、平衡、膝關節周圍軟組織張力等,這些手術目標在以往是孤立和割裂的。

而週一新希望將這些孤立的參數統一起來,因此創立了“GAF理論”:G即gap,平衡、間隙;A即alignment,力線;F即force,力。有效解決了人工膝關節手術中,幾大關鍵手術目標的統一與平衡的問題,讓骨關節手術的創傷變得更小,療效則會更好。

看著自己的“GAF理論”、“滴定技術”等在患者中的運用,且在術後隨訪中看到了更好的療效,此刻的週一新是興奮與激動的。

“易生於簡,簡生於明。”

週一新引用了明末著名科學家徐光啟在翻譯《幾何原本》時的那句名言,表達了嚴謹的邏輯體系,可以將複雜的手術操作如抽絲剝繭般變得清晰精準。一如徐光啟所言,“似至繁,實至簡,故能以其簡簡他物之至繁”。

“延伸來看,對於骨關節置換領域,便是‘明生於GAF’。”

“GAF理論”在週一新看來是一個自明性體系,可以讓手術操作夠明夠易,從而對人工膝關節到底要做成怎麼樣,又該如何實現,一下子有了新的認識。

“我們走了一條與很多人不太一樣的路,當大家都去研發和驗證手術機器人定位夠不夠精準時,我們做的是確定其定位的正確性,做到在‘正確’基礎上的‘準確’。”

人物名片 

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週一新|北京積水潭醫院矯形骨科主任

北京大學醫學部教授,博士生導師

International Hip Society (IHS)  委員

International Congress of Joint Replacement

國際委員

International Society of Technology of Arthroplasty (ISTA)董事

SICOT骨與關節感染委員會創始委員

老年醫學會骨與關節分會關節學組組長

北京醫學會骨科分會關節學組副組長

中國康復醫學會骨與關節委員會副主任委員

Jounal of Arthroplasty中文版副主編

《中華骨科雜誌》通訊編委

《中華關節外科雜誌》特邀編委

榮獲國家科學技術進步獎二等獎

北京市科學進步獎一等獎

……

國內施行髖膝關節翻修術最多的術者,從事大量複雜髖、膝關節重建與翻修的治療工作;創立了“圈”、“點”、“柱”的髖臼重建體系,並提出了延伸固定的概念,在此基礎上設計了ABM 髖臼重建系統(JOA);積極將智慧外科技術引入關節重建手術,是我國首先使用加速感測器-陀螺儀進行手術定位的術者,也是我國首先研發和使用病人個性化切骨模組的醫師,臨床工作中施行大量機器人與電腦導航關節置換術。

“易生於簡,簡生於明”  

END

來源丨醫學人物

編輯丨靳曉方 于淼

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