数字骨科技术在膝关节单髁置换术中的应用进展

管士坤，丁堃，刘宁

(哈尔滨医科大学附属第一医院骨三科，黑龙江 哈尔滨 150001)

膝关节单髁置换术(unicompartmental knee arthroplasty，UKA)诞生于20世纪70年代，在半个世纪的发展中不断更新优化，已在全世界范围广泛开展。近几年国内UKA的手术量也呈现出高速增长的态势。以牛津单髁为例，在国内以每年40%～50%的平均复合增长率连续数年快速增长。但UKA也存在着一定的学习曲线，文献中也指出其翻修率仍然较高，对初学者来说存在着一定的失败率[1]。因此，如何提高单髁手术的成功率与假体生存率一直是研究的热点。

数字骨科结合了骨科临床与计算机数字技术，其涉及到解剖学、材料学、工程学、计算机科学及生物力学等，是一门新兴的交叉学科[2]。目前应用于UKA中的数字技术主要包括计算机辅助、人工智能、虚拟现实、有限元分析及依赖于3D打印的个性化定制假体等技术。合理的应用数字技术将有助于提高UKA假体置入的精准性及可重复性，提高假体存活率、并改善长期预后。本文从数字骨科技术为切入点，综述其在膝关节单髁置换术中的应用。

1 术中计算机辅助技术

目前在UKA领域应用的计算机辅助技术包括计算机术中导航与手术机器人，其目标均为提高UKA手术的精准性及可重复性。

计算机导航技术始于20世纪80年代，在2000年即有运用于UKA中的报道[3]。使用计算机导航技术辅助UKA可以提高手术精准度、减小力线偏差及维持软组织平衡[4]。Keene等[5]在研究中对双侧UKA患者一侧使用计算机导航，另一侧使用传统术式进行对照研究，结果示导航侧的准确率更高，下肢力线对齐更佳。Manzotti等[6]及Ma等[7]的研究同样示导航UKA提高了胫骨侧、股骨侧假体植入及下肢力线对齐的准确性。Weber等[8]进行的Meta分析示导航UKA明显提高了假体植入的精确度。此外，导航可以为经验不足的术者在截骨、软组织松解和假体定位等方面提供参考，有助于其提高手术技术。但一部分研究认为导航技术的优势不明显。首先，导航手术的手术时间较传统手术更长[8]，而Valenzuela等[9]的研究认为计算机导航技术并没有显著提高UKA中的假体及力线对齐，同时Manzotti等[6]及Ma等[7]的研究也显示导航技术带来的准确度提升并未使为膝关节功能得到改善。在长期结局方面，Konyves等[10]进行的长达9年的随访研究显示计算机导航UKA的生存率与临床结局对比传统手术无明显差别。考虑到目前的研究存在样本量少、技术异质性大等局限性，导航技术的长期结局仍有待进一步研究。

近年来，手术机器人发展迅速，目前，用于UKA中的手术机器人系统主要有Mako(Stryker，美国)及Navio(Blue Belt，美国)，其中Mako在UKA中使用最广泛。其依照术前CT进行规划并执行，术中机械臂将会给予术者触觉反馈并阻止其过度截骨。Navio作为开放平台的特点是可适配多种型号假体，且无需术前CT。研究显示二者短期治疗效果相当[11]，但Navio的手术时间较长，这可能与其注册步骤更为复杂有关[12]。在软组织张力方面，二者均可以于术中获取张力数据并对假体位置进行微调以获得更佳的软组织平衡及力线。在治疗效果方面，机器人辅助UKA在早期表现更好，Blyth等[13]研究显示机器人组在术后8周内的疼痛程度相对更低。Kayani等[14-15]研究显示Mako辅助UKA的疼痛更轻、功能恢复更好、出院更早。但机器人UKA同样存在手术时间较传统手术时间更长的问题[14]。在精准度方面，Negrín等[16]及MacCallum等[17]报道，机器人组的股骨侧、胫骨侧假体的植入位置更加准确，力线偏差更小。Bell等[18]使用Mako进行的手术胫骨侧假体植入角度提升约3.2°。Negrín等[19]使用Navio进行的手术的影像学准确率为87%，远高于传统手术组的28%。在中期结局方面，机器人UKA有明显优势，Dretakis等[20]对其使用Mako进行的手术随访3年，其假体生存率为100%。Batailler等[21]对其使用Navio平台进行的手术随访4年，其翻修率(5%)低于传统手术组(9%)，且植入位置更精准，力线偏差更小。在长期结局方面，由于手术机器人在该领域应用的时间较短，目前仍有待进一步研究。总体来说，手术机器人能够有效提升UKA假体植入及力线对齐的准确性，并有助于降低翻修率、提升治疗效果。

2 术前人工智能规划

人工智能(artificial intelligence，AI)概念最先由约翰·麦卡锡(John McCarthy)于1956年首先提出。机器学习是AI的一个分支，其可自我学习并自动改进，而基于此的计算机图像识别将协助术者进行UKA术前规划、膝关节骨关节炎诊断以获得良好的治疗效果。

在术前规划方面，我国科技企业开发的UKA术前规划系统现已投入使用，其利用术前CT快速建立膝关节三维模型，并智能计算出股骨机械轴、股骨解剖轴及胫骨机械轴间夹角等解剖参数，并以此规划出假体型号、截骨量、截骨及假体角度。术者可以参照该系统提供的意见进行手术，节省术中匹配假体耗时，提高手术效率，其优势在于无需额外耗材，成本较低。笔者所在科室自2021年起应用该系统进行UKA术前规划并行数例手术，治疗效果良好。

在膝关节骨关节炎的诊断上，Tiulpin等[22]开发的AI模型可以对患者进行自动Kellgren-Lawrence分级，其准确程度与有经验的医生相当。Norman等[23]使用DenseNet神经网络架构开发了一个自动的Kellgren-Lawrence分级模型。该模型的灵敏度和特异性分别为69%～86%和84%～99%。性能上与Tiulpin等[22]开发的模型相近。运用该类模型可有效提高膝关节骨关节炎的诊断效率，有助于更好地控制手术适应证，提升诊疗效果。

3 术前虚拟现实技术

目前增强现实(augmented reality，AR)、虚拟现实(virtual reality，VR)及混合现实(mixed reality，MR)技术已初步应用于医学领域。研究显示AR技术可增强术者的信息获取能力，提高手术效率及准确性[24]。而VR技术则更多应用于医学培训领域，利用其进行虚拟手术[25]将有助于解决开展手术教学相关的安全及伦理道德问题，并提高学习效果。一项与UKA培训有关的对照研究显示，相较传统教学VR教学的满意度更高，培训效果相当[26]。另一项研究显示使用VR进行Mako辅助UKA培训能够增强学习及记忆效果[27]。MR技术则是由AR及VR发展而来，其结合了现实世界和虚拟世界，能够在不脱离现实世界的情况下与全息图像进行交互。其可提供术区骨骼、周围神经和血管组织的虚拟3D图像，使术者能够更加直观的了解术区状况。

应用该类技术可以在术前对术中操作要点、假体植入位置等进行详细规划，并在术中起到实时参考作用，有助于提高手术成功率、改善治疗效果。同时虚拟手术在医疗培训领域可起到重要作用。但总体来说，目前该类技术的应用范围及价值有限，仍需进一步研究并拓展其应用范围。

4 “数字孪生”及有限元分析

“数字孪生”是一个超越现实的概念，其利用数字模型、传感器数据等相关信息，集成多学科进行多尺度、多方式的仿真过程。最终在虚拟空间中建立物理实体的全方位数字模型并加以利用。在骨科领域，建立膝关节的“数字孪生”，模拟假体安放并进行有限元分析(finite element analysis，FEA)将有助于分析假体及周围骨的应力状况[28]，为相关生物力学分析提供帮助。在UKA领域，Kang等[29]通过FEA研究发现胫骨内翻、股骨外翻会加大双侧副韧带应力，进而加重假体垫片磨损而导致翻修。同时，其研究显示假体关节线的升高或降低均会导致应力增加，且关节线升高时更明显。因此恢复关节线、尤其应避免关节线升高对改善预后及假体存活率起关键作用[30]。Dai等[31]则建议胫骨假体应轻度内翻，以降低内侧应力，提高存活率。Kwon等[32]研究显示，对前交叉韧带或内侧副韧带缺损的患者行内侧UKA往往预后不良。Kwon等[33]对UKA中的固定平台及活动平台假体进行对比分析，结果示固定平台假体继发外侧间室骨关节炎的可能性更大，其结果与尸体实验结果相符，证明了其准确性。FEA可为术前规划、手术操作及、适应证及术后评价等方面提供理论依据，并可对假体设计与植入角度等进行理论验证，有着良好的应用前景。

5 个性化UKA技术

个性化UKA是一种新的手术理念，其目标为尽可能恢复患者的正常解剖结构和关节形态。其主要包括个性化截骨导板(personal specific instrumentation，PSI)及个性化假体技术，其中PSI为针对患者解剖特点设计的个性化手术器械，其通常需使用影像资料进行设计并进行3D打印。对比传统手术，其优势在于可以于术前规划假体型号，节省术中匹配假体所需时间、节约部分器械成本、提高经验不足术者的手术成功率[34]并降低UKA的开展难度[35]。Jaffry等[36]进行的对照研究显示，使用PSI进行的UKA术式在假体安放位置及角度上较传统手术更精准，与使用机器人辅助的效果接近，并且用时更短。但部分研究对PSI的效果提出了质疑。如Ollivier等[37]研究称PSI辅助UKA在功能学方面没有明显改善，并且其额外花费较高，住院时间更长。同时受影像学技术限制，PSI对软骨组织适配不佳，易导致其精准度降低。因此，大规模推广PSI的价值仍有待进一步研究。

个性化假体对部分年轻、活动量大或不适用普通假体的患者可能是更好的选择。Demange等[38]为期3年的对照研究显示个性化假体能够明显改善假体覆盖率及生存率。Kang等[39]通过FEA研究发现个性化假体能够有效减少继发外侧间室骨关节炎的可能性，其生物力学方面更接近于正常膝关节。此外，Carpenter等[40]研究发现个性化假体可以明显减少假体覆盖不足或过度覆盖现象的发生率。使用个性化UKA假体能够更好地恢复膝关节正常解剖结构、关节线位置并获得更好的运动功能。但目前受成本限制而无法大规模推广。

6 局限与展望

数字骨科技术为UKA手术带来了更多元化的发展，但仍存在着一定的局限性。首先，部分新技术的使用成本较传统手术偏高，这制约了其在欠发达地区的推广应用。同时，额外的影像辐照导致患者受到的辐射量增加。另一方面，导航与手术机器人系统品牌众多且多为封闭平台，缺乏统一的标准，相互间兼容性不高，需要未来推进开放式平台的服务。目前，AI相关结果无法进行逆向验证，其准确性及可靠性尚未明确，存在一定风险。而VR技术依赖于计算机图形技术，受其限制，拟真程度偏低，目前实际应用仅处在起步阶段。最后，新兴技术在宣传阶段往往会产生夸大现象，因此切勿理论脱离实际，仍应保持谨慎的态度。

展望未来，UKA的方向是微创化、精准化、个性化。使用机器人植入定制化假体有望实现真正的精准UKA，而随着我国国产机器人的开发上市以及3D打印技术的推广，未来机器人及定制化假体的使用成本有望大幅度降低。而AI术前规划与手术机器人的结合也将会极大的提高手术开展的效率及可重复性，同时，MR技术与5G的有机结合，将会使远程会诊的呈现形式由二维图像转化为三维模型，结合机器人技术的发展，有望实现真正的远程手术，线上跨区域医疗将成为新的发展热点。

随着计算机技术的不断突破，未来数字骨科技术势必会出现革命性的进步。新时代的关节外科医生应注重学科间合作，面对数字骨科技术带来的机遇与挑战，要努力应用其武装自己，强化自己的业务水平，将医工有效结合，更好地服务于患者。