在手術(shù)機器人的研發(fā)和應(yīng)用中,，“精準度”是目前許多人追求的目標,，而對于周一新,，他更感興趣于底層基本認知的“正確性”,。通過數(shù)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，并探討其正確與否,。

手術(shù)機器人如何從“準確”到“正確”

近些年,，隨著一系列新興技術(shù)的發(fā)展，臨床領(lǐng)域也在悄然發(fā)生著巨變,。這其中,，手術(shù)機器人無疑是最熱門的領(lǐng)域之一，尤其在骨科這類以外科治療為主導(dǎo)的科室,，機器人的介入讓手術(shù)朝著更精準與標準化的方向發(fā)展,。于是，手術(shù)機器人的研發(fā)與應(yīng)用,，成為骨科領(lǐng)域各大醫(yī)院領(lǐng)軍科室,、醫(yī)療器械公司重磅加載的主賽道。

圖 | 北京積水潭醫(yī)院“矯形骨科天團”

北京積水潭醫(yī)院作為全國骨科的執(zhí)牛耳者,，是國內(nèi)最早開展機器人輔助手術(shù)的單位,。周一新教授帶領(lǐng)的積水潭醫(yī)院矯形骨科團隊，在國內(nèi)乃至全球率先進行了機器人輔助關(guān)節(jié)外科手術(shù)的一系列創(chuàng)新嘗試,，并自主研發(fā)出了國內(nèi)首臺用于髖關(guān)節(jié)置換的手術(shù)機器人,。

在周一新看來，“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(xiàn)的手術(shù)操作成為可能,。

在手術(shù)機器人的研發(fā)和應(yīng)用中，“精準度”是目前許多人追求的目標,，而對于周一新,，他更感興趣于底層基本認知的“正確性”。

“如果精準定位于一個錯誤的位置,，那么結(jié)果只能是一個精準的錯誤?！?/span>

對于“正確性”的探索,，成為過去一年周一新團隊非常重要的一項工作,。

經(jīng)典與傳統(tǒng)≠正確

在人工關(guān)節(jié)置換領(lǐng)域，尤其是髖膝關(guān)節(jié)置換的療效方面,，在過去長達幾十年的時間里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(shù)目標和執(zhí)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周一新的疑問,，他需要找到答案,，只是一直苦于沒有合適的工具來完成這一探索。

“機器人的出現(xiàn),，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?！?/span>

傳統(tǒng)手術(shù)中,，對于人工關(guān)節(jié)假體到底安裝在了什么位置，醫(yī)生們只是知道一個相對模糊的范圍,，并沒有精確的點位信息,。在這樣的情況，探討關(guān)節(jié)假體安裝位置與療效的關(guān)系,，缺乏方法學(xué)的基礎(chǔ),。而手術(shù)機器人的出現(xiàn)，讓這一研究有了路徑基礎(chǔ),。

上世紀70年代末,，Lewinnek教授提出了髖關(guān)節(jié)置換領(lǐng)域非常重要的一個概念“Safe Zone”（安全區(qū)）。他指出髖臼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°,，稱為“Lewinnek安全區(qū)”。自此,，這一概念統(tǒng)治了人工關(guān)節(jié)置換領(lǐng)域直至今日,。

“我們現(xiàn)在每天的手術(shù)中執(zhí)行的都是Lewinnek提出的目標，但在實際臨床工作中卻發(fā)現(xiàn)安全區(qū)也并非絕對安全,，安全區(qū)內(nèi)的髖關(guān)節(jié)脫位時有發(fā)生,，大量臨床研究表明50%髖關(guān)節(jié)脫位病人的假體安置方位是落在安全區(qū)內(nèi)的?！?/span>

這不由讓周一新開始思考“Lewinnek 安全區(qū)”的目標到底對不對,，尤其是在手術(shù)機器人出現(xiàn)之后。

相較于很多人擁擠于手術(shù)機器人“精準度”的賽道上,，周一新倒是顯得沒那么“潮流”,，他更著迷于一些基礎(chǔ)層面的東西,。通過數(shù)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,，并探討其正確與否,。

“破”與“立”

“一些我們早已習(xí)慣的傳統(tǒng)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,？”

周一新不是第一個發(fā)出此疑問的人，在他之前,，已有少數(shù)學(xué)者提出過“Lewinnek 安全區(qū)”并不能有效防止脫位,，也不能確保患者在術(shù)后的關(guān)節(jié)活動度等療效,，但他們并沒有闡述其原因是什么,。周一新決定要揭開這個謎底。

為此,，周一新與唐浩及其團隊其他成員建立了髖關(guān)節(jié)置換的數(shù)學(xué)模型,，用數(shù)學(xué)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(jīng)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(shù)學(xué)和運動學(xué)上證明“Lewinnek安全區(qū)”只是一個二維的靜止目標值,，并不能滿足人們在運動過程中，髖關(guān)節(jié)比較優(yōu)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(shù)學(xué)算法將矢狀面功能安全區(qū)轉(zhuǎn)化至冠狀面-Lewinnek 安全區(qū)不能成立之理由）為題,，于今年1月在線發(fā)表于JBJS——骨科領(lǐng)域頂級雜志The Journal of Bone & Joint Surgery（JBJS,《骨與關(guān)節(jié)外科雜志》），系統(tǒng)闡述了“Lewinnek安全區(qū)”失敗的原因,。

周一新教授團隊發(fā)表于JBJS的文章截圖

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

有意思的是,，1978年,，Lewinnek正是在JBJS發(fā)表論文提出了“Safe Zone”概念。40多年后,，中國醫(yī)生團隊同樣在JBJS上,，基于數(shù)學(xué)建模對臨床相關(guān)病例的分析，闡述了“Lewinnek安全區(qū)”不能成立之理由,。

這是“破”,，接下來周一新需要思考的是如何在打破傳統(tǒng)的基礎(chǔ)上重“立”。

于是，周一新團隊開始探索一種新的算法,，可以作為定量工具來確定全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)中患者特異性的安全區(qū),，即最優(yōu)化臼杯安裝位置。最終這套算法被成功開發(fā)出來,，據(jù)此可以根據(jù)患者站立、坐位乃至蹲位等不同姿態(tài)下骨盆傾斜角的變化,、關(guān)節(jié)活動度等綜合因素,，為每位患者計算出一個功能最優(yōu)且最安全的目標值，然后交由機器人去執(zhí)行,。

這項突出的工作,，被同為全球骨科領(lǐng)域的頂尖雜志-Clinical Orthopaedics and Related Research( CORR,《臨床骨科與研究》）選為封面文章，并作為特例刊發(fā)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>.

CORR封面文章

目前,，周一新團隊已經(jīng)利用這套方法,，為400多位患者實施了髖關(guān)節(jié)手術(shù)，其中包括100多例翻修術(shù),。

“'正確’帶給你的是對底層基本理論以及什么是脊柱骨盆聯(lián)動機制對髖關(guān)節(jié)重建的影響的重新認識,，基于這樣的重新認識，你需要個性化確立每個病人的手術(shù)目標值并重新解構(gòu)和重組手術(shù)的流程,，這是我們的一大收獲,。”

數(shù)學(xué)加持

將量化分析,、數(shù)學(xué)決策等數(shù)學(xué)化的手段引入到關(guān)節(jié)置換與重建的手術(shù)中,，這是之前沒有人做過的。

臨床醫(yī)學(xué)一直以來與生物,、化學(xué)甚至一些文科類學(xué)科有著更緊密的聯(lián)系,，至于數(shù)學(xué)則似乎要疏遠一些。而周一新認為,，醫(yī)學(xué)可能是最后一個被數(shù)學(xué)加持的領(lǐng)域,。這場晚到的結(jié)合，未來所迸發(fā)出的能量將是巨大的,。

“當(dāng)臨床問題有了數(shù)學(xué)加持后,，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,?！?/span>

對數(shù)學(xué)一直有著濃厚興趣的周一新，算是臨床醫(yī)生中比較特別的一位,。尤記得高考結(jié)束后那年的暑假,，周一新借來兩本高等數(shù)學(xué)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(shù)學(xué)之美之于他的吸引力,。

而骨科相較于其他臨床科室，有著更多的與力學(xué),、統(tǒng)計學(xué),、數(shù)理模擬等方面打交道的機會，這讓周一新在探索數(shù)學(xué)與臨床結(jié)合方面有了更多可能,。

也許是因為這種潛移默化的影響,，周一新的團隊總能吸引到一些有著很好數(shù)學(xué)素養(yǎng)的醫(yī)生的加入。作為上述兩項研究主要參與者之一的年輕醫(yī)生唐浩,，便是對數(shù)學(xué)有著很強的興趣,，閑暇時喜歡研究MATLAB（數(shù)學(xué)仿真軟件，用于數(shù)據(jù)分析,、深度學(xué)習(xí),、圖像處理及計算機視覺等），會自己去推算建立方程,。

這樣一個有著優(yōu)秀數(shù)學(xué)背景的醫(yī)生團隊,，成為周一新得以通過數(shù)學(xué)工具解決臨床問題的關(guān)鍵所在。

“如何從臨床實踐中發(fā)現(xiàn)一些有價值的問題,，同時將這些問題數(shù)學(xué)化,，最后將數(shù)學(xué)化的推論結(jié)果回歸到臨床實踐，這是我們大有可為的地方,?！?/span>

簡生于明

數(shù)學(xué)帶來的抽象化和邏輯思維訓(xùn)練，讓周一新團隊很擅于從一些復(fù)雜的臨床問題中找出規(guī)律,，進而探索總結(jié)出一系列的創(chuàng)新理論和臨床實踐工具,。

將對臨床的認知以及手術(shù)的流程、目標值等進行數(shù)學(xué)化,，然后整合至機器人中,，這是周一新團隊在機器人開發(fā)中與很多同行不一樣的地方。

他們?yōu)橄リP(guān)節(jié)手術(shù)設(shè)計的一款專用醫(yī)療設(shè)備“求解器”,，便是一個典型例子,。從這個數(shù)學(xué)風(fēng)濃郁的名字中，我們大概可以猜到這是一款數(shù)學(xué)化的臨床工具,。它可以幫助骨科醫(yī)生對膝關(guān)節(jié)當(dāng)前所處的狀態(tài)進行一個量化分析,，以決定下一步手術(shù)該怎么做。類似于在函數(shù)方程中,，輸入臨床指標,，機器便可推導(dǎo)出接下來的手術(shù)步驟。

“求解器對手術(shù)目標值和手術(shù)步驟的改進，可以說是顛覆性的,?！?/span>

當(dāng)你走進積水潭醫(yī)院矯形外科的手術(shù)室，眼前會出現(xiàn)多塊顯示屏,，其中一些顯示著手術(shù)機器人的數(shù)據(jù),，另一些則顯示著求解器的參數(shù)，最后將兩者的數(shù)據(jù)貫通以指導(dǎo)手術(shù)進程,。傳統(tǒng)膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中,， 力線、間隙,、軟組織張力等手術(shù)參數(shù)與目標值是相互割裂的， 絕大多數(shù)手術(shù)都無法測定軟組織張力,，更惘論標定軟組織的力學(xué)行為,。求解器的出現(xiàn)統(tǒng)一了術(shù)中“力線、間隙,、與軟組織張力”三個最重要的手術(shù)參數(shù)與目標值,。做到了軟組織松解的最小化， 最大程度減輕了術(shù)后疼痛,，提升了關(guān)節(jié)功能,。

周一新團隊在手術(shù)中

在求解器的基礎(chǔ)上，周一新團隊重新設(shè)計了人工膝關(guān)節(jié)置換的流程,，解決了人工膝關(guān)節(jié)平衡的精準微調(diào)問題,。這一次他們將該項新技術(shù)命名為“滴定”，一個化學(xué)名詞,，表明其能像化學(xué)滴定技術(shù)那樣實現(xiàn)微量水平的精準控制,。

“滴定”技術(shù)借由微積分的思想，分解手術(shù)步驟,，利用傳感器技術(shù)對軟組織平衡狀態(tài)“求導(dǎo)”,明確軟組織不平衡的趨勢并在下一手術(shù)步驟中予以逆轉(zhuǎn),，最后逼近完美的軟組織平衡狀態(tài)，同時也將力線,、張力等因素控制在完全可接受的狀態(tài),。

在開發(fā)了一系列獨創(chuàng)性臨床工具的同時，周一新更是將數(shù)學(xué),、物理思想,，結(jié)合進了骨關(guān)節(jié)手術(shù)臨床理論體系的創(chuàng)新中。

通常在人工膝關(guān)節(jié)手術(shù)之前,，需要先畫一條力線（通過髖關(guān)節(jié),、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)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(dāng)人工膝關(guān)節(jié)裝至骨頭上,，若是周圍的軟組織太松,，就會不穩(wěn)定；而若是太緊,，則會僵硬,。

以往的人工膝關(guān)節(jié)手術(shù)，總是希望把腿做得特別直,。這主要是出于載荷角度的考慮,，通常認為腿越直，載荷分布就會越均勻,，人工膝關(guān)節(jié)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?！?/span>

力線,、平衡、膝關(guān)節(jié)周圍軟組織張力等,，這些手術(shù)目標在以往是孤立和割裂的,。

而周一新希望將這些孤立的參數(shù)統(tǒng)一起來，因此創(chuàng)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(guān)節(jié)手術(shù)中，幾大關(guān)鍵手術(shù)目標的統(tǒng)一與平衡的問題,，讓骨關(guān)節(jié)手術(shù)的創(chuàng)傷變得更小,，療效則會更好。

看著自己的“GAF理論”,、“滴定技術(shù)”等在患者中的運用,，且在術(shù)后隨訪中看到了更好的療效，此刻的周一新是興奮與激動的,。

“易生于簡,，簡生于明?！?/span>

周一新引用了明末著名科學(xué)家徐光啟在翻譯《幾何原本》時的那句名言,，表達了嚴謹?shù)倪壿嬻w系,，可以將復(fù)雜的手術(shù)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,，對于骨關(guān)節(jié)置換領(lǐng)域，便是'明生于GAF’,?！?/span>

“GAF理論”在周一新看來是一個自明性體系，可以讓手術(shù)操作夠明夠易,，從而對人工膝關(guān)節(jié)到底要做成怎么樣,，又該如何實現(xiàn)，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(dāng)大家都去研發(fā)和驗證手術(shù)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(chǔ)上的'準確’?！?/span>

人物名片

周一新｜北京積水潭醫(yī)院矯形骨科主任

北京大學(xué)醫(yī)學(xué)部教授,，博士生導(dǎo)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(guān)節(jié)感染委員會創(chuàng)始委員

老年醫(yī)學(xué)會骨與關(guān)節(jié)分會關(guān)節(jié)學(xué)組組長

北京醫(yī)學(xué)會骨科分會關(guān)節(jié)學(xué)組副組長

中國康復(fù)醫(yī)學(xué)會骨與關(guān)節(jié)委員會副主任委員

Jounal of Arthroplasty中文版副主編

《中華骨科雜志》通訊編委

《中華關(guān)節(jié)外科雜志》特邀編委

榮獲國家科學(xué)技術(shù)進步獎二等獎

北京市科學(xué)進步獎一等獎

……

國內(nèi)施行髖膝關(guān)節(jié)翻修術(shù)最多的術(shù)者，從事大量復(fù)雜髖,、膝關(guān)節(jié)重建與翻修的治療工作,；創(chuàng)立了“圈”、“點”,、“柱”的髖臼重建體系,，并提出了延伸固定的概念，在此基礎(chǔ)上設(shè)計了ABM 髖臼重建系統(tǒng)（JOA),；積極將智能外科技術(shù)引入關(guān)節(jié)重建手術(shù),，是我國首先使用加速傳感器－陀螺儀進行手術(shù)定位的術(shù)者，也是我國首先研發(fā)和使用病人個性化切骨模塊的醫(yī)師,，臨床工作中施行大量機器人與計算機導(dǎo)航關(guān)節(jié)置換術(shù),。

來源丨醫(yī)學(xué)人物

編輯丨靳曉方 于淼