吳 龍,趙 鑫,劉 莉,陸志東,李 鵬

全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)(THA)是終末期髖關(guān)節(jié)疾病最有效的方法[1]。假體安裝位置不精確及術(shù)后下肢不等長是THA面臨的兩大難題[2-3]。大量臨床報道認(rèn)為精準(zhǔn)的術(shù)前規(guī)劃有助于確定假體型號、恢復(fù)旋轉(zhuǎn)中心位置、優(yōu)化假體安放位置、糾正雙下肢不等長及減少手術(shù)并發(fā)癥,對手術(shù)操作有重要參考價值[4-5]。目前THA術(shù)前規(guī)劃常規(guī)采用傳統(tǒng)的X線膠片模板測量,但基于X線的二維規(guī)劃受拍片角度、病變解剖變異復(fù)雜等影響,測量存在較多誤差與局限,術(shù)者不得不依據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)術(shù)中反復(fù)調(diào)整假體型號與位置。人工智能(AI)輔助術(shù)前三維規(guī)劃是數(shù)字骨科技術(shù)在關(guān)節(jié)置換領(lǐng)域的新興成果,通過導(dǎo)入CT數(shù)據(jù)自動生成三維模型,自動匹配合適假體并安放在最佳位置,為術(shù)者提供更多信息。本研究通過回顧性收集AI三維規(guī)劃輔助THA與傳統(tǒng)規(guī)劃輔助THA的病例數(shù)據(jù),分析兩組術(shù)前規(guī)劃與術(shù)中實(shí)際使用假體型號的符合率、髖臼假體位置情況,探討AI輔助術(shù)前三維規(guī)劃的準(zhǔn)確性。

1 資料與方法

1.1 一般資料:回顧性收集2020年1月至2022年9月于寧夏醫(yī)科大學(xué)總醫(yī)院骨三科完成的單側(cè)、初次THA的患者圍術(shù)期資料。納入其中所用術(shù)前使用AIHIP三維規(guī)劃軟件系統(tǒng)輔助完成THA的病例,并連續(xù)性納入在同一時間段由同一術(shù)者,術(shù)前采用傳統(tǒng)X線膠片模板二維規(guī)劃輔助完成THA的病例。本研究共納入患者235例,其中AI規(guī)劃組148例,傳統(tǒng)規(guī)劃組87例。男性135例,女性100例,年齡為(56.2±10.8)歲。2組患者的各項(xiàng)基線資料(年齡、性別、BMI、術(shù)前診斷)比較,差異均無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05),見表1。將術(shù)前使用AIHIP三維規(guī)劃軟件系統(tǒng)輔助完成THA的患者定義為觀察組,即AI規(guī)劃組,術(shù)前使用傳統(tǒng)X線膠片模板二維規(guī)劃輔助完成THA的患者定義為傳統(tǒng)規(guī)劃組。本研究經(jīng)我院倫理委員會批準(zhǔn)。

表1 2組患者術(shù)前基線資料比較

1.1.1 納入標(biāo)準(zhǔn):①患者髖關(guān)節(jié)疼痛,日常生活障礙;②采用標(biāo)準(zhǔn)髖關(guān)節(jié)后外側(cè)入路;③患側(cè)股骨近端Dorr分型為A型或B型;④假體選擇美國強(qiáng)生公司的生物型人工髖關(guān)節(jié)(PINNACLE杯,Summit柄)。

1.1.2 排除標(biāo)準(zhǔn):①術(shù)前、術(shù)后影像學(xué)檢查不符合評價標(biāo)準(zhǔn)(非標(biāo)準(zhǔn)雙髖關(guān)節(jié)正位片,術(shù)前X線片未帶比例尺,無法對髖臼角度進(jìn)行精確測量);②患側(cè)髖關(guān)節(jié)周圍有嚴(yán)重骨質(zhì)疏松、腫瘤、代謝性疾病;③有脊柱畸形或有腰椎內(nèi)固定手術(shù)史;④神經(jīng)肌肉功能不全(伴髖關(guān)節(jié)外展無力、小兒麻痹);⑤合并嚴(yán)重疾病無法耐受手術(shù)。

1.2 方法

1.2.1 AI術(shù)前三維規(guī)劃:AI規(guī)劃組采用AI輔助三維規(guī)劃完成術(shù)前設(shè)計。所有患者均進(jìn)行雙髖關(guān)節(jié)CT掃描,將DICOM數(shù)據(jù)導(dǎo)入人工智能三維髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)規(guī)劃軟件AIHIP(北京長木谷公司),通過三維分割及解剖識別生成三維模板,自動匹配合適型號的假體并放置在最佳位置(目標(biāo)角度為外展40°,前傾20°),并允許術(shù)者在各個層面檢驗(yàn)假體安放位置、手動調(diào)整大小與位置。髖臼側(cè)假體根據(jù)骨性解剖標(biāo)志定位于原始髖臼位置,預(yù)計髖臼磨挫位置、角度及深度,并確保髖臼覆蓋率達(dá)70%以上,股骨側(cè)假體最大化填充髓腔并且位置中立,記錄軟件規(guī)劃的最終假體型號、位置、角度、股骨頸截骨水平,預(yù)判下肢長度及偏心距恢復(fù)情況。

1.2.2 X線膠片模板二維規(guī)劃:傳統(tǒng)規(guī)劃組采用傳統(tǒng)X線膠片模板完成術(shù)前設(shè)計。術(shù)者在X線上判斷假體的位置、尺寸及股骨頸截骨水平、預(yù)估下肢長度及偏心距恢復(fù)情況。使用廠家提供塑料模板以兩側(cè)淚滴下緣的連線為水平參考線,將髖臼模板外展40°置于淚滴內(nèi)緣,使臼杯內(nèi)下緣毗鄰淚滴,選擇合適的髖臼假體型號使其充分填充髖臼并保持覆蓋率,選擇與股骨髓腔最匹配的股骨假體型號,確定截骨高度,記錄規(guī)劃型號。

1.2.3 手術(shù)過程:所有手術(shù)均由同一術(shù)者完成,采用全身麻醉,側(cè)臥位標(biāo)準(zhǔn)后外側(cè)入路進(jìn)行THA手術(shù)。根據(jù)術(shù)前規(guī)劃的股骨頸截骨位置截除股骨頭,先進(jìn)行髖臼側(cè)磨挫,依據(jù)特定解剖標(biāo)志(如髖臼橫韌帶)、術(shù)者經(jīng)驗(yàn)及術(shù)前規(guī)劃確定髖臼磨挫的位置、深度、外展角及前傾角,打磨髖臼真臼至松質(zhì)骨點(diǎn)狀出血,安放髖臼假體及相應(yīng)內(nèi)襯。磨挫股骨并植入股骨柄后,根據(jù)關(guān)節(jié)囊緊張程度及兩側(cè)膝關(guān)節(jié)位置判斷穩(wěn)定性及下肢長度,并以此選擇股骨柄、股骨頭型號。所有患者均未術(shù)中透視。依據(jù)術(shù)中實(shí)際情況選擇適合的假體。所有手術(shù)均順利進(jìn)行,AI規(guī)劃組4例股骨柄假體植入時出現(xiàn)股骨近端裂紋骨折,給予鋼絲環(huán)扎固定;傳統(tǒng)規(guī)劃組5例股骨柄假體植入時出現(xiàn)股骨近端裂紋骨折,給予鋼絲環(huán)扎固定,無其他術(shù)中并發(fā)癥發(fā)生。

1.2.4 術(shù)后處理:術(shù)后常規(guī)給予抗凝、鎮(zhèn)痛等對癥處理,指導(dǎo)患者行患肢功能鍛煉。所有患者術(shù)后次日扶雙拐下地行走,不能完全負(fù)重。

1.3 觀察指標(biāo)

1.3.1 一般效果評價:記錄所有患者圍術(shù)期并發(fā)癥、手術(shù)時間(切皮至縫合結(jié)束時間)。

1.3.2 術(shù)前規(guī)劃假體型號的準(zhǔn)確性:記錄所有患者術(shù)前規(guī)劃及術(shù)中實(shí)際應(yīng)用的髖臼杯假體與股骨柄假體型號,以術(shù)前規(guī)劃型號與術(shù)中實(shí)際應(yīng)用型號完全符合為術(shù)前規(guī)劃準(zhǔn)確,完全符合及相差1號為優(yōu)良。

1.3.3 髖臼杯假體植入的精準(zhǔn)性:髖臼杯假體植入的精準(zhǔn)性在術(shù)后次日雙髖關(guān)節(jié)正位X線片上評估。測量并記錄患者術(shù)后髖臼杯假體的外展角、前傾角,計算髖臼杯假體位于Lewinnek安全區(qū)的比例。髖臼杯的外展角定義為髖臼杯長軸與兩側(cè)淚滴連線的外側(cè)夾角,髖臼杯的前傾角采用Lewinnek等提出的公式進(jìn)行計算,即前傾角=arcsin(短軸/長軸)。將每位患者的外展角、前傾角與Lewinnek安全區(qū)(外展30°～50°,前傾5°～25°)、Callanan安全區(qū)(外展30°～45°,前傾5°～25°)進(jìn)行對比,計算每組患者術(shù)后髖臼假體位于Lewinnek安全區(qū)、Callanan安全區(qū)的比例。

2 結(jié)果

2.1 一般效果評價:2組患者手術(shù)過程順利,圍術(shù)期無麻醉意外及心腦血管意外發(fā)生,切口愈合良好。AI規(guī)劃組和傳統(tǒng)規(guī)劃組的手術(shù)時間比較,差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。

2.2 術(shù)前規(guī)劃準(zhǔn)確性:AI規(guī)劃組髖臼側(cè)假體及股骨側(cè)假體術(shù)前規(guī)劃型號與術(shù)中實(shí)際型號的完全準(zhǔn)確率分別為56.08%、55.41%,完全準(zhǔn)確及相差1號為優(yōu)良,其準(zhǔn)確率達(dá)優(yōu)良的分別占93.92%、96.62%;而傳統(tǒng)規(guī)劃組髖臼側(cè)假體及股骨側(cè)假體術(shù)前規(guī)劃型號與術(shù)中實(shí)際型號的完全準(zhǔn)確率分別為40.23%、41.38%,準(zhǔn)確率達(dá)優(yōu)良的分別占89.66%、87.36%。兩種規(guī)劃方式在髖臼、股骨假體完全準(zhǔn)確率及股骨假體優(yōu)良率的差異均有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05),見表2。

表2 2組髖臼假體與股骨假體規(guī)劃準(zhǔn)確率比較(%)

2.3 髖臼杯假體植入的精準(zhǔn)性:AI規(guī)劃組的外展角、前傾角分別為(37.17°±5.00°)、(11.86°±5.36°),傳統(tǒng)規(guī)劃組的外展角、前傾角分別為(35.81°±5.95°)、(10.68°±5.42°),2組外展角、前傾角差異均無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。AI規(guī)劃組的外展角、前傾角極差、變異系數(shù)均小于傳統(tǒng)規(guī)劃組,說明AI規(guī)劃組外展角、前傾角離散程度更小,個體間差異更小見表4、表5。以Lewinnek安全區(qū)(外展30°～50°,前傾5°～25°)為標(biāo)準(zhǔn),2組髖臼假體位于安全區(qū)內(nèi)的比例分別為85.14%和73.56%;若以更嚴(yán)格的Callanan安全區(qū)(外展30°～45°,前傾5°～25°)作為標(biāo)準(zhǔn),2組髖臼假體位于安全區(qū)內(nèi)的比例分別為81.76%和70.11%,2組比較差異均有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05),見圖1與圖2(目錄后)。

表4 2組髖臼杯假體的外展角、前傾角比較

表5 2組髖臼杯假體的外展角、前傾角離散程度

3 討論

目前THA術(shù)前設(shè)計多采用傳統(tǒng)的X線膠片模板測量,但其規(guī)劃的準(zhǔn)確性與可復(fù)制性偏低[6-8]。隨著數(shù)字骨科的來臨,基于CT數(shù)據(jù)的三維術(shù)前規(guī)劃展現(xiàn)了優(yōu)秀的規(guī)劃能力[9-12],但對于復(fù)雜病例,特別是髖關(guān)節(jié)周圍有較多骨贅時,Mimics等三維規(guī)劃軟件需要手動對CT圖像進(jìn)行三維重建,手動尋找假體安放的最佳位置,術(shù)前設(shè)計操作時間較長[13-14],正在被成熟的商業(yè)化AI三維軟件取代。人工智能三維髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)規(guī)劃軟件(AIHIP,北京長木谷公司)是國內(nèi)研發(fā)的術(shù)前規(guī)劃操作系統(tǒng),將人工智能與三維規(guī)劃相結(jié)合,智能分隔,快速實(shí)現(xiàn)三維重建解剖模型,基于大數(shù)據(jù)深度自我學(xué)習(xí),智能匹配最適假體型號及最佳安放位置,真正做到智能化、精細(xì)化、個體化。本研究通過回顧性分析我科患者數(shù)據(jù),研究人工智能三維術(shù)前規(guī)劃輔助THA的精準(zhǔn)性。

在預(yù)測假體型號準(zhǔn)確率方面,傳統(tǒng)規(guī)劃組髖臼杯與股骨柄術(shù)前設(shè)計與術(shù)中實(shí)際假體型號的完全準(zhǔn)確率分別為40.23%和41.38%,這一結(jié)果與既往的研究結(jié)果相似[15],而AI規(guī)劃組的完全準(zhǔn)確率分別為56.08%和55.41%。若按照型號完全符合及相差1號為優(yōu)良,AI規(guī)劃組的優(yōu)良率分別為93.92%、96.62%。兩種規(guī)劃方式在髖臼、股骨假體完全準(zhǔn)確率及股骨假體優(yōu)良率的差異均有統(tǒng)計學(xué)差異,這一結(jié)果提示AI術(shù)前三維規(guī)劃預(yù)測假體型號上表現(xiàn)出色,尤其在股骨側(cè)規(guī)劃更為精準(zhǔn)。

在髖臼假體的外展角和前傾角方面,AI規(guī)劃組的外展角、前傾角均大于傳統(tǒng)規(guī)劃組,更接近于術(shù)前規(guī)劃角度。并且AI規(guī)劃組外展角、前傾角離散程度更小,個體間差異更小。傳統(tǒng)規(guī)劃組髖臼假體位于Lewinnek安全區(qū)、Callanan安全區(qū)內(nèi)的比例分別是73.56%和70.11%,這一結(jié)果和既往研究相似[16],但AI規(guī)劃組的兩項(xiàng)比例分別為85.14%和81.76%,顯著高于傳統(tǒng)規(guī)劃組。這一結(jié)果表明,AI三維規(guī)劃輔助術(shù)前設(shè)計可以使髖臼假體放置更加精準(zhǔn)、安全,可重復(fù)性也更高。

本研究尚存在一些局限性。首先,本研究為回顧性研究,病例分組非隨機(jī),證據(jù)等級低于前瞻性研究,但患者各項(xiàng)基線資料(年齡、性別、BMI、術(shù)前診斷)均無明顯差異,同時我們設(shè)定了嚴(yán)格的納入排除標(biāo)準(zhǔn),規(guī)范并提高影像學(xué)檢查質(zhì)量,在一定程度上降低了偏倚。其次,AIHIP可以提供精準(zhǔn)的術(shù)前規(guī)劃,但術(shù)中仍需要醫(yī)師的判斷和經(jīng)驗(yàn),將術(shù)前規(guī)劃付諸實(shí)踐,尤其是較為復(fù)雜的病例。另外,本研究為單中心、單術(shù)者的隊(duì)列性研究,術(shù)者有豐富的關(guān)節(jié)置換手術(shù)經(jīng)驗(yàn),使得對照組的基線數(shù)值較高,可能對某些指標(biāo)對比產(chǎn)生影響。最后,AIHIP操作系統(tǒng)是新興技術(shù),隨著人工智能系統(tǒng)參與規(guī)劃手術(shù)例數(shù)及專家學(xué)者反饋增加,術(shù)前設(shè)計的準(zhǔn)確率也將不斷提高。

綜上所述,術(shù)前規(guī)劃對THA手術(shù)操作有重要參考價值,AI術(shù)前三維規(guī)劃在預(yù)測假體型號方面明顯優(yōu)于傳統(tǒng)X線膠片模板二維規(guī)劃,有助于術(shù)中髖臼假體精準(zhǔn)安放,提高了髖臼假體位于安全區(qū)內(nèi)的比例。