手术机器人如何从“准确”到“正确”

在手术机器人的研发和应用中，“精准度”是目前许多人追求的目标，而对于周一新，他更感兴趣于底层基本认知的“正确性”。通过数理模型或公式，将临床问题抽象化处理为更为简洁和底层的基本理论逻辑，并探讨其正确与否。

手术机器人如何从“准确”到“正确”

近些年，随着一系列新兴技术的发展，临床领域也在悄然发生着巨变。这其中，手术机器人无疑是最热门的领域之一，尤其在骨科这类以外科治疗为主导的科室，机器人的介入让手术朝着更精准与标准化的方向发展。于是，手术机器人的研发与应用，成为骨科领域各大医院领军科室、医疗器械公司重磅加载的主赛道。

图 | 北京积水潭医院“矫形骨科天团”

北京积水潭医院作为全国骨科的执牛耳者，是国内最早开展机器人辅助手术的单位。周一新教授带领的积水潭医院矫形骨科团队，在国内乃至全球率先进行了机器人辅助关节外科手术的一系列创新尝试，并自主研发出了国内首台用于髋关节置换的手术机器人。

在周一新看来，“机器人可以载着你去到以前到不了的地方”，让之前一些难以实现的手术操作成为可能。

在手术机器人的研发和应用中，“精准度”是目前许多人追求的目标，而对于周一新，他更感兴趣于底层基本认知的“正确性”。

“如果精准定位于一个错误的位置，那么结果只能是一个精准的错误。”

对于“正确性”的探索，成为过去一年周一新团队非常重要的一项工作。

经典与传统≠正确

在人工关节置换领域，尤其是髋膝关节置换的疗效方面，在过去长达几十年的时间里始终未能有大的突破进展。似乎早已进入了一个平台期，想要再进一步变得异常困难。

“是不是既往的手术目标和执行方式，存在着明显的天花板或瑕疵？”

这是很长时间以来困扰着周一新的疑问，他需要找到答案，只是一直苦于没有合适的工具来完成这一探索。

“机器人的出现，解决了精准安放的问题，让我们进而有机会探讨正确性的问题。”

传统手术中，对于人工关节假体到底安装在了什么位置，医生们只是知道一个相对模糊的范围，并没有精确的点位信息。在这样的情况，探讨关节假体安装位置与疗效的关系，缺乏方法学的基础。而手术机器人的出现，让这一研究有了路径基础。

上世纪70年代末，Lewinnek教授提出了髋关节置换领域非常重要的一个概念“Safe Zone”（安全区）。他指出髋臼臼杯的安置位置有一个相对安全的范围：外展角40±10°，前倾角15±10°，称为“Lewinnek安全区”。自此，这一概念统治了人工关节置换领域直至今日。

“我们现在每天的手术中执行的都是Lewinnek提出的目标，但在实际临床工作中却发现安全区也并非绝对安全，安全区内的髋关节脱位时有发生，大量临床研究表明50%髋关节脱位病人的假体安置方位是落在安全区内的。”

这不由让周一新开始思考“Lewinnek 安全区”的目标到底对不对，尤其是在手术机器人出现之后。

相较于很多人拥挤于手术机器人“精准度”的赛道上，周一新倒是显得没那么“潮流”，他更着迷于一些基础层面的东西。通过数理模型或公式，将临床问题抽象化处理为更为简洁和底层的基本理论逻辑，并探讨其正确与否。

“破”与“立”

“一些我们早已习惯的传统理论或方法，也许从根上就存在瑕疵，如果这些理论与方法是错误的,我们又该怎么办？”

周一新不是第一个发出此疑问的人，在他之前，已有少数学者提出过“Lewinnek 安全区”并不能有效防止脱位，也不能确保患者在术后的关节活动度等疗效，但他们并没有阐述其原因是什么。周一新决定要揭开这个谜底。

为此，周一新与唐浩及其团队其他成员建立了髋关节置换的数学模型，用数学归纳法证明髋臼臼杯安装位置的两大主要问题：（1）没有一个经验值可以满足所有人的需求，具体到每个人的目标值都是个性化的；（2）从数学和运动学上证明“Lewinnek安全区”只是一个二维的静止目标值，并不能满足人们在运动过程中，髋关节比较优化的位置。

他们的这一重要研究成果以(借由数学算法将矢状面功能安全区转化至冠状面-Lewinnek 安全区不能成立之理由）为题，于今年1月在线发表于JBJS——骨科领域顶级杂志The Journal of Bone & Joint Surgery（JBJS,《骨与关节外科杂志》），系统阐述了“Lewinnek安全区”失败的原因。

周一新教授团队发表于JBJS的文章截图

文章指出，全髋关节置换术中臼杯的目标定位应该是个性化的，“Lewinnek安全区”的失败是因为它不能准确预测臼杯的功能定位，因此通用型安全区髋臼臼杯定位的概念应该被改变，取而代之的是患者特异性的手术目标值。

有意思的是，1978年，Lewinnek正是在JBJS发表论文提出了“Safe Zone”概念。40多年后，中国医生团队同样在JBJS上，基于数学建模对临床相关病例的分析，阐述了“Lewinnek安全区”不能成立之理由。

这是“破”，接下来周一新需要思考的是如何在打破传统的基础上重“立”。

于是，周一新团队开始探索一种新的算法，可以作为定量工具来确定全髋关节置换术中患者特异性的安全区，即最优化臼杯安装位置。最终这套算法被成功开发出来，据此可以根据患者站立、坐位乃至蹲位等不同姿态下骨盆倾斜角的变化、关节活动度等综合因素，为每位患者计算出一个功能最优且最安全的目标值，然后交由机器人去执行。

这项突出的工作，被同为全球骨科领域的顶尖杂志-Clinical Orthopaedics and Related Research( CORR,《临床骨科与研究》）选为封面文章，并作为特例刊发了15页的长文：.

CORR封面文章

目前，周一新团队已经利用这套方法，为400多位患者实施了髋关节手术，其中包括100多例翻修术。

“‘正确’带给你的是对底层基本理论以及什么是脊柱骨盆联动机制对髋关节重建的影响的重新认识，基于这样的重新认识，你需要个性化确立每个病人的手术目标值并重新解构和重组手术的流程，这是我们的一大收获。”

数学加持

将量化分析、数学决策等数学化的手段引入到关节置换与重建的手术中，这是之前没有人做过的。

临床医学一直以来与生物、化学甚至一些文科类学科有着更紧密的联系，至于数学则似乎要疏远一些。而周一新认为，医学可能是最后一个被数学加持的领域。这场晚到的结合，未来所迸发出的能量将是巨大的。

“当临床问题有了数学加持后，思维就会一下子开阔许多，以前一些不太好理解的地方开始变得容易理解了。”

对数学一直有着浓厚兴趣的周一新，算是临床医生中比较特别的一位。尤记得高考结束后那年的暑假，周一新借来两本高等数学书，饶有兴致地啃读起来，上面的微积分方程常让他着迷，这便是数学之美之于他的吸引力。

而骨科相较于其他临床科室，有着更多的与力学、统计学、数理模拟等方面打交道的机会，这让周一新在探索数学与临床结合方面有了更多可能。

也许是因为这种潜移默化的影响，周一新的团队总能吸引到一些有着很好数学素养的医生的加入。作为上述两项研究主要参与者之一的年轻医生唐浩，便是对数学有着很强的兴趣，闲暇时喜欢研究MATLAB（数学仿真软件，用于数据分析、深度学习、图像处理及计算机视觉等），会自己去推算建立方程。

这样一个有着优秀数学背景的医生团队，成为周一新得以通过数学工具解决临床问题的关键所在。

“如何从临床实践中发现一些有价值的问题，同时将这些问题数学化，最后将数学化的推论结果回归到临床实践，这是我们大有可为的地方。”

简生于明

数学带来的抽象化和逻辑思维训练，让周一新团队很擅于从一些复杂的临床问题中找出规律，进而探索总结出一系列的创新理论和临床实践工具。

将对临床的认知以及手术的流程、目标值等进行数学化，然后整合至机器人中，这是周一新团队在机器人开发中与很多同行不一样的地方。

他们为膝关节手术设计的一款专用医疗设备“求解器”，便是一个典型例子。从这个数学风浓郁的名字中，我们大概可以猜到这是一款数学化的临床工具。它可以帮助骨科医生对膝关节当前所处的状态进行一个量化分析，以决定下一步手术该怎么做。类似于在函数方程中，输入临床指标，机器便可推导出接下来的手术步骤。

“求解器对手术目标值和手术步骤的改进，可以说是颠覆性的。”

当你走进积水潭医院矫形外科的手术室，眼前会出现多块显示屏，其中一些显示着手术机器人的数据，另一些则显示着求解器的参数，最后将两者的数据贯通以指导手术进程。传统膝关节置换术中， 力线、间隙、软组织张力等手术参数与目标值是相互割裂的， 绝大多数手术都无法测定软组织张力，更惘论标定软组织的力学行为。求解器的出现统一了术中“力线、间隙、与软组织张力”三个最重要的手术参数与目标值。做到了软组织松解的最小化， 最大程度减轻了术后疼痛，提升了关节功能。

周一新团队在手术中

在求解器的基础上，周一新团队重新设计了人工膝关节置换的流程，解决了人工膝关节平衡的精准微调问题。这一次他们将该项新技术命名为“滴定”，一个化学名词，表明其能像化学滴定技术那样实现微量水平的精准控制。

“滴定”技术借由微积分的思想，分解手术步骤，利用传感器技术对软组织平衡状态“求导”,明确软组织不平衡的趋势并在下一手术步骤中予以逆转，最后逼近完美的软组织平衡状态，同时也将力线、张力等因素控制在完全可接受的状态。

在开发了一系列独创性临床工具的同时，周一新更是将数学、物理思想，结合进了骨关节手术临床理论体系的创新中。

通常在人工膝关节手术之前，需要先画一条力线（通过髋关节、膝关节和踝关节中心的轴线），以此来判断患者的腿是不是够直以及周围软组织的平衡情况。当人工膝关节装至骨头上，若是周围的软组织太松，就会不稳定；而若是太紧，则会僵硬。

以往的人工膝关节手术，总是希望把腿做得特别直。这主要是出于载荷角度的考虑，通常认为腿越直，载荷分布就会越均匀，人工膝关节的使用寿命就会更长。

“因此‘直’就成了很多人的追求。但直与平衡之间，有时候是有矛盾的，太直了就不平衡了。”

力线、平衡、膝关节周围软组织张力等，这些手术目标在以往是孤立和割裂的。

而周一新希望将这些孤立的参数统一起来，因此创立了“GAF理论”：G即gap,平衡、间隙；A即alignment，力线；F即force,力。有效解决了人工膝关节手术中，几大关键手术目标的统一与平衡的问题，让骨关节手术的创伤变得更小，疗效则会更好。

看着自己的“GAF理论”、“滴定技术”等在患者中的运用，且在术后随访中看到了更好的疗效，此刻的周一新是兴奋与激动的。

“易生于简，简生于明。”

周一新引用了明末著名科学家徐光启在翻译《几何原本》时的那句名言，表达了严谨的逻辑体系，可以将复杂的手术操作如抽丝剥茧般变得清晰精准。一如徐光启所言，“似至繁，实至简，故能以其简简他物之至繁”。

“延伸来看，对于骨关节置换领域，便是‘明生于GAF’。”

“GAF理论”在周一新看来是一个自明性体系，可以让手术操作够明够易，从而对人工膝关节到底要做成怎么样，又该如何实现，一下子有了新的认识。

“我们走了一条与很多人不太一样的路，当大家都去研发和验证手术机器人定位够不够精准时，我们做的是确定其定位的正确性，做到在‘正确’基础上的‘准确’。”

人物名片

周一新

北京积水潭医院矫形骨科主任

北京大学医学部教授，博士生导师

International Hip Society (IHS) 委员

International Congress of Joint Replacement国际委员

International Society of Technology of Arthroplasty (ISTA)董事

SICOT骨与关节感染委员会创始委员

老年医学会骨与关节分会关节学组组长

北京医学会骨科分会关节学组副组长

中国康复医学会骨与关节委员会副主任委员

Jounal of Arthroplasty中文版副主编

《中华骨科杂志》通讯编委

《中华关节外科杂志》特邀编委

荣获国家科学技术进步奖二等奖

北京市科学进步奖一等奖

……

国内施行髋膝关节翻修术最多的术者，从事大量复杂髋、膝关节重建与翻修的治疗工作；创立了“圈”、“点”、“柱”的髋臼重建体系，并提出了延伸固定的概念，在此基础上设计了ABM 髋臼重建系统（JOA)；积极将智能外科技术引入关节重建手术，是我国首先使用加速传感器－陀螺仪进行手术定位的术者，也是我国首先研发和使用病人个性化切骨模块的医师，临床工作中施行大量机器人与计算机导航关节置换术。

来源丨医学人物

编辑丨靳晓方 于淼