一例人工智能三维规划系统辅助全膝关节置换术

随着我国老龄化 会的到来，膝关节骨关节炎的发病率逐年增加，全膝关节置换术（total knee arthroplasty，TKA）已成为骨科手术中普及率最高的术式之一，最大程度恢复膝关节功能，实现假体遗忘和长期使用是病人和关节外科医生的共同追求。假体旋转、尺寸匹配及下肢力线是术后关节舒适度和远期寿命的重要影响因素。个体间解剖结构及磨损情况存在固有差异，没有统一的截骨角度，Andrews等回顾性分析了788例连续TKA病例，股骨远端均固定外翻6°截骨，术后有14%的病人下肢力线不正 (机械轴＞3°或＜-3°) ，而TKA手术截骨角度和厚度的偏差可能导致手术灾难性的结果，因此，为实现术后下肢良好对线，TKA术前有必要进行个性化的规划，帮助术者选取合适型 的假体并施行个性化手术。

中国人民解放军总医院第一医学中心骨科于2020年7月收治1例膝关节骨关节炎病人，术前通过人工智能TKA手术三维规划系统，精准规划假体大小、位置及角度，术中根据规划顺利完成手术，现 告如下。

临床资料

病人，女，63岁，主因双膝疼痛16年，左膝加重10年入院。专科查体：痛性跛行步态，左膝内翻，局部可见因外用中药引起的斑片状色素沉着，范围约10cm×20cm，软组织不肿胀，局部皮温不高。左膝关节内、外侧间隙有明显压痛，髌骨固定，活动度差，内外侧无移动，屈伸时仅有微动，浮髌试验阴性，膝关节内外翻试验阴性，前后抽屉试验阴性。左膝关节活动度为0°~90°。X线检查示双膝关节退行性改变，骨质增生，关节间隙狭窄。

术前采集病人下肢全长X线和膝关节CT影像。下肢全长X线拍摄要求病人膝关节完全伸直位，双足并拢，脚尖向前，双侧髌骨朝前（如有旋转只需要髌骨朝前），图像为JPEG或DICOM格式。膝关节CT拍摄要求病人膝关节完全伸直位，双侧髌骨朝前，层厚：1mm，无间隙、无重叠，扫描范围为双侧膝关节中心上下20cm，横向切片1∶1节距，使用螺旋 (螺线) 扫描，矩阵：512×512，KVP：120~140kV，MA：200~250Ma，图像为DICOM格式。去除病人个人信息并签署知情同意书后，数据导入AI KNEE系统，快速智能生成并自动分割病人膝关节三维骨性解剖结构。软件自动识别解剖结构标志并测量膝关节关键参数：下肢力线内翻角为11.2°，股骨外翻角为6°，股骨外旋角为2.9°。使用ATTUNE-PS固定平台假体，AI KNEE系统据此智能生成手术方案，股骨侧为ATTUNE-PS假体4N ，胫骨侧选用ATTUNE-FB假体3 。

术中使用常规膝关节工具辅助完成手术，截骨角度与厚度根据AI KNEE手术方案执行（图1），股骨远端外翻6°，截骨厚度9mm；后髁外旋3°，截骨厚度8mm；胫骨侧后倾3°，截骨厚度9.5mm（图2）。手术仅用时45min，所用假体型 、截骨角度与术前规划完全一致，内外侧间隙及屈伸间隙平衡，髌骨轨迹及关节活动度良好，术后复查X线片示假体位置良好，下肢力线恢复至中立位（图3）。

图1 术中参考人工智能三维规划

图2 术前规划界面

图3

讨论

现有膝关节术前规划方式分为两类，二维模板测量法和三维手工规划法。二维模板测量法通过影像学测量下肢全长X线片或CT影像，获取下肢力线及膝关节角度，为术者术中截骨提供假体大小、截骨角度等参考，但因X线摄片过程中存在放大率不准确、投照角度不固定等不足，加之病人膝关节常存在屈曲挛缩畸形等情况，无法保证膝关节X线正位、侧位片为标准的正侧位X线片，常存在有扭转、重叠等情况发生，导致X线片无法准确反映病人膝关节的实际情况，测量结果的误差较大，在假体型 预测方面的准确性较低。CT影像测量需要全程手工标定，操作繁琐，要求规划者具有丰富的临床经验，规划可重复性低，尤其对于复杂膝关节疾病手术而言，可提供的参考作用较小，手术效果较依赖术者手术经验。近年来，为解决二维术前规划软件存在的问题，三维术前规划软件应运而生，具有代表性的有Zed-Knee（LEXI公司，日本）、Knee-Plan?（Symbios公司，瑞典），然而这些软件需手动对膝关节CT图像进行逐层分割，操作较二维术前规划软件更加复杂，且关键的解剖标志点以及膝关节机械力线的标注均由手工完成，对规划者要求较高，具有一定的学习曲线，难以有效满足临床需要。由于我国膝关节手术的平均术前住院天数仅为6d，加之此类型软件均为国外研发，在国内无准入许可，价格昂贵，采购困难，也无法得到大范围推广。

本次手术首次使用基于人工智能的TKA手术三维规划系统进行术前规划，该系统可根据病人术前CT图像，运用像素级分割 络，基于循环神经 络的边缘平滑技术对骨骼骨块进行精准分割。采用力学运动模拟技术以及包含注意力机制的神经 络，精确地对骨骼关键解剖点位进行识别，识别精度接近毫米级且具有较高的鲁棒性（robustness）。在假体放置方面，该系统将监督学习和基于强化学习的无监督学习相结合，依据假体设计理念及病人股骨、胫骨的解剖结构特点，准确、快速、个性化地放置膝关节假体，计算最适角度，个性化制定病人三维术前规划，以最大限度恢复病人股骨旋转及下肢力线，提高病人术后满意度。

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