人工智能术前规划系统辅助人工全髋关节置换术治疗成人 Crowe Ⅳ型先天性髋关节发育不良的疗效研究

2021
10/18

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中国修复重建外科杂志
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夏天卫1,刘星宇2, 3△,刘金柱1,张长昊1,张志广1,樊燕鑫1,张超1,张逸凌3,沈计荣1

1. 南京中医药大学附属医院骨伤科(南京  210029)

2. 清华大学生命科学学院(北京  100089)

3. 北京长木谷医疗科技有限公司(北京  100176)

共同第一作者

通信作者:张逸凌,Email:ylzhang@changmugu.com;沈计荣,Email:joint66118@sina.com


关键词:人工智能;人工全髋关节置换术;股骨转子下短缩截骨术;先天性髋关节发育不良;术前规划

引用本文:夏天卫,刘星宇,刘金柱, 等. 人工智能术前规划系统辅助人工全髋关节置换术治疗成人 Crowe Ⅳ型先天性髋关节发育不良的疗效研究. 中国修复重建外科杂志, 2021, 35(10): 1265-1272. doi: 10.7507/1002-1892.202106103


 摘 要


目的    探究人工智能(artificial intelligence,AI)人工全髋关节置换术(total hip arthroplasty,THA)术前规划系统(AIHIP 系统)辅助 THA 治疗成人 Crowe Ⅳ型先天性髋关节发育不良(developmental dysplasia of the hip,DDH)的近期疗效。


方法    回顾分析 2019 年 5 月—2020 年 12 月收治的 23 例符合选择标准的 Crowe Ⅳ型DDH 患者临床资料。其中男 3 例,女 20 例;年龄 44~74 岁,平均 52.65 岁。术前双下肢长度差绝对值(15.17± 22.17)mm。术前 Harris 评分为(62.4±7.2)分。采用 AIHIP 系统进行术前规划,手术均采用常规后外侧入路下THA,13 例术中复位困难患者联合行股骨转子下短缩截骨术(subtrochanteric shortening osteotomy,SSOT)。记录患者手术时间、住院时间及不良事件发生情况;术前 1 d 及术后 1 周、6 个月采用 Harris 评分评价患肢功能;术后1 d 摄骨盆正位 X 线片评价假体位置;根据术中应用假体型号与术前规划是否一致评价假体匹配程度。


结果    术后髋臼杯型号与术前规划匹配程度为完全匹配 16 例、一般匹配 4 例(+1 号 1 例、–1 号 3 例)、不匹配3 例(均为 +2 号),符合率为 86.96%;股骨柄型号匹配程度为完全匹配 22 例、一般匹配 1 例(–1 号),符合率为100%。1 例术中发生股骨假体周围骨折,术中予以钢缆捆绑固定,术后 6 周下地助行器辅助下行走;其余患者均在术后 1 d 即下地助行器辅助下行走。手术时间 185~315 min,平均 239.43 min;住院时间 8~20 d,平均 9.96 d;脱离助行器时间 2~56 d,平均 5.09 d。术后患者均获随访 6 个月。患者切口均Ⅰ期愈合,无感染、脱位、再骨折、下肢深静脉血栓形成等并发症发生;术后 1 d 及 6 个月复查 X 线片示髋臼与股骨假体均固定牢靠且在安全范围;术后 1 d 双下肢长度差绝对值(11.96±13.48)mm,与术前比较差异无统计学意义(t=0.582,P=0.564)。术后6 个月截骨均愈合良好。术后 1 周及 6 个月 Harris 评分分别为(69.5±4.9)分和(79.2±5.7)分,手术前后各时间点间比较差异均有统计学意义(P<0.05)。术后 6 个月根据 Harris 评分评价髋关节功能,获良 13 例、中 9 例、差 1 例。


结论    AIHIP 系统辅助下 THA(术中难复位患者联合 SSOT)治疗成人 Crowe Ⅳ型 DDH,术前规划准确率高,术中髋关节易复位,术后患者下地早,早期疗效满意。


正 文


据统计,先天性髋关节发育不良(developmental dysplasia of the hip,DDH)发病率为 0.05%~0.2%,我国约有 160 万 DDH 患者[1-3]。成人 DDH,尤其是成人高脱位 DDH(Crowe Ⅳ型)的髋臼小、浅、平,股骨髓腔小、前倾过大,关节囊肥厚松弛拉长,外展肌、股直肌等短缩,手术治疗难度大[4-5]。人工全髋关节置换术(total hip arthroplasty,THA)[必要时联合股骨转子下短缩截骨术(subtro-chanteric shortening osteotomy,SSOT)]是治疗成人Crowe Ⅳ型 DDH 公认有效的术式[4-9]。传统 X 线片模板测量法术前规划效率低、不准确,导致医生需要在术中多次进行试模操作,且成人 Crowe Ⅳ型DDH 病情复杂、患者个体差异大、术中存在假体选择变量多等因素,严重影响了 THA 手术效果[10-12]

人工智能(artificial intelligence,AI)是一项新兴技术[13]。AI 可分析难度较大的医学数据,借助计算机的高效处理能力辅助医务人员组织数据、识别模型、指导实践。由北京长木谷医疗科技有限公司研发的 AI THA 术前精准规划系统(AIHIP 系统)是目前最新的 THA 术前规划系统。现回顾分析以南京中医药大学附属医院骨伤科为主的北京长木谷医疗科技有限公司合作单位采用 AIHIP 系统辅助 THA(必要时联合 SSOT)治疗的 Crowe Ⅳ型DDH 患者临床资料,总结临床疗效及治疗体会,探讨该系统的应用价值。报告如下。


1

临 床 资 料


1.1    一般资料

纳入标准:① 高脱位 DDH(Crowe Ⅳ型)且行初次 THA;② 年龄>20 岁;③ 使用 AIHIP 系统进行 THA 术前规划;④ 使用美国 DePuy Synthes 公司的 PINNACLE 臼杯、内衬、股骨头、S-ROM 柄、B-SML 三角袖套。排除标准:① 患者术前规划后未行手术;② 术前影像资料不符合 AIHIP 系统规划标准;③ 术前髋关节或身体其他部位存在活动性感染病灶。2019 年 5 月—2020 年 12 月共 23 例患者符合选择标准纳入研究。

本组男 3 例,女 20 例;年龄 44~74 岁,平均52.65 岁。左髋 15 例,右髋 8 例。术前双下肢长度差绝对值(15.17±22.17)mm。术前无明显脊柱侧弯畸形,Trendelenburg 征均呈阳性。术前 Harris 评分为(62.4±7.2)分。

1.2    术前规划

Crowe Ⅳ型 DDH 属于高度脱位,考虑到术中必要时须行 SSOT 以利于股骨头复位至真臼内,故手术均采用常规后外侧入路。术前摄标准骨盆正位 X 线片及双髋关节 256 排 CT 平扫,扫描范围为整个骨盆及股骨小转子下 15 cm,扫描层厚0.8 mm。将扫描获得数据以 DICOM 格式导入AIHIP 软件,软件可自动识别、分析手术部位,完成术前规划(图 1)。


 

图 1     AIHIP 系统术前规划流程图


1.2.1    智能规划髋臼侧 AIHIP 系统采用独创的G-NET 神经网络技术(图 2),通过融合 Unet 结构、DenseBlock 结构、LSTM 网络和 PointRend 技术,可以精准识别骨骼边缘并进行精确分割(图3a)。接着在骨盆分割基础上对髋臼进行拟合,进而计算髋臼的旋转中心以及半径;再结合骨盆矫正结果(图 3b、c),规划出髋臼杯合适位置(图3d~h)。

1.2.2    智能规划股骨侧 根据测得的股骨髓腔直径并结合 S-ROM 柄特征,确定股骨颈截骨位置与保留股骨距长度(图 3i),匹配适当型号、内外翻角度、放置位置的股骨柄(图 3j~l),根据双下肢长度差绝对值智能匹配适当球头。此外,AIPHIP 软件可根据前期识别的解剖标志点变化情况,模拟术前(三维重建后坐标与二维横断面、矢状面、冠状面三轴联动,点击其中 1 个视图,其他视图也会相应变化,图 3m)、术后效果(图 3n~p),测算股骨柄假体安放后双下肢长度差绝对值。


 

图 2     AIHIP 系统自研独特算法(G-NET 神经网络)骨骼分割示意图


 

图 3     左髋 DDH 术前 AIHIP 软件设计     a. 骨盆分割;b. 骨盆矫正;c. 骨盆矫正透明图;d. 左侧髋臼杯安放 AI 术前规划;e~h. 左侧髋臼杯设计细节;i. 左侧髋臼杯安放横断位 AI 术前规划;j. 股骨截骨位置;k. 左侧股骨假体二维横断位规划;l. 左侧股骨假体二维矢状位规划;m. 术前 CT 与三维重建联动;n. 模拟术后第 1 天 X 线片;o. 模拟术后第 1 天正视透明图;p. 模拟术后第 1 天侧视透明图


1.3    手术方法

取常规后外侧切口,长约 15 cm,沿大转子后缘切开部分外旋肌群,拉钩推开后切开后关节囊,显露患侧髋关节。切除关节囊,松解髂腰肌以利于进一步将股骨头牵引至真臼水平。按照 AI 设计图中定位的股骨颈截骨位置锯开股骨颈,保留合适股骨距,取出股骨头。清理后下方真臼内增生组织,按照 AI 设计图中定位的具体位置,磨锉定位、正锉、逐步加深真臼。当磨锉大小接近合适的臼杯大小时(美国 DePuy Synthes 公司的 PINNA-CLE 髋臼假体“磨单打双”,如术中需使用 36 号臼杯,则磨锉磨到 35 号),适当反锉以利于将正锉锉下的松质骨锉入真臼边缘,以增大髋臼与臼杯的接触面积。取合适的 PINNACLE 臼杯打入臼内,接着打入超高交联聚乙烯内衬。复位、开髓、依次扩髓,直至股骨髓腔锉打入结实。13 例患者术中复位困难,联合 SSOT 治疗。于小转子下 5 cm附近行近端截骨,植入合适的 B-SML 三角袖套试模与股骨试模,复位髋关节,远端截骨位置根据复位后近端股骨与远端股骨重叠的长度而定,然后行股骨远端截骨;进而劈开截断的股骨皮质,制成自体骨板,用自体骨板加钢丝捆扎固定小转子下截骨断端。植入合适的 S-ROM 柄与 B-SML 三角袖套。最后试模股骨头,植入合适的股骨头并复位至真臼内。检查关节活动度,关闭切口。见图 4。


 

图 4     THA 联合 SSOT 手术过程     a. 常规后外侧入路下显露真臼;b. 取 PINNACLE 臼杯打入真臼内;c. 自体骨板加钢缆捆绑固定小转子下截骨断端


1.4    围术期管理

① 预防感染:手术当天(术前 30 min)至术后第 2 天,患者每日静脉输注含 1 g 五水头孢唑林钠的生理盐水溶液 100 mL。② 镇痛:患者术晨口服塞来昔布胶囊 200 mg 超前镇痛;关闭切口前,于切口周围注射罗哌卡因 75 mg 局部浸润麻醉;术后前 3 天予以静脉推注帕瑞昔布注射液 40 mg(每 12小时 1 次),3 d 后改为口服塞来昔布 200 mg(早晚各 1 次)。术中予以自体血回输。③ 止血、抗凝、预防血栓形成:术前 30 min 静脉输注氨甲环酸0.5 g,术中关闭切口前用氨甲环酸 0.5 g 浸泡切口;术后第 1 天皮下注射依诺肝素钠 4 000 U,每天 1 次至出院;出院后口服阿哌沙班 2.5 mg,每天 2 次至术后第 35 天;患者麻醉清醒返回病房后即应用踝泵,术后应用足底静脉泵预防下肢深静脉血栓形成。④ 康复训练:术后第 1 天,指导患者在助行器辅助下完全负重行走,直至脱离助行器独立行走(术中发生假体周围骨折患者除外),记录脱离助行器时间。

1.5    疗效观测指标

记录患者手术时间、住院时间及不良事件发生情况(感染、脱位、骨折、下肢深静脉血栓形成等),其中依据 Mahmood 等[14]研究方法测量双下肢长度差绝对值。术前 1 d 及术后 1 周、6 个月采用Harris 评分评价患肢功能。

假体匹配程度[15]:术中应用假体型号与术前规划假体型号完全一致,为完全匹配;与术前规划假体型号相差 ±1 号,为一般匹配;与术前规划假体型号相差 ±2 号及以上,为不匹配。计算术前规划与术中应用假体型号的符合率(匹配例数+一般匹配例数占总例数的百分比)。

假体位置:术后 1 d 及术后 6 个月摄骨盆正位 X 线片并行假体角度测量。股骨假体位置依据Nakata 等[16]方法判断,股骨假体处于内翻 3° 至外翻 3° 之间,则认为假体处于中心性固定。髋臼假体位置依据 Pradhan 方法[17]判断,外展角 30°~50°、前倾角 5°~25° 时,认为髋臼假体处于安全范围。

1.6    统计学方法

采用 SPSS25.0 统计软件进行分析。计量资料以均数±标准差表示,双下肢长度差绝对值手术前后比较采用配对 t 检验,Harris 评分手术前后比较采用单因素重复测量方差分析,若不满足球形检验,采用 Greenhouse-Geisser 法进行校正;检验水准 α=0.05。


2

结 果


术后髋臼杯型号与术前规划匹配程度为完全匹配 16 例、一般匹配 4 例(+1 号 1 例、–1 号 3 例)、不匹配3 例(均为 +2 号),符合率为 86.96%。股骨柄型号匹配程度为完全匹配 22 例、一般匹配 1 例(–1号),符合率为 100%。

1 例术中发生股骨假体周围骨折,术中予以钢缆捆绑,术后 6 周助行器辅助下下地行走;其余患者均在术后 1 d 即采用助行器辅助下下地行走。本组手术时间 185~315 min,平均 239.43 min;住院时间 8~20 d,平均 9.96 d;脱离助行器时间 2~56 d,平均 5.09 d。术后患者均获随访 6 个月。患者切口均Ⅰ期愈合,无感染、脱位、再骨折、下肢深静脉血栓形成等并发症发生;术后 1 d 及 6 个月复查 X 线片示髋臼与股骨假体均固定牢靠且在安全范围;术后 1 d 双下肢长度差绝对值为(11.96± 13.48)mm,与术前比较差异无统计学意义(t=0.582,P=0.564)。术后 6 个月截骨均愈合良好。术后 1 周及 6 个月 Harris 评分分别为(69.5± 4.9)分和(79.2±5.7)分,手术前后各时间点间比较差异均有统计学意义(P<0.05)。术后 6 个月根据Harris 评分评价髋关节功能,获良 13 例、中 9 例、差 1 例。见图 5。


 

图 5     患者,女,52 岁,左髋 Crowe Ⅳ型、右髋 Crowe Ⅱ型 DDH,左髋先行 THA 联合 SSOT,术后 4 个月右髋行 THA     从左至右分别为双下肢站立位全长 X 线片、髋关节正位 X 线片及左髋关节侧位 X 线片 a. 术前;b. 术后 6 个月示髋臼侧与股骨侧假体固定均牢靠


3

讨 论


3.1    AIHIP 系统的优势

第一,AIHIP 系统提高临床工作效率。神经网络是一种模仿动物神经网络行为特征,进行分布式并行信息处理的算法数学模型。AIHIP 软件可以借助其独特的 G-NET 神经网络技术,快速识别解剖位点并分割,匹配所需假体的型号、大小,规划旋转中心、股骨距保留长度,高效实现术前规划。相比目前较为流行的 3D 打印辅助 THA 术前规划[18],其处理速度快是明显优势。此外,其他现有的三维术前规划软件存在操作繁琐、需要手动标记、耗时较长、价格昂贵等不足[14]。在识别速度方面,同类三维术前规划软件,如 Mimics、HipPlan 等,因需要手动分割,每例规划用时约 24 min;AIHIP 系统每例规划用时平均约 5 min,明显精简、缩短了术前规划时间。

第二,AIHIP 系统准确率较高。国内 THA 术前规划仍以传统基于二维 X 线片测量为主,因放大率不准确、拍摄投照角度存在差异、操作繁琐、假体型号种类不全等问题,术前规划常不准确,严重影响 THA 手术效果[10-12]。而且 Crowe Ⅳ型 DDH 患者髋关节高脱位、双下肢真性不等长、髋关节外翻,因此周密的术前计划非常重要。AIHIP 系统利用自研的 G-NET 算法,基于 Unet 结构、Dense-Block 结构、LSTM 网络、PointRend 技术对骨骼骨块进行精准分割并识别关键解剖点,平均识别误差为 0.87 个像素值,骰子重叠系数精度为 92.5%,高于传统分割网络,且具有更好的鲁棒性(robust-ness)。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人体解剖结构,智能放置假体位置,计算最适角度,假体完全匹配率可达 90% 以上。既往二维规划相关研究发现,髋臼杯符合率为 7.3%~70%,股骨干符合率为 36%~79%[18-19]。本研究中 AIHIP 系统规划假体型号的符合率高于传统二维规划。

第三,AIHIP 系统有利于减少术中错误。成人Crowe Ⅳ型 DDH 患者的髋关节畸形多变且极其复杂。就髋臼侧置换而言,按照传统术前二维规划方法,如果髋臼磨得较浅,臼杯无法打牢,容易松动;如果髋臼磨得较深,则容易磨穿前后壁[20-21]。AIHIP 系统可以调整臼杯大小及磨锉程度,术者术前可在设计图上观察,臼杯在 AI 设计图中以不同颜色表示,如果臼杯尺寸过大,则臼杯穿出 AI 设计图中的髋臼侧骨骼,进入盆腔。就股骨侧置换而言,传统方法植入股骨假体主要依靠主刀医师手术经验,容易造成股骨侧三角袖套偏小、远端柄偏小,进而导致假体松动;或者三角袖套或假体卡得太紧,造成大转子附近骨折,严重影响临床疗效。AIHIP 系统则可以预测股骨侧假体型号,很大程度规避上述问题,提高临床疗效,减少术后翻修率。本研究中 1 例患者出现股骨假体周围骨折,我们分析为矢状位上假体倾斜,进而在扩髓过程中髓腔皮质阻力大、术者过分用力造成,这与术中开髓方向不够偏后偏外有关。

第四,AI 技术可对假体型号、截骨位置、股骨距保留长度等进行规划,辅助较为复杂的 Crowe Ⅳ型 DDH 的 THA。本研究发现患者术后 Harris评分均高于术前,提示采用 AIHIP 系统辅助术前假体规划可提高 THA 治疗成人 Crowe Ⅳ型 DDH 的疗效。

3.2    SSOT 的优势

SSOT 术后愈合率高,有助于术中难以复位的复杂高脱位患者髋关节复位,可避免血管、神经牵拉过度引起的并发症[22]。此外,文献报道 SSOT 可以通过减小股骨前倾角,矫正股骨过度前倾和大转子后移[23]。本组术中 13 例患者复位困难,联合SSOT 以利于复位,术后 6 个月截骨均愈合良好。 

3.3    S-ROM 柄的优势

本研究我们使用美国 DePuy Synthes 公司的假体,其主要特点为股骨侧的 S-ROM 柄与 B-SML 三角袖套。成人高脱位 DDH,尤其是 Crowe Ⅳ型 DDH,股骨前倾角很大,相比使用其他种类生物型柄,使用 S-ROM 柄可以减小股骨前倾角,有利于 DDH 股骨旋转畸形的矫正,进而减少常规后外侧入路THA 术后髋关节后脱位可能。另外,Crowe Ⅳ型DDH 患者外展肌、股直肌等均短缩,相比常用于Crowe Ⅳ型 DDH 的美国 Zimmer Biomet 公司的Wagner 柄和北京春立正达医疗器械股份有限公司的 165 型柄,S-ROM 柄具有以下优点:① S-ROM柄有可匹配的 B-SML 三角袖套,能够诱导骨长入;② 抗旋转效果更好,可以实现在截骨附近牢固固定,利于股骨近端截骨术后骨愈合;③ 采用S-ROM 柄时 SSOT 截骨位置较高,有利于股骨远端稳定。

3.4    本研究局限性

①受限于成人 Crowe Ⅳ 型、需要手术治疗的DDH 患者相对较少,本研究病例数较少;② 术后远期疗效尚需长期随访明确;③ 术前 AIHIP 系统辅助规划需要进行薄层 CT 扫描,增加了患者受辐射剂量及检查费用,值得进一步设计和研究;④ Crowe Ⅳ型 DDH 软组织挛缩严重,AIHIP 系统目前无法预测软组织张力;⑤ 目前的 AIHIP 系统也无法测量 SSOT 截骨长度及截骨准确位置。

综上述,AIHIP 系统辅助下 THA(术中难复位患者联合 SSOT)治疗成人 Crowe Ⅳ型 DDH,术前规划准确率高,术中易复位,术后下地早,早期疗效满意。提示借助 AIHIP 系统可安全、有效地开展此类精度要求较高、术式复杂且风险较高的手术。


共同通讯作者



张逸凌,男,北京长木谷医疗科技有限公司董事长&CEO。哈佛大学医学院博士后研究员,骨科医学博士,北京大学人工智能创新中心研究生导师。入选北京市海外高层次人才聚集工程,北京市高层次人才计划,北京市亦麒麟杰出人才,《财富》“中国40位40岁以下商界精英”。现任中国中西医结合学会医工结合专家委员会常任委员,中国医学装备协会智能装备技术分会委员。拥有十余年的骨科临床与科研经验,研究成果发表国际SCI期刊16篇,申请或授权国家发明专利41项、国际专利2项,实用新型专利3项、外观专利20项,计算机软件著作权31项。承担或参与北京市科委人工智能协同创新项目,国家留学基金委员会公派项目、国家自然科学基金重点国际合作项目、北京市科技计划等12项科研项目。


共同通讯作者



沈计荣,南京中医药大学附属医院骨伤科主任中医师。擅长髋、膝关节疾病诊疗(包括保髋保膝、微创换髋换膝、髋膝关节置换术后翻修)。现任国际骨循环研究会(ARCO)中国区常委、中国医师协会骨循环与骨坏死学组副主委、中国中西医结合学会骨伤科分会骨坏死专委会副主委、中国中西医结合学会骨科微创专委会骨关节病学组副主委、中国老年医学会骨科分会中西医结合学组副组长等。2012 年率先在国内开展外科脱位、打压植骨术治疗 ARCOⅢ期股骨头坏死;2017年率先在江苏省内开展外科脱位、旋转截骨术治疗 ARCO Ⅲ期股骨头坏死。2018 年,率先在国内将虚拟现实(VR)技术引入保髋实践,实现真正的精准保髋; 并率先在国内提出基于中日友好医院分型中西医结合股骨头坏死阶梯化治疗方案。近2年来致力于人工智能(AI)辅助下直接前路全髋关节置换术(DAA-THA)的研究。作为第一完成人先后获南京市中医药科技奖、江苏省卫健委新技术引进二等奖、中国中医药研究促进会科技进步二等奖。


第一作者



夏天卫,南京中医药大学附属医院骨伤科医师,从事中西医结合骨与关节疾病的基础与临床研究。曾获江苏省卫健委新技术引进二等奖、中国中医药研究促进会科技进步二等奖。 


参考文献:



 


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关键词:
髋关节置换术,髋关节,X线片,疗效,截骨,患者

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