在手術(shù)機(jī)器人的研發(fā)和應(yīng)用中，“精準(zhǔn)度”是目前許多人追求的目標(biāo)，而對(duì)于周一新，他更感興趣于底層基本認(rèn)知的“正確性”。通過(guò)數(shù)理模型或公式，將臨床問(wèn)題抽象化處理為更為簡(jiǎn)潔和底層的基本理論邏輯，并探討其正確與否。

手術(shù)機(jī)器人如何從“準(zhǔn)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(jī)器人無(wú)疑是最熱門(mén)的領(lǐng)域之一，尤其在骨科這類(lèi)以外科治療為主導(dǎo)的科室，機(jī)器人的介入讓手術(shù)朝著更精準(zhǔn)與標(biāo)準(zhǔn)化的方向發(fā)展。于是，手術(shù)機(jī)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(tuán)”

北京積水潭醫(yī)院作為全國(guó)骨科的執(zhí)牛耳者，是國(guó)內(nèi)最早開(kāi)展機(jī)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(tuán)隊(duì)，在國(guó)內(nèi)乃至全球率先進(jìn)行了機(jī)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(guó)內(nèi)首臺(tái)用于髖關(guān)節(jié)置換的手術(shù)機(jī)器人。

在周一新看來(lái)，“機(jī)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(shí)現(xiàn)的手術(shù)操作成為可能。

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

“如果精準(zhǔn)定位于一個(gè)錯(cuò)誤的位置，那么結(jié)果只能是一個(gè)精準(zhǔn)的錯(cuò)誤。”

對(duì)于“正確性”的探索，成為過(guò)去一年周一新團(tuán)隊(duì)非常重要的一項(xiàng)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(guò)去長(zhǎng)達(dá)幾十年的時(shí)間里始終未能有大的突破進(jìn)展。似乎早已進(jìn)入了一個(gè)平臺(tái)期，想要再進(jìn)一步變得異常困難。

“是不是既往的手術(shù)目標(biāo)和執(zhí)行方式，存在著明顯的天花板或瑕疵？”

這是很長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)困擾著周一新的疑問(wèn)，他需要找到答案，只是一直苦于沒(méi)有合適的工具來(lái)完成這一探索。

“機(jī)器人的出現(xiàn)，解決了精準(zhǔn)安放的問(wèn)題，讓我們進(jìn)而有機(jī)會(huì)探討正確性的問(wèn)題?！?/span>

傳統(tǒng)手術(shù)中，對(duì)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(gè)相對(duì)模糊的范圍，并沒(méi)有精確的點(diǎn)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(jī)器人的出現(xiàn)，讓這一研究有了路徑基礎(chǔ)。

上世紀(jì)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(gè)概念“Safe Zone”（安全區(qū)）。他指出髖臼臼杯的安置位置有一個(gè)相對(duì)安全的范圍：外展角40±10°，前傾角15±10°，稱(chēng)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(biāo)，但在實(shí)際臨床工作中卻發(fā)現(xiàn)安全區(qū)也并非絕對(duì)安全，安全區(qū)內(nèi)的髖關(guān)節(jié)脫位時(shí)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(kāi)始思考“Lewinnek 安全區(qū)”的目標(biāo)到底對(duì)不對(duì)，尤其是在手術(shù)機(jī)器人出現(xiàn)之后。

相較于很多人擁擠于手術(shù)機(jī)器人“精準(zhǔn)度”的賽道上，周一新倒是顯得沒(méi)那么“潮流”，他更著迷于一些基礎(chǔ)層面的東西。通過(guò)數(shù)理模型或公式，將臨床問(wèn)題抽象化處理為更為簡(jiǎn)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?cè)缫蚜?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(cuò)誤的,我們又該怎么辦？”

周一新不是第一個(gè)發(fā)出此疑問(wèn)的人，在他之前，已有少數(shù)學(xué)者提出過(guò)“Lewinnek 安全區(qū)”并不能有效防止脫位，也不能確?；颊咴谛g(shù)后的關(guān)節(jié)活動(dòng)度等療效，但他們并沒(méi)有闡述其原因是什么。周一新決定要揭開(kāi)這個(gè)謎底。

為此，周一新與唐浩及其團(tuán)隊(duì)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(wèn)題：（1）沒(méi)有一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值可以滿足所有人的需求，具體到每個(gè)人的目標(biāo)值都是個(gè)性化的；（2）從數(shù)學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)上證明“Lewinnek安全區(qū)”只是一個(gè)二維的靜止目標(biāo)值，并不能滿足人們?cè)谶\(yùn)動(dòng)過(guò)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(jí)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(tuán)隊(duì)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(biāo)定位應(yīng)該是個(gè)性化的，“Lewinnek安全區(qū)”的失敗是因?yàn)樗荒軠?zhǔn)確預(yù)測(cè)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(biāo)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(guó)醫(yī)生團(tuán)隊(duì)同樣在JBJS上，基于數(shù)學(xué)建模對(duì)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(lái)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(tuán)隊(duì)開(kāi)始探索一種新的算法，可以作為定量工具來(lái)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(kāi)發(fā)出來(lái)，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(dòng)度等綜合因素，為每位患者計(jì)算出一個(gè)功能最優(yōu)且最安全的目標(biāo)值，然后交由機(jī)器人去執(zhí)行。

這項(xiàng)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(yè)的長(zhǎng)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(tuán)隊(duì)已經(jīng)利用這套方法，為400多位患者實(shí)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(duì)底層基本理論以及什么是脊柱骨盆聯(lián)動(dòng)機(jī)制對(duì)髖關(guān)節(jié)重建的影響的重新認(rèn)識(shí)，基于這樣的重新認(rèn)識(shí)，你需要個(gè)性化確立每個(gè)病人的手術(shù)目標(biāo)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?！?/span>

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(méi)有人做過(guò)的。

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

“當(dāng)臨床問(wèn)題有了數(shù)學(xué)加持后，思維就會(huì)一下子開(kāi)闊許多，以前一些不太好理解的地方開(kāi)始變得容易理解了?！?/span>

對(duì)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(lái)兩本高等數(shù)學(xué)書(shū)，饒有興致地啃讀起來(lái)，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(jì)學(xué)、數(shù)理模擬等方面打交道的機(jī)會(huì)，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?yàn)檫@種潛移默化的影響，周一新的團(tuán)隊(duì)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(xiàng)研究主要參與者之一的年輕醫(yī)生唐浩，便是對(duì)數(shù)學(xué)有著很強(qiáng)的興趣，閑暇時(shí)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(jì)算機(jī)視覺(jué)等），會(huì)自己去推算建立方程。

這樣一個(gè)有著優(yōu)秀數(shù)學(xué)背景的醫(yī)生團(tuán)隊(duì)，成為周一新得以通過(guò)數(shù)學(xué)工具解決臨床問(wèn)題的關(guān)鍵所在。

“如何從臨床實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)一些有價(jià)值的問(wèn)題，同時(shí)將這些問(wèn)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(shí)踐，這是我們大有可為的地方?！?/span>

簡(jiǎn)生于明

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

將對(duì)臨床的認(rèn)知以及手術(shù)的流程、目標(biāo)值等進(jìn)行數(shù)學(xué)化，然后整合至機(jī)器人中，這是周一新團(tuán)隊(duì)在機(jī)器人開(kāi)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(jì)的一款專(zhuān)用醫(yī)療設(shè)備“求解器”，便是一個(gè)典型例子。從這個(gè)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(duì)膝關(guān)節(jié)當(dāng)前所處的狀態(tài)進(jìn)行一個(gè)量化分析，以決定下一步手術(shù)該怎么做。類(lèi)似于在函數(shù)方程中，輸入臨床指標(biāo)，機(jī)器便可推導(dǎo)出接下來(lái)的手術(shù)步驟。

“求解器對(duì)手術(shù)目標(biāo)值和手術(shù)步驟的改進(jìn)，可以說(shuō)是顛覆性的?！?/span>

當(dāng)你走進(jìn)積水潭醫(yī)院矯形外科的手術(shù)室，眼前會(huì)出現(xiàn)多塊顯示屏，其中一些顯示著手術(shù)機(jī)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(jìn)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(biāo)值是相互割裂的， 絕大多數(shù)手術(shù)都無(wú)法測(cè)定軟組織張力，更惘論標(biāo)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(gè)最重要的手術(shù)參數(shù)與目標(biāo)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(tuán)隊(duì)在手術(shù)中

在求解器的基礎(chǔ)上，周一新團(tuán)隊(duì)重新設(shè)計(jì)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(zhǔn)微調(diào)問(wèn)題。這一次他們將該項(xiàng)新技術(shù)命名為“滴定”，一個(gè)化學(xué)名詞，表明其能像化學(xué)滴定技術(shù)那樣實(shí)現(xiàn)微量水平的精準(zhǔn)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(duì)軟組織平衡狀態(tài)“求導(dǎo)”,明確軟組織不平衡的趨勢(shì)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(shí)也將力線、張力等因素控制在完全可接受的狀態(tài)。

在開(kāi)發(fā)了一系列獨(dú)創(chuàng)性臨床工具的同時(shí)，周一新更是將數(shù)學(xué)、物理思想，結(jié)合進(jìn)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(huà)一條力線（通過(guò)髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)中心的軸線），以此來(lái)判斷患者的腿是不是夠直以及周?chē)浗M織的平衡情況。當(dāng)人工膝關(guān)節(jié)裝至骨頭上，若是周?chē)能浗M織太松，就會(huì)不穩(wěn)定；而若是太緊，則會(huì)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(rèn)為腿越直，載荷分布就會(huì)越均勻，人工膝關(guān)節(jié)的使用壽命就會(huì)更長(zhǎng)。

“因此'直’就成了很多人的追求。但直與平衡之間，有時(shí)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?chē)浗M織張力等，這些手術(shù)目標(biāo)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(lái)，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(biāo)的統(tǒng)一與平衡的問(wèn)題，讓骨關(guān)節(jié)手術(shù)的創(chuàng)傷變得更小，療效則會(huì)更好。

看著自己的“GAF理論”、“滴定技術(shù)”等在患者中的運(yùn)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(dòng)的。

“易生于簡(jiǎn)，簡(jiǎn)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(shí)的那句名言，表達(dá)了嚴(yán)謹(jǐn)?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(zhǔn)。一如徐光啟所言，“似至繁，實(shí)至簡(jiǎn)，故能以其簡(jiǎn)簡(jiǎn)他物之至繁”。

“延伸來(lái)看，對(duì)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(lái)是一個(gè)自明性體系，可以讓手術(shù)操作夠明夠易，從而對(duì)人工膝關(guān)節(jié)到底要做成怎么樣，又該如何實(shí)現(xiàn)，一下子有了新的認(rèn)識(shí)。

“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(yàn)證手術(shù)機(jī)器人定位夠不夠精準(zhǔn)時(shí)，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(zhǔn)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(guó)際委員

International Society of Technology of Arthroplasty (ISTA)董事

SICOT骨與關(guān)節(jié)感染委員會(huì)創(chuàng)始委員

老年醫(yī)學(xué)會(huì)骨與關(guān)節(jié)分會(huì)關(guān)節(jié)學(xué)組組長(zhǎng)

北京醫(yī)學(xué)會(huì)骨科分會(huì)關(guān)節(jié)學(xué)組副組長(zhǎng)

中國(guó)康復(fù)醫(yī)學(xué)會(huì)骨與關(guān)節(jié)委員會(huì)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(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)

北京市科學(xué)進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)

……

國(guó)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(diǎn)”、“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(jì)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(guó)首先使用加速傳感器－陀螺儀進(jìn)行手術(shù)定位的術(shù)者，也是我國(guó)首先研發(fā)和使用病人個(gè)性化切骨模塊的醫(yī)師，臨床工作中施行大量機(jī)器人與計(jì)算機(jī)導(dǎo)航關(guān)節(jié)置換術(shù)。

來(lái)源丨醫(yī)學(xué)人物

編輯丨靳曉方 于淼