人工智能三维术前规划在全髋关节置换术中的应用

李兴鑫 陈施展 娄延举 敖江鹏 汪丙昂

摘要：目的：分析人工智能三维术前规划在全髋关节置换术中的应用价值。方法：选取我科2019年6月-2021年6月股骨头坏死患者90例作为研究对象，所有患者均行全髋关节置换术，在手术前，采用随机数字表法将患者随机分为两组，即对照组（n=45）和观察组（n=45），对照组实施胶片模板测量方法进行术前规划，观察组实施人工智能三维术前规划。两组患者性别、年龄、手术部位以及股骨头坏死国际（ARCO）等一般资料比较，差异不具有统计学意义（P＞0.05）。比较两组患者在手术中实际应用假体型号与术前规划假体型号符合情况、术前/术后双侧联合偏心距差值、双侧股骨偏心距差值及双下肢长度差、手术时间以及术中出血量。结果：观察组患者的髋臼侧以及股骨侧的符合率显著优于对照组（P＜0.05）。两组患者在手术前双侧股骨偏心距及联合偏心距、双下肢长度差值比较无差异（P＞0.05）；术后，观察组双侧联合偏心距差值明显小于对照组（P＜0.05）；双侧股骨偏心距差值及双下肢长度差值比较无差异（P＞0.05）。观察组患者手术时间以及术中出血量均低于对照组（P＜0.05）。结论：在行全髋关节置换术患者手术前应用人工智能三维术前规划可有效提高手术中应用假体型号的准确率，缩短了患者手术时间以及术中出血量，具有较好的临床应用价值。

关键词：人工智能三维术；全髋关节置换术；应用价值

一、引言

在终末期髋关节疾病中最常见的治疗方法为全髋关节置换术（total hip arthroplasty，THA）[1]。然而，该手术对假体放置的位置以及假体的合适程度要求相对较高，对患者的手术质量以及效果也具有重要的意义。手术假体的角度、大小以及位置不正确均会增加患者术后并发症的发生率。目前，THA术前的假体尚不能得到准确规划，大多数操作人员在操作过程中依赖于视觉对假体位置的判断；然而，若在手术过程中受患者体位的变换以及操作者经验的不足，该判断方法容易产生明显的漏洞，诱发不良后果[2]。准确的术前计划一直是THA领域的研究热点。过去，术前二维模板测量是在X线平片上进行，以预测手术期间所需假体的型号和尺寸。近年来，技术人员在该技术上有了新的突破，人工智能三维术前规划以较高的优势受到了广大学者的一致好评[3]。为了更好地分析人工智能三维术前规划在THA中的应用价值，本研究选取本院90例骨头坏死的患者作为研究对象，对其采取人工智能辅助THA进行治疗，分析人工智能三维术前规划在THA中的应用价值。

二、资料与方法

（一）一般资料

选取我科2019年6月－2021年6月股骨头坏死患者90例作为研究对象，所有患者均行THA，在手术前，将90例患者采用随机数字表法分为对照组（n=45）和观察组（n=45），对照组实施胶片模板测量方法进行术前规划，观察组实施人工智能三维术前规划。纳入标准：①单侧股骨头坏死；②初次行THA；③年龄大于18岁，可承担相应的法律责任；④使用生物臼杯及生物柄（施乐辉公司，美国）；⑤临床资料完整，且具有较好的配合能力；⑥未合并肿瘤等疾病；⑦未存在病理性骨折。排除标准：①患者术前规划后未行手术；②未行THA手术治疗；③术前影像资料不符合行术前规划的相关标准；④术前髋关节或身体其他部位存在活动性感染病灶；⑤存在重度骨质疏松患者；⑥存在凝血功能异常及循环血液系统疾病。本研究经过本院医学伦理委员会批准同意，符合《赫尔辛基宣言》要求，所有研究对象均知情同意，比较两组患者一般资料，差异不具有统计学意义（P＞0.05）。见表1。

（二）方法

1.术前规划

（1）对照组

实施胶片模板测量方法。在患者手术前对患者骨盆正位侧进行X线检查，按照X线相关要求：①协助患者取仰卧位，嘱患者双腿伸直，两足内旋，脚尖朝前；②确认X线拍摄的范围，主要包括股骨近端、耻骨、髋关节、坐骨及髂骨；③确认患者股骨颈是否存在投影变形；④拍摄后确定髋关节各骨骼纹理清晰锐利，坐骨棘清晰可见，操作结束后采用传统胶片模板测量方法规划检查报告的胶片。

（2）观察组

实施人工智能三维术前规划。在患者手術前对患者骨盆进行CT检查，CT检查检查要求：①协助患者取仰卧位；②确认扫描范围；髂前上棘至股骨小转子下10CM；③确认层厚：0.8mm。将扫描所获得的DICOM数据导入系统软件中，形成三维术前规划。在手术前临床医生可根据自身经验对三维规划进行适量微调。

2.手术方法

两组患者行侧卧位，在对患者进行全麻，对患肢进行常规消毒铺单后，将股骨颈完全暴露于手术区域，并根据术前技术截骨高度及方向对股骨颈进行截骨，约截骨1.5cm，随后取出坏死股骨头，彻底暴露髋臼，并将手术中看到的髋臼形状与三维规划中的髋臼模型进行比较，使用假体薄膜模板进行二维模板测量，为患者选择合适的患者的髋臼和股骨柄，选择合适的型号，完成锉磨，锉压配合；术前将股骨髓腔扩孔至计划的股骨假体模型，选择合适的模型进行安装，复位后测量双下肢长度及髋关节稳定性，冲洗后缝合；必须确保两组患者的手术由同一组医生完成。

3.观察指标

（1）假体型号与术前规划假体型号符合情况：完全匹配：术中假体模型与术前计划假体模型完全吻合；一般匹配：与术前规划假体型号相差±1号；不匹配：术中规划假体型号与术前规划假体型号相差±2号。

（2）偏心距差值、双侧股骨偏心距差值及双下肢长度差：分别在两组患者手术前以及手术后立即拍摄骨盆正位X线片，测量假体角度。股骨假体所在位置的以Nakata确定，若假体处于3°内翻和3°外翻区间，提示假体为中心固定状态。髋臼假体位置根据Pradhan方式确定。若外展角为30°～50°，前倾角为5°～25°时，提示髋臼假体处于为安全范围。

（3）手术时间以及术中出血量：在患者进入手术室时计为开始，在患者手术结束后为结束，比较两组患者手术时间以及术中出血量。

4.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，年龄、双侧股骨偏心距差值、双侧联合偏心距差值、双下肢长度差值、手术时间、术中出血量比较采用独立样本 t 检验；性别、手术部位、国際股骨头坏死（ARCO）分期、假体型号与术前规划假体型号符合情况比较采用 χ2 检验。P＜0.05为差异具有统计学意义。

三、结果

（一）两组患者假体型号与术前规划假体型号符合情况比较

观察组患者的髋臼侧以及股骨侧的符合率显著优于对照组（P＜0.05）。见表2。

（二）两组患者手术前与手术后双侧联合偏心距差值、双侧股骨偏心距差值及双下肢长度差值比较

术前，两组患者双侧联合偏心距、双侧股骨偏心距及双下肢长度差值比较无差异（P＞0.05）；术后，双侧股骨偏心距差值及双下肢长度差值比较无差异（P＞0.05），但观察组双侧联合偏心距差值小于对照组（P＜0.05）。见表3。

（三）两组患者手术时间以及术中出血量比较

观察组患者手术时间（287.72±22.64）min以及术中出血量（503.67±82.76）ml均低于对照组（327.46±34.77）min、（705.12±81.94）ml（P＜0.05）。见表4。

四、讨论

以往我国人工智能辅助THA规划主要以采用二维胶片或软件干预为主，由于放大不准确、视角不同、操作复杂烦琐、假体型号与类型不完整，术前规划缺乏准确度，导致THA术后并发症发生率较高，严重影响患者预后以及THA的治疗效果[4]。近年来随着医学技术不断的发展和完善，三维规划系统软件的出现，极大地提高了THA置换术的手术效果。其通过在手术前采用CT扫描的术前规划具有较高的稳定性，有效避免了使用二维软件以及传统胶片所带来的误差，并有效降低了术中假体周围骨折并发症发生的可能性。以往在临床中应用二维软件对患者术前规划上大约需要耗时24分钟，而随着技术的提高，三维规划系统软件对患者术前规划上只需要耗时5分钟左右，有效减少了术前计划时间[5]。

本次研究结果显示，通过对比两组患者采用胶片模板测量法以及人工智能三维术前规划，研究结果显示：观察组患者的髋臼侧以及股骨侧的符合率显著优于对照组（P＜0.05）；提示：将人工智能三维术前规划应用于股骨头坏死患者的髋臼侧以及股骨侧的符合率相对较高。另外，本研究结果还显示，术后，观察组双侧联合偏心距差值明显小于对照组（P＜0.05）；双侧股骨偏心距差值及双下肢长度差值比较差异不具有统计学意义（P＞0.05）。导致该结果都出现可能与本次纳入样本量过少，部分患者入组以及治疗时间相对较短有关，此外本研究对患者手术后的功能指标没有进一步进行分析与评价，因此该部分结果还有待进一步研究证实。本研究结果显示观察组患者手术时间以及术中出血量均少于对照组（P＜0.05），该研究结果与文献[6]研究结果相似，提示对股骨头坏死的患者手术前实施人工智能三维术前规划，可有效缩短患者手术时间，并减少手术过程中出血量。

综上所述，在THA术前应用人工智能三维术前规划，可有效提高手术中应用假体型号的准确率，缩短了患者手术时间以及术中出血量，具有较好的临床应用价值。

作者单位：李兴鑫   陈施展   娄延举   敖江鹏   汪丙昂    西部战区空军医院

参  考  文  献

[1]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[J]. 中国修复重建外科杂志，2021，35（10）：1265-1272.

[2]吴东，柴伟，刘星宇，等. 人工智能全髋关节置换术髋臼杯放置算法的实验研究[J]. 中华骨科杂志， 2021，41（3）：176-185.

[3]王树，上官文松，张文文，等. 基于锥形束CT数据的下颌角截骨前后下颌骨形态变化的三维测量分析[J]. 中华医学美学美容杂志，2021，27（6）：499-504.

[4]魏强，徐耀增，朱锋，等. 基于三维数据的术前计划指导全髋关节置换术髋臼假体植入的准确性分析[J]. 中华骨与关节外科杂志，2017，10（5）：372-376.

[5]徐征宇，杜俊炜，姜瑶，等. 三维数字规划和二维胶片模板测量辅助全髋关节置换的效果比较[J]. 生物骨科材料与临床研究，2021，18（2）：17-22.

[6]吴东，刘星宇，张逸凌，等. 人工智能辅助全髋关节置换术三维规划系统的研发及临床应用研究[J]. 中国修复重建外科杂志，2020，34（9）：1077-1084.