可提高機器人全膝關節(jié)置換術(shù)的準確性和效率

新聞要點：

一種用于機器人全膝關節(jié)置換(rTKR)的人工智能算法獲得了國際專利合作條約(PCT)專利，保護機器人全膝關節(jié)置換的計算算法的獨特性，新穎性和專有權(quán)。該專利自2024年八月起在150多個成員國申請專利保護，迄今為止，通過獨立專利機構(gòu)的嚴格審查和大量收據(jù)探索，尚未發(fā)現(xiàn)其他類似的概念或技術(shù)。早在2023年10月，團隊已獲取新加坡的專利。

自2023年8月以來，約有200名患者從這一創(chuàng)新方法中受益。該算法在植入物定位方面的精度高達約0.5毫米，而此前人工規(guī)劃的rTKR手術(shù)精度僅為2毫米，從而顯著提高了手術(shù)規(guī)劃的精確度，降低了錯位風險。

通過將手術(shù)期間的人工調(diào)整替換為人工智能技術(shù)，手術(shù)時間縮短了約15分鐘，整體手術(shù)效率得到提升，并可能帶來更好的功能效果、更高的患者安全性和滿意度。

生產(chǎn)效率：使用該算法的手術(shù)比依靠人工規(guī)劃的手術(shù)快約48%。

新加坡2025年2月12日 /美通社/ -- 亞歷山大醫(yī)院(AH)骨科手術(shù)團隊獲得了由世界知識產(chǎn)權(quán)組織(WIPO)管理的國際專利合作條約(PCT)，該條約保護了機器人全膝關節(jié)置換(rTKR)算法的獨特性，新穎性和專有權(quán)。自2024年8月在150多個成員國申請專利保護以來，通過獨立專利機構(gòu)的嚴格審查和大量數(shù)據(jù)檢索，迄今為止，尚未發(fā)現(xiàn)其他類似概念或技術(shù)。新加坡的專利在2023年10月就已申請并獲得，并已確定這種計算算法，在提高機器人全膝關節(jié)置換(rTKR)的準確性和效率，是獨一無二的。

亞歷山大醫(yī)院(AH)的骨科手術(shù)顧問醫(yī)生廖子強與當時還是醫(yī)學生的陸煒強(中)和黃頌平醫(yī)生共同開發(fā)了新加坡首個獲得就機器人全膝換術(shù)人工智能(A.I.)的算法的全球?qū)＠?/p>

該算法由亞歷山大醫(yī)院的骨科手術(shù)顧問醫(yī)生廖子強與黃頌平醫(yī)生和陸煒強先生共同開發(fā)。后二者在參與該項目時還是醫(yī)學生。 這項人工智能驅(qū)動的創(chuàng)新技術(shù)通過在rTKR手術(shù)中創(chuàng)建符合每位患者獨特膝關節(jié)解剖結(jié)構(gòu)的個性化植入物定位精度，優(yōu)化了rTKR手術(shù)中的個性化植入物定位。 這種創(chuàng)新方法解決了手術(shù)期間手動規(guī)劃的問題，幫助外科醫(yī)生精確對齊膝關節(jié)組件，從而可能帶來更好的術(shù)后效果和植入物壽命，并縮短手術(shù)時間，提高生產(chǎn)效率，堪稱該領域的顛覆性創(chuàng)新。自2023年8月以來，已有約200名患者使用這種新方法接受了手術(shù)。

克服當前rTKR方法的挑戰(zhàn)：

全膝關節(jié)置換術(shù)(TKR)是最常見的骨科手術(shù)之一，其應用越來越廣泛，從1999年的每10萬名65歲及以上患者中有187名患者接受手術(shù)，到2019年的499名患者。在此期間，患病率增加了2.7倍[1]。對于因骨關節(jié)炎等各種退行性疾病而出現(xiàn)嚴重膝關節(jié)疼痛的患者，全膝關節(jié)置換手術(shù)(TKR)為他們提供了恢復無痛活動能力的機會，從而改善他們的生活質(zhì)量。在過去的五年中，機器人全膝關節(jié)置換手術(shù)(rTKR)因其精確性和改善患者預后的潛力而變得越來越受歡迎。

然而，挑戰(zhàn)依然存在。在機器人膝關節(jié)置換手術(shù)中，找到滿足外科醫(yī)生目標和患者解剖結(jié)構(gòu)的最佳解決方案可能是一個復雜的過程，因為每個人的骨骼和韌帶結(jié)構(gòu)都是獨一無二的。植入物的準確定位對于術(shù)后膝關節(jié)的生物力學功能、患者的舒適度和手術(shù)的成功至關重要。

目前，rTKR外科醫(yī)生在手術(shù)中手動計劃和調(diào)整股骨和脛骨植入物的定位。這可能是一個復雜的過程，因為它需要至少在8個運動軸/自由度上對兩個植入物進行三維考慮。由于每個自由度都會影響其他自由度，因此為每位患者找到最理想的植入物位置可能具有挑戰(zhàn)性。這可能需要外科醫(yī)生考慮上千種可能性，并多次重復鋸骨和松解軟組織。目前，在手術(shù)室中，這項工作需要手動完成，耗時長達15分鐘。在時間壓力下，外科醫(yī)生在確定實施方案之前，探索更多可能性的時間有限。因此，手動規(guī)劃可能耗時較長，并可能影響手術(shù)結(jié)果。

新算法和方案的特點：

這種新穎的人工智能算法集成在切割機器人的軟件界面中，經(jīng)證實能夠應對上述挑戰(zhàn)，提高手術(shù)規(guī)劃的精確度，縮短手術(shù)時間。它考慮了定位中至少8個自由度及其相互關系(即每個自由度如何影響其他自由度)。該算法計算了數(shù)千種排列組合，以確定理想的優(yōu)化植入物規(guī)劃定位，精度高達±0.5mm，用時不到0.1秒(點擊鏈接：亞歷山大醫(yī)院的動畫視頻)，最大限度地減少了手術(shù)期間手動調(diào)整所需的時間。

臨床益處和未來前景：

該算法已被證明可顯著提高TKR植入物計劃的準確性，并節(jié)省手術(shù)時間，從而減少失血量和縮短麻醉時間。目前正在進行進一步的長期研究，以調(diào)查這項創(chuàng)新技術(shù)通過降低植入位置不理想、不必要的手術(shù)時間、失血量和感染率，從而改善患者預后和安全性。通過提高計劃精度，還可以降低術(shù)后并發(fā)癥的風險，如松動、磨損和不穩(wěn)定，減少所需的翻修手術(shù)次數(shù)，并有助于提高長期植入物的功能和壽命，從而節(jié)省長期成本。

提高精確度：根據(jù)患者獨特的解剖結(jié)構(gòu)和外科醫(yī)生的個人理念，實現(xiàn)植入物計劃定位精度為±0.5mm。

計算效率：在0.1秒內(nèi)(以前需要15分鐘，包括重做骨鋸切割和軟組織釋放)，算法可解決數(shù)千個解決方案的超平面，并有效排列最佳解決方案。

縮短手術(shù)時間：最大限度地減少術(shù)中計劃所需的時間，從而縮短手術(shù)總時間。

手術(shù)效率：使用該算法的手術(shù)比依賴人工計劃的手術(shù)大約快48%[2]。

患者擇期手術(shù)的等待時間可能縮短。

AH團隊曾進行了一項研究，評估該算法的有效性，結(jié)果表明有望提高精確度并縮短手術(shù)時間。該研究項目在2024年新加坡骨科協(xié)會年度科學會議上獲得了P Balasubramaniam獎，并在2024年國際人工關節(jié)置換技術(shù)學會(ISTA)科學大會上進行了展示。

一項涉及2021年11月至2023年12月期間接受rTKR手術(shù)的67名連續(xù)患者的預期研究證明了該算法的有效性。在這些患者中，25名在手術(shù)中使用了該算法，而42名沒有使用：

提高精確度：使用該算法的rTKR患者中，92%的手術(shù)間隙在±1.5mm以內(nèi)，而未使用該算法的手動手術(shù)組中，只有52%的手術(shù)間隙在±1.5mm以內(nèi)。

輸出一致性：手術(shù)效果不受患者年齡、性別、身高或膝關節(jié)退化程度等變量的影響。

更高的患者滿意度：由于對齊效果更好且并發(fā)癥更少，患者對膝關節(jié)置換術(shù)的滿意度往往更高。

"我熱衷于采用創(chuàng)新解決方案來提高患者治療效果。"廖子強顧問醫(yī)生說道。他補充道："看到我的患者術(shù)后生活質(zhì)量顯著提高，我感到非常高興和滿足。通過持續(xù)研究來驗證其長期影響，這種人工智能驅(qū)動的方法有可能為機器人輔助骨科手術(shù)樹立新的標準，最終惠及全球的患者和外科醫(yī)生。"

[1] 新加坡衛(wèi)生部管理醫(yī)療成本增加

[2] 從平均一小時以上縮短到40分鐘以內(nèi)。