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医院矫形骨科周一新教授团队提出的“臼杯矢状面角度的数学转换公式”，借助数学原理，明确了传统髋关节置换“安全区”不安全的深层原因，建立了患者特异性安全区算法及个性化手术规划方法。相关研究相继在《骨与关节外科杂志》（JBJS）和《临床骨科与研究》（CORR）杂志上发表，推动了机器人辅助手术规划理论的进步，为骨科手术揭开了量化分析与数学决策的新篇章。为深入了解这一系列研究，我们采访了周一新教授。

髋关节置换安全区真的安全吗

40多年前，Lewinnek教授提出了髋关节置换安全区概念，那之后把关节假体准确放置在安全区成为很多骨科医生的努力方向。如今，随着计算机辅助手术的发展，这个目标已经不难实现，但手术效果仍难以令人满意。此时，我们应该反思一下，我们设定的目标安全区真的安全吗？

——周一新

传统手术中，对于髋关节假体到底安装在什么位置，医生们只是知道一个相对模糊的范围，并没有精确的点位信息。在这样的情况下，探讨关节假体安装位置与疗效的关系，缺乏方法学的基础。直到20世纪70年代末，Lewinnek教授提出了髋关节置换领域非常重要的一个概念“SafeZone”（安全区）。他指出髋臼杯的安放位置有一个相对安全的范围：外展角度，前倾角度，称为Lewinnek安全区。自此，这一概念统治了人工关节置换领域直至今日。

据周一新介绍，学界曾经认为人工手术误差导致假体不能放入Lewinneck安全区，是术后关节假体脱位的主要原因。近些年，随着计算机辅助手术的发展，骨科医生普遍具备了精确放置假体的能力，临床上将假体准确放入Lewinnek安全区的概率大幅提升。然而，越来越多的证据表明，这并不能避免术后关节脱位的发生。有文献报道，58%的脱位病例臼杯角度位于Lewinnek安全区内。

在临床实践中，周一新团队也对安全区是否真的安全提出了质疑。为了探寻其内在原因，团队建立了髋关节置换的数学模型，采用数学推理结合临床验证的模式，建立了臼杯矢状面功能角度计算新的方法学。在此基础上，团队进一步探讨，最终明确两个观点：1.没有一个经验值可以满足所有患者的需求，每个患者的臼杯矢状面功能角度目标值都应是个性化的；2.Lewinnek安全区只是一个二维的静止目标值，不能正确指导髋关节假体安置，难以同时满足髋关节重建在稳定性、活动度、髋关节合理载荷等方面的要求。

假体安全区需要个性化设计

髋关节重建手术后，患者不仅要借助新关节站立，还要能蹲、能坐、能运动。髋关节假体的安装位置要考虑骨骼负重等因素，也要兼顾周围软组织维持适度张力。众多影响因素使得每名患者都需要个性化的关节重建方案，这样才能最大限度地减少术后关节脱位以及各种不适。

——周一新

为解决髋关节重建手术目标值正确性的问题，周一新带领团队首先收集了患者术前站立位、坐位、蹲位等不同姿势下的骨盆矢状面姿态参数，以避免撞击、脱位及髋关节负重面过载等为边界条件，建立了数学模型与算法，为患者寻找个性化的运动学安全区。最后，再以此指导机器人辅助手术为髋关节置换患者进行精准重建。

在解决髋臼手术目标值的同时，团队还有个意外的收获。团队发现，髋关节重建时如果股骨假体放置在10~20度区间以外，则髋臼假体理想目标值“有解”的可能性大大减小。这意味着，以往那种手术时先做髋臼的传统做法可能是错误的，或至少不是“最优”的。这个发现不但为股骨假体明确了放置安全范围，还有望改变传统髋关节重建手术的流程。

团队将这一论文发送给《临床骨科与研究》杂志编辑部后，编辑部第一时间接收了文章，将其定为年1月刊封面论文且以15页长文的形式发表。美国加州大学洛杉矶分校骨科研究中心EdwardEbramzadeh教授在述评中对此评价：文中报道的算法，让骨科医生能够依据患者特点，量化预测术后关节脱位风险，并制定更合理的术前计划，为导航或机器人辅助手术提供关键手术目标，使假体植入不仅精确，而且正确，具有重大意义。

复杂推演可以向数学工具借力

大多数骨科医生对于骨骼的受力分析等物理原理都很熟悉，但当我们需要动态分析众多因素，并在综合考量的基础上，为患者设计精准诊疗方案时，把这些问题数学化是更好的选择。

——周一新

提到团队创新的特色，周一新教授反复提到了数学，他表示“数学原理是建立骨科精准医学理论大厦的必由之路”。如何从临床实践中发现有价值的问题，同时将这些问题数学化，最后将数学化的推论结果回归到临床实践，一直是团队工作的主要方向之一。

团队主要成员唐浩医生，也是一名数学发烧友，他对医学与工程交叉融合有强烈兴趣，闲暇时喜欢利用MATLAB（数学工具软件）挖掘医学实践中的数学原理。除了培养唐浩这样的医生，提升自己团队成员的数学应用能力，周一新还不断向外借脑。团队与天玑实验室赵永强团队、北京理工大学郭建桥团队等理工科团队建立了长期合作关系，上述研究都是他们共同取得的成果。

通过系列研究，医院矫形骨科将量化分析与数学决策引入关节外科，改变了人们对手术目标值的认识，也重构了手术流程。在临床治疗中，通过加入个性化手术目标值确立和髋关节脱位运动学成因分析环节，团队改进了治疗流程，并获得了良好的临床疗效。利用患者特异性安全区算法求解手术目标值，团队已开展机器人髋关节置换术余例，到目前为止无一例脱位，极大改善了患者术后髋关节运动范围。

“从临床实践中发现一些有价值的问题，将这些问题数学化，最后将数学化的推论结果回归到临床实践，这是医学科研人员大有可为的地方。”周一新说。

文：健康报记者郑颖璠医院靳晓方

原标题：《用数学思维寻找关节假体安全区》