在手術(shù)機器人的研發(fā)和應(yīng)用中，“精準度”是目前許多人追求的目標，而對于周一新，他更感興趣于底層基本認知的“正確性”。通過數(shù)理模型或公式，將臨床問題抽象化處理為更為簡潔和底層的基本理論邏輯，并探討其正確與否。
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)機器人無疑是最熱門的領(lǐng)域之一，尤其在骨科這類以外科治療為主導(dǎo)的科室，機器人的介入讓手術(shù)朝著更精準與標準化的方向發(fā)展。于是，手術(shù)機器人的研發(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。北京積水潭醫(yī)院作為全國骨科的執(zhí)牛耳者，是國內(nèi)最早開展機器人輔助手術(shù)的單位。周一新教授帶領(lǐng)的積水潭醫(yī)院矯形骨科團隊，在國內(nèi)乃至全球率先進行了機器人輔助關(guān)節(jié)外科手術(shù)的一系列創(chuàng)新嘗試，并自主研發(fā)出了國內(nèi)首臺用于髖關(guān)節(jié)置換的手術(shù)機器人。在周一新看來，“機器人可以載著你去到以前到不了的地方”，讓之前一些難以實現(xiàn)的手術(shù)操作成為可能。在手術(shù)機器人的研發(fā)和應(yīng)用中，“精準度”是目前許多人追求的目標，而對于周一新，他更感興趣于底層基本認知的“正確性”。“如果精準定位于一個錯誤的位置，那么結(jié)果只能是一個精準的錯誤?！?/span>對于“正確性”的探索，成為過去一年周一新團隊非常重要的一項工作。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，在過去長達幾十年的時間里始終未能有大的突破進展。似乎早已進入了一個平臺期，想要再進一步變得異常困難。“是不是既往的手術(shù)目標和執(zhí)行方式，存在著明顯的天花板或瑕疵？”這是很長時間以來困擾著周一新的疑問，他需要找到答案，只是一直苦于沒有合適的工具來完成這一探索。“機器人的出現(xiàn)，解決了精準安放的問題，讓我們進而有機會探討正確性的問題?！?/strong>傳統(tǒng)手術(shù)中，對于人工關(guān)節(jié)假體到底安裝在了什么位置，醫(yī)生們只是知道一個相對模糊的范圍，并沒有精確的點位信息。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)機器人的出現(xiàn)，讓這一研究有了路徑基礎(chǔ)。上世紀70年代末，Lewinnek教授提出了髖關(guān)節(jié)置換領(lǐng)域非常重要的一個概念“Safe Zone”（安全區(qū)）。他指出髖臼臼杯的安置位置有一個相對安全的范圍：外展角40±10°，前傾角15±10°，稱為“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，但在實際臨床工作中卻發(fā)現(xiàn)安全區(qū)也并非絕對安全，安全區(qū)內(nèi)的髖關(guān)節(jié)脫位時有發(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。”這不由讓周一新開始思考“Lewinnek 安全區(qū)”的目標到底對不對，尤其是在手術(shù)機器人出現(xiàn)之后。相較于很多人擁擠于手術(shù)機器人“精準度”的賽道上，周一新倒是顯得沒那么“潮流”，他更著迷于一些基礎(chǔ)層面的東西。通過數(shù)理模型或公式，將臨床問題抽象化處理為更為簡潔和底層的基本理論邏輯，并探討其正確與否。“一些我們早已習(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誤的,我們又該怎么辦？”周一新不是第一個發(fā)出此疑問的人，在他之前，已有少數(shù)學(xué)者提出過“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)活動度等療效，但他們并沒有闡述其原因是什么。周一新決定要揭開這個謎底。為此，周一新與唐浩及其團隊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題：（1）沒有一個經(jīng)驗值可以滿足所有人的需求，具體到每個人的目標值都是個性化的；（2）從數(shù)學(xué)和運動學(xué)上證明“Lewinnek安全區(qū)”只是一個二維的靜止目標值，并不能滿足人們在運動過程中，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。圖 | 周一新教授團隊發(fā)表于JBJS的文章截圖文章指出，全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)中臼杯的目標定位應(yīng)該是個性化的，“Lewinnek安全區(qū)”的失敗是因為它不能準確預(yù)測臼杯的功能定位，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，中國醫(yī)生團隊同樣在JBJS上，基于數(shù)學(xué)建模對臨床相關(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，周一新團隊開始探索一種新的算法，可以作為定量工具來確定全髖關(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發(fā)出來，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)活動度等綜合因素，為每位患者計算出一個功能最優(yōu)且最安全的目標值，然后交由機器人去執(zhí)行。這項突出的工作，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頁的長文：<A Modeling Study of a Patient-specific Safe Zone for THA:Calculation,Validation,and Key Factors Based on Standing and Sitting Sagital Pelvic Tilt>.目前，周一新團隊已經(jīng)利用這套方法，為400多位患者實施了髖關(guān)節(jié)手術(shù)，其中包括100多例翻修術(shù)。“‘正確’帶給你的是對底層基本理論以及什么是脊柱骨盆聯(lián)動機制對髖關(guān)節(jié)重建的影響的重新認識，基于這樣的重新認識，你需要個性化確立每個病人的手術(shù)目標值并重新解構(gòu)和重組手術(shù)的流程，這是我們的一大收獲?！?/span>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，這是之前沒有人做過的。臨床醫(yī)學(xué)一直以來與生物、化學(xué)甚至一些文科類學(xué)科有著更緊密的聯(lián)系，至于數(shù)學(xué)則似乎要疏遠一些。而周一新認為，醫(yī)學(xué)可能是最后一個被數(shù)學(xué)加持的領(lǐng)域。這場晚到的結(jié)合，未來所迸發(fā)出的能量將是巨大的。“當(dāng)臨床問題有了數(shù)學(xué)加持后，思維就會一下子開闊許多，以前一些不太好理解的地方開始變得容易理解了?！?/strong>對數(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，周一新借來兩本高等數(shù)學(xué)書，饒有興致地啃讀起來，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)計學(xué)、數(shù)理模擬等方面打交道的機會，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。也許是因為這種潛移默化的影響，周一新的團隊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。作為上述兩項研究主要參與者之一的年輕醫(yī)生唐浩，便是對數(shù)學(xué)有著很強的興趣，閑暇時喜歡研究MATLAB（數(shù)學(xué)仿真軟件，用于數(shù)據(jù)分析、深度學(xué)習(xí)、圖像處理及計算機視覺等），會自己去推算建立方程。這樣一個有著優(yōu)秀數(shù)學(xué)背景的醫(yī)生團隊，成為周一新得以通過數(shù)學(xué)工具解決臨床問題的關(guān)鍵所在。“如何從臨床實踐中發(fā)現(xiàn)一些有價值的問題，同時將這些問題數(shù)學(xué)化，最后將數(shù)學(xué)化的推論結(jié)果回歸到臨床實踐，這是我們大有可為的地方?！?/strong>數(shù)學(xué)帶來的抽象化和邏輯思維訓(xùn)練，讓周一新團隊很擅于從一些復(fù)雜的臨床問題中找出規(guī)律，進而探索總結(jié)出一系列的創(chuàng)新理論和臨床實踐工具。將對臨床的認知以及手術(shù)的流程、目標值等進行數(shù)學(xué)化，然后整合至機器人中，這是周一新團隊在機器人開發(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)計的一款專用醫(yī)療設(shè)備“求解器”，便是一個典型例子。從這個數(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)生對膝關(guān)節(jié)當(dāng)前所處的狀態(tài)進行一個量化分析，以決定下一步手術(shù)該怎么做。類似于在函數(shù)方程中，輸入臨床指標，機器便可推導(dǎo)出接下來的手術(shù)步驟。“求解器對手術(shù)目標值和手術(shù)步驟的改進，可以說是顛覆性的?！?/span>當(dāng)你走進積水潭醫(yī)院矯形外科的手術(shù)室，眼前會出現(xiàn)多塊顯示屏，其中一些顯示著手術(shù)機器人的數(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)與目標值是相互割裂的， 絕大多數(shù)手術(shù)都無法測定軟組織張力，更惘論標定軟組織的力學(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”三個最重要的手術(shù)參數(shù)與目標值。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。
在求解器的基礎(chǔ)上，周一新團隊重新設(shè)計了人工膝關(guān)節(jié)置換的流程，解決了人工膝關(guān)節(jié)平衡的精準微調(diào)問題。這一次他們將該項新技術(shù)命名為“滴定”，一個化學(xué)名詞，表明其能像化學(xué)滴定技術(shù)那樣實現(xiàn)微量水平的精準控制。“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)對軟組織平衡狀態(tài)“求導(dǎo)”,明確軟組織不平衡的趨勢并在下一手術(shù)步驟中予以逆轉(zhuǎn)，最后逼近完美的軟組織平衡狀態(tài)，同時也將力線、張力等因素控制在完全可接受的狀態(tài)。在開發(fā)了一系列獨創(chuàng)性臨床工具的同時，周一新更是將數(shù)學(xué)、物理思想，結(jié)合進了骨關(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，需要先畫一條力線（通過髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)中心的軸線），以此來判斷患者的腿是不是夠直以及周圍軟組織的平衡情況。當(dāng)人工膝關(guān)節(jié)裝至骨頭上，若是周圍的軟組織太松，就會不穩(wěn)定；而若是太緊，則會僵硬。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，通常認為腿越直，載荷分布就會越均勻，人工膝關(guān)節(jié)的使用壽命就會更長。“因此‘直’就成了很多人的追求。但直與平衡之間，有時候是有矛盾的，太直了就不平衡了?！?/span>力線、平衡、膝關(guān)節(jié)周圍軟組織張力等，這些手術(shù)目標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，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)目標的統(tǒng)一與平衡的問題，讓骨關(guān)節(jié)手術(shù)的創(chuàng)傷變得更小，療效則會更好。看著自己的“GAF理論”、“滴定技術(shù)”等在患者中的運用，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的。周一新引用了明末著名科學(xué)家徐光啟在翻譯《幾何原本》時的那句名言，表達了嚴謹?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。一如徐光啟所言，“似至繁，實至簡，故能以其簡簡他物之至繁”。“延伸來看，對于骨關(guān)節(jié)置換領(lǐng)域，便是‘明生于GAF’。”“GAF理論”在周一新看來是一個自明性體系，可以讓手術(shù)操作夠明夠易，從而對人工膝關(guān)節(jié)到底要做成怎么樣，又該如何實現(xiàn)，一下子有了新的認識。“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)和驗證手術(shù)機器人定位夠不夠精準時，我們做的是確定其定位的正確性，做到在‘正確’基礎(chǔ)上的‘準確’?！?/strong>
