人工智能术前规划系统结合专家数据库检索在复杂髋关节翻修术中的临床应用

摘要

本研究提出了一种基于专家手术病例数据库检索的髋关节翻修术新型人工智能术前规划方法。此外，该技术已初步应用于五例患者，显示出手术时间缩短和术中出血量减少的效果。

摘要

在髋关节翻修术中，准确的术前规划对于实现成功的手术结果至关重要。为了更直观地评估髋臼骨缺损的严重程度，并借鉴以往髋关节翻修术的成功经验，本研究提出了一种基于专家手术病例数据库检索的新型方法，并已初步应用于临床实践。 本研究纳入了5例需要接受髋关节翻修术的患者，术前应用专家病例数据库手术规划系统进行手术设计。将患者的影像学数据输入系统后，与专家病例数据库中的案例进行匹配，并基于专家的手术经验推荐相应的翻修手术方案。若未找到合适的匹配病例，则根据患者个体化的重建结果规划假体型号与置入位置。本研究共纳入5例患者，其中男性4例，女性1例，平均年龄为50.6岁，诊断均为髋关节置换术后无菌性假体松动。平均手术时间为123.2分钟，术中平均出血量为672 mL。术中未发生血管或神经损伤等并发症。例如，在2号病例中，应用该创新性规划方案使外科医生能够在术前明确该患者的翻修手术方案，从而缩短了手术时间并减少了术中出血。此外，患者可提前了解相似病例的治疗结果。通过整合全面的病例数据库并采用大数据分析方法，该系统可实现全流程自动识别匹配的专家治疗方案。这一方法尤其有助于经验不足的骨科医生，为其提供准确的手术策略指导，辅助选择合适的假体尺寸和安装位置。同时，匹配结果还可为患者提供可视化图像，展示预测的术后效果。

引言

随着初次全髋关节置换术（THA）的日益普及，由于无菌性松动、感染、反复脱位和假体周围骨折等多种因素，翻修关节置换术的需求也随之增加¹。与初次髋关节置换术相比，翻修髋关节手术在技术上更为复杂，临床挑战更大，且具有更高的死亡率²、更高的医疗成本³以及更大的并发症风险⁴。

在髋关节翻修术中，髋臼骨缺损的重建以及假体的选择对于手术成功至关重要。骨科医生需要评估残留的骨量和改变的解剖结构，以实现新植入髋臼杯足够的初始稳定性¹。因此，精确的术前规划对于指导可选的治疗方案极为关键。

目前，骨科医生需根据术前影像学检查结果和自身的手术经验，对翻修关节置换术进行全面评估和规划。然而，这对于经验不足的外科医生而言将面临巨大挑战。

随着人工智能（AI）技术的发展，其在骨科手术中的应用日益广泛，主要用于影像分割、病理和植入物的诊断与分类⁵。同时，AI在辅助初次全髋关节置换术（THA）方面已开始取得初步成果⁶。然而，针对翻修型髋关节置换术的智能化术前规划仍处于空白状态。AI在髋关节翻修手术中具有广阔前景，尤其是在骨缺损评估方面。每位患者的骨缺损均具有独特性，尽管存在一定的规律性，但传统的Paprosky分类方法在精确表征这些缺损方面仍显不足。相比之下，AI能够从影像数据中提取更详细的信息，为提高骨缺损评估的准确性与精确性提供了新的可能。我们开发了一种新型的AI辅助术前规划系统，该系统基于专家手术案例数据库的检索，旨在指导骨科医生在翻修关节置换术中的决策。

我们首先建立了一种新的髋臼骨缺损重建方法，用于量化和分类髋臼骨缺损。随后，通过收集一位国内资深专家的200例髋关节翻修手术的临床和影像学数据，构建了一个髋关节翻修病例数据库。该数据库包含术前计算机断层扫描（CT）、术前X线、术后X线以及患者的人口统计学信息。我们可以根据拟手术患者当前的骨缺损特征，在数据库中匹配相应病例，并找出最相似的案例场景，为外科医生提供术前参考。该方法使外科医生能够在术前了解髋臼翻修方案，从而减少术中试错时间。

方案

本研究获得了河南省洛阳正骨医院伦理委员会的批准。此外，本研究基于影像学数据，不会对志愿者造成伤害或泄露其个人信息。因此，根据国家法律法规和机构要求，无需参与者或其法定监护人/直系亲属签署知情同意书。

1. 图像导入

1. 导入患者双侧全髋关节的原始CT数据。打开医学图像处理软件，选择导入数据，点击本地数据以导入患者的原始CT数据。图1展示了图像导入界面。

2. 患侧髋臼骨缺损的修复

1. 确定患者为单侧或双侧病变。选择测量工具，使用鼠标在图像上绘制一个矩形框，直接测量髋骨区域的HU（Hounsfield单位，HU）值。当HU值超过1000时，应考虑存在金属，并将该区域指定为病变髋关节。

3. 图像分割与重建

1. 选择待规划患者的影像数据。点击自动分割选项，默认选择CT值为400进行髋骨粗分割。
2. 选择编辑按钮，手动调整每一层各个部分的分割结果。然后选择三维重建选项，完成患者病灶部位的三维重建计算。重建的三维模型主要包括左侧/右侧髋骨以及左侧/右侧股骨区域。如图2所示，不同部分以不同颜色显示。

4. 髋臼骨缺损分区及缺损量计算

1. 对于单侧髋关节手术患者，选择健侧的三维模型，并使用镜像功能将其与患侧的解剖结构对齐，以完成髋关节重建模型的构建。
2. 对于双侧髋关节手术患者，打开标准模型库，并选择与患者解剖结构最相似的髋关节模型作为重建模型。
3. 点击分割选项，分别对第2步中重建的髋关节缺损（患侧）三维模型和第3步中重建的髋关节三维模型进行分割。然后点击差集运算选项，对两个分割后的髋骨模型执行差集运算，以计算髋臼缺损量。髋骨模型将根据秦氏方法⁷划分为不同区域，如图3所示。
   注意：由于重点关注髋臼杯在髋臼壁边界内的三点固定（坐骨支、耻骨支和髋臼前上部），因此将髋臼按120°均分为三个部分，分别定义为颅顶壁、前柱和后柱，不包括内侧壁。 为指导手术操作，需根据髋臼直径制作亚层结构。确定男性患者内层直径范围为54 mm至62 mm，外层直径范围为62 mm至70 mm；女性患者内层直径范围为50 mm至58 mm，外层直径范围为58 mm至66 mm。

5. 髋关节翻修专家数据库检索——髋臼缺损规划

1. 打开专家病例库，以上述计算得到的髋臼缺损体积作为输入进行检索。使用测量工具评估所检索病例的术前和术后X光片上的相关规划参数，并获取规划数据。
2. 打开专家病例库，输入髋关节缺损的类型和程度以进行自动检索。系统将获取数据库中相应病例的信息，包括类似病例的术前和术后影像资料以及医生的规划参数（假体尺寸、位置等）。
3. 搜索结果将按照相似度从高到低排序。由医生选择最相似的病例。完整流程如图4所示。
4. 若在上述数据库中无法找到相似病例，则采用步骤2中模型重建的结果，以完整髋臼的中心作为髋臼杯的中心。默认髋臼杯前倾角为20°，外展角为40°（此规则为临床定义）。
   注意：完成规划后，外科医生可预先了解手术流程，并更精确地准备假体及辅助器械。该方法可避免手术过程中出现所需假体缺失的情况。此外，推荐方案可直接应用于手术中，无需临时采用替代方案、绕行策略或耗时的试错过程。

结果

目前，我们已将该方法应用于5例接受髋关节翻修术的患者，其中包括4名男性和1名女性，年龄介于42至67岁之间。所有患者均在髋关节置换术后被诊断为无菌性假体松动，并依据Paprosky分类法⁸进行分型。5例患者的平均手术时间为123.2分钟，术中平均失血量为672 mL。手术时间指总体手术时长，包括股骨柄假体的翻修。患者的具体信息见表1，重建结果展示于图5。

以病例二为例：患者为一名67岁女性，13年前曾接受全髋关节置换术（THA）。2024年1月因髋部疼痛及活动障碍就诊，症状已持续3年。诊断为THA术后假体松动，Paparosky分型为IIC型，拟行髋关节翻修术。我们将该患者术前CT数据导入系统，并与2017年11月一名58岁男性患者的CT数据进行匹配，后者表现出极为相似的髋臼骨缺损。当时手术采用大杯（Jumbo cup）联合压缩植骨技术，实现了完全的初始稳定性，术后5年随访结果良好，假体稳定性可靠。因此，本例患者也采用了相同的手术方案（大杯联...

讨论

由于存在显著的解剖结构损伤、髋关节置换术后复杂的软组织状况，以及金属植入物常伴随的严重金属伪影，临床医生通常需要借助三维重建技术，全面分析影像学结果和临床表现，以评估患者特定的骨缺损情况，并进而规划合适的髋臼假体^9,10。然而，即使已重建患者模型，术前规划仍高度依赖临床医生的经验，尤其是在处理严重髋臼骨缺损患者时尤为如此。因此，年轻医生在治疗此类患者时面临较大挑战。为了更准确地评估髋臼骨缺损程度，并利用既往复杂髋关节术前规划的经验为医生提供参考，本研究采用了一个涵盖几乎所有临床类型髋关节缺损的专家病例数据库，并依据特定标准对患者进行分类。通过参考该数据库中对髋臼骨缺损的评估结果，医生可选择合适的髋臼假体及手术方案，以确保术后髋关节的稳定性与功能恢复。

尽管初次髋关节置换术是一种成熟的技术¹¹，但髋臼骨缺损的评估在确保翻修髋关节置换术的成功与稳定性方面起着关键作用。X线、磁共振成像（MRI）和CT等影像学技术常用于评估髋...

材料

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