引用本文： 夏天衛, 劉星宇, 劉金柱, 張長昊, 張志廣, 樊燕鑫, 張超, 張逸凌, 沈計榮. 人工智能術前規劃系統輔助人工全髖關節置換術治療成人 Crowe Ⅳ型先天性髖關節發育不良的療效研究. 中國修復重建外科雜志, 2021, 35(10): 1265-1272. doi: 10.7507/1002-1892.202106103 復制
版權信息： ?四川大學華西醫院華西期刊社《中國修復重建外科雜志》版權所有，未經授權不得轉載、改編
據統計，先天性髖關節發育不良（developmental dysplasia of the hip，DDH）發病率為 0.05%～0.2%，我國約有 160 萬 DDH 患者[1-3]。成人 DDH，尤其是成人高脫位 DDH（Crowe Ⅳ型）的髖臼小、淺、平，股骨髓腔小、前傾過大，關節囊肥厚松弛拉長，外展肌、股直肌等短縮，手術治療難度大[4-5]。人工全髖關節置換術（total hip arthroplasty，THA）［必要時聯合股骨轉子下短縮截骨術（subtrochanteric shortening osteotomy，SSOT）］是治療成人 Crowe Ⅳ型 DDH 公認有效的術式[4-9]。傳統 X 線片模板測量法術前規劃效率低、不準確，導致醫生需要在術中多次進行試模操作，且成人 Crowe Ⅳ型 DDH 病情復雜、患者個體差異大、術中存在假體選擇變量多等因素，嚴重影響了 THA 手術效果[10-12]。
人工智能（artificial intelligence，AI）是一項新興技術[13]。AI 可分析難度較大的醫學數據，借助計算機的高效處理能力輔助醫務人員組織數據、識別模型、指導實踐。由北京長木谷醫療科技有限公司研發的 AI THA 術前精準規劃系統（AIHIP 系統）是目前最新的 THA 術前規劃系統。現回顧分析以南京中醫藥大學附屬醫院骨傷科為主的北京長木谷醫療科技有限公司合作單位采用 AIHIP 系統輔助 THA（必要時聯合 SSOT）治療的 Crowe Ⅳ型 DDH 患者臨床資料，總結臨床療效及治療體會，探討該系統的應用價值。報告如下。
1 臨床資料
1.1 一般資料
納入標準：① 高脫位 DDH（Crowe Ⅳ型）且行初次 THA；② 年齡>20 歲；③ 使用 AIHIP 系統進行 THA 術前規劃；④ 使用美國 DePuy Synthes 公司的 PINNACLE 臼杯、內襯、股骨頭、S-ROM 柄、B-SML 三角袖套。排除標準：① 患者術前規劃后未行手術；② 術前影像資料不符合 AIHIP 系統規劃標準；③ 術前髖關節或身體其他部位存在活動性感染病灶。2019 年 5 月—2020 年 12 月共 23 例患者符合選擇標準納入研究。
本組男 3 例，女 20 例；年齡 44～74 歲，平均 52.65 歲。左髖 15 例，右髖 8 例。術前雙下肢長度差絕對值（15.17±22.17）mm。術前無明顯脊柱側彎畸形，Trendelenburg 征均呈陽性。術前 Harris 評分為（62.4±7.2）分。
1.2 術前規劃
Crowe Ⅳ型 DDH 屬于高度脫位，考慮到術中必要時須行 SSOT 以利于股骨頭復位至真臼內，故手術均采用常規后外側入路。術前攝標準骨盆正位 X 線片及雙髖關節 256 排 CT 平掃，掃描范圍為整個骨盆及股骨小轉子下 15 cm，掃描層厚 0.8 mm。將掃描獲得數據以 DICOM 格式導入 AIHIP 軟件，軟件可自動識別、分析手術部位，完成術前規劃（圖 1）。
圖1
AIHIP 系統術前規劃流程圖
Figure1.
Flow chart of preoperative AIHIP system planning
1.2.1 智能規劃髖臼側
AIHIP 系統采用獨創的 G-NET 神經網絡技術（圖 2），通過融合 Unet 結構、DenseBlock 結構、LSTM 網絡和 PointRend 技術，可以精準識別骨骼邊緣并進行精確分割（圖 3a）。接著在骨盆分割基礎上對髖臼進行擬合，進而計算髖臼的旋轉中心以及半徑；再結合骨盆矯正結果（圖 3b、c），規劃出髖臼杯合適位置（圖 3d～h）。
圖2
AIHIP 系統自研獨特算法（G-NET 神經網絡）骨骼分割示意圖
Figure2.
Schematic diagram of AIHIP self-developed unique algorithm (G-NET net-work) for skeletal segmentation
圖3
左髖 DDH 術前 AIHIP 軟件設計
a. 骨盆分割；b. 骨盆矯正；c. 骨盆矯正透明圖；d. 左側髖臼杯安放 AI 術前規劃；e～h. 左側髖臼杯設計細節；i. 左側髖臼杯安放橫斷位 AI 術前規劃；j. 股骨截骨位置；k. 左側股骨假體二維橫斷位規劃；l. 左側股骨假體二維矢狀位規劃；m. 術前 CT 與三維重建聯動；n. 模擬術后第 1 天 X 線片；o. 模擬術后第 1 天正視透明圖；p. 模擬術后第 1 天側視透明圖
Figure3. Preoperative AIHIP software design for DDH of left hipa. Pelvic segmentation; b. Pelvic correction; c. Transparent image of pelvic correction; d. Preoperative planning for placement of the left acetabular cup; e-h. Designed detail of left acetabular cup; i. Preoperative AI planning of left acetabular cup placement in transverse section; j. Schematic diagram of femoral neck osteotomy position; k. Two-dimensional cross-sectional planning of left femoral prosthesis; l. Two-dimensional sagittal planning of left femoral prosthesis; m. Preoperative CT and three-dimensional reconstruction of the linkage diagram; n. Simulated X-ray film on the first day after operation; o. Simulated transparent anteroposterior X-ray film on the first day after operation; p. Stimulated transparent lateral X-ray film on the first day after operation
1.2.2 智能規劃股骨側
根據測得的股骨髓腔直徑并結合 S-ROM 柄特征，確定股骨頸截骨位置與保留股骨距長度（圖 3i），匹配適當型號、內外翻角度、放置位置的股骨柄（圖 3j～l），根據雙下肢長度差絕對值智能匹配適當球頭。此外，AIPHIP 軟件可根據前期識別的解剖標志點變化情況，模擬術前（三維重建后坐標與二維橫斷面、矢狀面、冠狀面三軸聯動，點擊其中 1 個視圖，其他視圖也會相應變化，圖 3m）、術后效果（圖 3n～p），測算股骨柄假體安放后雙下肢長度差絕對值。
1.3 手術方法
取常規后外側切口，長約 15 cm，沿大轉子后緣切開部分外旋肌群，拉鉤推開后切開后關節囊，顯露患側髖關節。切除關節囊，松解髂腰肌以利于進一步將股骨頭牽引至真臼水平。按照 AI 設計圖中定位的股骨頸截骨位置鋸開股骨頸，保留合適股骨距，取出股骨頭。清理后下方真臼內增生組織，按照 AI 設計圖中定位的具體位置，磨銼定位、正銼、逐步加深真臼。當磨銼大小接近合適的臼杯大小時（美國 DePuy Synthes 公司的 PINNACLE髖臼假體“磨單打雙”，如術中需使用 36 號臼杯，則磨銼磨到 35 號），適當反銼以利于將正銼銼下的松質骨銼入真臼邊緣，以增大髖臼與臼杯的接觸面積。取合適的 PINNACLE 臼杯打入臼內，接著打入超高交聯聚乙烯內襯。復位、開髓、依次擴髓，直至股骨髓腔銼打入結實。13 例患者術中復位困難，聯合 SSOT 治療。于小轉子下 5 cm 附近行近端截骨，植入合適的 B-SML 三角袖套試模與股骨試模，復位髖關節，遠端截骨位置根據復位后近端股骨與遠端股骨重疊的長度而定，然后行股骨遠端截骨；進而劈開截斷的股骨皮質，制成自體骨板，用自體骨板加鋼絲捆扎固定小轉子下截骨斷端。植入合適的 S-ROM 柄與 B-SML 三角袖套。最后試模股骨頭，植入合適的股骨頭并復位至真臼內。檢查關節活動度，關閉切口。見圖 4。
圖4
THA 聯合 SSOT 手術過程
a. 常規后外側入路下顯露真臼；b. 取 PINNACLE 臼杯打入真臼內；c. 自體骨板加鋼纜捆綁固定小轉子下截骨斷端
Figure4. THA combined with SSOT surgerya. True acetabulum revealed under the conventional posterior-lateral approach; b. Implanted the PINNACLE acetabular cup into the true acetabulum; c. Autologous bone plate with wire binding to fix the end of the subtrochanteric osteotomy
1.4 圍術期管理
① 預防感染：手術當天（術前 30 min）至術后第 2 天，患者每日靜脈輸注含 1 g 五水頭孢唑林鈉的生理鹽水溶液 100 mL。② 鎮痛：患者術晨口服塞來昔布膠囊 200 mg 超前鎮痛；關閉切口前，于切口周圍注射羅哌卡因 75 mg 局部浸潤麻醉；術后前 3 天予以靜脈推注帕瑞昔布注射液 40 mg（每 12 小時 1 次），3 d 后改為口服塞來昔布 200 mg（早晚各 1 次）。術中予以自體血回輸。③ 止血、抗凝、預防血栓形成：術前 30 min 靜脈輸注氨甲環酸 0.5 g，術中關閉切口前用氨甲環酸 0.5 g 浸泡切口；術后第 1 天皮下注射依諾肝素鈉 4 000 U，每天 1 次至出院；出院后口服阿哌沙班 2.5 mg，每天 2 次至術后第 35 天；患者麻醉清醒返回病房后即應用踝泵，術后應用足底靜脈泵預防下肢深靜脈血栓形成。④ 康復訓練：術后第 1 天，指導患者在助行器輔助下完全負重行走，直至脫離助行器獨立行走（術中發生假體周圍骨折患者除外），記錄脫離助行器時間。
1.5 療效觀測指標
記錄患者手術時間、住院時間及不良事件發生情況（感染、脫位、骨折、下肢深靜脈血栓形成等），其中依據 Mahmood 等[14]研究方法測量雙下肢長度差絕對值。術前 1 d 及術后 1 周、6 個月采用 Harris 評分評價患肢功能。
假體匹配程度[ 15]：術中應用假體型號與術前規劃假體型號完全一致，為完全匹配；與術前規劃假體型號相差 ±1 號，為一般匹配；與術前規劃假體型號相差 ±2 號及以上，為不匹配。計算術前規劃與術中應用假體型號的符合率（匹配例數+一般匹配例數占總例數的百分比）。
假體位置：術后 1 d 及術后 6 個月攝骨盆正位 X 線片并行假體角度測量。股骨假體位置依據 Nakata 等[16]方法判斷，股骨假體處于內翻 3° 至外翻 3° 之間，則認為假體處于中心性固定。髖臼假體位置依據 Pradhan 方法[17]判斷，外展角 30°～50°、前傾角 5°～25° 時，認為髖臼假體處于安全范圍。
1.6 統計學方法
采用 SPSS25.0 統計軟件進行分析。計量資料以均數±標準差表示，雙下肢長度差絕對值手術前后比較采用配對 t 檢驗，Harris 評分手術前后比較采用單因素重復測量方差分析，若不滿足球形檢驗，采用 Greenhouse-Geisser 法進行校正；檢驗水準 α=0.05。
2 結果
術后髖臼杯型號與術前規劃匹配程度為完全匹配 16 例、一般匹配 4 例（+1 號 1 例、–1 號 3 例）、不匹配 3 例（均為 +2 號），符合率為 86.96%。股骨柄型號匹配程度為完全匹配 22 例、一般匹配 1 例（–1 號），符合率為 100%。
1 例術中發生股骨假體周圍骨折，術中予以鋼纜捆綁，術后 6 周助行器輔助下下地行走；其余患者均在術后 1 d 即采用助行器輔助下下地行走。本組手術時間 185～315 min，平均 239.43 min；住院時間 8～20 d，平均 9.96 d；脫離助行器時間 2～56 d，平均 5.09 d。術后患者均獲隨訪 6 個月。患者切口均Ⅰ期愈合，無感染、脫位、再骨折、下肢深靜脈血栓形成等并發癥發生；術后 1 d 及 6 個月復查 X 線片示髖臼與股骨假體均固定牢靠且在安全范圍；術后 1 d 雙下肢長度差絕對值為（11.96±13.48）mm，與術前比較差異無統計學意義（t=0.582，P=0.564）。術后 6 個月截骨均愈合良好。術后 1 周及 6 個月 Harris 評分分別為（69.5±4.9）分和（79.2±5.7）分，手術前后各時間點間比較差異均有統計學意義（P<0.05）。術后 6 個月根據 Harris 評分評價髖關節功能，獲良 13 例、中 9 例、差 1 例。見圖 5。
圖5
患者，女，52 歲，左髖 Crowe Ⅳ型、右髖 Crowe Ⅱ型 DDH，左髖先行 THA 聯合 SSOT，術后 4 個月右髖行 THA
從左至右分別為雙下肢站立位全長 X 線片、髖關節正位 X 線片及左髖關節側位 X 線片 a. 術前；b. 術后 6 個月示髖臼側與股骨側假體固定均牢靠
Figure5. A 52-year-old female patient with left Crowe type Ⅳ DDH and right Crowe type Ⅱ DDH underwent THA combined with SSOT on left hip, and THA on right hip 4 months laterFrom left to right for full-length standing X-ray film of both lower limbs, anteroposterior X-ray film of the hip joint, and lateral X-ray film of the left hip a. Before operation; b. At 6 months after operation showed that the acetabular and femoral prostheses were firmly fixed
3 討論
3.1 AIHIP 系統的優勢
第一，AIHIP 系統提高臨床工作效率。神經網絡是一種模仿動物神經網絡行為特征，進行分布式并行信息處理的算法數學模型。AIHIP 軟件可以借助其獨特的 G-NET 神經網絡技術，快速識別解剖位點并分割，匹配所需假體的型號、大小，規劃旋轉中心、股骨距保留長度，高效實現術前規劃。相比目前較為流行的 3D 打印輔助 THA 術前規劃[18]，其處理速度快是明顯優勢。此外，其他現有的三維術前規劃軟件存在操作繁瑣、需要手動標記、耗時較長、價格昂貴等不足[14]。在識別速度方面，同類三維術前規劃軟件，如 Mimics、HipPlan 等，因需要手動分割，每例規劃用時約 24 min；AIHIP 系統每例規劃用時平均約 5 min，明顯精簡、縮短了術前規劃時間。
第二，AIHIP 系統準確率較高。國內 THA 術前規劃仍以傳統基于二維 X 線片測量為主，因放大率不準確、拍攝投照角度存在差異、操作繁瑣、假體型號種類不全等問題，術前規劃常不準確，嚴重影響 THA 手術效果[10-12]。而且 Crowe Ⅳ型 DDH 患者髖關節高脫位、雙下肢真性不等長、髖關節外翻，因此周密的術前計劃非常重要。AIHIP 系統利用自研的 G-NET 算法，基于 Unet 結構、Dense-Block 結構、LSTM 網絡、PointRend 技術對骨骼骨塊進行精準分割并識別關鍵解剖點，平均識別誤差為 0.87 個像素值，骰子重疊系數精度為 92.5%，高于傳統分割網絡，且具有更好的魯棒性（robust-ness）。在假體放置方面，該系統將監督學習和基于強化學習的無監督學習相結合，依據假體設計理念及人體解剖結構，智能放置假體位置，計算最適角度，假體完全匹配率可達 90% 以上。既往二維規劃相關研究發現，髖臼杯符合率為 7.3%～70%，股骨干符合率為 36%～79%[18-19]。本研究中 AIHIP 系統規劃假體型號的符合率高于傳統二維規劃。
第三，AIHIP 系統有利于減少術中錯誤。成人 Crowe Ⅳ型 DDH 患者的髖關節畸形多變且極其復雜。就髖臼側置換而言，按照傳統術前二維規劃方法，如果髖臼磨得較淺，臼杯無法打牢，容易松動；如果髖臼磨得較深，則容易磨穿前后壁[20-21]。AIHIP 系統可以調整臼杯大小及磨銼程度，術者術前可在設計圖上觀察，臼杯在 AI 設計圖中以不同顏色表示，如果臼杯尺寸過大，則臼杯穿出 AI 設計圖中的髖臼側骨骼，進入盆腔。就股骨側置換而言，傳統方法植入股骨假體主要依靠主刀醫師手術經驗，容易造成股骨側三角袖套偏小、遠端柄偏小，進而導致假體松動；或者三角袖套或假體卡得太緊，造成大轉子附近骨折，嚴重影響臨床療效。AIHIP 系統則可以預測股骨側假體型號，很大程度規避上述問題，提高臨床療效，減少術后翻修率。本研究中 1 例患者出現股骨假體周圍骨折，我們分析為矢狀位上假體傾斜，進而在擴髓過程中髓腔皮質阻力大、術者過分用力造成，這與術中開髓方向不夠偏后偏外有關。
第四，AI 技術可對假體型號、截骨位置、股骨距保留長度等進行規劃，輔助較為復雜的 Crowe Ⅳ型 DDH 的 THA。本研究發現患者術后 Harris 評分均高于術前，提示采用 AIHIP 系統輔助術前假體規劃可提高 THA 治療成人 Crowe Ⅳ型 DDH 的療效。
3.2 SSOT 的優勢
SSOT 術后愈合率高，有助于術中難以復位的復雜高脫位患者髖關節復位，可避免血管、神經牽拉過度引起的并發癥[22]。此外，文獻報道 SSOT 可以通過減小股骨前傾角，矯正股骨過度前傾和大轉子后移[23]。本組術中 13 例患者復位困難，聯合 SSOT 以利于復位，術后 6 個月截骨均愈合良好。
3.3 S-ROM 柄的優勢
本研究我們使用美國 DePuy Synthes 公司的假體，其主要特點為股骨側的 S-ROM 柄與 B-SML 三角袖套。成人高脫位 DDH，尤其是 Crowe Ⅳ型 DDH，股骨前傾角很大，相比使用其他種類生物型柄，使用 S-ROM 柄可以減小股骨前傾角，有利于 DDH 股骨旋轉畸形的矯正，進而減少常規后外側入路 THA 術后髖關節后脫位可能。另外，Crowe Ⅳ型 DDH 患者外展肌、股直肌等均短縮，相比常用于 Crowe Ⅳ型 DDH 的美國 Zimmer Biomet 公司的 Wagner 柄和北京春立正達醫療器械股份有限公司的 165 型柄，S-ROM 柄具有以下優點：① S-ROM 柄有可匹配的 B-SML 三角袖套，能夠誘導骨長入；② 抗旋轉效果更好，可以實現在截骨附近牢固固定，利于股骨近端截骨術后骨愈合；③ 采用 S-ROM 柄時 SSOT 截骨位置較高，有利于股骨遠端穩定。
3.4 本研究局限性
① 受限于成人 Crowe Ⅳ 型、需要手術治療的 DDH 患者相對較少，本研究病例數較少；② 術后遠期療效尚需長期隨訪明確；③ 術前 AIHIP 系統輔助規劃需要進行薄層 CT 掃描，增加了患者受輻射劑量及檢查費用，值得進一步設計和研究；④ Crowe Ⅳ型 DDH 軟組織攣縮嚴重，AIHIP 系統目前無法預測軟組織張力；⑤ 目前的 AIHIP 系統也無法測量 SSOT 截骨長度及截骨準確位置。
綜上述，AIHIP 系統輔助下 THA（術中難復位患者聯合 SSOT）治療成人 Crowe Ⅳ型 DDH，術前規劃準確率高，術中易復位，術后下地早，早期療效滿意。提示借助 AIHIP 系統可安全、有效地開展此類精度要求較高、術式復雜且風險較高的手術。
作者貢獻：沈計榮、張逸凌負責構思及設計、觀點形成；夏天衛負責統計學處理、論文撰寫、臨床資料收集；劉金柱參與觀點形成、臨床資料收集；張志廣參與論文撰寫；劉星宇、張長昊、樊燕鑫、張超參與臨床資料收集。
利益沖突：所有作者聲明，在課題研究和文章撰寫過程中不存在利益沖突。
機構倫理問題：研究方案經南京中醫藥大學附屬醫院醫學倫理委員會批準（2020NL-134-02）。
據統計，先天性髖關節發育不良（developmental dysplasia of the hip，DDH）發病率為 0.05%～0.2%，我國約有 160 萬 DDH 患者[1-3]。成人 DDH，尤其是成人高脫位 DDH（Crowe Ⅳ型）的髖臼小、淺、平，股骨髓腔小、前傾過大，關節囊肥厚松弛拉長，外展肌、股直肌等短縮，手術治療難度大[4-5]。人工全髖關節置換術（total hip arthroplasty，THA）［必要時聯合股骨轉子下短縮截骨術（subtrochanteric shortening osteotomy，SSOT）］是治療成人 Crowe Ⅳ型 DDH 公認有效的術式[4-9]。傳統 X 線片模板測量法術前規劃效率低、不準確，導致醫生需要在術中多次進行試模操作，且成人 Crowe Ⅳ型 DDH 病情復雜、患者個體差異大、術中存在假體選擇變量多等因素，嚴重影響了 THA 手術效果[10-12]。
人工智能（artificial intelligence，AI）是一項新興技術[13]。AI 可分析難度較大的醫學數據，借助計算機的高效處理能力輔助醫務人員組織數據、識別模型、指導實踐。由北京長木谷醫療科技有限公司研發的 AI THA 術前精準規劃系統（AIHIP 系統）是目前最新的 THA 術前規劃系統。現回顧分析以南京中醫藥大學附屬醫院骨傷科為主的北京長木谷醫療科技有限公司合作單位采用 AIHIP 系統輔助 THA（必要時聯合 SSOT）治療的 Crowe Ⅳ型 DDH 患者臨床資料，總結臨床療效及治療體會，探討該系統的應用價值。報告如下。
1 臨床資料
1.1 一般資料
納入標準：① 高脫位 DDH（Crowe Ⅳ型）且行初次 THA；② 年齡>20 歲；③ 使用 AIHIP 系統進行 THA 術前規劃；④ 使用美國 DePuy Synthes 公司的 PINNACLE 臼杯、內襯、股骨頭、S-ROM 柄、B-SML 三角袖套。排除標準：① 患者術前規劃后未行手術；② 術前影像資料不符合 AIHIP 系統規劃標準；③ 術前髖關節或身體其他部位存在活動性感染病灶。2019 年 5 月—2020 年 12 月共 23 例患者符合選擇標準納入研究。
本組男 3 例，女 20 例；年齡 44～74 歲，平均 52.65 歲。左髖 15 例，右髖 8 例。術前雙下肢長度差絕對值（15.17±22.17）mm。術前無明顯脊柱側彎畸形，Trendelenburg 征均呈陽性。術前 Harris 評分為（62.4±7.2）分。
1.2 術前規劃
Crowe Ⅳ型 DDH 屬于高度脫位，考慮到術中必要時須行 SSOT 以利于股骨頭復位至真臼內，故手術均采用常規后外側入路。術前攝標準骨盆正位 X 線片及雙髖關節 256 排 CT 平掃，掃描范圍為整個骨盆及股骨小轉子下 15 cm，掃描層厚 0.8 mm。將掃描獲得數據以 DICOM 格式導入 AIHIP 軟件，軟件可自動識別、分析手術部位，完成術前規劃（圖 1）。
圖1
AIHIP 系統術前規劃流程圖
Figure1.
Flow chart of preoperative AIHIP system planning
1.2.1 智能規劃髖臼側
AIHIP 系統采用獨創的 G-NET 神經網絡技術（圖 2），通過融合 Unet 結構、DenseBlock 結構、LSTM 網絡和 PointRend 技術，可以精準識別骨骼邊緣并進行精確分割（圖 3a）。接著在骨盆分割基礎上對髖臼進行擬合，進而計算髖臼的旋轉中心以及半徑；再結合骨盆矯正結果（圖 3b、c），規劃出髖臼杯合適位置（圖 3d～h）。
圖2
AIHIP 系統自研獨特算法（G-NET 神經網絡）骨骼分割示意圖
Figure2.
Schematic diagram of AIHIP self-developed unique algorithm (G-NET net-work) for skeletal segmentation
圖3
左髖 DDH 術前 AIHIP 軟件設計
a. 骨盆分割；b. 骨盆矯正；c. 骨盆矯正透明圖；d. 左側髖臼杯安放 AI 術前規劃；e～h. 左側髖臼杯設計細節；i. 左側髖臼杯安放橫斷位 AI 術前規劃；j. 股骨截骨位置；k. 左側股骨假體二維橫斷位規劃；l. 左側股骨假體二維矢狀位規劃；m. 術前 CT 與三維重建聯動；n. 模擬術后第 1 天 X 線片；o. 模擬術后第 1 天正視透明圖；p. 模擬術后第 1 天側視透明圖
Figure3. Preoperative AIHIP software design for DDH of left hipa. Pelvic segmentation; b. Pelvic correction; c. Transparent image of pelvic correction; d. Preoperative planning for placement of the left acetabular cup; e-h. Designed detail of left acetabular cup; i. Preoperative AI planning of left acetabular cup placement in transverse section; j. Schematic diagram of femoral neck osteotomy position; k. Two-dimensional cross-sectional planning of left femoral prosthesis; l. Two-dimensional sagittal planning of left femoral prosthesis; m. Preoperative CT and three-dimensional reconstruction of the linkage diagram; n. Simulated X-ray film on the first day after operation; o. Simulated transparent anteroposterior X-ray film on the first day after operation; p. Stimulated transparent lateral X-ray film on the first day after operation
1.2.2 智能規劃股骨側
根據測得的股骨髓腔直徑并結合 S-ROM 柄特征，確定股骨頸截骨位置與保留股骨距長度（圖 3i），匹配適當型號、內外翻角度、放置位置的股骨柄（圖 3j～l），根據雙下肢長度差絕對值智能匹配適當球頭。此外，AIPHIP 軟件可根據前期識別的解剖標志點變化情況，模擬術前（三維重建后坐標與二維橫斷面、矢狀面、冠狀面三軸聯動，點擊其中 1 個視圖，其他視圖也會相應變化，圖 3m）、術后效果（圖 3n～p），測算股骨柄假體安放后雙下肢長度差絕對值。
1.3 手術方法
取常規后外側切口，長約 15 cm，沿大轉子后緣切開部分外旋肌群，拉鉤推開后切開后關節囊，顯露患側髖關節。切除關節囊，松解髂腰肌以利于進一步將股骨頭牽引至真臼水平。按照 AI 設計圖中定位的股骨頸截骨位置鋸開股骨頸，保留合適股骨距，取出股骨頭。清理后下方真臼內增生組織，按照 AI 設計圖中定位的具體位置，磨銼定位、正銼、逐步加深真臼。當磨銼大小接近合適的臼杯大小時（美國 DePuy Synthes 公司的 PINNACLE髖臼假體“磨單打雙”，如術中需使用 36 號臼杯，則磨銼磨到 35 號），適當反銼以利于將正銼銼下的松質骨銼入真臼邊緣，以增大髖臼與臼杯的接觸面積。取合適的 PINNACLE 臼杯打入臼內，接著打入超高交聯聚乙烯內襯。復位、開髓、依次擴髓，直至股骨髓腔銼打入結實。13 例患者術中復位困難，聯合 SSOT 治療。于小轉子下 5 cm 附近行近端截骨，植入合適的 B-SML 三角袖套試模與股骨試模，復位髖關節，遠端截骨位置根據復位后近端股骨與遠端股骨重疊的長度而定，然后行股骨遠端截骨；進而劈開截斷的股骨皮質，制成自體骨板，用自體骨板加鋼絲捆扎固定小轉子下截骨斷端。植入合適的 S-ROM 柄與 B-SML 三角袖套。最后試模股骨頭，植入合適的股骨頭并復位至真臼內。檢查關節活動度，關閉切口。見圖 4。
圖4
THA 聯合 SSOT 手術過程
a. 常規后外側入路下顯露真臼；b. 取 PINNACLE 臼杯打入真臼內；c. 自體骨板加鋼纜捆綁固定小轉子下截骨斷端
Figure4. THA combined with SSOT surgerya. True acetabulum revealed under the conventional posterior-lateral approach; b. Implanted the PINNACLE acetabular cup into the true acetabulum; c. Autologous bone plate with wire binding to fix the end of the subtrochanteric osteotomy
1.4 圍術期管理
① 預防感染：手術當天（術前 30 min）至術后第 2 天，患者每日靜脈輸注含 1 g 五水頭孢唑林鈉的生理鹽水溶液 100 mL。② 鎮痛：患者術晨口服塞來昔布膠囊 200 mg 超前鎮痛；關閉切口前，于切口周圍注射羅哌卡因 75 mg 局部浸潤麻醉；術后前 3 天予以靜脈推注帕瑞昔布注射液 40 mg（每 12 小時 1 次），3 d 后改為口服塞來昔布 200 mg（早晚各 1 次）。術中予以自體血回輸。③ 止血、抗凝、預防血栓形成：術前 30 min 靜脈輸注氨甲環酸 0.5 g，術中關閉切口前用氨甲環酸 0.5 g 浸泡切口；術后第 1 天皮下注射依諾肝素鈉 4 000 U，每天 1 次至出院；出院后口服阿哌沙班 2.5 mg，每天 2 次至術后第 35 天；患者麻醉清醒返回病房后即應用踝泵，術后應用足底靜脈泵預防下肢深靜脈血栓形成。④ 康復訓練：術后第 1 天，指導患者在助行器輔助下完全負重行走，直至脫離助行器獨立行走（術中發生假體周圍骨折患者除外），記錄脫離助行器時間。
1.5 療效觀測指標
記錄患者手術時間、住院時間及不良事件發生情況（感染、脫位、骨折、下肢深靜脈血栓形成等），其中依據 Mahmood 等[14]研究方法測量雙下肢長度差絕對值。術前 1 d 及術后 1 周、6 個月采用 Harris 評分評價患肢功能。
假體匹配程度[ 15]：術中應用假體型號與術前規劃假體型號完全一致，為完全匹配；與術前規劃假體型號相差 ±1 號，為一般匹配；與術前規劃假體型號相差 ±2 號及以上，為不匹配。計算術前規劃與術中應用假體型號的符合率（匹配例數+一般匹配例數占總例數的百分比）。
假體位置：術后 1 d 及術后 6 個月攝骨盆正位 X 線片并行假體角度測量。股骨假體位置依據 Nakata 等[16]方法判斷，股骨假體處于內翻 3° 至外翻 3° 之間，則認為假體處于中心性固定。髖臼假體位置依據 Pradhan 方法[17]判斷，外展角 30°～50°、前傾角 5°～25° 時，認為髖臼假體處于安全范圍。
1.6 統計學方法
采用 SPSS25.0 統計軟件進行分析。計量資料以均數±標準差表示，雙下肢長度差絕對值手術前后比較采用配對 t 檢驗，Harris 評分手術前后比較采用單因素重復測量方差分析，若不滿足球形檢驗，采用 Greenhouse-Geisser 法進行校正；檢驗水準 α=0.05。
2 結果
術后髖臼杯型號與術前規劃匹配程度為完全匹配 16 例、一般匹配 4 例（+1 號 1 例、–1 號 3 例）、不匹配 3 例（均為 +2 號），符合率為 86.96%。股骨柄型號匹配程度為完全匹配 22 例、一般匹配 1 例（–1 號），符合率為 100%。
1 例術中發生股骨假體周圍骨折，術中予以鋼纜捆綁，術后 6 周助行器輔助下下地行走；其余患者均在術后 1 d 即采用助行器輔助下下地行走。本組手術時間 185～315 min，平均 239.43 min；住院時間 8～20 d，平均 9.96 d；脫離助行器時間 2～56 d，平均 5.09 d。術后患者均獲隨訪 6 個月。患者切口均Ⅰ期愈合，無感染、脫位、再骨折、下肢深靜脈血栓形成等并發癥發生；術后 1 d 及 6 個月復查 X 線片示髖臼與股骨假體均固定牢靠且在安全范圍；術后 1 d 雙下肢長度差絕對值為（11.96±13.48）mm，與術前比較差異無統計學意義（t=0.582，P=0.564）。術后 6 個月截骨均愈合良好。術后 1 周及 6 個月 Harris 評分分別為（69.5±4.9）分和（79.2±5.7）分，手術前后各時間點間比較差異均有統計學意義（P<0.05）。術后 6 個月根據 Harris 評分評價髖關節功能，獲良 13 例、中 9 例、差 1 例。見圖 5。
圖5
患者，女，52 歲，左髖 Crowe Ⅳ型、右髖 Crowe Ⅱ型 DDH，左髖先行 THA 聯合 SSOT，術后 4 個月右髖行 THA
從左至右分別為雙下肢站立位全長 X 線片、髖關節正位 X 線片及左髖關節側位 X 線片 a. 術前；b. 術后 6 個月示髖臼側與股骨側假體固定均牢靠
Figure5. A 52-year-old female patient with left Crowe type Ⅳ DDH and right Crowe type Ⅱ DDH underwent THA combined with SSOT on left hip, and THA on right hip 4 months laterFrom left to right for full-length standing X-ray film of both lower limbs, anteroposterior X-ray film of the hip joint, and lateral X-ray film of the left hip a. Before operation; b. At 6 months after operation showed that the acetabular and femoral prostheses were firmly fixed
3 討論
3.1 AIHIP 系統的優勢
第一，AIHIP 系統提高臨床工作效率。神經網絡是一種模仿動物神經網絡行為特征，進行分布式并行信息處理的算法數學模型。AIHIP 軟件可以借助其獨特的 G-NET 神經網絡技術，快速識別解剖位點并分割，匹配所需假體的型號、大小，規劃旋轉中心、股骨距保留長度，高效實現術前規劃。相比目前較為流行的 3D 打印輔助 THA 術前規劃[18]，其處理速度快是明顯優勢。此外，其他現有的三維術前規劃軟件存在操作繁瑣、需要手動標記、耗時較長、價格昂貴等不足[14]。在識別速度方面，同類三維術前規劃軟件，如 Mimics、HipPlan 等，因需要手動分割，每例規劃用時約 24 min；AIHIP 系統每例規劃用時平均約 5 min，明顯精簡、縮短了術前規劃時間。
第二，AIHIP 系統準確率較高。國內 THA 術前規劃仍以傳統基于二維 X 線片測量為主，因放大率不準確、拍攝投照角度存在差異、操作繁瑣、假體型號種類不全等問題，術前規劃常不準確，嚴重影響 THA 手術效果[10-12]。而且 Crowe Ⅳ型 DDH 患者髖關節高脫位、雙下肢真性不等長、髖關節外翻，因此周密的術前計劃非常重要。AIHIP 系統利用自研的 G-NET 算法，基于 Unet 結構、Dense-Block 結構、LSTM 網絡、PointRend 技術對骨骼骨塊進行精準分割并識別關鍵解剖點，平均識別誤差為 0.87 個像素值，骰子重疊系數精度為 92.5%，高于傳統分割網絡，且具有更好的魯棒性（robust-ness）。在假體放置方面，該系統將監督學習和基于強化學習的無監督學習相結合，依據假體設計理念及人體解剖結構，智能放置假體位置，計算最適角度，假體完全匹配率可達 90% 以上。既往二維規劃相關研究發現，髖臼杯符合率為 7.3%～70%，股骨干符合率為 36%～79%[18-19]。本研究中 AIHIP 系統規劃假體型號的符合率高于傳統二維規劃。
第三，AIHIP 系統有利于減少術中錯誤。成人 Crowe Ⅳ型 DDH 患者的髖關節畸形多變且極其復雜。就髖臼側置換而言，按照傳統術前二維規劃方法，如果髖臼磨得較淺，臼杯無法打牢，容易松動；如果髖臼磨得較深，則容易磨穿前后壁[20-21]。AIHIP 系統可以調整臼杯大小及磨銼程度，術者術前可在設計圖上觀察，臼杯在 AI 設計圖中以不同顏色表示，如果臼杯尺寸過大，則臼杯穿出 AI 設計圖中的髖臼側骨骼，進入盆腔。就股骨側置換而言，傳統方法植入股骨假體主要依靠主刀醫師手術經驗，容易造成股骨側三角袖套偏小、遠端柄偏小，進而導致假體松動；或者三角袖套或假體卡得太緊，造成大轉子附近骨折，嚴重影響臨床療效。AIHIP 系統則可以預測股骨側假體型號，很大程度規避上述問題，提高臨床療效，減少術后翻修率。本研究中 1 例患者出現股骨假體周圍骨折，我們分析為矢狀位上假體傾斜，進而在擴髓過程中髓腔皮質阻力大、術者過分用力造成，這與術中開髓方向不夠偏后偏外有關。
第四，AI 技術可對假體型號、截骨位置、股骨距保留長度等進行規劃，輔助較為復雜的 Crowe Ⅳ型 DDH 的 THA。本研究發現患者術后 Harris 評分均高于術前，提示采用 AIHIP 系統輔助術前假體規劃可提高 THA 治療成人 Crowe Ⅳ型 DDH 的療效。
3.2 SSOT 的優勢
SSOT 術后愈合率高，有助于術中難以復位的復雜高脫位患者髖關節復位，可避免血管、神經牽拉過度引起的并發癥[22]。此外，文獻報道 SSOT 可以通過減小股骨前傾角，矯正股骨過度前傾和大轉子后移[23]。本組術中 13 例患者復位困難，聯合 SSOT 以利于復位，術后 6 個月截骨均愈合良好。
3.3 S-ROM 柄的優勢
本研究我們使用美國 DePuy Synthes 公司的假體，其主要特點為股骨側的 S-ROM 柄與 B-SML 三角袖套。成人高脫位 DDH，尤其是 Crowe Ⅳ型 DDH，股骨前傾角很大，相比使用其他種類生物型柄，使用 S-ROM 柄可以減小股骨前傾角，有利于 DDH 股骨旋轉畸形的矯正，進而減少常規后外側入路 THA 術后髖關節后脫位可能。另外，Crowe Ⅳ型 DDH 患者外展肌、股直肌等均短縮，相比常用于 Crowe Ⅳ型 DDH 的美國 Zimmer Biomet 公司的 Wagner 柄和北京春立正達醫療器械股份有限公司的 165 型柄，S-ROM 柄具有以下優點：① S-ROM 柄有可匹配的 B-SML 三角袖套，能夠誘導骨長入；② 抗旋轉效果更好，可以實現在截骨附近牢固固定，利于股骨近端截骨術后骨愈合；③ 采用 S-ROM 柄時 SSOT 截骨位置較高，有利于股骨遠端穩定。
3.4 本研究局限性
① 受限于成人 Crowe Ⅳ 型、需要手術治療的 DDH 患者相對較少，本研究病例數較少；② 術后遠期療效尚需長期隨訪明確；③ 術前 AIHIP 系統輔助規劃需要進行薄層 CT 掃描，增加了患者受輻射劑量及檢查費用，值得進一步設計和研究；④ Crowe Ⅳ型 DDH 軟組織攣縮嚴重，AIHIP 系統目前無法預測軟組織張力；⑤ 目前的 AIHIP 系統也無法測量 SSOT 截骨長度及截骨準確位置。
綜上述，AIHIP 系統輔助下 THA（術中難復位患者聯合 SSOT）治療成人 Crowe Ⅳ型 DDH，術前規劃準確率高，術中易復位，術后下地早，早期療效滿意。提示借助 AIHIP 系統可安全、有效地開展此類精度要求較高、術式復雜且風險較高的手術。
作者貢獻：沈計榮、張逸凌負責構思及設計、觀點形成；夏天衛負責統計學處理、論文撰寫、臨床資料收集；劉金柱參與觀點形成、臨床資料收集；張志廣參與論文撰寫；劉星宇、張長昊、樊燕鑫、張超參與臨床資料收集。
利益沖突：所有作者聲明，在課題研究和文章撰寫過程中不存在利益沖突。
機構倫理問題：研究方案經南京中醫藥大學附屬醫院醫學倫理委員會批準（2020NL-134-02）。
