可提高機器人全膝關節置換術的準確性和效率

新聞要點：

• 一種用于機器人全膝關節置換（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置換的計算算法的獨特性，新穎性和專有權。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，通過獨立專利機構的嚴格審查和大量收據探索，尚未發現其他類似的概念或技術。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，而此前人工規劃的rTKR手術精度僅為2毫米，從而顯著提高了手術規劃的精確度，降低了錯位風險。
• 通過將手術期間的人工調整替換為人工智能技術，手術時間縮短了約15分鐘，整體手術效率得到提升，并可能帶來更好的功能效果、更高的患者安全性和滿意度。
• 生產效率：使用該算法的手術比依靠人工規劃的手術快約48%。

新加坡2025年2月12日 /美通社/ -- 亞歷山大醫院（AH）骨科手術團隊獲得了由世界知識產權組織（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置換（rTKR）算法的獨特性，新穎性和專有權。自2024年8月在150多個成員國申請專利保護以來，通過獨立專利機構的嚴格審查和大量數據檢索，迄今為止，尚未發現其他類似概念或技術。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置換（rTKR）的準確性和效率，是獨一無二的。

該算法由亞歷山大醫院的骨科手術顧問醫生廖子強與黃頌平醫生和陸煒強先生共同開發。后二者在參與該項目時還是醫學生。 這項人工智能驅動的創新技術通過在rTKR手術中創建符合每位患者獨特膝關節解剖結構的個性化植入物定位精度，優化了rTKR手術中的個性化植入物定位。 這種創新方法解決了手術期間手動規劃的問題，幫助外科醫生精確對齊膝關節組件，從而可能帶來更好的術后效果和植入物壽命，并縮短手術時間，提高生產效率，堪稱該領域的顛覆性創新。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。

克服當前rTKR方法的挑戰：

全膝關節置換術（TKR）是最常見的骨科手術之一，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，到2019年的499名患者。在此期間，患病率增加了2.7倍^[1]。對于因骨關節炎等各種退行性疾病而出現嚴重膝關節疼痛的患者，全膝關節置換手術（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量。在過去的五年中，機器人全膝關節置換手術（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，挑戰依然存在。在機器人膝關節置換手術中，找到滿足外科醫生目標和患者解剖結構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構都是獨一無二的。植入物的準確定位對于術后膝關節的生物力學功能、患者的舒適度和手術的成功至關重要。

目前，rTKR外科醫生在手術中手動計劃和調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性。這可能需要外科醫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，手動規劃可能耗時較長，并可能影響手術結果。

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，經證實能夠應對上述挑戰，提高手術規劃的精確度，縮短手術時間。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）。該算法計算了數千種排列組合，以確定理想的優化植入物規劃定位，精度高達±0.5mm，用時不到0.1秒（點擊鏈接：亞歷山大醫院的動畫視頻），最大限度地減少了手術期間手動調整所需的時間。

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，并節省手術時間，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，以調查這項創新技術通過降低植入位置不理想、不必要的手術時間、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，還可以降低術后并發癥的風險，如松動、磨損和不穩定，減少所需的翻修手術次數，并有助于提高長期植入物的功能和壽命，從而節省長期成本。

• 提高精確度：根據患者獨特的解剖結構和外科醫生的個人理念，實現植入物計劃定位精度為±0.5mm。
• 計算效率：在0.1秒內（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。
• 縮短手術時間：最大限度地減少術中計劃所需的時間，從而縮短手術總時間。
• 手術效率：使用該算法的手術比依賴人工計劃的手術大約快48%^[2]。
• 患者擇期手術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，結果表明有望提高精確度并縮短手術時間。該研究項目在2024年新加坡骨科協會年度科學會議上獲得了P Balasubramaniam獎，并在2024年國際人工關節置換技術學會（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手術的67名連續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%的手術間隙在±1.5mm以內，而未使用該算法的手動手術組中，只有52%的手術間隙在±1.5mm以內。
• 輸出一致性：手術效果不受患者年齡、性別、身高或膝關節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癥更少，患者對膝關節置換術的滿意度往往更高。

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