1. 引言
全髋关节置换术(Total Hip Arthroplasty, THA)是20世纪骨科领域最重要的进展之一，被誉为“世纪手术”[1] [2]。自1960年代John Charnley首次成功实施以来，THA已成为治疗终末期髋关节疾病的金标准。随着手术技术的提高，以及假体材料的不断改进，THA所带来的手术疗效也在不断提高[3]，为患者带来显著收益。目前随着人口老龄化和生活方式的改变，髋关节疾病的发病率逐年上升，THA的需求也随之增加。目前，全球每年进行的THA手术超过100万例，且这一数字预计在未来20年内将翻一番[4]。
THA主要用于治疗各种原因导致的髋关节疼痛和功能障碍，包括髋关节骨关节炎、股骨头坏死、股骨颈骨折、类风湿性关节炎、发育性髋关节发育不良和创伤后关节炎等[5]。其中，骨关节炎是最常见的适应症，约占THA病例的80% [6]。随着人口老龄化的加剧，老年患者的比例不断增加，对于THA的需求也在持续增长；与此同时，由于运动损伤、肥胖以及酒精的过度饮用、激素类药物的滥用等因素，年轻患者的比例也在上升。
2. 全髋关节置换术及术前规划的重要性
THA仍面临一些挑战。首先，术后并发症如感染、假体松动和脱位仍然是影响手术效果的重要因素。其次，年轻患者对假体寿命和功能要求更高，如何延长假体使用寿命是当前研究的重点。此外，THA的成本效益问题也备受关注，特别是在医疗资源有限的国家和地区。
2.1. 全髋关节置换术的假体固定方式
在THA手术中，假体的固定方式是手术成功的关键因素之一。目前，假体固定主要分为骨水泥固定和生物学固定两大类。这两种固定方式各有其特点和适应症，选择合适的固定方式对于手术效果和患者的长期预后至关重要。
骨水泥固定：骨水泥固定是通过在假体与骨床之间充填骨水泥(聚甲基丙烯酸甲酯，PMMA)来实现假体的稳定。这种固定方式形成了假体–骨水泥–骨的两个界面。骨水泥型假体的固定主要依赖充填以及机械交锁实现，这种方法的显著特点是假体可以即刻与骨面固定牢固[7]，手术后患者可以较快地恢复活动能力，减少了术后早期假体松动的风险。此外，骨水泥固定适用于骨质较差的老年患者，尤其是那些骨质疏松严重的患者，因为它可以提供即时的稳定性，减少术后疼痛和恢复时间。
然而，骨水泥固定也存在一些潜在的缺点。例如，骨水泥在固化过程中会产生热量，可能对周围骨组织造成损伤。此外，骨水泥的长期耐久性可能受到挑战，随着时间的推移，骨水泥可能会逐渐磨损或松动，导致假体的不稳定[8]。因此，对于年轻、活动量大的患者，骨水泥固定可能不是最佳选择。
生物学固定：生物学固定是通过假体与骨床的直接接触来实现固定，仅有骨–假体一个界面。生物学固定则需要经历两个阶段：初始固定阶段和继发固定阶段[9]。初始固定属于机械性的，其主要依赖于假体的外形。手术过程中确定假体型号时，股骨髓腔要根据股骨柄的外形(主要是周径)，把骨面表层的骨松质磨蚀干净，留下能牢固稳定固体的骨密质，使股骨柄与髓腔紧密贴合后固定。继发固定阶段则是在股骨柄与髓腔紧密贴合的基础上，骨骼依靠骨小梁生长和骨化的生物特性，与股骨柄间形成紧密结合。生物型最大的优点就在于，逐渐生长的微细骨组织能够能够逐步深入并在股骨柄的微孔结构中，获得长期的稳定性。这种材料则更适用于中青年、活动量需求更大或者骨质更好的患者，可为其提供长期的稳定性，减少假体松动的风险。
无论选择生物型固定还是水泥型固定，其最终目的都是获得假体植入的初期和长期稳定性。初期稳定性对于手术的成功至关重要，因为它可以减少术后早期并发症的发生率，如假体脱位、骨折等。长期稳定性则可以延长假体的使用寿命，减少术后疼痛，提高患者的生活质量。因此，在选择假体固定方式时，需要综合考虑患者的个体情况和手术医生的经验，以确保手术的成功和患者的长期预后。
假体材料和设计的改进也是THA发展的重要方向。传统的金属–聚乙烯界面逐渐被陶瓷–陶瓷和金属–高交联聚乙烯界面取代，显著降低了磨损率和假体松动率。表面处理技术的进步，如羟基磷灰石涂层和多孔金属表面，促进了假体与骨组织的整合，提高了长期稳定性。
总之，随着医疗技术的不断进步，全髋关节置换术的假体固定方式也在不断发展和优化。未来，随着生物材料的改进和手术技术的提高，假体固定的效果将更加理想，患者的手术体验和生活质量也将得到进一步提升。
2.2. 术前规划的核心作用
流行病学数据显示，THA的发病率在不同国家和地区存在显著差异。发达国家由于人口老龄化和医疗资源丰富，THA的发病率较高。例如，美国每年进行约30万例THA，而中国作为人口大国，THA的数量也在快速增长，预计到2030年将达到每年50万例[10] [11]。THA手术技术在过去几十年中取得了显著进步。微创手术技术的应用减少了手术创伤和术后疼痛，加快了康复速度。计算机导航和机器人辅助手术的引入提高了假体放置的精确度，改善了手术效果。THA的临床效果普遍良好，90%以上的患者术后疼痛显著缓解，功能明显改善，假体10年存活率超过95% [12]。全髋关节置换术是治疗终末期髋关节疾病的重要手段，其成功与否很大程度上取决于术前规划和术中操作的精确性。
首先，准确的术前规划可以提高手术精度，包括假体选择和植入位置，恢复患者日常活动功能以及双下肢长度，减少术后并发症，如假体脱位和神经血管损伤。其次，详细的术前规划可以缩短手术时间，提高手术效率。此外，良好的术前规划有助于改善术后功能恢复，延长假体使用寿命，降低医疗成本，提高患者满意度。因此高效而准确的术前规划对手术成功至关重要。
2.2.1. 传统二维手工模块术前规划
传统二维手工模块作为长期以来的标准方法，依赖于术者的经验和二维X线片模板测量，存在一定局限性[13]-[15]。首先，二维X线片受放大率和投影角度的影响，测量精度较低。其次，二维图像无法全面反映髋关节的三维解剖结构，尤其在复杂病例中，难以准确评估髋臼和股骨的畸形。此外，传统二维规划无法模拟手术过程中的关键参数，如下肢长度和偏心距，可能导致术后出现下肢不等长、假体撞击等问题[16]。
2.2.2. 三维术前规划
三维(3D)术前规划通过计算机断层扫描(CT)数据进行三维重建，能够更准确地评估患者解剖结构，优化假体选择和放置位置。尽管三维术前规划的准确度明显高于传统二维模块，但是由于训练、学习时间长，操作复杂，并且需要人工分工以及手工匹配假体的特点，过程繁琐复杂，导致目前为止未能广泛开展。
3. AI软件的技术原理与功能
近年来，随着人工智能技术的发展，AI软件应运而生，为全髋关节置换术提供了新的解决方案。
3.1. AI的核心技术模块
AI软件(杭州键嘉医疗科技股份有限公司)是一种基于人工智能和大数据的三维术前规划系统，专门用于全髋关节置换术的术前规划。其核心技术原理包括三维模型重建、智能假体匹配和术前模拟与评估。
三维模型重建是该软件的基础功能。通过患者术前的骨盆CT扫描数据，软件利用深度学习算法进行三维骨骼模型重建。这一过程能够精准还原患者髋关节的解剖结构，为后续的假体匹配和手术模拟提供基础。智能假体匹配功能则基于重建的三维模型，结合医疗大数据，自动匹配适合患者的假体型号。AI软件能够预测髋臼杯和股骨柄的最佳尺寸，并模拟假体的安装位置，从而提高假体选择的准确性。
术前模拟与评估是AI软件的另一个重要功能。软件可以模拟整个手术过程，包括截骨位置、假体安装后的下肢长度和偏心距等关键参数。此外，AI还能通过碰撞模拟检测潜在的术后问题，帮助医生优化手术方案。这些功能不仅提高了术前规划的准确性，还有助于减少术后并发症，改善患者预后。
3.2. AI软件的临床优势
AI软件的优势主要体现在以下几个方面：首先，与传统模块测量方法相比，AI软件在预测假体型号和位置方面表现出更高的准确性。其次，软件能够全面评估患者的骨骼结构和手术需求，提供最适合的假体型号和安装位置。此外，AI软件通过自动化处理，大大缩短了规划时间，提高了术前准备的效率。最后，软件支持多种假体型号，覆盖了市场上大部分的股骨柄和髋臼杯，为医生提供了更广泛的选择空间。
4. AI软件在全髋关节置换术中的应用
AI软件是一种基于人工智能技术的三维手术规划系统，它通过深度学习算法分析患者的CT或MRI影像，自动生成个性化的手术方案。AI技术在术前诊断及规划中的应用，通过深度分析相关CT影像数据，提高了髋部病变识别的准确性，大幅优化了手术的规划过程[17] [18]。该软件的核心功能包括三维解剖结构重建、自动假体尺寸预测和虚拟手术模拟。在术前规划阶段，AI软件能够精确测量患者的解剖参数，如髋臼角度、股骨颈干角等，并根据这些数据推荐最佳的假体型号和位置。
在术中导航方面，AI软件通过实时跟踪手术器械和患者骨骼的位置，提供精确的导航信息，帮助术者准确放置假体。研究表明，使用AI软件可以显著提高假体位置的准确度，减少术中调整次数，从而缩短手术时间。此外，AI软件还能够预测术后生物力学参数，如肢体长度和偏心距，有助于实现更好地功能恢复。
在复杂髋关节置换手术方面的应用中，3D打印技术展示出巨大的潜力，凭借其规划准确性高，可显著缩短手术时间并减少术中出血量，提高了患者术后恢复速度及手术的整体成功率，但该技术尚处于起步阶段，未来该技术有望颠覆性推动医学领域的发展，在THA中应用前景值得期待。
5. 传统二维手工模块在全髋关节置换术中的应用
传统二维手工模块主要依赖于术者的经验和二维影像(如X线片)进行术前规划。术者需要手动测量关键解剖参数，并根据经验选择假体型号和位置。这种方法虽然成本较低，但存在一定的主观性和误差。在术中，术者主要依靠解剖标志和经验来放置假体，缺乏实时的导航反馈。
尽管传统方法存在局限性，但由于其成本低廉、操作简单，仍然在临床广泛应用。特别是在资源有限的医疗机构，传统二维手工模块仍然是主要的手术规划方法。然而，随着患者对手术精确度和个性化治疗需求的提高，传统方法的局限性日益凸显。
6. AI软件与传统二维手工模块的比较
近年来，多项研究比较了AI软件与传统二维手工模块在全髋关节置换术中的应用效果。在手术精确度方面，AI软件显著优于传统方法。一项meta分析显示，使用AI-HIP软件可将假体位置准确度提高至90%以上，而传统方法的准确度仅为70%~80% [19]。在手术效率方面，AI软件通过自动化和实时导航功能，平均可缩短手术时间15~20分钟。
在术后效果方面，使用AI软件的患者在Harris髋关节评分、步态分析和患者满意度等方面均优于传统方法组[20]。然而，在并发症发生率和翻修率方面，两种方法的差异尚未达成一致结论，需要更多长期随访研究来验证。
成本效益分析显示，虽然AI软件的初始投资较高，但由于其提高了手术精确度和效率，减少了术后并发症和翻修率，从长远来看可能具有更好的经济效益[21]。然而，这一结论仍需在更大样本和更长随访时间的研究中进一步验证。
值得注意的是，AI软件的应用也存在一些局限性。首先，软件的使用需要医生具备一定的计算机操作技能，可能存在学习曲线。其次，AI软件的准确性和效果依赖于高质量的CT扫描数据，如果影像质量不佳，可能影响规划结果。此外，AI软件的普及还受到医院设备和经济条件的限制，特别是在资源有限的地区。最后，尽管AI软件在大多数情况下表现出色，但在某些复杂或罕见病例中，仍需要医生的经验和判断来做出最终决策。
7. 讨论与展望
AI软件在全髋关节置换术中展现出显著优势，特别x是在手术精确度、效率和个性化治疗方面。然而，其高昂的成本和陡峭的学习曲线仍然是推广应用的障碍。传统二维手工模块虽然成本较低，但在精确度和个性化方面存在局限[22] [23]。AI软件的应用仍需考虑成本和复杂病例的适用性，因此进一步优化AI算法，扩大样本量，延长随访时间，以全民评估AI软件的长期效果和经济效益。随着人工智能的迅速发展，人工智能在术中的辅助作用也开始协助术者操作，其能在术中实时监测患肢生物力学参数，当检测到异常应力分布时可立即预警，有效避免神经、血管损伤等医源性伤害，相较传统模式将严重并发症发生率降低。
AI软件不仅可以用于术前规划及术中辅助应用，还可以扩展到术后康复阶段。通过分析患者的术后影像学数据和功能评分，AI系统能够提供更加个性化的康复建议，包括训练强度、方式和频率等，促进患者功能康复，并可为患者术后的长期预后进行预测，帮助医生优化术后管理。
未来，随着AI技术的不断进步和成本的降低，AI软件有望在全髋关节置换术中发挥更大作用。同时，如何将AI技术与传统经验有机结合，实现优势互补，也是未来研究的重要方向。
NOTES
*通讯作者。