近日,，（略）藏磊教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合長木谷?共同研究的AISPINE?科研成果發(fā)表在國際前沿期刊《Bioengineering》，影響因子4.6,，對未來脊柱領(lǐng)域的發(fā)展方向提供了重要參考,，（略）與起點(diǎn),，同時(shí)對腰椎椎弓根螺釘精準(zhǔn)性與安全性起到關(guān)鍵正向作用,。本研究旨在開發(fā)人工智能AISPINE?術(shù)前規(guī)劃軟件，并驗(yàn)證其在臨床應(yīng)用中的高效性和準(zhǔn)確性,。
研究背景
腰痛是一種非常常見的疾病,，在過去10年中，患有腰痛的患者人數(shù)不斷增加,。據(jù)估計(jì),，全球約有6.19億人患有腰痛。退行性腰椎疾病是腰痛和脊柱功能障礙的主要原因,，導(dǎo)致巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān),。當(dāng)保守治療失敗時(shí)，后路腰椎椎間融合術(shù)（PLIF）是治療此疾病的標(biāo)準(zhǔn),。然而,，PLIF風(fēng)險(xiǎn)復(fù)雜，容易發(fā)生神經(jīng)/血管損傷,、陡峭的學(xué)習(xí)曲線和輻射損傷,。PLIF的成功在很大程度上取決于椎弓根螺釘?shù)木_放置。此外,，精準(zhǔn)的術(shù)前計(jì)劃對于提高螺釘放置的準(zhǔn)確性至關(guān)重要，因此必須正確規(guī)劃螺釘?shù)拇笮『蛙壽E,。早期關(guān)于自動(dòng)椎弓根螺釘計(jì)劃的研究聚焦于解剖形狀優(yōu)化和模板匹配,，但這些方法準(zhǔn)確性不足,，難以滿足臨床需求。隨著人工智能（AI）的快速發(fā)展,，（略）絡(luò),，為醫(yī)學(xué)影像診斷帶來了革新。圖像分割作為診斷基礎(chǔ),，對開發(fā)高級診斷工具和手術(shù)計(jì)劃至關(guān)重要,。與傳統(tǒng)的CT圖像相比，AI可以為腰椎疾病的診斷提供更豐富,、更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù),。此外，將人工智能應(yīng)用于術(shù)前規(guī)劃可以有效降低醫(yī)生決策難度和操作技術(shù)難度,，提高術(shù)中操作的準(zhǔn)確性,，增強(qiáng)手術(shù)安全性。例如測量從上關(guān)節(jié)突到退出椎間孔的距離,，以確定穿刺角度和位置,，降低術(shù)中神經(jīng)損傷或器官穿刺的風(fēng)險(xiǎn)。目前,，深度學(xué)習(xí)在椎弓根螺釘規(guī)劃中的應(yīng)用正在蓬勃發(fā)展;然而,，對椎弓根螺釘自動(dòng)規(guī)劃軟件的研究有限，其性能尚未得到充分評估?，F(xiàn)有的深度學(xué)習(xí)算法仍需要進(jìn)一步開發(fā)和改進(jìn),。在本研究中，根據(jù)長木谷?自主研發(fā)的深度學(xué)習(xí)算法,，開發(fā)了一種基于CT圖像的椎弓根螺釘自動(dòng)規(guī)劃軟件AISPINE?,，可以自動(dòng)分割脊柱并規(guī)劃椎弓根螺釘通道。定量和定性地評價(jià)椎弓根螺釘植入的規(guī)劃有效性和效率,，并與人工規(guī)劃螺釘進(jìn)行比較,。
研究設(shè)計(jì)
選取了2016年1月至2023年6月，（略）診斷為退行性腰椎疾?。òㄑ倒塥M窄,、腰椎間盤突出、退行性腰椎滑脫）,，保守治療失敗行腰椎三維CT成像的患者,，且首次接受PLIF治療的316名患者。首先,，脊柱外科醫(yī)生應(yīng)用Mimics軟件根據(jù)CT圖像進(jìn)行椎體分割和椎弓根螺釘置入,。然后，我們使用來自316例患者的數(shù)據(jù)進(jìn)行深度學(xué)習(xí)訓(xùn)練和驗(yàn)證（228例用于訓(xùn)練,，88例用于驗(yàn)證）,，共使用1,528個(gè)螺釘（1,090個(gè)用于訓(xùn)練,，438個(gè)用于驗(yàn)證），對于驗(yàn)證系列,，具體分布在L2（4顆螺釘）,、L3（48顆螺釘）、L4（164顆螺釘）,、L5（168顆螺釘）和S1（54顆螺釘）,。脊柱手術(shù)節(jié)段的中位數(shù)為1。使用改進(jìn)的3D-UNet和Hourglass結(jié)構(gòu),。實(shí)現(xiàn)了腰骶椎體自動(dòng)分割和椎弓根螺釘自動(dòng)規(guī)劃,。我們記錄了用于手動(dòng)和自動(dòng)計(jì)劃的時(shí)間。采用Dice系數(shù)評價(jià)不同椎體的自動(dòng)分割精度,。然后,，通過計(jì)算螺釘長度和直徑、內(nèi)傾角和頭傾角和Dice系數(shù),，對自動(dòng)規(guī)劃螺桿和相應(yīng)的手動(dòng)規(guī)劃螺桿進(jìn)行定量驗(yàn)證,，采用Gertzbein-Robbins分級和Badu分級進(jìn)行定性驗(yàn)證。
改進(jìn)的3D-Uet（略）絡(luò)
Hourglass算法進(jìn)行椎弓根螺釘自動(dòng)植入通過CT分割和識別創(chuàng)建患者腰椎的3D模型,。螺釘?shù)拇笮『徒嵌瓤梢栽诠跔蠲?、矢狀面和橫向平面進(jìn)行調(diào)整，將骨螺釘通道長度的80%設(shè)置為插入深度,。螺釘?shù)闹睆皆O(shè)計(jì)避免了穿透椎弓根皮層,，同時(shí)最大限度地利用了椎弓根的內(nèi)徑。每次調(diào)整都允許實(shí)時(shí)觀察螺釘?shù)奈恢煤托g(shù)后效果的3D模擬,，以根據(jù)外科醫(yī)生的偏好選擇最佳螺釘尺寸,、角度和插入點(diǎn)。最后,，記錄尺寸和角度,。此外，記錄了每個(gè)腰骶椎自動(dòng)和手動(dòng)椎弓根螺釘植入所需的時(shí)間,。
研究結(jié)果
自動(dòng)規(guī)劃在所有316例中成功分段并放置螺釘,，分割精度的Dice系數(shù)為0.95，在規(guī)劃時(shí)間方面,，手動(dòng)分割時(shí)間為393.91±107.10秒,，而自動(dòng)分割時(shí)間為72.10±17.51秒，自動(dòng)分割較傳統(tǒng)手動(dòng)分割,，縮減了約82%的時(shí)間,。
椎弓根螺釘定量評估方面，自動(dòng)規(guī)劃螺釘?shù)淖倒鶛M向角（PTA）和椎弓根矢狀角（PSA）與手動(dòng)規(guī)劃螺釘?shù)钠骄町惙謩e為1.63±0.83?和1.39±1.03?，與手動(dòng)規(guī)劃螺釘?shù)目勺冃韵啾?，這些差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)可比較性,。植入螺釘?shù)钠骄鵇ice系數(shù)為0.63±0.08,，自動(dòng)螺釘與手動(dòng)參考螺釘?shù)囊恢滦愿哂趦?nèi)釘（Dice0.62±0.09）,。與手動(dòng)螺釘相比，自動(dòng)螺釘較短（46.58±3.09mm）,，較?。?.24±0.35mm），差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,。
椎弓根螺釘自動(dòng)vs手動(dòng)定量評價(jià)結(jié)果
相應(yīng)椎體對應(yīng)螺釘Dice系數(shù)
在定性驗(yàn)證中,，97.7%的自動(dòng)規(guī)劃螺釘被評為Gertzbein-Robbins（GR）A級，97.3%的自動(dòng)規(guī)劃螺釘被評為Badu0級,。深度學(xué)習(xí)軟件自動(dòng)規(guī)劃腰骶椎弓根螺釘,，提高手術(shù)效率和準(zhǔn)確性。
在臨床應(yīng)用方面,，分別選取腰椎間盤突出,、腰椎管狹窄和腰椎滑脫典型病例，進(jìn)行AISPINE軟件的術(shù)前規(guī)劃,，效果圖如下,。
三個(gè)病例的圖釋
研究結(jié)論
1、AISPINE?提供了優(yōu)于腰骶椎椎弓根螺釘放置的準(zhǔn)確性,，可以輔助專家更加精準(zhǔn)的進(jìn)行手術(shù),；
2、AISPINE?能實(shí)現(xiàn)更快更精準(zhǔn)的三維重建和椎體分割,，在術(shù)前AISPINE?便可以進(jìn)行精準(zhǔn)三維重建,，設(shè)計(jì)椎弓根螺釘長度、角度,、直徑,。精準(zhǔn)測量椎弓根螺釘起點(diǎn)和止點(diǎn)；
3,、AISPINE?的應(yīng)用縮短年輕醫(yī)生和基層醫(yī)生手術(shù)曲線及手術(shù)時(shí)間,，作為創(chuàng)新技術(shù)更易推廣及使用。
產(chǎn)品介紹
AISPINE?,，通過醫(yī)工結(jié)合的共同研發(fā),，術(shù)前僅需通過患者CT，即可快速進(jìn)行個(gè)體化的脊柱骨骼三維重建,，實(shí)現(xiàn)包括椎弓根,、椎體、椎管、關(guān)節(jié)突,、橫突,、椎板、棘突等在內(nèi)的解剖模型的三維重建及智能測量,，為醫(yī)生提供360°全模態(tài)多角度病變位觀測,，同時(shí)，本系統(tǒng)能夠匹配螺釘,、鈦棒,、橫聯(lián)、（略）,、規(guī)格以及所需安放的角度,、深度，智能計(jì)算內(nèi)植物的手術(shù)軌跡實(shí)現(xiàn)手術(shù)各項(xiàng)尺寸的個(gè)體化計(jì)算,，從而有效減少術(shù)前測量的誤差,。AISPINE?可達(dá)到專家級精度的術(shù)前測量評估，最大幅度提高術(shù)前重建與實(shí)際應(yīng)用的內(nèi)植物模版的匹配率,。為醫(yī)生提供了個(gè)體化,、精準(zhǔn)化的脊柱手術(shù)智能評估測量數(shù)據(jù)參考，讓受多因素影響的復(fù)雜臨床問題獲得標(biāo)準(zhǔn)化的解決方案,，解決了傳統(tǒng)脊柱手術(shù)精準(zhǔn)度要求高,，患者群體基數(shù)大、醫(yī)生學(xué)習(xí)曲線長,、優(yōu)質(zhì)醫(yī)療技術(shù)難以復(fù)制到基層等痛點(diǎn)問題,。AISPINE作者簡介
藏磊教授
主任醫(yī)師、博士生（后）導(dǎo)師
（略）骨科學(xué)科主任,、第五學(xué)部骨科主任
（略）黨委委員,、院區(qū)管理綜合辦主任
享受國務(wù)院政府特殊津貼
（略）優(yōu)秀人才、（略）優(yōu)秀共產(chǎn)黨員
石（略）景賢計(jì)劃領(lǐng)軍人才,、朝陽名醫(yī)
中國醫(yī)藥教育協(xié)會(huì)老年脊柱加速康復(fù)專業(yè)委員會(huì)副主任委員
中國康復(fù)醫(yī)學(xué)會(huì)修復(fù)重建專業(yè)委員會(huì)創(chuàng)面治療專委會(huì)副主任委員
中國老年學(xué)和老年醫(yī)學(xué)學(xué)會(huì)骨松分會(huì)脊柱融合與非融合規(guī)范化北京培訓(xùn)部副主任委員
北京醫(yī)學(xué)會(huì)骨科學(xué)分會(huì)常委
中國醫(yī)藥教育協(xié)會(huì)醫(yī)療器械管理專業(yè)委員會(huì)常委
中國醫(yī)療保健國際交流促進(jìn)會(huì)脊柱醫(yī)學(xué)分會(huì)常委
（略）學(xué)會(huì)頸椎疾病健康管理與加速康復(fù)專業(yè)委員會(huì)常委
中國老年學(xué)和老年醫(yī)學(xué)學(xué)會(huì)老年骨科分會(huì)常委
北京醫(yī)師協(xié)會(huì)骨科?？漆t(yī)師分會(huì)常務(wù)理事
石（略）醫(yī)學(xué)會(huì)第七屆理事會(huì)副會(huì)長
AOSpine學(xué)會(huì)講師，委員,、北美脊柱外科學(xué)會(huì)（NASS）會(huì)員,、《康復(fù)醫(yī)學(xué)（人衛(wèi)出版社英文版）》副主編。
關(guān)于長木谷?
（略）（長木谷?）是一家專注于骨科人工智能與手術(shù)機(jī)器人解決方案的國家級高新技術(shù)企業(yè),、國家級專精特新“小巨人”企業(yè),，（略）骨科提供人工智能輔助診斷、個(gè)體化手術(shù)模擬,、手術(shù)機(jī)器人,、術(shù)后評估等全流程解決方案,。
作為研發(fā)驅(qū)動(dòng)的全球智慧骨科創(chuàng)新領(lǐng)航者，公司核心創(chuàng)研團(tuán)隊(duì)來自哈佛大學(xué),、斯坦福大學(xué),、清華大學(xué)、北京大學(xué)等世界一流院校,，目前已擁有300余項(xiàng)國內(nèi)外專利與軟件著作權(quán)等科技成果,，并屢獲中關(guān)村高新技術(shù)企業(yè)、中關(guān)村雛鷹人才企業(yè),、中關(guān)村金種子企業(yè),、中關(guān)村科技型小微企業(yè),、中國醫(yī)療人工智能企業(yè)TOP50,、2022年胡潤全球瞪羚企業(yè)、2022財(cái)富中國最具社會(huì)影響力企業(yè),、環(huán)球時(shí)報(bào)具有投資價(jià)值十佳企業(yè),、36氪2022中國10倍增長力醫(yī)療企業(yè)、（略）中國最佳醫(yī)療器械領(lǐng)域投資案例TOP10,、未來醫(yī)療100強(qiáng)-中國創(chuàng)新數(shù)字醫(yī)療榜,、手術(shù)機(jī)器人價(jià)值領(lǐng)域榜等榮譽(yù)。目前,，長木谷?已經(jīng)完成七輪融資（B+輪）,，投資方包括國內(nèi)外頂級風(fēng)投，如IDG資本,、鼎暉投資,、中金資本、軟銀中國,、聯(lián)想創(chuàng)投,、聯(lián)想之星、元生創(chuàng)投,、元禾原點(diǎn),、中關(guān)村發(fā)展集團(tuán)、華金資本,、峰瑞資本等,。
來源：長木谷
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