张小刚

副教授，机械工程哲学博士

中国老年学和老年医学学会老年骨科分会委员

团队以人工关节置换相关的临床问题为导向，以重建个性化功能为目标，围绕假体力学/运动学/摩擦学适配原理、智能手术规划、关节手术机器人等方向深入研究数字关节外科核心技术，推动形成“个性化”、“几何精准”与“功能精准”髋/膝关节重建方案。

团队在靳忠民教授的领导下，近5年主持承担国家自然科学基金委重点项目1项、面上项目3项、青年项目2项，科技部重点研发子课题2项，省部级纵向课题5项及企业横向课题多项。

标准化关节假体所能提供的力学/运动/磨损功能与个性化患者的差异化功能需求成为天然矛盾，两者的不匹配是导致假体功能与寿命问题的关键原因。传统手术条件下，患者解剖呈现出不同程度的个性化特征，关节假体仅能提供有限的选择，术中截骨与安装依赖于术者的主观经验，存在众多不确定与不可以量化因素。智能规划、精准导航、个性化定位、机器人截骨等先进技术手段的出现，为实施精准骨科提供了必要条件。关节置换手术正大步迈入“几何精准”时代。然而，“几何精准”理念下的置换手术正面临关键难题，对个性化关节置换缺少合理的物理模型，假体与手术参数对运动功能与磨损寿命的影响机制缺少有效研究方法与评估手段，针对个性化患者难以确定最佳假体与手术参数，实践中仍然多以诸如下肢中立位力线为单一规划目标。针对个性化患者，基于影像学、运动学、生物力学、摩擦学、人工智能、机器人等多学科交叉的“几何精准”与“功能精准”手术方案是面向未来的手术理念，也是数字关节外科的核心研究内容。通过术前CT能精准地重建个性化患者的骨骼结构，基于人工智能与力学原理的手术模拟可以表征手术安装的每个参数，光学定位导航与辅助定位器械可实现术中的精准定位测量，机械手臂可实现亚毫米级的精准截骨，最终形成以个性化患者“功能精准”为目标的“数字关节外科”整体方案。

团队具体在以下四个方面开展了深入地研究：

1. 人工关节置换手术规划/手术模拟 

+ 髋关节安装位置(前倾、外展、高边等)与活动范围、安全区 

+ 膝关节解剖标志与安装位置（股骨前弓、内外翻/内外旋等） 

2. 人工关节置换/骨性重建术前分析 

+ 步态测试与分析 

+ 骨性解剖特征量化分析 

+ 患者骨性组织、关节重建的有限元分析 

+ 患者骨肌系统建模与分析（运动学、多体动力学分析）

3. 人工关节置换手术机器人 

+ 前术智能规划 

+ 手术导航

+ 术中测量 

+ 机械臂截骨 

4. 人工关节材料/部件/假体测试与评价

+ 材料力学性能评价与分析（拉/压/扭、镀膜力学评价等） 

+ 材料磨损性能评价与分析（销盘、球盘、磨屑、微动等）

+ 假体磨损性能评价与分析（关节模拟机、微动腐蚀、磨屑等）