趙猛 江勇 徐圣康

數(shù)字骨科是將計(jì)算機(jī)數(shù)字技術(shù)與骨科臨床相結(jié)合的一門(mén)交叉學(xué)科，即通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行輔助的數(shù)字處理和圖像處理骨科基礎(chǔ)與臨床中的實(shí)際問(wèn)題。近10年來(lái)，數(shù)字骨科技術(shù)的飛速發(fā)展，使得創(chuàng)傷骨科的醫(yī)學(xué)診療操作朝著個(gè)性化、智能化、微創(chuàng)化的方向發(fā)展。目前，數(shù)字骨科技術(shù)主要包括以下幾個(gè)方面：(1)骨科有限元分析；(2)骨科三維重建技術(shù)；(3)骨科虛擬現(xiàn)實(shí)(virtual reality，VR)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(augmented reality，AR)和混合現(xiàn)實(shí)(mixed reality，MR)技術(shù)；(4)骨科增材制造技術(shù)(3D打印技術(shù))；(5)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(computer aided design，CAD)與計(jì)算機(jī)輔助制造(computer aided manufacturing，CAM)技術(shù)；(6)計(jì)算機(jī)輔助骨科導(dǎo)航手術(shù)(computer assist edorthopedic surgery，CAOS)；(7)骨科機(jī)器人技術(shù)；(8)骨科遠(yuǎn)程手術(shù)；(9)骨科人工智能技術(shù)[1]。

一、數(shù)字骨科技術(shù)在創(chuàng)傷骨科的術(shù)前診療中的的應(yīng)用

車(chē)禍導(dǎo)致的高能量復(fù)雜骨損傷越來(lái)越多。多排螺旋CT可在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行大范圍多角度掃描并快速清晰成像，清晰地觀察骨折部位、骨折移位、骨折成角、骨折分類(lèi)，獲得精密的骨骼三維虛擬模型，增加診斷及分型的準(zhǔn)確性。三維重建技術(shù)在急診外傷中還能夠快速識(shí)別隱匿性骨折及微小骨折，降低漏診及誤診的幾率[2]。成功建立三維骨折模型后，可利用計(jì)算機(jī)CAD相關(guān)軟件模擬手術(shù)過(guò)程，有助于選擇合適的手術(shù)入路和選擇符合病情的手術(shù)器械等，提高手術(shù)精度，縮短手術(shù)時(shí)間，減輕手術(shù)創(chuàng)傷。

二、創(chuàng)傷骨科手術(shù)中數(shù)字骨科的應(yīng)用

1.3D打印模型術(shù)前評(píng)估和3D打印定制植入物的應(yīng)用：3D打印模型術(shù)前評(píng)估，目前在臨床應(yīng)用較廣泛?？赏ㄟ^(guò)3D打印技術(shù)使骨折模型打印為1∶1大小的實(shí)體骨骼模型。術(shù)前通過(guò)對(duì)3D骨骼模型學(xué)習(xí)解剖、模擬復(fù)位練習(xí)、預(yù)彎鋼板、螺釘預(yù)放置，甚至術(shù)前可以打印出更加符合正常生物力學(xué)以及骨骼匹配度更高的鋼板及螺釘[3]。在具備條件的醫(yī)院，創(chuàng)傷骨科中的復(fù)雜骨折特別是骨盆髖臼骨折、脛骨平臺(tái)骨折和部分髖部骨折均選擇性的開(kāi)展了3D打印。近年來(lái)也有3D打印植入物用于復(fù)雜骨折和復(fù)雜困難關(guān)節(jié)翻修的報(bào)道。Baauw等[4]報(bào)道，在16例巨大髖臼缺損的髖關(guān)節(jié)翻修中，使用3D打印的定制微小梁鈦植入物取得了良好的效果。骨腫瘤切除后，3D打印腫瘤植入物可定制匹配腫瘤切除后骨缺損的各種形狀，可能是最理想的重建。3D打印價(jià)格、定制時(shí)間、制作材料選擇等因素限制了其在創(chuàng)傷骨科手術(shù)中的使用[5]。隨著材料學(xué)的進(jìn)步，生物活性材料可能應(yīng)用于3D打印，提供了骨結(jié)構(gòu)和生物活性[6]，這為臨床上修補(bǔ)骨缺損提供了更好地選擇。

2.CAOS：CAOS手術(shù)操作步驟大致如下：在手術(shù)區(qū)域骨骼安裝動(dòng)態(tài)參考坐標(biāo)(FGH)，以利于術(shù)中跟蹤目標(biāo)。獲取圖像，并傳輸至圖像處理工作站。校準(zhǔn)圖像，正確配準(zhǔn)，便于光學(xué)系統(tǒng)跟蹤。按照規(guī)劃好的術(shù)中位置，在獲取的術(shù)區(qū)圖像上跟蹤定位手術(shù)工具[7]。CAOS手術(shù)可減少術(shù)中累計(jì)出血量、減少術(shù)中放射時(shí)間、縮小手術(shù)傷口及降低手術(shù)并發(fā)癥，達(dá)成微創(chuàng)手術(shù)[8]。隨著計(jì)算機(jī)輔助導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展，CAOS技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到骨科的各個(gè)領(lǐng)域，但在創(chuàng)傷骨科中的應(yīng)用范圍有限，這是因?yàn)閯?chuàng)傷骨科骨科形態(tài)復(fù)雜，精準(zhǔn)配準(zhǔn)難度系數(shù)大[9]。目前，CAOS系統(tǒng)并不完善，但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，CAOS系統(tǒng)會(huì)在創(chuàng)傷骨科進(jìn)一步普及，CAOS系統(tǒng)將更好地服務(wù)于創(chuàng)傷骨科臨床。

3.骨科機(jī)器人技術(shù)：近年來(lái)，機(jī)器人技術(shù)快速發(fā)展，與骨科相互融合，逐漸形成了骨科機(jī)器人。目前，應(yīng)用于創(chuàng)傷骨科的機(jī)器人按其在手術(shù)中的功能分為定位機(jī)器人和復(fù)位機(jī)器人。定位機(jī)器人可顯示骨通道同瞄準(zhǔn)器位置的三維動(dòng)畫(huà)，主要應(yīng)用于股骨近端骨折、骨盆骨折及髖臼骨折等骨折手術(shù)。骨科手術(shù)機(jī)器人導(dǎo)航下可提高髓內(nèi)釘內(nèi)固定治療股骨轉(zhuǎn)子間骨折手術(shù)的精準(zhǔn)度，術(shù)后髖關(guān)節(jié)功能恢復(fù)好，是進(jìn)行轉(zhuǎn)子間骨折復(fù)位髓內(nèi)釘內(nèi)固定手術(shù)較為理想的方法[10]。在骨科手術(shù)機(jī)器人導(dǎo)航下進(jìn)行骨折內(nèi)固定手術(shù)可獲取準(zhǔn)確的手術(shù)路徑和手術(shù)精準(zhǔn)度，減小手術(shù)傷害[11]。但術(shù)中骨折端的移動(dòng)，會(huì)使術(shù)前和術(shù)中影像的匹配度降低，旋轉(zhuǎn)角的存在導(dǎo)致固定不牢靠，光學(xué)相機(jī)和示蹤器之間也容易被遮擋。因此，提升定位和固定能力非常重要。

4.骨科遠(yuǎn)程手術(shù)：創(chuàng)傷骨科中骨折逐漸復(fù)雜化，使得創(chuàng)傷骨科疾病的診療也變得更加復(fù)雜。交通不便或是醫(yī)療環(huán)境相對(duì)落后的地區(qū)，骨科創(chuàng)傷未得到及時(shí)有效的治療。骨科遠(yuǎn)程手術(shù)可解決上述問(wèn)題。骨科遠(yuǎn)程手術(shù)是通過(guò)有線或者無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將手術(shù)中的圖像及視頻進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，指導(dǎo)醫(yī)生通過(guò)遠(yuǎn)程指導(dǎo)完成手術(shù)操作。骨科專(zhuān)家可通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)遠(yuǎn)程操控骨科機(jī)器人進(jìn)行骨科創(chuàng)傷手術(shù)，減小術(shù)中輻射量，降低住院費(fèi)用，增加手術(shù)精準(zhǔn)度及安全性[12]。互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、5G網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的進(jìn)步，使得骨科遠(yuǎn)程手術(shù)朝著智能化、遠(yuǎn)程化、精準(zhǔn)化、安全化的方向發(fā)展。

5.骨科人工智能技術(shù)：人工智能是以控制論、信息論和系統(tǒng)論作為理論基礎(chǔ)，運(yùn)用數(shù)理邏輯和神經(jīng)腦科學(xué)認(rèn)知原理，通過(guò)計(jì)算機(jī)科學(xué)的邏輯推演編程來(lái)模擬人類(lèi)部分大腦的智力活動(dòng)[13]。創(chuàng)傷骨科疾病的大多數(shù)要根據(jù)醫(yī)學(xué)影像來(lái)明確診斷，但是醫(yī)學(xué)影像知識(shí)需要長(zhǎng)時(shí)間的學(xué)習(xí)和積累，解讀醫(yī)學(xué)影像時(shí)，即使具有豐富經(jīng)驗(yàn)的骨科臨床醫(yī)生也有出錯(cuò)的可能。人工智能系統(tǒng)對(duì)醫(yī)學(xué)影像的識(shí)別效率高，而且人工智能系統(tǒng)可以發(fā)現(xiàn)人眼不可見(jiàn)的微小圖像，增加了診斷精確性，使創(chuàng)傷骨科疾病的漏診率及誤診率下降。人工智能系統(tǒng)能夠不斷學(xué)習(xí)和自我完善，能夠模擬醫(yī)生的臨床診斷思維，然后擬定相關(guān)的治療方案。人工智能在骨科機(jī)器人上的應(yīng)用，使得自動(dòng)化骨科機(jī)器人成為了可能。

三、數(shù)字骨科技術(shù)在創(chuàng)傷骨科臨床教學(xué)中的應(yīng)用

復(fù)雜的創(chuàng)傷骨折一直是創(chuàng)傷骨科教學(xué)的難點(diǎn)，對(duì)于一些復(fù)雜的骨折，如果只依據(jù)傳統(tǒng)的X線、CT平掃、MRI等檢查的平面圖像，年輕醫(yī)生及學(xué)生就很難對(duì)創(chuàng)傷骨折有直觀、形象、深刻的認(rèn)識(shí)[14]。數(shù)字骨科技術(shù)極大地豐富了創(chuàng)傷骨科的教學(xué)內(nèi)容，重建的三維圖像可清晰地再現(xiàn)骨骼的解剖結(jié)構(gòu)特征及空間毗鄰結(jié)構(gòu)，而且利用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行重組、拆分，使得對(duì)復(fù)雜骨科的成因、分型及解剖的理解更加透徹，還能節(jié)約尸體標(biāo)本及實(shí)驗(yàn)資源[15]。3D打印技術(shù)打印出的三維立體模型可提供直觀、立體的骨骼解剖特征和創(chuàng)傷骨折的病理特點(diǎn)，提高對(duì)骨折的認(rèn)識(shí)[16]。VR技術(shù)可以有效地解決臨床教學(xué)資源不足的問(wèn)題，可利用VR移動(dòng)設(shè)備虛擬各種外傷受傷過(guò)程，可重復(fù)多次的提供實(shí)踐操作機(jī)會(huì)。數(shù)字骨科在創(chuàng)傷骨科中的教學(xué)中也有不足之處：課件制作復(fù)雜，且制作成本較高，缺少熟練掌握數(shù)字骨科技術(shù)的師資。

四、數(shù)字骨科在創(chuàng)傷骨科生物力學(xué)研究中的應(yīng)用

創(chuàng)傷骨科傳統(tǒng)的生物力學(xué)分析主要依賴于動(dòng)物模型和尸體實(shí)驗(yàn)。人體骨骼所處的環(huán)境非常復(fù)雜，傳統(tǒng)方法所得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與正常人體生理正常參數(shù)有一定的差異。有限元法是利用數(shù)字化、數(shù)學(xué)法建模，根據(jù)已知的節(jié)點(diǎn)數(shù)目、各節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系以及材料特性等條件，對(duì)每一單元做出一個(gè)近似解，最后推導(dǎo)解決這個(gè)域總的總解，進(jìn)行定量分析，從而使實(shí)際復(fù)雜的問(wèn)題定量化。有限元技術(shù)對(duì)研究生物力學(xué)有著非常重要的作用，其可靠性也被廣泛認(rèn)可[17]。目前，有學(xué)者成功建立了包括肌肉、韌帶等軟組織的骨骼生物力學(xué)模型，奠定了觀察骨折狀態(tài)、內(nèi)固定置入狀態(tài)等生物力學(xué)變化的基礎(chǔ)[18]。有限元技術(shù)可以模擬各種創(chuàng)傷性骨損傷，通過(guò)建立骨損傷的有限元模型，可以模擬分析骨損傷的發(fā)生機(jī)制[19]。在研發(fā)骨折內(nèi)固定器械的過(guò)程中，通過(guò)有限元技術(shù)對(duì)內(nèi)固定器械進(jìn)行生物力學(xué)分析，有利于器械的改良，有助于提升器械的臨床應(yīng)用效果。創(chuàng)傷骨科醫(yī)生利用骨損傷部位的有限元模型研究模型外表面和內(nèi)部區(qū)域應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)的變化，有利于醫(yī)生分析出最適合的手術(shù)方式以及最優(yōu)的固定方式。目前，有限元技術(shù)并不十分完善，需要將有限元技術(shù)同傳統(tǒng)的生物力學(xué)研究方法相結(jié)合，兩者相輔相成，從而得出精確可信的結(jié)果。

五、MR技術(shù)的應(yīng)用

MR技術(shù)是一種高科技技術(shù)，有人預(yù)言它將成為21世紀(jì)的十大熱門(mén)技術(shù)之一。目前，已經(jīng)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到成功應(yīng)用，在醫(yī)學(xué)教學(xué)、疾病診斷、手術(shù)模擬、康復(fù)醫(yī)療、遠(yuǎn)程醫(yī)療等方面逐漸顯現(xiàn)出其重要性[20]。武漢協(xié)和醫(yī)院的葉哲偉教授利用MR遠(yuǎn)程指導(dǎo)手術(shù)并做了許多開(kāi)創(chuàng)性工作。我院也利用VR技術(shù)對(duì)復(fù)雜股骨髁上髁間骨折進(jìn)行了手術(shù)。

創(chuàng)傷骨科病人病情比較復(fù)雜而且嚴(yán)重，急癥病人需要在盡可能短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行手術(shù)治療，但數(shù)字骨科技術(shù)相對(duì)較復(fù)雜，限制了其在臨床的廣泛應(yīng)用。

六、數(shù)字骨科技術(shù)在骨科的應(yīng)用前景及不足

近10多年來(lái)，隨著數(shù)字骨科技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字骨科技術(shù)已逐漸成為創(chuàng)傷骨科的基礎(chǔ)研究，是臨床診療的重要技術(shù)之一。隨著數(shù)字骨科在創(chuàng)傷骨科的應(yīng)用，使創(chuàng)傷骨科的診療方式朝著個(gè)性化、微創(chuàng)化、精準(zhǔn)化、遠(yuǎn)程化及智能化的方向發(fā)展。目前，數(shù)字骨科技術(shù)還處于發(fā)展的初級(jí)階段，其在創(chuàng)傷骨科的實(shí)際應(yīng)用還存在以下問(wèn)題：(1)醫(yī)生對(duì)數(shù)字骨科技術(shù)相對(duì)匱乏，醫(yī)生對(duì)數(shù)字骨科技術(shù)的學(xué)習(xí)曲線較長(zhǎng)。(2)數(shù)字骨科技術(shù)自身的缺陷，3D打印技術(shù)制作模型成本高、速度慢、材料種類(lèi)有限、精度有限、模型單一等；計(jì)算機(jī)輔助骨科導(dǎo)航手術(shù)系統(tǒng)操作復(fù)雜、且CAOS技術(shù)的圖像后處理技術(shù)不夠成熟，CAOS系統(tǒng)提供的圖像并不能完全代表術(shù)中實(shí)時(shí)圖像等；人工智能技術(shù)并不能表現(xiàn)出人類(lèi)的高級(jí)思維活動(dòng)等。(3)我國(guó)目前還沒(méi)有制定與數(shù)字醫(yī)學(xué)臨床技術(shù)有關(guān)的法律、法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)。(4)數(shù)字骨科技術(shù)的手術(shù)適應(yīng)證、術(shù)前規(guī)劃、手術(shù)路徑、手術(shù)操作流程、術(shù)后評(píng)估等沒(méi)有一個(gè)全國(guó)性的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等[1]。隨著數(shù)字骨科的基礎(chǔ)理論、技術(shù)創(chuàng)新性發(fā)展，數(shù)字骨科臨床操作規(guī)范的制定，相關(guān)技術(shù)的研發(fā)以及多學(xué)科的合作，數(shù)字骨科必將更加規(guī)范、完善。