數(shù)字骨科
——信息化世紀(jì)的新骨科數(shù)字骨科入門（一）

尹慶水 萬磊

繼續(xù)教育

數(shù)字骨科
——信息化世紀(jì)的新骨科數(shù)字骨科入門（一）

尹慶水 萬磊

1 骨科學(xué)的信息化革命——從骨科診斷數(shù)字化到數(shù)字骨科

1.1數(shù)字骨科的起源

發(fā)軔于20世紀(jì)40年代的計算機技術(shù)，徹底改變了人類的生存模式。從宏觀到微觀、從人文到自然，計算機技術(shù)已滲透到人類社會的各個方面。它的迅猛發(fā)展同樣引發(fā)了醫(yī)學(xué)的“數(shù)字化”革命，骨科治療手段在計算機技術(shù)的支持下也發(fā)生了巨大變化。它首先促進了影像學(xué)的發(fā)展，CT、MR、DR和ECT的出現(xiàn)，為臨床提供了精確的解剖、斷層觀察的工具，為骨科數(shù)字化研究和應(yīng)用提供了智能化輔助系統(tǒng)。近年來，隨著計算機運算能力的強勁提升，骨科學(xué)數(shù)字化發(fā)生了質(zhì)的飛躍，已從對患者信息簡單收集、記錄的數(shù)字化發(fā)展為治療方案的數(shù)字化設(shè)計和計算機輔助療效預(yù)測。

數(shù)字骨科是近10年來逐漸形成的一個新的概念和稱謂，它正以較快的速度融入傳統(tǒng)的骨科，改變著傳統(tǒng)的骨科。

1.2數(shù)字骨科的定義

數(shù)字骨科是計算機技術(shù)與骨科臨床緊密結(jié)合的一門新型數(shù)字化醫(yī)學(xué)學(xué)科，是以骨科為基礎(chǔ)，計算機圖像技術(shù)為輔助，涉及到人體解剖學(xué)、立體幾何學(xué)、生物力學(xué)、材料學(xué)、信息學(xué)、電子學(xué)、機械工程學(xué)等領(lǐng)域的交叉學(xué)科。應(yīng)用于骨科的數(shù)字化新技術(shù)包括醫(yī)學(xué)影像處理、三維虛擬仿真、可視化技術(shù)、有限元技術(shù)、臨床計算機輔助設(shè)計（computer aided design,CAD）與計算機輔助制造（computer aided manufacturing,CAM）技術(shù)、手術(shù)導(dǎo)航與機器人輔助技術(shù)等。數(shù)字骨科以數(shù)字化新技術(shù)與骨科應(yīng)用緊密結(jié)合為特點，以顯著的臨床實用性而有別于其它醫(yī)學(xué)計算機虛擬技術(shù)。

2 數(shù)字骨科的新理論與新技術(shù)

2.1數(shù)字人體解剖學(xué)

數(shù)字人體解剖學(xué)是以傳統(tǒng)人體解剖學(xué)為基礎(chǔ)，以計算機技術(shù)為支撐而建立的人體解剖數(shù)字化系統(tǒng)。數(shù)字人體解剖學(xué)是當(dāng)今生命科學(xué)、信息科學(xué)、智能科學(xué)和計算機科學(xué)的高度綜合。利用大型計算機，數(shù)字人可以為骨科基礎(chǔ)和臨床研究提供虛擬實驗平臺，可模擬常規(guī)或極限情況（核爆/航天）下的外力負(fù)荷，分析骨骼運動的應(yīng)力分布；可重建任意角度的斷層圖像，可還原任意解剖結(jié)構(gòu)的三維形態(tài)；可建立標(biāo)準(zhǔn)化的海量人體解剖信息數(shù)據(jù)庫，從而避免傳統(tǒng)解剖研究標(biāo)本的個體差異以及不可重復(fù)的缺點。

2.2數(shù)字化影像學(xué)處理技術(shù)

數(shù)字化影像學(xué)處理技術(shù)是指利用計算機芯片進行斷層圖像處理的影像學(xué)技術(shù)，以DR、CT、MRI、ECT、PET等大型設(shè)備為代表?？捎糜诠强婆R床進行精確的解剖斷層形態(tài)學(xué)觀察。與傳統(tǒng)模擬影像不同的是，數(shù)字化影像數(shù)據(jù)可以方便地保存或進行遠(yuǎn)程傳輸，可使臨床信息的測量、記錄和評估實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化。

2.3三維仿真虛擬技術(shù)

三維仿真虛擬技術(shù)是指利用計算機技術(shù)生成的一個三維的，具有視、聽、觸等多種感知的虛擬環(huán)境，是用戶通過其自然技能，借助各種傳感設(shè)備與虛擬環(huán)境中的實體相互作用的一種技術(shù)。三維虛擬人機互動平臺可用于手術(shù)教學(xué)，醫(yī)生們可通過一些三維設(shè)備和傳感設(shè)備來完成手術(shù)虛擬交互操作，實現(xiàn)對手術(shù)步驟的熟練掌握和對手術(shù)效果的預(yù)測，這對縮短手術(shù)時間、保障手術(shù)安全、實現(xiàn)術(shù)中引導(dǎo)及術(shù)后評價有非常重要的意義。

2.4生物力學(xué)數(shù)字化計算——有限元技術(shù)

有限單元法是指利用計算機把復(fù)雜、不規(guī)則的力學(xué)分析對像離散化成有限個幾何單元體進行分解計算的一種生物力學(xué)數(shù)字化分析方法，是隨著計算機的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種現(xiàn)代計算方法。50年代首先應(yīng)用于飛機結(jié)構(gòu)靜、動態(tài)特性分析，隨后廣泛應(yīng)用于骨科基礎(chǔ)研究，主要用來分析骨骼與內(nèi)固定器材的應(yīng)力分布。有限單元法對于骨骼等人體硬組織應(yīng)力計算具有較好的精度，能滿足科研論證和臨床預(yù)測的需要。

2.5 CAD/CAM技術(shù)

CAD是指臨床醫(yī)生利用計算機進行手術(shù)方案與假體的設(shè)計。在設(shè)計中通常要用計算機對不同手術(shù)方案和假體進行大量的計算、分析和比較，以確定最優(yōu)治療方案。由計算機產(chǎn)生的設(shè)計結(jié)果，可以快速地通過圖形顯示出來，使醫(yī)生對治療效果作出判斷，繼而根據(jù)CAD結(jié)果生成CAM數(shù)控加工指令，利用計算機來進行個性化假體制造。CAD/CAM技術(shù)通過對患者骨骼的三維重建，為每一位患者進行特殊設(shè)計和制造，提高了假體與病變骨骼的匹配度。CAD可用于臨床術(shù)前手術(shù)方案設(shè)計，模擬手術(shù)過程以及對手術(shù)效果進行評估預(yù)測。CAM可用于個體化手術(shù)模板、內(nèi)固定器材和人工假體的制作。

2.6人體骨骼快速建模和快速成型技術(shù)

人體骨骼快速成型技術(shù)是以計算機通過CT等二維斷層圖形信息進行三維重建為基礎(chǔ)，綜合逆向工程和快速成型技術(shù)，并與人體骨骼解剖學(xué)相結(jié)合的一種新型人體三維成型技術(shù)。它將CAD、CAM、精密伺服驅(qū)動和新材料等先進技術(shù)集于一體，基于離散-堆積成型原理，在計算機控制下，生成實物的三維CAD模型。具體過程是：采用相應(yīng)處理軟件處理CT獲得的二維圖形信息，經(jīng)過轉(zhuǎn)換形成數(shù)控加工命令，將加工材料（紙、液態(tài)樹脂及粉末材料等）層層固化或堆積，由點到線，由線到面，由面到體，最后制造出較為復(fù)雜的人體骨骼模件。人體骨骼快速成型標(biāo)本可用于指導(dǎo)手術(shù)和模擬手術(shù)。醫(yī)生可在術(shù)前熟悉患者解剖特點，預(yù)先確定植入物的種類型號，使手術(shù)更安全、精確、省時。

2.7計算機輔助手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)

計算機輔助導(dǎo)航系統(tǒng)（Computer Assisted Navigation system，CANs）是指利用空間定位技術(shù)確定手術(shù)部位的組織結(jié)構(gòu)坐標(biāo)，并精確跟蹤手術(shù)器械位置變化的計算機手術(shù)輔助系統(tǒng)。CANs可通過屏幕在術(shù)中實時顯示手術(shù)器械的位置以及與患者解剖結(jié)構(gòu)的關(guān)系，使醫(yī)生隨時了解，從而避開重要的解剖結(jié)構(gòu)，確保手術(shù)的安全。它還可以模擬手術(shù)器械的前進和后退，測量植入物的角度、長度及直徑。目前CANs已成功用于椎弓根螺釘導(dǎo)航、人工膝關(guān)節(jié)置換、髓內(nèi)釘置入等骨科手術(shù)。

2.8機器人輔助手術(shù)技術(shù)

機器人輔助手術(shù)技術(shù)是指醫(yī)生通過操縱計算機來使醫(yī)用機械臂在影像/光學(xué)設(shè)備監(jiān)測下進行微細(xì)手術(shù)。術(shù)者手眼間協(xié)調(diào)性和觸覺的差異、手的不自主震顫會影響手術(shù)的精度，手術(shù)機器人系統(tǒng)可以很好地克服上述問題。目前醫(yī)用手術(shù)導(dǎo)航機械臂已成功應(yīng)用于關(guān)節(jié)腔鏡閉合髓內(nèi)釘置入、經(jīng)皮骶髂關(guān)節(jié)螺釘置入、髖螺釘置入等骨科手術(shù)?？梢钥隙ㄡt(yī)用機械臂將是計算機輔助手術(shù)未來發(fā)展的主要技術(shù)之一。

3 數(shù)字骨科的應(yīng)用范疇和意義

數(shù)字骨科可涵蓋所有骨科涉及的范疇，常用于以下方面：四肢復(fù)雜骨折、四肢畸形矯形、手外科修復(fù)、關(guān)節(jié)鏡手術(shù)、骨腫瘤、骨缺損修復(fù)、脊柱損傷、脊柱畸形矯正、假體工程、遠(yuǎn)程骨科手術(shù)等。目前國內(nèi)已在足踝骨折、關(guān)節(jié)骨折、骨盆骨折、四肢矯形、骨腫瘤、寰樞椎不穩(wěn)、脊柱側(cè)彎、脊柱后凸等疾病治療中開展了數(shù)字技術(shù)干預(yù)。數(shù)字骨科的意義在于不但可為生物制造及“量身定做”提供較為有效的解決方法，也可為手術(shù)方案的選擇和術(shù)后生物力學(xué)穩(wěn)定性評估提供了可能。

4 數(shù)字骨科的臨床應(yīng)用前景和展望

數(shù)字骨科是數(shù)字技術(shù)與骨科的全面結(jié)合，近年來獲得了飛速的發(fā)展。我們相信：在未來功能更加強大的計算機及其軟件的支持下，我們可以通過提取CT/MRI或者虛擬人數(shù)據(jù)中的特征參數(shù)直接產(chǎn)生人體骨骼模型；通過技術(shù)含量更高的快速成型機床以及質(zhì)量更好、精度更高的模型打印直接將植入材料（人工骨、金屬植入體等）三維成型；通過人機交互方式設(shè)計個體化內(nèi)固定器材和假體，精確定量手術(shù)操作并進行術(shù)前實物模擬；在計算機導(dǎo)航和網(wǎng)絡(luò)機器人的協(xié)助下實現(xiàn)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)手術(shù)；借助自動化有限元技術(shù)對植入物應(yīng)力分布進行個體化預(yù)測；研制全智能化人工假肢以及神經(jīng)元-機械接口人工假肢造福殘疾人等等?？傊?，CAD-快速成型技術(shù)可望在骨科臨床廣泛應(yīng)用，并不斷成熟和完善。

（本文編輯 白朝暉）

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