數(shù)字骨科在骨科臨床的研究進(jìn)展

王劍 云文科

1.內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)2012級(jí)研究生，內(nèi)蒙古呼和浩特 010059；2.中國(guó)人民武裝警察部隊(duì)內(nèi)蒙古總隊(duì)醫(yī)院外二科，內(nèi)蒙古呼和浩特 010040

目前，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，其在人類社會(huì)中的應(yīng)用也不斷擴(kuò)展、深入，其中數(shù)字骨科作為骨科臨床中的新型醫(yī)學(xué)學(xué)科，為骨科研究及治療的進(jìn)步提供了新的思路。數(shù)字骨科以骨科的各類臨床資料為基礎(chǔ)，通過(guò)計(jì)算機(jī)的數(shù)字處理技術(shù)與圖像處理技術(shù)同骨科的臨床密切結(jié)合，成為醫(yī)學(xué)中一門新興的數(shù)字化學(xué)科。在當(dāng)今科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的時(shí)代，多學(xué)科融合交叉式任一學(xué)科發(fā)展的必然途徑與趨勢(shì)。數(shù)字骨科是數(shù)字醫(yī)學(xué)的一個(gè)重要組成部分，是以計(jì)算機(jī)數(shù)字化技術(shù)研究解決骨科基礎(chǔ)與臨床中的實(shí)際問(wèn)題。數(shù)字骨科的近年來(lái)在臨床應(yīng)用中的興起，逐漸的轉(zhuǎn)化了臨床骨科疾患的診治思路，個(gè)體化手術(shù)設(shè)計(jì)（手術(shù)方法，內(nèi)植物）成為其應(yīng)用的主要標(biāo)志，為提高臨床骨科手術(shù)治療效果具有顯著效果?，F(xiàn)有的數(shù)字技術(shù)已經(jīng)滲透到醫(yī)學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域，從而促進(jìn)醫(yī)學(xué)技術(shù)向個(gè)性化，精確化，微創(chuàng)化與遠(yuǎn)程化方向快速發(fā)展，數(shù)字骨科的出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了由二維到三維，由平面到立體，由靜態(tài)到動(dòng)態(tài)的技術(shù)轉(zhuǎn)變，數(shù)字骨科學(xué)理論和技術(shù)的建立，有望使顧客臨床逐漸系統(tǒng)化，標(biāo)準(zhǔn)備，立體化和可視化，數(shù)字骨科的概念提出，建立在數(shù)字醫(yī)學(xué)和中國(guó)數(shù)字人技術(shù)、數(shù)字醫(yī)療設(shè)備，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)和醫(yī)療專業(yè)軟件的基礎(chǔ)上，建立事故科數(shù)字化三維解剖圖譜，從而實(shí)現(xiàn)兩個(gè)目的，即星系共享和資源共享。由此，該研究對(duì)數(shù)字骨科在骨科臨床中的研究進(jìn)展進(jìn)行分析。

1 數(shù)字骨科的優(yōu)勢(shì)

目前數(shù)字化的骨科技術(shù)已在骨科應(yīng)用及研究方面貢獻(xiàn)了部分學(xué)術(shù)成果，成為推動(dòng)骨科臨床發(fā)展的重要?jiǎng)恿χ?。相比于傳統(tǒng)骨科的研究模式，數(shù)字骨科具有明顯的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，主要體現(xiàn)在以下3點(diǎn)：①數(shù)字骨科采用了計(jì)算機(jī)的人體骨骼快速成型輔助技術(shù)，在該技術(shù)幫助下對(duì)于結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的人體骨骼模件也能夠制作完成，完成后的標(biāo)本可用于醫(yī)生學(xué)習(xí)患者的解剖特點(diǎn)，從而提高醫(yī)生參與手術(shù)治療時(shí)的正確性與科學(xué)性，還可有效縮短手術(shù)時(shí)間[1-2]。②數(shù)字骨科運(yùn)用的CAD/CAM技術(shù)能夠?qū)颊叩墓趋滥＜M(jìn)行三維重建，為患者提供獨(dú)特的假體設(shè)計(jì)，在該設(shè)計(jì)方案下制造完成的假體，與患者病變骨骼匹配程度較高，應(yīng)用效果更好；CAD技術(shù)還能用于術(shù)前的手術(shù)方案設(shè)計(jì)，模擬過(guò)程，提升手術(shù)效果。③計(jì)算機(jī)的輔助設(shè)計(jì)技術(shù)還能夠?yàn)榛颊咧贫▊€(gè)體化的手術(shù)方案設(shè)計(jì)，通過(guò)手術(shù)模擬使得較為復(fù)雜的骨折情況也能得到準(zhǔn)確外科復(fù)位，同樣該技術(shù)還可用于骨科腫瘤的切除、畸形肢體的矯正以及假體配置等[3-4]。根據(jù)上述優(yōu)勢(shì)，該研究對(duì)數(shù)字骨科在骨科臨床中的應(yīng)用進(jìn)行分析。

2 數(shù)字骨科在骨科臨床中的應(yīng)用進(jìn)展

在李亞光等人[5]的相關(guān)研究中指出，近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)數(shù)字骨科技術(shù)的發(fā)展，足踝、盆骨、關(guān)節(jié)骨折，脊柱側(cè)彎、后凸治療，四肢畸形矯正等方面均開始對(duì)數(shù)字骨科技術(shù)進(jìn)行了運(yùn)用，從而實(shí)現(xiàn)個(gè)體化定制以及生物制造水平的提升，增強(qiáng)手術(shù)方案的科學(xué)性與手術(shù)后相關(guān)生物力學(xué)的穩(wěn)定性，基于此，該研究對(duì)其在不同領(lǐng)域的具體應(yīng)用進(jìn)行分析。

2.1 骨折治療中的數(shù)字骨科技術(shù)

在朱學(xué)敏等人[6]的相關(guān)研究中，對(duì)骨科技術(shù)中的CAD（計(jì)算機(jī)的輔助設(shè)計(jì)技術(shù)）、RP（骨骼快速成型技術(shù)）以及三維建模技術(shù)在跟骨骨折治療中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，首先利用Mimics等三維建模操控軟件，能夠根據(jù)患者的計(jì)算機(jī)影像學(xué)資料建立與之相符的骨關(guān)節(jié)三維立體模型，該建模技術(shù)避免了普通X線片檢查中的重疊現(xiàn)象，彌補(bǔ)二維CT檢查缺乏整體性的缺陷，清晰、完整顯示跟骨結(jié)構(gòu)，醫(yī)師能夠?qū)钦鄣囊莆磺闆r有直觀了解。其次，CAD-RP技術(shù)應(yīng)用相關(guān)處理軟件系統(tǒng)將二維斷層的圖像信息轉(zhuǎn)換為數(shù)控的加工指令，在指令下相應(yīng)機(jī)械能夠制造1:1的骨骼實(shí)物模型，其中清晰的顯示出骨折線走向、分布，方便醫(yī)師制定更加有效的手術(shù)方案。最后，計(jì)算機(jī)導(dǎo)航技術(shù)則能夠在術(shù)中為醫(yī)師提供光學(xué)或影像學(xué)監(jiān)測(cè)，克服醫(yī)師的觸覺(jué)差異與手眼協(xié)調(diào)性的問(wèn)題，幫助完成精細(xì)的手術(shù)操作。

2.2 骨腫瘤手術(shù)中的數(shù)字骨科技術(shù)

張余等人[7]的相關(guān)研究表明，數(shù)字骨科技術(shù)在骨腫瘤手術(shù)中的應(yīng)用主要包括腫瘤三維模型構(gòu)建、截骨手術(shù)模擬、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)數(shù)字化模板、RP技術(shù)及術(shù)中計(jì)算機(jī)導(dǎo)航技術(shù)。以骨盆腫瘤手術(shù)為例，首先，術(shù)前將CT、MRI檢查的數(shù)據(jù)輸入三維建模軟件系統(tǒng)中，將其轉(zhuǎn)換為三維數(shù)據(jù)，重建骨盆中的發(fā)生腫瘤病變的骨關(guān)節(jié)解剖模型，根據(jù)其展現(xiàn)出的腫瘤性質(zhì)明確外科切除的范圍。其次根據(jù)病灶解剖形狀制作手術(shù)切除的輔助模板，便于術(shù)中進(jìn)行切除時(shí)異體骨的修剪形狀與骨缺損的形狀一致。最后，利用計(jì)算機(jī)數(shù)字化技術(shù)對(duì)腫瘤的切除及骨組織重建的過(guò)程進(jìn)行模擬，驗(yàn)證手術(shù)方案的可行性，利用3D打印技術(shù)進(jìn)行骨科手術(shù)模擬和固定內(nèi)植物設(shè)計(jì)，使以往單純的依靠CT二維影像學(xué)診治疾病到三維實(shí)體模型，無(wú)論對(duì)于提高醫(yī)生手術(shù)方案的準(zhǔn)確性和對(duì)患者的個(gè)體化醫(yī)療方案的高效實(shí)施都是大有裨益。

2.3 其他骨科手術(shù)中的數(shù)字骨科技術(shù)

除上述復(fù)雜性骨折及骨腫瘤手術(shù)中應(yīng)用數(shù)字骨科技術(shù)外，在關(guān)節(jié)手術(shù)、脊柱外科手術(shù)、寰樞椎手術(shù)、創(chuàng)傷性骨損傷手術(shù)中也展開了應(yīng)用。在王智運(yùn)等人[8]關(guān)于脊柱外科手術(shù)運(yùn)用數(shù)字化技術(shù)的相關(guān)研究中，同樣認(rèn)為主要依賴于3D技術(shù)、CAD/CAM技術(shù)、RP技術(shù)等，首先通過(guò)3D技術(shù)對(duì)畸形、脫位、骨折、結(jié)構(gòu)破壞的脊柱進(jìn)行三維模型的重建，為醫(yī)師體檢了解患者損傷處的三維立體結(jié)構(gòu)提供有力依據(jù)，完善手術(shù)方案；其次，利用計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)對(duì)三維的立體模型進(jìn)行研究，例如測(cè)量尺寸、體積、面積，明確手術(shù)路徑與組織移位等，使得手術(shù)方案能夠得到精確呈現(xiàn)；最后在數(shù)字化導(dǎo)航技術(shù)的輔助下完成手術(shù)。而在王建華等人[9]關(guān)于寰樞椎手術(shù)應(yīng)用數(shù)字骨科技術(shù)的研究中，則對(duì)術(shù)中個(gè)性化置釘?shù)男ЧM(jìn)行了分析，將圖像的二維數(shù)據(jù)輸入三維重建模型軟件中，利用軟件技術(shù)明確最佳的寰樞椎進(jìn)釘點(diǎn)與釘?shù)溃⑷S模型與其進(jìn)行擬合，提升對(duì)應(yīng)準(zhǔn)確性；通過(guò)計(jì)算機(jī)導(dǎo)航技術(shù)進(jìn)行模板打印，術(shù)中根據(jù)模板打印所提供的入釘點(diǎn)進(jìn)行磨鉆開孔，并建立釘?shù)?，?shí)現(xiàn)固定。

2.4 骨科生物力學(xué)研究

骨作為人體運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部分，不但完成靜止?fàn)顟B(tài)下力學(xué)支持，而且在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下完成力學(xué)傳遞，因此骨科生物力學(xué)研究對(duì)于骨科臨床具有重要的意義和價(jià)值。由于人類骨骼多為不規(guī)則體，而且受力方式較為復(fù)雜，因此對(duì)于其研究較為困難。數(shù)字化有限元分析技術(shù)成為解決這一難題的有效辦法，其基本原理為將不規(guī)則的人體骨骼分解成有限個(gè)規(guī)則的正三棱錐形，通過(guò)分析三棱錐行的受力特點(diǎn)來(lái)分析整體骨科的力學(xué)特性。其現(xiàn)有的主要應(yīng)用軟件有ANSYS,ABQUES等，主要研究的領(lǐng)域有寰樞椎骨骼不同置釘釘?shù)老侣葆攽?yīng)力應(yīng)變，骨盆骨折固定后，不同拉力釘固定應(yīng)力應(yīng)變變化，股骨遠(yuǎn)端外側(cè)鎖定鋼板固定不同固定方式應(yīng)力應(yīng)變特性等。以上的研究不但為骨科手術(shù)術(shù)式選擇提供有益的借鑒，更為內(nèi)植物的設(shè)計(jì)和改良提供新的思路，為降低手術(shù)失敗和二次手術(shù)提供科學(xué)依據(jù)。

3 展望

隨著信息化技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字骨科逐漸成為骨科學(xué)基礎(chǔ)研究及臨床手術(shù)技術(shù)改進(jìn)的重要手段之一，為醫(yī)療行業(yè)及人類生存質(zhì)量的提高創(chuàng)造了有利條件。在未來(lái)的發(fā)展中，數(shù)字骨科技術(shù)還將依賴于更加先進(jìn)、強(qiáng)大、完備的計(jì)算機(jī)及軟件系統(tǒng)支持[10]。例如自動(dòng)提取MRI或CT檢查數(shù)據(jù)中特征性的參數(shù)，直接生成三維立體骨骼模型，再如通過(guò)人機(jī)交互法完成材料與假體的植入，數(shù)字化機(jī)械臂，遠(yuǎn)程會(huì)診及遠(yuǎn)程手術(shù)等[11-13]。數(shù)字骨科技術(shù)作為新興的研究與治療技術(shù)，具有廣闊的發(fā)展前景，由此，該技術(shù)還應(yīng)當(dāng)不斷發(fā)展完善，為醫(yī)療事業(yè)及人類生活的進(jìn)步作出更大貢獻(xiàn)，數(shù)字化技術(shù)將成為21世紀(jì)優(yōu)秀骨科醫(yī)生的臨床床基本技能。

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