計算機輔助導(dǎo)航技術(shù)在骨科中的應(yīng)用進展

郭衛(wèi)春　黃文俊　汪光曄l.武漢大學(xué)人民醫(yī)院骨科，湖北武漢　430060；.安徽省蕪湖市第二人民醫(yī)院骨科，安徽蕪湖　4000

計算機輔助導(dǎo)航技術(shù)在骨科中的應(yīng)用進展

郭衛(wèi)春1黃文俊1汪光曄2
l.武漢大學(xué)人民醫(yī)院骨科，湖北武漢430060；2.安徽省蕪湖市第二人民醫(yī)院骨科，安徽蕪湖241000

隨著信息科學(xué)和生命科學(xué)發(fā)展，計算機輔助外科手術(shù)技術(shù)為外科技術(shù)的發(fā)展開辟了一個嶄新的領(lǐng)域。計算機輔助外科手術(shù)技術(shù)是利用現(xiàn)代數(shù)字影像技術(shù)如CT、MRI、PET所得到圖像數(shù)據(jù)，通過計算機處理和分析，模擬手術(shù)操作，同時結(jié)合空間定位導(dǎo)航系統(tǒng)，實現(xiàn)術(shù)中實時三維可視定位，從而進行手術(shù)導(dǎo)航（3D Navigation），使外科手術(shù)更趨于精確和微創(chuàng)。特別是近幾年來導(dǎo)航在骨科中的應(yīng)用，在導(dǎo)航下開展創(chuàng)傷、脊柱、關(guān)節(jié)已成為近期熱點，其特點是定位精確，提高了手術(shù)的精確性，減少了手術(shù)時間及X線的照射量，降低了手術(shù)并發(fā)癥。本文從導(dǎo)航的發(fā)展、系統(tǒng)組成 、臨床應(yīng)用、存在的問題等方面進行綜述，并對其發(fā)展趨勢提出展望。

計算機導(dǎo)航；骨科；臨床應(yīng)用

隨著計算機及圖像技術(shù)的迅猛發(fā)展，計算機輔助導(dǎo)航系統(tǒng)（computer assisted navigation system，CANS）應(yīng)運而生，并成為現(xiàn)代外科技術(shù)的重要組成部分。由于在手術(shù)過程中能示蹤手術(shù)工具等，幫助術(shù)者更精確、更安全地進行多種復(fù)雜手術(shù)，計算機輔助導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)在骨科各個方面具有許多不可替代的優(yōu)越性。因其精確性、安全性、低輻射等特點使其在臨床實踐中逐漸得到廣泛應(yīng)用。

1　導(dǎo)航在醫(yī)學(xué)的發(fā)展歷程

100年前，由神經(jīng)外科醫(yī)生Clarke發(fā)明了體外瞄準(zhǔn)系統(tǒng)。1986年美國Roberts首先神經(jīng)外科領(lǐng)域使用導(dǎo)航系統(tǒng)。20世紀(jì)90年代，美國醫(yī)師Steinmann等將計算機輔助手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)用于脊柱外科，這被認(rèn)為是脊柱外科發(fā)展的里程碑。1992年著名的神經(jīng)外科醫(yī)生Kevein Foley將StealthStation導(dǎo)航系統(tǒng)成功用于脊柱外科。1993年Saragaglia小組開始研發(fā)的膝關(guān)節(jié)手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)，4年后成功用于臨床膝關(guān)節(jié)置換術(shù)。1995年，來自瑞士伯爾尼大學(xué)的NoIte應(yīng)用計算機輔助微創(chuàng)導(dǎo)航手術(shù)系統(tǒng)實施了世界第1例腰椎椎弓釘內(nèi)固定手術(shù)。1998年開始，計算機導(dǎo)航下進行的人工全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)被歐美廣泛使用；2001年，德國OrthoPilot膝關(guān)節(jié)置換計算機導(dǎo)航系統(tǒng)得到了FDA認(rèn)證；2004年，美國將導(dǎo)航系統(tǒng)大規(guī)模用于醫(yī)學(xué)，從此該技術(shù)廣泛應(yīng)用于歐美等發(fā)達(dá)國家。計算機輔助導(dǎo)航系統(tǒng)對人工關(guān)節(jié)置換的精確性有了極大的提高。此外，計算機輔助導(dǎo)航在人工髖關(guān)節(jié)、人工肘關(guān)節(jié)等其他關(guān)節(jié)的置換術(shù)也有了進一步的發(fā)展。

2　導(dǎo)航的原理

計算機輔助手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)是醫(yī)學(xué)影像學(xué)技術(shù)與計算機的完美結(jié)合。通過影像學(xué)資料在顯示器上虛擬成形，顯示手術(shù)器械和手術(shù)部位的解剖關(guān)系，輔助術(shù)者準(zhǔn)確完成手術(shù)預(yù)案及操作。計算機輔助手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)是在術(shù)前對患者進行C臂影像、CT、MRI等影像學(xué)掃描，得到患者影像學(xué)信息，經(jīng)過CD-R光盤、網(wǎng)絡(luò)等媒介輸入到計算機，通過運算重建出得到三維模型影像，術(shù)者即可在相應(yīng)的操作系統(tǒng)上進行術(shù)前預(yù)案并模仿手術(shù)過程。術(shù)中系統(tǒng)的紅外線攝像頭通過反射弧可以動態(tài)觀察手術(shù)器械對應(yīng)的患者解剖結(jié)構(gòu)的位置，將信息以三維的方式顯示在顯示屏上，可動態(tài)地從軸位、矢狀位、冠狀位等解剖位置觀察術(shù)路徑深度及相應(yīng)的角度，避開危險區(qū)域，短時間內(nèi)到達(dá)患處，縮短手術(shù)時間，減少出血量、手術(shù)傷口及并發(fā)癥，達(dá)成微創(chuàng)手術(shù)。3導(dǎo)航的組成及分類

計算機輔助手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)構(gòu)成有以下4部分：①手術(shù)導(dǎo)航工具：通過發(fā)射或反射光信號，從而確定手術(shù)工具的位置；②位置跟蹤儀：用于接收光電信號，從而監(jiān)測及追蹤手術(shù)器械的位置；③導(dǎo)航系統(tǒng)顯示屏：術(shù)中實時反映手術(shù)器械的位置及患者的影響數(shù)據(jù)；④工作站：將虛擬坐標(biāo)系與實際坐標(biāo)系通過計算匹配。

計算機輔助手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)分類方式多種多樣。其分類方式多種多樣，按照信號傳導(dǎo)介質(zhì)，分為光學(xué)定位、磁場定位、聲波定位、機械定位；按照獲取影像的建立，分為基于CT的導(dǎo)航系統(tǒng)、基于X線透視的導(dǎo)航系統(tǒng)（分為二維導(dǎo)航和三維導(dǎo)航）、基于MRI的導(dǎo)航系統(tǒng)、完全開放式導(dǎo)航系統(tǒng) （非影像依賴導(dǎo)航系統(tǒng)）；按照與人的交互方式，分為主動式導(dǎo)航系統(tǒng)、半主動式導(dǎo)航系統(tǒng)、被動式導(dǎo)航系統(tǒng)。

4　計算機輔助導(dǎo)航技術(shù)在骨科的臨床應(yīng)用

隨著近年來導(dǎo)航技術(shù)引入骨科，導(dǎo)航技術(shù)幾乎運用到了骨科的各個領(lǐng)域。在脊柱外科方面：在過去20年中，脊柱融合聯(lián)合椎弓根技術(shù)在脊柱腫瘤、脊柱骨折、脊椎退變的治療已經(jīng)受到廣泛的接受。由于脊柱及其鄰近關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的復(fù)雜解剖，導(dǎo)航下椎弓根植入技術(shù)得到醫(yī)學(xué)界的接受。傳統(tǒng)的椎弓螺釘固定技術(shù)在C臂機透視下進行的，傳統(tǒng)的影像只能提供二維定位，不能進行椎弓根釘?shù)娜S定位。20世紀(jì)90年代，美國醫(yī)師Steinmann等最先將計算機輔助導(dǎo)航技術(shù)用于脊柱外科。臨床實踐已證實脊柱導(dǎo)航系統(tǒng)可以明顯改進椎弓根螺釘置入的精確性和安全性。隨著導(dǎo)航設(shè)備的不斷改進以及醫(yī)生操作的不斷熟練，現(xiàn)已經(jīng)擴展到包括頸椎和胸椎在內(nèi)的整個脊柱，應(yīng)用病種也從最早的脊柱骨折擴展到脊柱退行性疾病、畸形、腫瘤等，從原先的標(biāo)準(zhǔn)后路手術(shù)擴展到前路等各個方面。Houten等［1］通過對比傳統(tǒng)透視與O臂導(dǎo)航兩種方式下進行腰椎經(jīng)皮螺釘手術(shù)，結(jié)果顯示椎弓根的穿孔率分別為O臂導(dǎo)航組3%、傳統(tǒng)透視組12%。Vande Kdft等［2］評估在O臂導(dǎo)航下腰椎或骶椎置入1740根椎弓根螺釘，結(jié)果顯示置釘準(zhǔn)確率為97%。Rivkin等［3］回顧性研究270例患者（1438根椎弓根螺釘），研究發(fā)現(xiàn)椎弓根置入釘?shù)拇┛茁蕿?.8%。在另一項回顧性研究中，Costa等［4］進行對導(dǎo)航與非導(dǎo)航下進行退變性腰椎滑脫比較，結(jié)果顯示導(dǎo)航組手術(shù)時間明顯縮短，導(dǎo)航組與非導(dǎo)航組手術(shù)時間分別為（92±31）min和（119±43）min，并且導(dǎo)航下進行椎弓根螺釘?shù)闹萌霑r間明顯縮短。

較之腰椎，胸椎的椎弓根更小，尤其是在T4～T6區(qū)域［5］。此外，椎弓根的內(nèi)側(cè)壁與脊髓之間的安全區(qū)域有限［6］。這些解剖學(xué)的差異特別在治療復(fù)雜的脊柱側(cè)彎時增加了很大的難度。Hicks等［7］研究關(guān)于脊柱側(cè)彎手術(shù)椎弓根螺釘固定的難度，報道顯示徒手技術(shù)椎弓根螺釘失誤了高達(dá)15%。Larson等［8］分析導(dǎo)航下胸椎區(qū)域741根椎弓根螺釘?shù)闹萌胛恢们闆r，結(jié)果顯示兒童及成人的準(zhǔn)確率分別為96.4%、98.2%。研究也顯示導(dǎo)航下椎弓根的準(zhǔn)確率明顯高于徒手置釘技術(shù)。Kotani等［9］回顧性分析32例（416根椎弓根螺釘）脊柱側(cè)彎患者，較之傳統(tǒng)透視，術(shù)中運用3D導(dǎo)航下每顆螺釘置入的時間從（10.9±3.2）min減少到（5.4±1.1）min。此外，導(dǎo)航下釘子穿孔率較之傳統(tǒng)透視的5.0%降到了3.0%。Rajasekaran等［10］進行了一項31例（242顆螺釘）胸椎骨折患者的隨機臨床研究，結(jié)果顯示導(dǎo)航下每顆椎弓根螺釘置入時間較之徒手技術(shù)的（4.61± 1.05）min減少到（2.37±0.72）min。與此同時，導(dǎo)航下置釘?shù)臏?zhǔn)確率較之徒手技術(shù)準(zhǔn)確率由84%增加到了99.2%。Jeswani等［11］認(rèn)為導(dǎo)航下胸椎椎弓根的置釘?shù)臏?zhǔn)確率高達(dá)90%，即使在最小的椎弓根（平均直徑 ≤3 mm）處也如此。

導(dǎo)航除了用于胸椎、腰椎手術(shù)外，導(dǎo)航近年來也廣泛的用于頸椎手術(shù)中。Zou等［12］將ISO-C 3D導(dǎo)航系統(tǒng)運用于21例齒狀突骨折前路空芯螺釘內(nèi)固定術(shù)，術(shù)后隨訪中無骨折不愈合及其他并發(fā)癥。Singh等［13］通過導(dǎo)航下進行C2椎弓根螺釘內(nèi)固定術(shù)治療不穩(wěn)定的Hangman骨折。

在關(guān)節(jié)外科方面：近年來，計算機導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)運用到許多關(guān)節(jié)手術(shù)，例如膝髖關(guān)節(jié)置換、前后交叉韌帶重建以及其他關(guān)節(jié)的相關(guān)治療?，F(xiàn)已經(jīng)有許多研究表明，計算機導(dǎo)航可以減少手術(shù)創(chuàng)傷，降低手術(shù)并發(fā)癥，提高假體置入的準(zhǔn)確度，很大程度上恢復(fù)關(guān)節(jié)功能。Krackow等［14］運用計算機導(dǎo)航在嚴(yán)重內(nèi)翻畸形的膝關(guān)節(jié)置換中的脛骨內(nèi)側(cè)平臺截骨，研究認(rèn)為，使用計算機導(dǎo)航下脛骨內(nèi)側(cè)平臺截骨可以作為一種內(nèi)翻畸形膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)操作技術(shù)，同時該研究也表明，計算機導(dǎo)航的輔助可以進行內(nèi)側(cè)約2 mm的截骨，可以糾正10°的畸形。de Steiger等［15］采取導(dǎo)航與非導(dǎo)航兩種手術(shù)方式進行全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)，研究結(jié)果顯示導(dǎo)航下膝關(guān)節(jié)置換可以更精確地進行下肢力線的設(shè)計，截骨方式更精確。除此之外，在術(shù)后9年的隨訪中，導(dǎo)航下膝關(guān)節(jié)置換較非導(dǎo)航膝關(guān)節(jié)置換可明顯降低因為假體松動而導(dǎo)致的翻修率。Suksathien等［16］進行關(guān)于計算機導(dǎo)航運用于全髖關(guān)節(jié)置換的臨床研究，研究認(rèn)為導(dǎo)航下髖臼杯的放置較徒手技術(shù)準(zhǔn)確率更好，尤其在前傾角的調(diào)整更有優(yōu)勢。Suksathien等［17］進一步研究表明，計算機導(dǎo)航可以提高髖臼杯放置的精確性以及前傾角的準(zhǔn)確性。EIHachmi等［18］指出計算機導(dǎo)航可以提高股骨假體放置的準(zhǔn)確性?？耸厢槂?nèi)固定是一種治療肩鎖關(guān)節(jié)RockwoodⅣ～Ⅵ型脫位的成熟的手術(shù)方式，Stübig等［19］通過研究發(fā)現(xiàn)，三維計算機導(dǎo)航可以提高肩鎖關(guān)節(jié)脫位克氏針內(nèi)固定的準(zhǔn)確性。Suero等［20］研究認(rèn)為，術(shù)中3D導(dǎo)航用于評估肩關(guān)節(jié)手術(shù)是可行的，術(shù)中通過3D肩關(guān)節(jié)成像可以提高肩關(guān)節(jié)手術(shù)的精確性。在肘關(guān)節(jié)行外固定支架固定期間需要反復(fù)的透視及鉆孔，Egidy等［21］指出，導(dǎo)航下進行肘關(guān)節(jié)外固定支架固定精確度更高，可以明顯減少鉆孔的次數(shù)。

近年來隨著全肘關(guān)節(jié)置換技術(shù)越來越多，但是術(shù)后無菌性假體的松動仍然是全肘關(guān)節(jié)手術(shù)失敗的主要原因，盡管有許多的原因存在，但是假體位置不佳是一個重要的潛在因素［22］。McDonald等［23］進行體外尸體研究中，指出計算機導(dǎo)航技術(shù)可以改善全肘關(guān)節(jié)置換中肱骨假體置入的準(zhǔn)確性，減少術(shù)后并發(fā)癥，延長肘關(guān)節(jié)假體的壽命。

在關(guān)節(jié)鏡方面：膝關(guān)節(jié)后叉韌帶是保持膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定的重要結(jié)構(gòu)。由于后叉韌帶解剖位置特殊，損傷后如何精確的在關(guān)節(jié)鏡下進行重建，這一直是外科醫(yī)生所需要解決的難題。Julliard指出：目前未完全解決關(guān)節(jié)鏡下后交叉韌帶重建的所有問題，而且不斷有新的問題被發(fā)現(xiàn)。熊健斌等［24］分別采用計算機輔助導(dǎo)航系統(tǒng)及傳統(tǒng)關(guān)節(jié)鏡定位脛骨隧道，結(jié)果提示導(dǎo)航技術(shù)可以輔助后交叉韌帶重建手術(shù)中脛骨隧道的定位，具有隧道定位準(zhǔn)確性高、輻射及手術(shù)污染機會減少等特點。王偉等［25］對35例前叉韌帶損傷的患者均行計算機導(dǎo)航下關(guān)節(jié)鏡重建前叉韌帶術(shù)，研究結(jié)果得出計算機導(dǎo)航股骨、脛骨隧道位置定位精確，術(shù)后效果良好。Audenaert等［26］通過尸體研究證實了導(dǎo)航下關(guān)節(jié)鏡治療股髖綜合征較非導(dǎo)航手術(shù)精確性更高。Tannenbaum等［27］研究計算機導(dǎo)航在髖關(guān)節(jié)鏡手術(shù)中的應(yīng)用，研究指出計算機導(dǎo)航輔助下髖關(guān)節(jié)鏡可以提高治療股髖綜合征手術(shù)的精確性，但是需要更進一步的研究評估計算機導(dǎo)航是否可以改善臨床效果。

在創(chuàng)傷方面：目前，計算機導(dǎo)航在骨折中的應(yīng)用較其他部位少，原因主要包括四肢骨折相對其他部位較為復(fù)雜以及導(dǎo)航本身具有一定缺陷。Wong等［28］研究表明，在導(dǎo)航輔助下治療骨盆及髖臼骨折可以精確地進行經(jīng)皮螺釘內(nèi)固定。手術(shù)治療股骨骨折具有較高的愈合率，但殘留的旋轉(zhuǎn)不良和雙下肢不等長仍然是嚴(yán)重的臨床問題。Weil等［29］進行計算機導(dǎo)航下16例股骨骨折手術(shù)研究，其中14例髓內(nèi)釘內(nèi)固定、2例鋼板內(nèi)固定，術(shù)后與健側(cè)的對比結(jié)果顯示，計算機導(dǎo)航下進行股骨骨折內(nèi)固定可以準(zhǔn)確和精確地恢復(fù)股骨的長度和控制旋轉(zhuǎn)。跟骨關(guān)節(jié)內(nèi)骨折常常需要切開復(fù)位內(nèi)固定術(shù)，術(shù)中傳統(tǒng)C臂下透視不清楚。Franke等［30］利用術(shù)中三維導(dǎo)航成像輔助治療跟骨關(guān)節(jié)內(nèi)骨折，研究指出術(shù)中三維成像可以很精確地顯示關(guān)節(jié)內(nèi)骨折情況以及固定過程中螺釘?shù)奈恢谩４送?，研究者認(rèn)為，由于術(shù)中導(dǎo)航下可以更好地進行關(guān)節(jié)面重建，術(shù)后創(chuàng)傷性關(guān)節(jié)炎的可能性將減少［31］。

在腫瘤方面：較之脊柱、關(guān)節(jié)、創(chuàng)傷方面的運用，導(dǎo)航在肌肉骨骼腫瘤方面的運用不是很廣泛。盡管如此，仍然有一些關(guān)于導(dǎo)航在骨科腫瘤方面鼓舞人心的報道。對于復(fù)雜區(qū)域（如骨盆、骶骨）腫瘤切除，手術(shù)一般很難徹底切除病灶。這將嚴(yán)重影響患者預(yù)后，從而導(dǎo)致腫瘤高的復(fù)發(fā)率［32-33］。Hüfner等［34］術(shù)中利用導(dǎo)航確定3例骶骨腫瘤患者的腫瘤邊界。Krettek等［35］通過導(dǎo)航輔助下對2例骨盆腫瘤患者進行腫瘤切除。Young等［36］研究表明，計算機導(dǎo)航在肌肉骨骼腫瘤方面的運用可以準(zhǔn)確地識別局部解剖以及腫瘤的范圍。

至今為止，還沒有一款專門為長骨與盆腔腫瘤的外科治療的導(dǎo)航軟件，而且國內(nèi)外關(guān)于導(dǎo)航在骨科腫瘤方面的應(yīng)用的報道也是采用的脊柱導(dǎo)航方面的軟件［37］。

5　計算機輔助導(dǎo)航技術(shù)存在的問題

目前計算機導(dǎo)航已經(jīng)運用到了骨科的各個方面，其有如下優(yōu)點：①減少患者及醫(yī)務(wù)人員的輻射暴露［38-39］；②增加了手術(shù)的安全性，減少手術(shù)的風(fēng)險。

盡管計算機導(dǎo)航有很好的優(yōu)勢，但是其仍然存在著如下問題：①參考架要固定牢靠，術(shù)中一但松動或發(fā)生移動，需要重新注冊。②術(shù)中患者體位的移動可以導(dǎo)致導(dǎo)航虛擬圖像與解剖結(jié)構(gòu)的差異，出現(xiàn)圖像漂移現(xiàn)象。③導(dǎo)航工具的注冊及數(shù)據(jù)采集過程復(fù)雜，術(shù)中需要額外5～7min。④術(shù)中參考架的固定，需要額外切口，增加患者的創(chuàng)傷。⑤導(dǎo)航技術(shù)的學(xué)習(xí)需要嚴(yán)格的訓(xùn)練，學(xué)習(xí)曲線長。⑥導(dǎo)航設(shè)備采購費用高，可能增加了患者的手術(shù)費用。

6　展望

目前，計算機輔助導(dǎo)航技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到了創(chuàng)傷、關(guān)節(jié)、脊柱等方面的手術(shù)，與傳統(tǒng)技術(shù)相比，其具有更高的精度以及安全性。雖然當(dāng)今計算機輔助導(dǎo)航技術(shù)在骨科許多手術(shù)方面運用，但是其運用范圍不是很廣。就國內(nèi)而言，僅僅是少數(shù)醫(yī)院擁有計算機導(dǎo)航的相關(guān)設(shè)備。盡管如此，隨著外科醫(yī)生對計算機輔助導(dǎo)航技術(shù)的進一步了解及熟悉，計算機輔助導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)用前景將越來越廣。

綜上所述，計算機輔助導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)使骨科手術(shù)迅速、安全、準(zhǔn)確。隨著計算機和電腦圖像處理系統(tǒng)的發(fā)展，該技術(shù)將會輔助醫(yī)生完成更多骨科疑難與復(fù)雜手術(shù)。計算機輔助導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展必將日益高科技化，應(yīng)用領(lǐng)域也將多樣化。

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Advances in computer-aided navigation technology in orthopedics

GUO Weichun1HUANG Wenjun1WANG Guangye2
l.Department of Orthopaedics，Renmin Hospital of Wuhan University，Hubei Province，Wuhan430060，China；2.Department of Orthopaedics，the Second People's Hospital of Wuhu，Anhui Province，Wuhu241000，China

With the development of information science and life sciences，computer-assisted surgery technologies has opened up a new field for the development of surgical techniques.Computer-assisted surgical techniques is the use of modern digital imaging techniques such as CT，MRI，PET image data obtained by computer processing and analysis，simulated surgical procedure，combined with the spatial positioning and navigation system，intraoperative real-time three-dimensional visual positioning to carry out surgical navigation（3D Navigation），so that surgery tends to be more accurate and minimally invasive.Especially in recent years navigation in orthopedic applications，the navigation carried out under trauma，spine，joint，has become a recent hot spot，which is characterized by precise positioning，improving the accuracy of surgery，reducing the exposure time and surgery complications.From the development of navigation，system composition，clinical application，existing problems and so on are summarized in this artical，and the trend of the development outlook is put forward.

Computer navigation；Orthopedics；Clinical application

R318

A

1673-7210（2016）01（c）-0055-05

2015-08-09本文編輯：任念）

衛(wèi)生部醫(yī)藥衛(wèi)生科技發(fā)展研究中心課題（W2014ZT165）；安徽省蕪湖市科技計劃項目（2014zd16）。

汪光曄（1971.2-），男，博士，主任醫(yī)師，副教授；研究方向：脊柱外科。