數(shù)字骨科
——引領未來智能醫(yī)學的發(fā)展方向

李鋒

計算機技術的發(fā)展不僅改變了人們的日常生活，也給醫(yī)學界帶來了重大的機遇與挑戰(zhàn)。數(shù)字骨科技術是計算機技術與骨科相結合的一門新興的多學科交叉應用科學，即通過計算機技術對骨科疾病診療全過程進行模擬分析的方式促使骨科手術趨于個性化、智能化、微創(chuàng)化［1］。經過近10年的發(fā)展，數(shù)字骨科的研究目前涵蓋3D 打印技術、有限元分析、骨科機器人、計算機輔助設計與制造、導航、大數(shù)據分析及遠程醫(yī)療等領域，已在骨關節(jié)退行性病變、骨科創(chuàng)傷、骨腫瘤及矯形等方面得到廣泛應用，為各項新技術及新設備的研發(fā)與應用提供了澎湃的動力。

本期《骨科》雜志專題主題是“數(shù)字骨科技術”，共匯集7篇優(yōu)秀論文，研究內容主要集中在3D打印技術輔助骨科手術及骨科模型三維重建領域，展示了當今的研究熱點，體現(xiàn)了我國廣大醫(yī)師的科研意識及敢于利用新技術、新方法，科學地解決臨床問題的擔當和胸懷。希望他們的臨床經驗能給讀者以啟發(fā)，更好地為病人服務，提升我國數(shù)字骨科的診療水平。借此機會，我對本期專題內容提出一些看法和建議。

3D 打印技術在20 世紀80 年代起源于美國，經過30 年的發(fā)展，該技術已經廣泛應用于航空航天、兵工、汽車、教育等眾多領域［2］。這種新興的制造方式正不斷沖擊并挑戰(zhàn)傳統(tǒng)制造業(yè)的地位，掀起了“第三次工業(yè)革命”的浪潮。當3D打印技術與計算機輔助技術、醫(yī)學影像技術及人工智能相結合后，又為數(shù)字骨科的發(fā)展注入了全新的動力。對醫(yī)生而言，術前病灶及其周圍清晰明了的解剖特點對手術方式的選擇極為重要。脊柱區(qū)及骨盆區(qū)，骨骼復雜的幾何外形使得醫(yī)生手術規(guī)劃時需閱讀大量扁平化的影像資料并借助一定的空間想象能力才能獲得對疾病立體化的認識，且這種認識難以具體，不利于同行之間交流［3，4］。此外，涉及脊柱及骨盆區(qū)域的疾病由于毗鄰重要的解剖結構，這使得手術操作空間受限，術中需進行多次透視，增加醫(yī)患輻射傷害［5］。上述因素加大了脊柱及骨盆區(qū)域的手術難度，并使得相關術式的學習曲線異常陡峭，不利于在基層醫(yī)院推廣。為此，基于病人自身解剖學參數(shù)的3D打印導板應運而生。3D 打印導板的主要作用是提高螺釘植入及截骨的準確性，依賴術前薄層CT的掃描所提取的骨表面信息生成導板的主體部分，在三維模型上設計釘?shù)赖倪M針點、釘?shù)乐睆?、釘?shù)婪较蚣斑M釘深度，將導板主體與釘?shù)雷霾紶栠\算即可得到最終的導板模型［6］。對上頸椎而言，寰椎的椎弓根較纖細，徒手置釘需要扎實的手術基本工及豐富的經驗，借助置釘導板的引導可方便地完成操作。內蒙古醫(yī)科大學附屬醫(yī)院的劉剛、高斌禮等醫(yī)師針對3D打印制作的個體化頸椎椎弓根螺釘導板輔助上頸椎后路椎弓根釘置入的手術療效展開探討，通過測量32例病人的術后CT數(shù)據對3D打印個體化頸椎椎弓根釘導板的精確性進行評價，結果顯示3D打印導板輔助置釘準確度高，術中損傷小，術后并發(fā)癥少。

全髖關節(jié)置換術（total hip arthroplasty,THA）是治療股骨頭壞死、髖關節(jié)發(fā)育不良等髖關節(jié)疾病的重要手段［7］。近年來，隨著手術技術的進展、手術入路的不斷優(yōu)化，THA逐漸為更多的醫(yī)生和病人所接受。雖然我國人工髖關節(jié)置換術總量已近24萬例，但THA學習曲線較長，對術者經驗、術前規(guī)劃、術中操作等都有較高要求［8］。除少數(shù)醫(yī)院配備有術中機器人外，絕大多數(shù)THA都是術者憑借個人經驗以及粗略的測量完成，這將顯著增加髖關節(jié)置換手術的變異度。中國人民解放軍總醫(yī)院第一醫(yī)學中心骨科的吳東、柴偉等醫(yī)師將計算機輔助三維設計與3D打印技術相結合，基于病人個體化的解剖學參數(shù)開發(fā)了全新的THA手術導板，經過臨床應用后證實其可有效提升髖關節(jié)手術精度，降低髖關節(jié)手術難度，減少手術備貨量，縮短手術時間，降低手術成本。

股骨頸骨折是臨床最常見的骨折之一。據統(tǒng)計美國每年的新發(fā)病例超過150 000例，相關研究人員預測到2050年這個數(shù)字將增加一倍［5，9］。針對股骨頸骨折的治療目前仍以手術為主，對于Garden Ⅰ、Ⅱ型老年病人及Garden Ⅰ～Ⅳ型年輕病人，多枚空心釘內固定治療股骨頸骨折是目前比較公認的手術方法。但傳統(tǒng)的手術方式不僅需要多次調整穿刺的角度及方向，同時導致大劑量輻射暴露，對醫(yī)患健康產生潛在風險。為解決這一問題，作者王思哲、馬建林等醫(yī)師將3D 打印導向模板應用于股骨空心釘?shù)闹踩脒^程中，并將其術后療效與術前規(guī)劃相對比，結果顯示個性化手術導板顯著提高手術精確性，縮短手術時間。但應注意的是，3D打印導向器仍存在以下缺陷：①3D 打印雖然是“快速成型技術”，但也只是相對而言，其術前制作時間較長，并不適合急癥手術；②3D打印導板不適合術中緊急情況下手術方案的改變；③在實際應用過程中3D打印導板需與骨面始終保持貼合緊密，因此需要盡可能地剝離軟組織，手術創(chuàng)傷較大。

隨著計算機技術的不斷發(fā)展，有限元分析在生物力學研究中發(fā)揮了重要作用，其可靠性得到了廣泛認同。以常見的脛骨骨折為例，其愈合是一個極其復雜的過程，受病人年齡、內分泌、骨折端血運和應力刺激等體內、外諸多因素的影響［10］。因此，探討影響脛骨骨折愈合的因素對疾病的治療有重要的臨床指導意義。Wolf 定律指出骨的結構和功能受應力環(huán)境影響。骨組織對外界應力刺激可形成載荷反應，該載荷反應性能促使骨組織按照應力的作用方向進行修復重建。其中應力刺激被認為是影響骨折愈合最主要的因素之一。作者陳志達、姚小濤等醫(yī)師以山羊脛骨橫行骨折模型為基礎，利用有限元分析的方法分別探討應用內固定及外固定支架時，促進脛骨骨折愈合的最佳軸向應力參數(shù)。經過迭代分析后得出200 N、1 Hz 的軸向叩擊應力組合為最佳理論參數(shù)。但應注意的是，有限元分析的全過程均是由電腦模擬得出的，都是趨于理想狀態(tài)下完成的，且有限元分析過程中忽略了生物力學實驗中不可或缺的因素，如骨塊間摩擦力、骨塊壓縮變形等，因此有限元分析的結果對接下來的生物力學實驗具有一定的指導意義，更確切的療效需要后期實驗的驗證。

若脛骨骨折出現(xiàn)畸形愈合，可導致下肢負重力線改變，繼而導致脊柱、髖、膝及踝的骨關節(jié)炎。作者陳青植、王少杰等醫(yī)師分析了將3D打印技術應用于治療小腿畸形中的可行性并觀察其臨床療效，通過回顧性研究方法分析6 例接受Taylor 空間支架治療的小腿畸形病人。通過CT 薄層掃描，3D 打印技術制作骨模型和截骨導板并利用配套軟件驗證矯形結果。術后對病人進行功能評價后發(fā)現(xiàn)療效優(yōu)5例，良好1例。證明了計算機輔助測量聯(lián)合3D打印技術在Taylor空間支架治療小腿畸形中可獲得良好的臨床療效。

椎動脈損傷是頸椎手術過程中少見，但后果嚴重的并發(fā)癥，文獻報道其發(fā)生率約為0.2%～1.96%。既往多項研究結果顯示，椎動脈的解剖變異是頸椎前路術中發(fā)生椎動脈損傷的主要因素［11］。此外，手術者的操作方式及不同的減壓方式均可影響椎動脈損傷的發(fā)生率［12］。椎動脈依據解剖結構可進一步細分為4 段，其中V2 段走行最長，與各類下頸椎手術的關系較密切，有必要對其進行更細致的研究。以往針對血管走行的研究多以尸體解剖為主，其結果受尸源的影響較大，第二軍醫(yī)大學附屬長征醫(yī)院的王爽、葉曉健等醫(yī)師利用個人電腦在Horos 軟件中對169 例中國成人頭頸部CT 血管造影的影像學資料進行分析。結果提示椎動脈V2 段的解剖結構和走行路徑存在變異，首先穿行的橫突孔可能位于C4或C5，走行變異的發(fā)生率無側別或性別差異；V2 段可發(fā)生內聚，使其更靠近中線，發(fā)生率無側別差異，女性病人多發(fā)。以上變異可能給頸椎手術或穿刺等微創(chuàng)手術相關的操作帶來風險，這一結論指出術前應通過輔助檢查明確血管的走行。

胸腰段骨折的分型多樣，常用的包括Denis 分型、AO 分型及TLICS 分型等，然而每一種系統(tǒng)都存在一定程度的利弊，難以完全被醫(yī)生所接受。隨著數(shù)字骨科的不斷發(fā)展，越來越多的臨床醫(yī)生開始利用大數(shù)據分析的方式重新審視胸腰段骨折的臨床分型，同濟大學附屬東方醫(yī)院的蘇啟航、譚軍等醫(yī)師首次將骨折的3D Mapping 技術應用到胸腰段骨折的形態(tài)學分析中。這不僅提高了對胸腰段骨折的認識，通過疊加骨折線的方式更有助于理解脊柱骨折的形態(tài)學變化，而且有助于提升后續(xù)的科學研究及改善臨床決策。但該研究仍存在些許不足：首先，脊柱骨折中后方韌帶復合體的完整性對脊柱整體穩(wěn)定性的重要作用，本研究未涉及；其次，研究者所得出的結論是基于脊柱特定區(qū)域某一特定類型的骨折類型而來，缺乏普適性；最后，該研究主要關于脊柱骨折后的形態(tài)學變化，忽略了骨折后生物力學的改變，后續(xù)值得進一步深入研究。

總之，數(shù)字骨科是骨科疾病診斷、治療的新方法和發(fā)展趨勢，各位作者努力探索為我國數(shù)字骨科的健康發(fā)展增添了無盡的動力！