數字骨科技術在創(chuàng)傷骨科的應用及前景

趙猛 江勇 徐圣康

數字骨科是將計算機數字技術與骨科臨床相結合的一門交叉學科，即通過計算機進行輔助的數字處理和圖像處理骨科基礎與臨床中的實際問題。近10年來，數字骨科技術的飛速發(fā)展，使得創(chuàng)傷骨科的醫(yī)學診療操作朝著個性化、智能化、微創(chuàng)化的方向發(fā)展。目前，數字骨科技術主要包括以下幾個方面：(1)骨科有限元分析；(2)骨科三維重建技術；(3)骨科虛擬現實(virtual reality，VR)、增強現實(augmented reality，AR)和混合現實(mixed reality，MR)技術；(4)骨科增材制造技術(3D打印技術)；(5)計算機輔助設計(computer aided design，CAD)與計算機輔助制造(computer aided manufacturing，CAM)技術；(6)計算機輔助骨科導航手術(computer assist edorthopedic surgery，CAOS)；(7)骨科機器人技術；(8)骨科遠程手術；(9)骨科人工智能技術[1]。

一、數字骨科技術在創(chuàng)傷骨科的術前診療中的的應用

車禍導致的高能量復雜骨損傷越來越多。多排螺旋CT可在短時間內進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，獲得精密的骨骼三維虛擬模型，增加診斷及分型的準確性。三維重建技術在急診外傷中還能夠快速識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，可利用計算機CAD相關軟件模擬手術過程，有助于選擇合適的手術入路和選擇符合病情的手術器械等，提高手術精度，縮短手術時間，減輕手術創(chuàng)傷。

二、創(chuàng)傷骨科手術中數字骨科的應用

1.3D打印模型術前評估和3D打印定制植入物的應用：3D打印模型術前評估，目前在臨床應用較廣泛?？赏ㄟ^3D打印技術使骨折模型打印為1∶1大小的實體骨骼模型。術前通過對3D骨骼模型學習解剖、模擬復位練習、預彎鋼板、螺釘預放置，甚至術前可以打印出更加符合正常生物力學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)傷骨科中的復雜骨折特別是骨盆髖臼骨折、脛骨平臺骨折和部分髖部骨折均選擇性的開展了3D打印。近年來也有3D打印植入物用于復雜骨折和復雜困難關節(jié)翻修的報道。Baauw等[4]報道，在16例巨大髖臼缺損的髖關節(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打印價格、定制時間、制作材料選擇等因素限制了其在創(chuàng)傷骨科手術中的使用[5]。隨著材料學的進步，生物活性材料可能應用于3D打印，提供了骨結構和生物活性[6]，這為臨床上修補骨缺損提供了更好地選擇。

2.CAOS：CAOS手術操作步驟大致如下：在手術區(qū)域骨骼安裝動態(tài)參考坐標(FGH)，以利于術中跟蹤目標。獲取圖像，并傳輸至圖像處理工作站。校準圖像，正確配準，便于光學系統跟蹤。按照規(guī)劃好的術中位置，在獲取的術區(qū)圖像上跟蹤定位手術工具[7]。CAOS手術可減少術中累計出血量、減少術中放射時間、縮小手術傷口及降低手術并發(fā)癥，達成微創(chuàng)手術[8]。隨著計算機輔助導航技術的發(fā)展，CAOS技術已經應用到骨科的各個領域，但在創(chuàng)傷骨科中的應用范圍有限，這是因為創(chuàng)傷骨科骨科形態(tài)復雜，精準配準難度系數大[9]。目前，CAOS系統并不完善，但隨著科學技術的發(fā)展，CAOS系統會在創(chuàng)傷骨科進一步普及，CAOS系統將更好地服務于創(chuàng)傷骨科臨床。

3.骨科機器人技術：近年來，機器人技術快速發(fā)展，與骨科相互融合，逐漸形成了骨科機器人。目前，應用于創(chuàng)傷骨科的機器人按其在手術中的功能分為定位機器人和復位機器人。定位機器人可顯示骨通道同瞄準器位置的三維動畫，主要應用于股骨近端骨折、骨盆骨折及髖臼骨折等骨折手術。骨科手術機器人導航下可提高髓內釘內固定治療股骨轉子間骨折手術的精準度，術后髖關節(jié)功能恢復好，是進行轉子間骨折復位髓內釘內固定手術較為理想的方法[10]。在骨科手術機器人導航下進行骨折內固定手術可獲取準確的手術路徑和手術精準度，減小手術傷害[11]。但術中骨折端的移動，會使術前和術中影像的匹配度降低，旋轉角的存在導致固定不牢靠，光學相機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.骨科遠程手術：創(chuàng)傷骨科中骨折逐漸復雜化，使得創(chuàng)傷骨科疾病的診療也變得更加復雜。交通不便或是醫(yī)療環(huán)境相對落后的地區(qū)，骨科創(chuàng)傷未得到及時有效的治療。骨科遠程手術可解決上述問題。骨科遠程手術是通過有線或者無線網絡技術將手術中的圖像及視頻進行遠距離傳輸，指導醫(yī)生通過遠程指導完成手術操作。骨科專家可通過5G網絡技術遠程操控骨科機器人進行骨科創(chuàng)傷手術，減小術中輻射量，降低住院費用，增加手術精準度及安全性[12]?；ヂ摼W、物聯網、5G網絡通訊技術的發(fā)展促進了醫(yī)學領域的進步，使得骨科遠程手術朝著智能化、遠程化、精準化、安全化的方向發(fā)展。

5.骨科人工智能技術：人工智能是以控制論、信息論和系統論作為理論基礎，運用數理邏輯和神經腦科學認知原理，通過計算機科學的邏輯推演編程來模擬人類部分大腦的智力活動[13]。創(chuàng)傷骨科疾病的大多數要根據醫(yī)學影像來明確診斷，但是醫(yī)學影像知識需要長時間的學習和積累，解讀醫(yī)學影像時，即使具有豐富經驗的骨科臨床醫(yī)生也有出錯的可能。人工智能系統對醫(yī)學影像的識別效率高，而且人工智能系統可以發(fā)現人眼不可見的微小圖像，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。人工智能系統能夠不斷學習和自我完善，能夠模擬醫(yī)生的臨床診斷思維，然后擬定相關的治療方案。人工智能在骨科機器人上的應用，使得自動化骨科機器人成為了可能。

三、數字骨科技術在創(chuàng)傷骨科臨床教學中的應用

復雜的創(chuàng)傷骨折一直是創(chuàng)傷骨科教學的難點，對于一些復雜的骨折，如果只依據傳統的X線、CT平掃、MRI等檢查的平面圖像，年輕醫(yī)生及學生就很難對創(chuàng)傷骨折有直觀、形象、深刻的認識[14]。數字骨科技術極大地豐富了創(chuàng)傷骨科的教學內容，重建的三維圖像可清晰地再現骨骼的解剖結構特征及空間毗鄰結構，而且利用計算機軟件進行重組、拆分，使得對復雜骨科的成因、分型及解剖的理解更加透徹，還能節(jié)約尸體標本及實驗資源[15]。3D打印技術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，提高對骨折的認識[16]。VR技術可以有效地解決臨床教學資源不足的問題，可利用VR移動設備虛擬各種外傷受傷過程，可重復多次的提供實踐操作機會。數字骨科在創(chuàng)傷骨科中的教學中也有不足之處：課件制作復雜，且制作成本較高，缺少熟練掌握數字骨科技術的師資。

四、數字骨科在創(chuàng)傷骨科生物力學研究中的應用

創(chuàng)傷骨科傳統的生物力學分析主要依賴于動物模型和尸體實驗。人體骨骼所處的環(huán)境非常復雜，傳統方法所得到的實驗結果與正常人體生理正常參數有一定的差異。有限元法是利用數字化、數學法建模，根據已知的節(jié)點數目、各節(jié)點坐標系以及材料特性等條件，對每一單元做出一個近似解，最后推導解決這個域總的總解，進行定量分析，從而使實際復雜的問題定量化。有限元技術對研究生物力學有著非常重要的作用，其可靠性也被廣泛認可[17]。目前，有學者成功建立了包括肌肉、韌帶等軟組織的骨骼生物力學模型，奠定了觀察骨折狀態(tài)、內固定置入狀態(tài)等生物力學變化的基礎[18]。有限元技術可以模擬各種創(chuàng)傷性骨損傷，通過建立骨損傷的有限元模型，可以模擬分析骨損傷的發(fā)生機制[19]。在研發(fā)骨折內固定器械的過程中，通過有限元技術對內固定器械進行生物力學分析，有利于器械的改良，有助于提升器械的臨床應用效果。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部區(qū)域應力-應變狀態(tài)的變化，有利于醫(yī)生分析出最適合的手術方式以及最優(yōu)的固定方式。目前，有限元技術并不十分完善，需要將有限元技術同傳統的生物力學研究方法相結合，兩者相輔相成，從而得出精確可信的結果。

五、MR技術的應用

MR技術是一種高科技技術，有人預言它將成為21世紀的十大熱門技術之一。目前，已經在生物醫(yī)學領域得到成功應用，在醫(yī)學教學、疾病診斷、手術模擬、康復醫(yī)療、遠程醫(yī)療等方面逐漸顯現出其重要性[20]。武漢協和醫(yī)院的葉哲偉教授利用MR遠程指導手術并做了許多開創(chuàng)性工作。我院也利用VR技術對復雜股骨髁上髁間骨折進行了手術。

創(chuàng)傷骨科病人病情比較復雜而且嚴重，急癥病人需要在盡可能短的時間內進行手術治療，但數字骨科技術相對較復雜，限制了其在臨床的廣泛應用。

六、數字骨科技術在骨科的應用前景及不足

近10多年來，隨著數字骨科技術的發(fā)展，數字骨科技術已逐漸成為創(chuàng)傷骨科的基礎研究，是臨床診療的重要技術之一。隨著數字骨科在創(chuàng)傷骨科的應用，使創(chuàng)傷骨科的診療方式朝著個性化、微創(chuàng)化、精準化、遠程化及智能化的方向發(fā)展。目前，數字骨科技術還處于發(fā)展的初級階段，其在創(chuàng)傷骨科的實際應用還存在以下問題：(1)醫(yī)生對數字骨科技術相對匱乏，醫(yī)生對數字骨科技術的學習曲線較長。(2)數字骨科技術自身的缺陷，3D打印技術制作模型成本高、速度慢、材料種類有限、精度有限、模型單一等；計算機輔助骨科導航手術系統操作復雜、且CAOS技術的圖像后處理技術不夠成熟，CAOS系統提供的圖像并不能完全代表術中實時圖像等；人工智能技術并不能表現出人類的高級思維活動等。(3)我國目前還沒有制定與數字醫(yī)學臨床技術有關的法律、法規(guī)和標準。(4)數字骨科技術的手術適應證、術前規(guī)劃、手術路徑、手術操作流程、術后評估等沒有一個全國性的行業(yè)標準等[1]。隨著數字骨科的基礎理論、技術創(chuàng)新性發(fā)展，數字骨科臨床操作規(guī)范的制定，相關技術的研發(fā)以及多學科的合作，數字骨科必將更加規(guī)范、完善。