數(shù)字醫(yī)學(xué)在骨科手術(shù)中的應(yīng)用與發(fā)展

曹志有，吳維瑋，莫峰波，全坤（綜述），戴 閩（審校）

·綜述·

數(shù)字醫(yī)學(xué)在骨科手術(shù)中的應(yīng)用與發(fā)展

曹志有，吳維瑋，莫峰波，全坤（綜述），戴 閩（審校）

南昌大學(xué)第一附屬醫(yī)院骨科，江西 南昌 330006

當(dāng)今社會(huì)，伴隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及，信息技術(shù)得以快速發(fā)展，并在各個(gè)領(lǐng)域得到應(yīng)用，其中數(shù)字醫(yī)學(xué)就是信息技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域被很好利用和發(fā)展的充分體現(xiàn)。數(shù)字骨科則是數(shù)字化醫(yī)療技術(shù)結(jié)合骨科臨床發(fā)展起來的一門學(xué)科，通過這門學(xué)科，使得骨科傳感器、計(jì)算機(jī)輔助骨科導(dǎo)航技術(shù)和機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)等數(shù)字化技術(shù)在骨科領(lǐng)域得以充分利用，并極大提高了骨科的手術(shù)技術(shù)。文章就數(shù)字醫(yī)學(xué)在骨科手術(shù)中的應(yīng)用和發(fā)展情況作一綜述。

骨科；傳感器；計(jì)算機(jī)導(dǎo)航；機(jī)器人

當(dāng)今互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，隨著信息技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的不斷發(fā)展，數(shù)字醫(yī)學(xué)應(yīng)運(yùn)而生。數(shù)字醫(yī)學(xué)是近年來出現(xiàn)的一門借助信息技術(shù)，結(jié)合現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的研究與實(shí)踐而形成的集數(shù)字醫(yī)學(xué)診斷技術(shù)、治療技術(shù)和檢測(cè)技術(shù)于一體的新興前沿科學(xué)。數(shù)字骨科是骨科臨床與計(jì)算機(jī)數(shù)字技術(shù)緊密結(jié)合的一門新型數(shù)字化醫(yī)學(xué)學(xué)科，是以計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)為輔助，骨科為基礎(chǔ)，涉及到生物力學(xué)、人體解剖學(xué)、材料學(xué)、機(jī)械工程學(xué)、立體幾何學(xué)、電子學(xué)、信息學(xué)等領(lǐng)域內(nèi)容的交叉學(xué)科［1-4］。近年來數(shù)字醫(yī)學(xué)的迅速發(fā)展涌現(xiàn)出了許多新興的數(shù)字技術(shù)，如骨科傳感器、計(jì)算機(jī)輔助骨科導(dǎo)航技術(shù)和機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)等，這些技術(shù)為解決臨床問題、提高臨床診斷精度等問題搭建了平臺(tái)，造福了許多骨科患者。本文將逐一介紹這些數(shù)字技術(shù)在骨科手術(shù)中的應(yīng)用情況。

1 骨科傳感器

在過去的幾十年里，骨科植入物和科技的進(jìn)步是巨大的。值得注意的是植入物和假肢的材料，以及導(dǎo)航和機(jī)器人技術(shù)的提升。過去數(shù)十年的技術(shù)進(jìn)步也幫助創(chuàng)造了微電子技術(shù)。許多傳感器都適用，并且可以應(yīng)用于骨科臨床。本文總結(jié)了目前使用的一些傳感器以及其未來可能的應(yīng)用場(chǎng)景。

在骨科中使用的最直觀的傳感器之一是應(yīng)變計(jì)。多年來，該傳感器已用于許多骨科領(lǐng)域，包括關(guān)節(jié)置換術(shù)、創(chuàng)傷手術(shù)和脊柱手術(shù)中。測(cè)量植入物的表面應(yīng)力可以幫助預(yù)測(cè)植入物是否會(huì)失效，骨折愈合情況，以及更好地了解不同植入物的生物力學(xué)載荷情況。早在1975年，Lanyon等［5］就使用了應(yīng)變計(jì)傳感器來測(cè)量骨應(yīng)變，但由于其侵入性，使用受到許多限制。為了更好地了解骨骼愈合能力，其他學(xué)者［6-7］將應(yīng)變計(jì)應(yīng)用于外固定器和鋼板［8］。將傳感器放置在股骨頭內(nèi)，壓力傳感器可以被用來測(cè)量半髖關(guān)節(jié)置換術(shù)中的軟骨壓力，實(shí)驗(yàn)結(jié)果較體外研究有著更大的峰值壓力［9-10］。其他研究小組也在膝關(guān)節(jié)植入了經(jīng)皮傳感器，通過關(guān)節(jié)鏡來監(jiān)測(cè)內(nèi)側(cè)腔室壓力［11］。然而迄今為止還沒有在人類身上開發(fā)出可植入的直接軟骨傳感器。有研究通過使用嵌入傳感器來分析全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后患者的髖關(guān)節(jié)的受力情況［12-13］。為了更好地了解肩部［14］和膝蓋［15］的生物力學(xué)特性，植入物中使用嵌入式傳感器的研究也被記錄在案。

早在20世紀(jì)70年代，應(yīng)變計(jì)也被用于通過經(jīng)皮有線傳感器測(cè)量脊柱的受力情況［16］。技術(shù)和無線通信的進(jìn)一步發(fā)展使得椎板植入物［17］，甚至椎體置換術(shù)［18］得以實(shí)現(xiàn)。Nachemson等［19］也使用其他傳感器（如壓力傳感器）來測(cè)量椎間盤上的應(yīng)力。然而，長(zhǎng)期完全可植入的傳感器尚未在人類中獲得成功［20］。

生物傳感器并不局限于了解人體的生物力學(xué)，還被用于確定植入物的應(yīng)力疲勞和預(yù)測(cè)植入失敗的風(fēng)險(xiǎn)。Burny等［21］在一項(xiàng)研究中通過使用傳感器來確定髖關(guān)節(jié)植入物所承載的應(yīng)力情況，并預(yù)測(cè)力學(xué)負(fù)荷和骨愈合情況。Chen等［22］提出了一種類似的電路和無線通信設(shè)計(jì)來確定植入物的形變、應(yīng)力、不對(duì)稱性和疲勞情況，目的是預(yù)測(cè)不同植入物的失敗率。Chen等［13］的另一項(xiàng)研究還展示了全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)中嵌入的傳感器如何幫助確定體內(nèi)植入物的合適位置。

未來，傳感器和電子技術(shù)的進(jìn)步將使骨科具有許多優(yōu)勢(shì)。更小、更有效、更持久的植入物可以與手持設(shè)備和電腦進(jìn)行無線通信，這是骨科的未來。這些傳感器允許更好的臨床測(cè)量，反過來迅速的臨床診斷也會(huì)導(dǎo)致更好的護(hù)理和預(yù)后。一個(gè)很好的例子就是應(yīng)用于監(jiān)測(cè)骨筋膜室綜合征，臨床上可以在有風(fēng)險(xiǎn)的患者中使用植入式傳感器進(jìn)行早期監(jiān)測(cè)。這些傳感器也可能在愈合和康復(fù)中起作用。例如，傳感器可以讓患者和他們的治療師更好地理解步態(tài)和運(yùn)動(dòng)，更好地針對(duì)性治療，更早地恢復(fù)正常功能。

2 計(jì)算機(jī)輔助骨科導(dǎo)航技術(shù)

以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的技術(shù)，不論是硬件還是軟件技術(shù)，在當(dāng)今手術(shù)過程中都發(fā)揮著越來越大和更重要的作用。骨科手術(shù)，與神經(jīng)外科一起，是第一個(gè)開發(fā)了影像導(dǎo)航和機(jī)器人系統(tǒng)的臨床專業(yè)。計(jì)算機(jī)輔助骨科導(dǎo)航手術(shù)（CAOS）現(xiàn)在大約有25年的歷史。與其他外科技術(shù)相比，CAOS系統(tǒng)的臨床影響和接受度一直較低。雖然有幾個(gè)中心報(bào)告說幾乎所有的關(guān)節(jié)和脊柱手術(shù)都使用了CAOS技術(shù)，但CAOS技術(shù)并沒有廣泛使用，即使在發(fā)達(dá)國(guó)家也是如此。保守估計(jì)，在美國(guó)、歐洲和亞洲，CAOS手術(shù)占整形外科手術(shù)的比例不到5%。CAOS技術(shù)目前主要用于膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)置換術(shù)手術(shù)。接下來是前交叉韌帶（ACL）重建，脊柱手術(shù)（椎弓根螺釘置入術(shù)），UKA，截骨（高位脛骨和髖關(guān)節(jié)），創(chuàng)傷手術(shù)（長(zhǎng)骨和骨盆骨折）。新出現(xiàn)的手術(shù)包括骨腫瘤切除術(shù)，反肩關(guān)節(jié)置換術(shù)，肘關(guān)節(jié)，手和踝關(guān)節(jié)手術(shù)。

人們認(rèn)識(shí)到，與傳統(tǒng)手術(shù)相比，CAOS技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)包括植入物定位精準(zhǔn)度和定位結(jié)果的均勻化（與傳統(tǒng)技術(shù)相比，變異更?。?。對(duì)于疑難病例和術(shù)后翻修的病例，好處更大。通常來說，更高的精準(zhǔn)度往往會(huì)有更低的失敗率，因此可以獲得更好的預(yù)后。

計(jì)算機(jī)輔助膝關(guān)節(jié)置換術(shù)是當(dāng)今CAOS技術(shù)最成功和最廣泛的應(yīng)用，世界各地的注冊(cè)機(jī)構(gòu)記錄了近50萬例手術(shù)。CAOS輔助技術(shù)主要包括支持精確定位截骨平面，匹配植入物界面，通過算機(jī)導(dǎo)航和個(gè)性化導(dǎo)板完成。軟組織情況的平衡和設(shè)計(jì)對(duì)優(yōu)化膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性和預(yù)后同樣很重要。雖然計(jì)算機(jī)輔助膝關(guān)節(jié)置換術(shù)已經(jīng)成為德國(guó)一些中心的標(biāo)準(zhǔn)化治療方案，但它在北美很少報(bào)道。例如，在德國(guó)超過30%的外科醫(yī)師使用計(jì)算機(jī)輔助膝關(guān)節(jié)置換術(shù)技術(shù)，而在法國(guó)只有6%，在英國(guó)只有不到3%［23］。

總體而言，CAOS技術(shù)并沒有成為任何骨科手術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)術(shù)式。這與計(jì)算機(jī)輔助神經(jīng)外科導(dǎo)航手術(shù)形成對(duì)比，在神經(jīng)外科手術(shù)中，導(dǎo)航是很多手術(shù)必不可少的，或者是帶有機(jī)器人系統(tǒng)的各種腹腔鏡手術(shù)。與神經(jīng)外科不同，大多數(shù)骨科手術(shù)不會(huì)危及生命，對(duì)不準(zhǔn)確有更大的容忍度，并且需要更長(zhǎng)的評(píng)估時(shí)間來確定其中長(zhǎng)期效益。在外科醫(yī)師接受度方面，計(jì)算機(jī)輔助骨科導(dǎo)航手術(shù)面臨著類似于腹腔鏡手術(shù)引入時(shí)所面臨的挑戰(zhàn)。Picard等［23］指出限制計(jì)算機(jī)導(dǎo)航輔助膝關(guān)節(jié)置換術(shù)在骨科醫(yī)師中傳播的主要因素最有可能是人體工程學(xué)和經(jīng)濟(jì)學(xué)。他們的結(jié)論是，反對(duì)CAOS技術(shù)的主要原因是基于不準(zhǔn)確和/或誤導(dǎo)性的觀察，以及缺乏數(shù)據(jù)來支持使用導(dǎo)航的成本效益。

根據(jù)BCC Research的報(bào)道，醫(yī)學(xué)機(jī)器人和計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)技術(shù)的全球市場(chǎng)預(yù)計(jì)增長(zhǎng)到46億美元，5年復(fù)合年增長(zhǎng)率為7%。全球人口穩(wěn)步老齡化和對(duì)心臟和骨科手術(shù)等微創(chuàng)外科手術(shù)的需求不斷增加等因素，正在刺激全球這一市場(chǎng)的重大機(jī)遇。特別是，CAOS應(yīng)用的市場(chǎng)份額增加兩倍以上。對(duì)于CAOS技術(shù)的發(fā)展和相關(guān)的醫(yī)學(xué)圖像分析研究來說，現(xiàn)在是前所未有的好時(shí)機(jī)。

3 機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)

機(jī)器人手術(shù)開始改變骨科手術(shù)的方式。機(jī)器人最初因能夠提高精確度、準(zhǔn)確性和患者的總體預(yù)后和滿意率而被引入骨科手術(shù)室。機(jī)器人輔助手術(shù)可以通過個(gè)體化手術(shù)方案提高手術(shù)醫(yī)師的能力，從而實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)。機(jī)器人輔助手術(shù)在全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)、部分膝關(guān)節(jié)置換術(shù)［24-25］，和全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)中，可以優(yōu)化軟組織平衡、重復(fù)對(duì)齊和恢復(fù)正常的關(guān)節(jié)解剖結(jié)構(gòu)［26-27］。不管手術(shù)醫(yī)師對(duì)于肢體對(duì)齊是什么目標(biāo)，很明顯，機(jī)器人輔助手術(shù)將使外科醫(yī)師能夠在更一致的基礎(chǔ)上進(jìn)行精確和準(zhǔn)確的手術(shù)，并制定更多針對(duì)患者的個(gè)性化治療方案。就像那些決定不去適應(yīng)和學(xué)習(xí)新儀器和導(dǎo)航策略的偉大飛行員變得過時(shí)一樣，骨科醫(yī)師需要認(rèn)真考慮機(jī)器人在醫(yī)療保健領(lǐng)域的作用，以及他們認(rèn)為自己將從何時(shí)加入機(jī)器人手術(shù)大軍。

但是，機(jī)器人手術(shù)目前仍存在不少問題。除了機(jī)器人手術(shù)相關(guān)的高成本外，為了優(yōu)化機(jī)器人的安全性和有用性，外科醫(yī)師不得不接受大量的教育。投資回報(bào)永遠(yuǎn)得不到保證，因?yàn)楹?jiǎn)單地購買一個(gè)機(jī)器人并不能改善結(jié)果。在使用機(jī)器人系統(tǒng)的情況下，手術(shù)時(shí)間可能更長(zhǎng)，特別是在學(xué)習(xí)期間，并且機(jī)器人系統(tǒng)可能會(huì)與手術(shù)醫(yī)師選取的植入物系統(tǒng)存在不兼容的情況。盡管精確度有所提高，但是目前的機(jī)器人系統(tǒng)只能按照特定的計(jì)劃執(zhí)行。這些系統(tǒng)仍然缺乏做出創(chuàng)造性決定的能力，或者在出現(xiàn)變量時(shí)單方面決定如何在手術(shù)期間改變計(jì)劃。盡管機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)能夠非常準(zhǔn)確地植入內(nèi)固定物，但是這些系統(tǒng)還不能很好地處理軟組織問題，因?yàn)槟壳暗臋C(jī)器人系統(tǒng)并不能區(qū)分組織類型。最后，機(jī)器人是根據(jù)提供給它的數(shù)據(jù)進(jìn)行手術(shù)，雖然基于圖像的系統(tǒng)可以更容易地識(shí)別錯(cuò)誤來提供額外的安全性，但有圖像系統(tǒng)和無圖像系統(tǒng)都只能做到與提供給它們的數(shù)據(jù)一樣。因此，不正確的數(shù)據(jù)雖然可以完美執(zhí)行手術(shù)計(jì)劃，但手術(shù)位置可能存在偏差，這將導(dǎo)致潛在的災(zāi)難性結(jié)果。

目前機(jī)器人手術(shù)主要集中在提高全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后影像學(xué)結(jié)果的精確性。早期數(shù)據(jù)表明全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后的翻修率降低，功能結(jié)果也得到改善。未來的創(chuàng)新可能會(huì)繼續(xù)改進(jìn)機(jī)器人輔助全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)期間的規(guī)劃和工作流程。這些創(chuàng)新將會(huì)簡(jiǎn)化手術(shù)過程，并縮短手術(shù)醫(yī)師的學(xué)習(xí)時(shí)間。很難預(yù)測(cè)以后的技術(shù)創(chuàng)新將如何改變機(jī)器人輔助關(guān)節(jié)置換術(shù)。機(jī)器人手術(shù)的關(guān)鍵包括術(shù)前分析、術(shù)中傳感器和機(jī)器人控制系統(tǒng)。當(dāng)前機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)的術(shù)前規(guī)劃通常涉及某種類型的影像學(xué)資料，例如CT或X線片，以定義手術(shù)邊界和手術(shù)計(jì)劃。術(shù)前計(jì)劃將用于重建所需的解剖結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)學(xué)框架。雖然以前的植入物設(shè)計(jì)受到傳統(tǒng)可視化要求和傳統(tǒng)器械的限制，但未來的植入物發(fā)展一定會(huì)非常不同。一些公司已經(jīng)在研究沒有機(jī)器人技術(shù)就不可能植入的植入物。

4 結(jié)語

現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的發(fā)展已經(jīng)朝著精確化、個(gè)性化、微創(chuàng)化、智能化與數(shù)字化的方向發(fā)展［28］，骨科學(xué)也將朝著數(shù)字骨科學(xué)方向發(fā)展。對(duì)于骨科傳感器，骨科醫(yī)師可以通過對(duì)植入物設(shè)計(jì)和對(duì)人體生物力學(xué)的理解進(jìn)行其他改進(jìn)，這在骨科研究和發(fā)展中是必不可少的。而計(jì)算機(jī)輔助骨科導(dǎo)航手術(shù)的臨床影響和接受度現(xiàn)在雖然不高，但為了患者的利益，它仍然在骨科醫(yī)師可用的工具庫中占有一席之地。到目前為止，機(jī)器人手術(shù)技術(shù)已經(jīng)經(jīng)歷了許多優(yōu)化，并在未來將成為外科醫(yī)師在進(jìn)行關(guān)節(jié)置換術(shù)時(shí)首先考慮到的有價(jià)值的輔助工具。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，這些數(shù)字醫(yī)學(xué)技術(shù)產(chǎn)品將越來越受到骨科臨床醫(yī)師的歡迎，并成為實(shí)踐的標(biāo)準(zhǔn)。雖然現(xiàn)在數(shù)字骨科的基礎(chǔ)研究和臨床應(yīng)用仍處在初級(jí)階段，并面臨著層層挑戰(zhàn)，但通過學(xué)科的整合，不斷探索、不斷創(chuàng)新、不斷解決研究與應(yīng)用中遇到的難題，數(shù)字骨科學(xué)最終一定會(huì)成功運(yùn)用于臨床，解決患者的疾苦及許多現(xiàn)在無法解決的臨床問題，為醫(yī)學(xué)事業(yè)發(fā)展帶來全新的生命力。

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Application and development of digital medicine in orthopedic surgery

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，，330006，，

In today’s society， with the popularity of the Internet， information technology has developed rapidly and has been applied to various fields. Among them， digital medicine is the full embodiment of how well information technology is being applied and developed in medical field. Digital orthopedics is a discipline developed by combining digital medical technology with clinical orthopedics， which enables digital technologies such as orthopedic sensors， computer-aided orthopedic navigation technology， as well as robotic surgery system to be fully utilized in the field of orthopedics， and has greatly improved the orthopedic surgery techniques. This paper summarized the application and development of digital medicine in orthopedic surgery.

Orthopedics； Sensor； Computer navigation； Robot

R687.1

A

2095-378X（2022）01-0056-04

10.3969/j.issn.2095-378X.2022.01.014

曹志有（1993—），男，碩士研究生，住院醫(yī)師，從事臨床骨科工作

戴 閩，電子信箱：daiminyisheng@163.com

（2021-07-14）