數(shù)字化技術在骨科手術中的應用進展

龍旭東，方家棟，楊黎綜述 胡正霞，蘭海審校

1.遵義醫(yī)科大學，貴州 遵義 563000；

2.成都大學附屬醫(yī)院，四川 成都 610081

數(shù)字化技術是通過計算機、通信等設備來表達、傳輸和處理信息的技術。在電子技術與信息技術飛速發(fā)展的當今時代，骨科臨床研究發(fā)展迅猛，數(shù)字技術與傳統(tǒng)手術技術結(jié)合成為現(xiàn)代骨科手術的主流趨勢，形成了系統(tǒng)性的骨科臨床數(shù)字技術。數(shù)字化骨科作為一種全新的骨科臨床應用技術在國內(nèi)外取得顯著的研究進展，其主要集中在可視化、模型化、智能化等方面。近年來隨著骨科治療理念的不斷更新，數(shù)字化骨科技術不僅為骨科手術風險管理提供了新路徑，還極大地提高了醫(yī)生的操作效率，為手術方案選擇提供了有力支持，在最大程度上減少了手術對患者造成的創(chuàng)傷，提高了患者的機體修復質(zhì)量。本文就虛擬技術、3D打印技術、有限元分析技術、骨科手術機器人技術在骨科手術領域應用方面進行綜述。

1 虛擬現(xiàn)實和可視化技術在骨科的應用

近幾年虛擬技術飛速發(fā)展，虛擬技術也被稱為虛擬環(huán)境，是利用電腦模擬產(chǎn)生一個三維立體逼真的虛擬環(huán)境，能夠在視覺、聽覺以及觸覺方面，給人們提供一種感官的模擬，讓用戶能夠從多個方面對世界有一種身臨其境的感覺[1]。用戶移動位置時，電腦可以立即進行復雜的運算，將精確的三維視頻傳回產(chǎn)生實時動態(tài)的虛擬影像。該技術是仿真技術與計算機圖形學、人機接口技術、多媒體技術、傳感技術、網(wǎng)絡技術等多種技術的集合，是一種由電腦技術輔助生成的模擬系統(tǒng)。在骨科教學、手術培訓、術前計劃、術中導航及術后康復訓練等方面發(fā)揮重要作用。

近年來，在虛擬環(huán)境中的計算機輔助骨科手術規(guī)劃系統(tǒng)逐漸發(fā)展，如脊柱側(cè)凸等肌肉骨骼疾病的三維重建系統(tǒng)、用于強直性脊柱炎手術前規(guī)劃和術后矯正效果評估的“ASKyphoplan”軟件等[2-7]。PIGGE等[3]對有關“ASKyphoplan”計算機軟件方面的內(nèi)容進行了具體介紹，通過此類軟件的使用可以更好地設計強直性脊柱炎手術方案，還可以將整個術后矢狀面截骨矯正情況充分地體現(xiàn)出來，不僅如此，通過這種程序，還可以把計劃矯正角度、截骨平面、chin-brow縱向角度，以及對應的矢狀面的平衡關系加入其中。通過虛擬現(xiàn)實技術的應用，在手術開始之前能夠把有關手術的過程讓患者了解一些，有助于患者焦慮心情的緩解；能夠?qū)σ恍┚哂休^高復雜性的手術進行對應的模擬，從而找到最好的手術方式。BEKELIS等[8]通過開展一項隨機對照實驗發(fā)現(xiàn)，接受術前沉浸式VR的患者和非沉浸式VR的患者對比，術前沉浸式VR的患者圍手術期壓力減小、焦慮減輕、滿意度增加、恢復較好。由此可見，醫(yī)院在對患者進行治療的過程中可以打造一個沉浸式的虛擬環(huán)境，明顯的降低患者圍手術期心理負擔，這對于手術效果來說是非常有利的。CHAN等[9]評價了術前沉浸式VR(immersive virtual reality，IVR)療法在局部麻醉下行關節(jié)置換術的可行性和潛在的鎮(zhèn)靜效果；9例患者接受了IVR、局部麻醉和鎮(zhèn)靜治療的患者，10例患者接受了常規(guī)護理，在IVR組中異丙酚平均用量為(63±21)mg/h，在常規(guī)護理組中異丙酚平均用量為(155±45)mg/h(P＜0.05)，在手術后，患者滿意度不存在明顯差別，通過本實驗能說明，在手術室環(huán)境下提供IVR是可行的，其有鎮(zhèn)靜作用，可減少麻醉藥用量，不影響手術療效。

2 3D打印技術在骨科的應用

3D打印技術出現(xiàn)于20世紀80年代，其原理是通過計算機及三維數(shù)字成像技術來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的重建。在醫(yī)療、航天、軍工、工業(yè)設計等很多行業(yè)得到廣泛應用。3D打印骨折模型來源于CT或MRI導出的3D DICOM格式數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成3D打印機能夠識別的格式文件后，由計算機輔助設計(computer aided design，CAD)讀取，用于設計3D對象。3D打印通過“疊加制造”，以預定方式逐層添加原材料，從而達到精確的3D框架。與傳統(tǒng)的影像學資料相比，3D打印技術通過提取患者的CT和MRI數(shù)據(jù)重建三維解剖結(jié)構(gòu)，得到實體的骨折模型，其提供的立體結(jié)構(gòu)更加清晰直觀，可以幫助醫(yī)師全面地認識疾病，從而做出正確的診斷，對骨折部位有更為準確的認識，為后期制定合理的手術方案做好準備。

3D打印技術在骨科的臨床工作中廣泛地應用于骨折模型的制作、導航模板的設計、個性化的內(nèi)置物打印。在治療骨盆髖白骨折的過程中，因為其具有非常復雜的解剖結(jié)構(gòu)，并且骨折的形式也非常多樣，能夠采取的手術方式相對較多，必須要對骨折的分型有一個深入的了解。BAGARIA等[10]進行一項多中心研究實驗，50例手術患者采用了3D打印技術制作出骨折實體模型，其中，關節(jié)周圍骨折患者24例，骨盆骨折患者11例，復雜骨折患者7例，人工髖關節(jié)翻修手術患者8例，所有治療醫(yī)師都認為3D打印的實體模型比常規(guī)影像提供了更多的信息，增強了他們對復雜疾病的認識，有助于做出正確診斷，做好術前規(guī)劃、手術模擬、術中參考等。

在對復雜粉碎性骨折患者進行治療的過程中，以往主要是通過醫(yī)師的經(jīng)驗來對骨折部位進行復位以及螺釘植入操作，因為每個患者存在較高的個體差異，所以經(jīng)常會出現(xiàn)手術過程中螺釘穿入關節(jié)內(nèi)等相關的情況發(fā)生。導航模板技術能夠使手術的精準度進一步提升，可以明顯提高手術操作的準確度，減少手術時間及透視次數(shù)，提高手術成功率。目前隨著科技的發(fā)展，虛擬增強現(xiàn)實技術已經(jīng)在臨床上得到應用，術者可以在電腦上進行術前規(guī)劃和手術設計，并不需要高成本打印出完整的骨折模型，僅利用3D打印技術打印出所需的導航模板用來指導手術治療顯得更加經(jīng)濟、有效[11]。在周圍骨折，骨盆、髖臼骨折等方面，BROWN等[12]在對107例創(chuàng)傷骨折患者中應用3D打印導航模板研究中發(fā)現(xiàn)，術后鋼板位置及螺釘方向與術前設計幾乎完全相同，其精確度令人滿意；ZHANG等[13]使用3D打印技術制作出導航模板，分別對患有肘內(nèi)翻畸形的12例男性患者和6例女性患者(平均年齡為15.7歲)進行了治療，先通過患者對應的3D CT成像數(shù)據(jù)制作出患肘3D打印模型，從而反向設計出截骨角度以及截骨范圍最具貼合性的導航模板，能夠給矯正手術提供非常有利的指導，術后X線片證實畸形矯正，18例肘內(nèi)翻畸形患者的平均術后攜帶角度為7.3°，隨訪12～24個月，平均矯正率為21.9°。雖然在理論上導板能夠達到精確置釘，然而軟組織滑動和缺乏穩(wěn)定的貼合面是仍需要解決的問題。

通常情況下，位于人群正態(tài)分布兩側(cè)的患者想要找到一個匹配合適的標準植入物往往具有較高的難度，再加上創(chuàng)傷患者種類較多，出現(xiàn)內(nèi)置物大小不匹配的可能性非常高，這樣會進一步增加手術難度。所以采用個體化內(nèi)置物就變得非常重要。3D打印技術可以根據(jù)患者的實際情況來定制出對應的個性化內(nèi)置物，能夠盡可能地符合患者的需求，從而使手術更加精準化。在腹腔鏡下開展骨盆骨折手術已在臨床中得到應用，在整個手術過程中，準備的內(nèi)置物要確保其和患者的骨骼相互匹配，以便在狹小的手術視野中固定，便必須要制造一個具有高精確度的個體化內(nèi)置物，3D打印術前定制個性化內(nèi)置物就顯得非常關鍵[14]。術中應用3D打印骨科植入物的原材料主要集中于PEEK(聚醚醚酮)和鈦金屬中，后者廣泛用于接骨板、人工關節(jié)假體及脊柱植入物中。DAI等[15]采用3D打印技術為10例嚴重骨盆損傷準備行半骨盆切除術的患者制作出骨盆模型，植入個體化假體，術中操作順利，假體匹配良好，術后隨訪X線片示假體固定確切，無松動、移位等情況。

3 有限元分析技術在骨科的應用

有限元分析技術是通過數(shù)字化構(gòu)建數(shù)字模型，然后利用已知條件，如材料特性、已知的節(jié)點具體數(shù)目及各節(jié)點的坐標系等，對各個單元的做出一個近似解，最后在此基礎上計算該域總的總解，進行定量分析，從而使實際復雜的問題定量化。數(shù)字化有限元分析技術因成本滴、精準性高、更能模擬機體力學等優(yōu)點在國內(nèi)外成為了研究熱點，在力學分析、固定裝置的指導、骨折的產(chǎn)生機制和生物材料的研究得到了廣泛的應用推廣，而且很容易在個人電腦中操作、處理大型的醫(yī)學影像數(shù)據(jù)，對臨床疾病的診治提供了準確可靠的信息。構(gòu)建骨骼系統(tǒng)的有限元模型能夠在一定程度上為人體生物力學的分析研究上提供幫助，也為學者了解骨骼的生理特性提供了一條切實可靠、方便簡潔的研究路徑。

國內(nèi)外眾多學者都相繼采用有限元分析法開展骨骼肌肉系統(tǒng)的探索與研究。彭春政等[16]基于人體軀干掃描的CT數(shù)據(jù)，應用有限元并結(jié)合逆向工程原理和根據(jù)解剖學資料建立了軀干骨骼-肌肉-韌帶復合體三維模型，客觀地反映了人體軀干解剖結(jié)構(gòu)和力學特性，其模型的有效性驗證也證明本研究的建模方法和材料參數(shù)選擇的有效性。骨科醫(yī)生在臨床診治股骨頭壞死疾病時往往會漏診，其主要原因是股骨頭壞死會導致壞死區(qū)發(fā)生逐步塌陷。張念非等[17]在利用有限元分析發(fā)現(xiàn)，股骨頭壞死塌陷處往往處于負重區(qū)，該區(qū)域的呈現(xiàn)為不規(guī)則圓形，通過有限元力學分析發(fā)現(xiàn)在股骨頭中心為頂點壞死區(qū)＞110°時，股骨頭內(nèi)壞死區(qū)的應變能力超過軟骨下骨的應變能力，極易出現(xiàn)軟骨下骨板骨折。

有限元的生物力學分析對骨折固定裝置的指導具有重要作用。20世紀70年代有研究構(gòu)建首次建立出了長鋼板固定的二維有限元模型，開始了運用有限元分析法對骨折固定進行分析研究。CULEMANN等[18]隨后在此基礎上對三維骨折固定的有限元模型進行更為深入的研究并取得較大的研究成果，如今骨科固定的有限元分析法已被廣泛地應用到骨科內(nèi)外固定的研究之中。許瑞杰等[19]在研究股骨頸骨骨折固定方式的不同對骨折端應力所造成的影響中發(fā)現(xiàn)，在保持單釘恒定不變情況下，在對Pauwels角為50°的經(jīng)頸型骨折模型施加載荷時，各參數(shù)同時達到最小值，說明以該角度固定可取得最佳的力學效果；采用多釘固定時發(fā)現(xiàn)，兩釘橫放固定效果最差，兩釘豎放抗扭效果較差，兩釘斜放和三釘固定時力學效果最好。劉安慶等[20]對股骨力學分布的有限元分析表明：股骨頸處的壓力骨小梁和股骨距是重要的承載結(jié)構(gòu)，因而內(nèi)固定裝置放置位置應循壓力骨小梁方向盡量緊貼股骨距鉆入?，F(xiàn)今的研究成果使模型不僅能逼真地模擬骨骼，還能將周圍的韌帶、肌肉直接或間接地加入模型，使模擬更加真實與完美，從而能更準確地反映研究對象的生物力學特性，使實驗研究的結(jié)果更加精確可靠。

4 手術機器人技術在骨科的應用

機器人被定義為一個具有電腦操作系統(tǒng)及與周圍環(huán)境有互動的電動操縱結(jié)構(gòu)的機械。它的基本結(jié)構(gòu)是包含能夠提供機器人狀態(tài)反饋數(shù)據(jù)的感應器和處理這些數(shù)據(jù)的中央處理器，以及能夠按照指令進行動作的執(zhí)行系統(tǒng)[21]。醫(yī)學領域的手術機器人技術革新是伴著數(shù)字化技術、機器人服務技術和復雜影像學技術產(chǎn)生的。計算機技術、微創(chuàng)手術技術及醫(yī)學影像學等多學科發(fā)展的共同推動下，手術機器人的研究和應用得到了很大程度的進步。手術機器人系統(tǒng)能夠克服人的生理局限，具有操作精度高、操作可重復性好、操作穩(wěn)定性強、手術創(chuàng)傷少、醫(yī)生勞動強度降低等特點。目前骨科手術機器人的主要應用領域包括：人工關節(jié)置換、骶骨骨折脫位、復雜的骨盆及髖臼骨折、髓內(nèi)釘遠端鎖定和股骨頸骨折螺釘固定等[22-24]。國外手術機器人的研發(fā)與臨床應用大多數(shù)為以Spine Assist系統(tǒng)為主的機器人系統(tǒng)[25-28]。PECHLIVANIS等[25]采用Spine Assist系統(tǒng)對31例患者進行微創(chuàng)經(jīng)皮后路腰椎融合術，共置入133枚椎弓根螺釘，91.0%～98.5%的患者的系統(tǒng)準確性與術前計劃偏差在＜2 mm以內(nèi)，29例患者均采用該機器人系統(tǒng)成功進行手術治療。SUKOVICH等[26]應用Spine Assist系統(tǒng)經(jīng)皮后路脊柱融合椎弓根螺釘置入治療的14例臨床病例中，成功率達到93%，96%的椎弓根螺釘?shù)奈恢门c計劃進釘位置偏差在1 mm之內(nèi)，該系統(tǒng)能夠與很多微創(chuàng)經(jīng)皮內(nèi)固定系統(tǒng)協(xié)同配合使用，明顯減少手術醫(yī)生的射線損傷。CRUCES等[27]將機器人機械臂輔助與計算機導航相結(jié)合應用于骨科，手術醫(yī)生可以通過手動牽引機械臂運動來提高骨科手術的準確性和安全性，在不降低靈活性的同時提高機器人的輔助功能。2015年，北京積水潭醫(yī)院和北京天智航公司共同合作研發(fā)“天璣”機器人，其主要涵蓋了6個高自由度的機械臂系統(tǒng)、光學追蹤系統(tǒng)、手術規(guī)劃和導航系統(tǒng)系統(tǒng)。在此基礎上，北京積水潭醫(yī)院主導下多單位配合開發(fā)的第三代骨科手術機器人系統(tǒng)(天璣)是國際上首個通用性骨科手術機器人，其亞毫米級的定位精確度足以滿足45%以上骨科手術的需求[29]。韓巍等[30]借助天璣骨科機器人對38例不穩(wěn)定骨盆后環(huán)骨折輔助骶髂螺釘經(jīng)皮內(nèi)固定治療，螺釘位置優(yōu)良率為100%，天璣骨科手術機器人輔助下置入S2骶髂螺釘治療不穩(wěn)定的骨盆后環(huán)骨折比透視下徒手操作成功率更高。

5 展望

現(xiàn)階段來說，有關數(shù)字骨科學的基礎研究以及臨床應用的發(fā)展還處于高速發(fā)展的時期，伴隨著數(shù)字化系統(tǒng)和骨科新技術以及理念的深入結(jié)合，最大可能地實現(xiàn)了骨科手術的微創(chuàng)化和智能化。在骨科未來的發(fā)展過程中，個性化、精準化以及微創(chuàng)化都是非常重要的發(fā)展目標，能夠使整個骨科手術變得更加安全方便，能夠?qū)υ\治水平進行非常大的改善，對于骨科疾病患者來說是非常有利的。