數字骨科在骨科臨床的研究進展

王劍 云文科

1.內蒙古醫科大學2012級研究生，內蒙古呼和浩特 010059；2.中國人民武裝警察部隊內蒙古總隊醫院外二科，內蒙古呼和浩特 010040

目前，隨著計算機技術的不斷發展，其在人類社會中的應用也不斷擴展、深入，其中數字骨科作為骨科臨床中的新型醫學學科，為骨科研究及治療的進步提供了新的思路。數字骨科以骨科的各類臨床資料為基礎，通過計算機的數字處理技術與圖像處理技術同骨科的臨床密切結合，成為醫學中一門新興的數字化學科。在當今科學技術飛速發展的時代，多學科融合交叉式任一學科發展的必然途徑與趨勢。數字骨科是數字醫學的一個重要組成部分，是以計算機數字化技術研究解決骨科基礎與臨床中的實際問題。數字骨科的近年來在臨床應用中的興起，逐漸的轉化了臨床骨科疾患的診治思路，個體化手術設計（手術方法，內植物）成為其應用的主要標志，為提高臨床骨科手術治療效果具有顯著效果。現有的數字技術已經滲透到醫學的各個領域，從而促進醫學技術向個性化，精確化，微創化與遠程化方向快速發展，數字骨科的出現，實現了由二維到三維，由平面到立體，由靜態到動態的技術轉變，數字骨科學理論和技術的建立，有望使顧客臨床逐漸系統化，標準備，立體化和可視化，數字骨科的概念提出，建立在數字醫學和中國數字人技術、數字醫療設備，計算機網絡平臺和醫療專業軟件的基礎上，建立事故科數字化三維解剖圖譜，從而實現兩個目的，即星系共享和資源共享。由此，該研究對數字骨科在骨科臨床中的研究進展進行分析。

1 數字骨科的優勢

目前數字化的骨科技術已在骨科應用及研究方面貢獻了部分學術成果，成為推動骨科臨床發展的重要動力之一。相比于傳統骨科的研究模式，數字骨科具有明顯的技術優點，主要體現在以下3點：①數字骨科采用了計算機的人體骨骼快速成型輔助技術，在該技術幫助下對于結構較為復雜的人體骨骼模件也能夠制作完成，完成后的標本可用于醫生學習患者的解剖特點，從而提高醫生參與手術治療時的正確性與科學性，還可有效縮短手術時間[1-2]。②數字骨科運用的CAD/CAM技術能夠對患者的骨骼模件進行三維重建，為患者提供獨特的假體設計，在該設計方案下制造完成的假體，與患者病變骨骼匹配程度較高，應用效果更好；CAD技術還能用于術前的手術方案設計，模擬過程，提升手術效果。③計算機的輔助設計技術還能夠為患者制定個體化的手術方案設計，通過手術模擬使得較為復雜的骨折情況也能得到準確外科復位，同樣該技術還可用于骨科腫瘤的切除、畸形肢體的矯正以及假體配置等[3-4]。根據上述優勢，該研究對數字骨科在骨科臨床中的應用進行分析。

2 數字骨科在骨科臨床中的應用進展

在李亞光等人[5]的相關研究中指出，近年來，隨著國內數字骨科技術的發展，足踝、盆骨、關節骨折，脊柱側彎、后凸治療，四肢畸形矯正等方面均開始對數字骨科技術進行了運用，從而實現個體化定制以及生物制造水平的提升，增強手術方案的科學性與手術后相關生物力學的穩定性，基于此，該研究對其在不同領域的具體應用進行分析。

2.1 骨折治療中的數字骨科技術

在朱學敏等人[6]的相關研究中，對骨科技術中的CAD（計算機的輔助設計技術）、RP（骨骼快速成型技術）以及三維建模技術在跟骨骨折治療中的應用進行了研究，首先利用Mimics等三維建模操控軟件，能夠根據患者的計算機影像學資料建立與之相符的骨關節三維立體模型，該建模技術避免了普通X線片檢查中的重疊現象，彌補二維CT檢查缺乏整體性的缺陷，清晰、完整顯示跟骨結構，醫師能夠對骨折的移位情況有直觀了解。其次，CAD-RP技術應用相關處理軟件系統將二維斷層的圖像信息轉換為數控的加工指令，在指令下相應機械能夠制造1:1的骨骼實物模型，其中清晰的顯示出骨折線走向、分布，方便醫師制定更加有效的手術方案。最后，計算機導航技術則能夠在術中為醫師提供光學或影像學監測，克服醫師的觸覺差異與手眼協調性的問題，幫助完成精細的手術操作。

2.2 骨腫瘤手術中的數字骨科技術

張余等人[7]的相關研究表明，數字骨科技術在骨腫瘤手術中的應用主要包括腫瘤三維模型構建、截骨手術模擬、計算機輔助設計數字化模板、RP技術及術中計算機導航技術。以骨盆腫瘤手術為例，首先，術前將CT、MRI檢查的數據輸入三維建模軟件系統中，將其轉換為三維數據，重建骨盆中的發生腫瘤病變的骨關節解剖模型，根據其展現出的腫瘤性質明確外科切除的范圍。其次根據病灶解剖形狀制作手術切除的輔助模板，便于術中進行切除時異體骨的修剪形狀與骨缺損的形狀一致。最后，利用計算機數字化技術對腫瘤的切除及骨組織重建的過程進行模擬，驗證手術方案的可行性，利用3D打印技術進行骨科手術模擬和固定內植物設計，使以往單純的依靠CT二維影像學診治疾病到三維實體模型，無論對于提高醫生手術方案的準確性和對患者的個體化醫療方案的高效實施都是大有裨益。

2.3 其他骨科手術中的數字骨科技術

除上述復雜性骨折及骨腫瘤手術中應用數字骨科技術外，在關節手術、脊柱外科手術、寰樞椎手術、創傷性骨損傷手術中也展開了應用。在王智運等人[8]關于脊柱外科手術運用數字化技術的相關研究中，同樣認為主要依賴于3D技術、CAD/CAM技術、RP技術等，首先通過3D技術對畸形、脫位、骨折、結構破壞的脊柱進行三維模型的重建，為醫師體檢了解患者損傷處的三維立體結構提供有力依據，完善手術方案；其次，利用計算機輔助技術對三維的立體模型進行研究，例如測量尺寸、體積、面積，明確手術路徑與組織移位等，使得手術方案能夠得到精確呈現；最后在數字化導航技術的輔助下完成手術。而在王建華等人[9]關于寰樞椎手術應用數字骨科技術的研究中，則對術中個性化置釘的效果進行了分析，將圖像的二維數據輸入三維重建模型軟件中，利用軟件技術明確最佳的寰樞椎進釘點與釘道，并將三維模型與其進行擬合，提升對應準確性；通過計算機導航技術進行模板打印，術中根據模板打印所提供的入釘點進行磨鉆開孔，并建立釘道，實現固定。

2.4 骨科生物力學研究

骨作為人體運動系統的重要組成部分，不但完成靜止狀態下力學支持，而且在不同運動狀態下完成力學傳遞，因此骨科生物力學研究對于骨科臨床具有重要的意義和價值。由于人類骨骼多為不規則體，而且受力方式較為復雜，因此對于其研究較為困難。數字化有限元分析技術成為解決這一難題的有效辦法，其基本原理為將不規則的人體骨骼分解成有限個規則的正三棱錐形，通過分析三棱錐行的受力特點來分析整體骨科的力學特性。其現有的主要應用軟件有ANSYS,ABQUES等，主要研究的領域有寰樞椎骨骼不同置釘釘道下螺釘應力應變，骨盆骨折固定后，不同拉力釘固定應力應變變化，股骨遠端外側鎖定鋼板固定不同固定方式應力應變特性等。以上的研究不但為骨科手術術式選擇提供有益的借鑒，更為內植物的設計和改良提供新的思路，為降低手術失敗和二次手術提供科學依據。

3 展望

隨著信息化技術的不斷發展，數字骨科逐漸成為骨科學基礎研究及臨床手術技術改進的重要手段之一，為醫療行業及人類生存質量的提高創造了有利條件。在未來的發展中，數字骨科技術還將依賴于更加先進、強大、完備的計算機及軟件系統支持[10]。例如自動提取MRI或CT檢查數據中特征性的參數，直接生成三維立體骨骼模型，再如通過人機交互法完成材料與假體的植入，數字化機械臂，遠程會診及遠程手術等[11-13]。數字骨科技術作為新興的研究與治療技術，具有廣闊的發展前景，由此，該技術還應當不斷發展完善，為醫療事業及人類生活的進步作出更大貢獻，數字化技術將成為21世紀優秀骨科醫生的臨床床基本技能。

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