数字骨科——信息化世纪的新骨科数字骨科入门（一）

尹庆水 万磊

继续教育

数字骨科
——信息化世纪的新骨科数字骨科入门（一）

尹庆水 万磊

1 骨科学的信息化革命——从骨科诊断数字化到数字骨科

1.1数字骨科的起源

发轫于20世纪40年代的计算机技术，彻底改变了人类的生存模式。从宏观到微观、从人文到自然，计算机技术已渗透到人类社会的各个方面。它的迅猛发展同样引发了医学的“数字化”革命，骨科治疗手段在计算机技术的支持下也发生了巨大变化。它首先促进了影像学的发展，CT、MR、DR和ECT的出现，为临床提供了精确的解剖、断层观察的工具，为骨科数字化研究和应用提供了智能化辅助系统。近年来，随着计算机运算能力的强劲提升，骨科学数字化发生了质的飞跃，已从对患者信息简单收集、记录的数字化发展为治疗方案的数字化设计和计算机辅助疗效预测。

数字骨科是近10年来逐渐形成的一个新的概念和称谓，它正以较快的速度融入传统的骨科，改变着传统的骨科。

1.2数字骨科的定义

数字骨科是计算机技术与骨科临床紧密结合的一门新型数字化医学学科，是以骨科为基础，计算机图像技术为辅助，涉及到人体解剖学、立体几何学、生物力学、材料学、信息学、电子学、机械工程学等领域的交叉学科。应用于骨科的数字化新技术包括医学影像处理、三维虚拟仿真、可视化技术、有限元技术、临床计算机辅助设计（computer aided design,CAD）与计算机辅助制造（computer aided manufacturing,CAM）技术、手术导航与机器人辅助技术等。数字骨科以数字化新技术与骨科应用紧密结合为特点，以显著的临床实用性而有别于其它医学计算机虚拟技术。

2 数字骨科的新理论与新技术

2.1数字人体解剖学

数字人体解剖学是以传统人体解剖学为基础，以计算机技术为支撑而建立的人体解剖数字化系统。数字人体解剖学是当今生命科学、信息科学、智能科学和计算机科学的高度综合。利用大型计算机，数字人可以为骨科基础和临床研究提供虚拟实验平台，可模拟常规或极限情况（核爆/航天）下的外力负荷，分析骨骼运动的应力分布；可重建任意角度的断层图像，可还原任意解剖结构的三维形态；可建立标准化的海量人体解剖信息数据库，从而避免传统解剖研究标本的个体差异以及不可重复的缺点。

2.2数字化影像学处理技术

数字化影像学处理技术是指利用计算机芯片进行断层图像处理的影像学技术，以DR、CT、MRI、ECT、PET等大型设备为代表。可用于骨科临床进行精确的解剖断层形态学观察。与传统模拟影像不同的是，数字化影像数据可以方便地保存或进行远程传输，可使临床信息的测量、记录和评估实现网络化、数字化。

2.3三维仿真虚拟技术

三维仿真虚拟技术是指利用计算机技术生成的一个三维的，具有视、听、触等多种感知的虚拟环境，是用户通过其自然技能，借助各种传感设备与虚拟环境中的实体相互作用的一种技术。三维虚拟人机互动平台可用于手术教学，医生们可通过一些三维设备和传感设备来完成手术虚拟交互操作，实现对手术步骤的熟练掌握和对手术效果的预测，这对缩短手术时间、保障手术安全、实现术中引导及术后评价有非常重要的意义。

2.4生物力学数字化计算——有限元技术

有限单元法是指利用计算机把复杂、不规则的力学分析对像离散化成有限个几何单元体进行分解计算的一种生物力学数字化分析方法，是随着计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法。50年代首先应用于飞机结构静、动态特性分析，随后广泛应用于骨科基础研究，主要用来分析骨骼与内固定器材的应力分布。有限单元法对于骨骼等人体硬组织应力计算具有较好的精度，能满足科研论证和临床预测的需要。

2.5 CAD/CAM技术

CAD是指临床医生利用计算机进行手术方案与假体的设计。在设计中通常要用计算机对不同手术方案和假体进行大量的计算、分析和比较，以确定最优治疗方案。由计算机产生的设计结果，可以快速地通过图形显示出来，使医生对治疗效果作出判断，继而根据CAD结果生成CAM数控加工指令，利用计算机来进行个性化假体制造。CAD/CAM技术通过对患者骨骼的三维重建，为每一位患者进行特殊设计和制造，提高了假体与病变骨骼的匹配度。CAD可用于临床术前手术方案设计，模拟手术过程以及对手术效果进行评估预测。CAM可用于个体化手术模板、内固定器材和人工假体的制作。

2.6人体骨骼快速建模和快速成型技术

人体骨骼快速成型技术是以计算机通过CT等二维断层图形信息进行三维重建为基础，综合逆向工程和快速成型技术，并与人体骨骼解剖学相结合的一种新型人体三维成型技术。它将CAD、CAM、精密伺服驱动和新材料等先进技术集于一体，基于离散-堆积成型原理，在计算机控制下，生成实物的三维CAD模型。具体过程是：采用相应处理软件处理CT获得的二维图形信息，经过转换形成数控加工命令，将加工材料（纸、液态树脂及粉末材料等）层层固化或堆积，由点到线，由线到面，由面到体，最后制造出较为复杂的人体骨骼模件。人体骨骼快速成型标本可用于指导手术和模拟手术。医生可在术前熟悉患者解剖特点，预先确定植入物的种类型号，使手术更安全、精确、省时。

2.7计算机辅助手术导航技术

计算机辅助导航系统（Computer Assisted Navigation system，CANs）是指利用空间定位技术确定手术部位的组织结构坐标，并精确跟踪手术器械位置变化的计算机手术辅助系统。CANs可通过屏幕在术中实时显示手术器械的位置以及与患者解剖结构的关系，使医生随时了解，从而避开重要的解剖结构，确保手术的安全。它还可以模拟手术器械的前进和后退，测量植入物的角度、长度及直径。目前CANs已成功用于椎弓根螺钉导航、人工膝关节置换、髓内钉置入等骨科手术。

2.8机器人辅助手术技术

机器人辅助手术技术是指医生通过操纵计算机来使医用机械臂在影像/光学设备监测下进行微细手术。术者手眼间协调性和触觉的差异、手的不自主震颤会影响手术的精度，手术机器人系统可以很好地克服上述问题。目前医用手术导航机械臂已成功应用于关节腔镜闭合髓内钉置入、经皮骶髂关节螺钉置入、髋螺钉置入等骨科手术。可以肯定医用机械臂将是计算机辅助手术未来发展的主要技术之一。

3 数字骨科的应用范畴和意义

数字骨科可涵盖所有骨科涉及的范畴，常用于以下方面：四肢复杂骨折、四肢畸形矫形、手外科修复、关节镜手术、骨肿瘤、骨缺损修复、脊柱损伤、脊柱畸形矫正、假体工程、远程骨科手术等。目前国内已在足踝骨折、关节骨折、骨盆骨折、四肢矫形、骨肿瘤、寰枢椎不稳、脊柱侧弯、脊柱后凸等疾病治疗中开展了数字技术干预。数字骨科的意义在于不但可为生物制造及“量身定做”提供较为有效的解决方法，也可为手术方案的选择和术后生物力学稳定性评估提供了可能。

4 数字骨科的临床应用前景和展望

数字骨科是数字技术与骨科的全面结合，近年来获得了飞速的发展。我们相信：在未来功能更加强大的计算机及其软件的支持下，我们可以通过提取CT/MRI或者虚拟人数据中的特征参数直接产生人体骨骼模型；通过技术含量更高的快速成型机床以及质量更好、精度更高的模型打印直接将植入材料（人工骨、金属植入体等）三维成型；通过人机交互方式设计个体化内固定器材和假体，精确定量手术操作并进行术前实物模拟；在计算机导航和网络机器人的协助下实现远程网络手术；借助自动化有限元技术对植入物应力分布进行个体化预测；研制全智能化人工假肢以及神经元-机械接口人工假肢造福残疾人等等。总之，CAD-快速成型技术可望在骨科临床广泛应用，并不断成熟和完善。

（本文编辑 白朝晖）

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