基于iOS平台的膝关节置换手术方案调整软件设计*

孙绍红 刘 非 张维杰 马建兵 姚舒馨 肖 琳 程咏华 徐显辉 李涤尘 王 琦 张明娇

随着移动互联网技术的发展和智能设备的普及，移动医疗作为一种新型的医疗模式，被广泛的应用到临床中。国际卫生组织对移动医疗(mobile-health，mHealth)定义为通过移动电话、掌上电脑(personal digital assistant，PDA)或卫星通信等移动通讯技术提供医疗信息服务[1]。目前移动医疗几乎涉及到医疗健康的各个方面，其中主要应用在信息与通信、监测、监控和诊断等领域[2-3]。应用在骨科手术方面的移动医疗应用程序(application program，APP)按功能主要分为临床管理、医学教育、医疗器械公司产品介绍、骨科会议介绍、服务患者等数类产品[4]。国外移动医疗发展较为成熟，已具备相对完善的理论研究和丰富的市场实战经验[5-8]。

国内移动医疗APP发展相对国外起步较晚，但是发展潜力巨大[9]。近年来，各大公司将目光投向移动医疗市场，苹果公司在2014年推出具有健康监测功能的AppleWatch，2015年推出强大的医学研究工具ResearchKit，用于帮助人们诊断各种疾病，这预示着苹果公司对移动医疗的投入从开发可穿戴设备转向手机应用APP[10]；谷歌在2014年发布Google fit健康追踪应用开发平台，并宣布研发隐形眼镜用于监测佩戴者血糖指标[11]。国内互联网公司也借助自身行业优势，开始涉足移动医疗领域；百度在2013年推出dullife智能设备平台，在2014年推出“北京健康云”平台；腾讯于2014年在微信上提供了“全流程就诊平台”服务，并在2015年斥资入股丁香园；阿里巴巴于2015年在支付宝中推出了“未来医院”计划[12]。

近年来，三维(three dimensional，3D)打印技术发展迅速，借助3D打印优势医疗领域可实现个性化和精准化治疗，尤其在骨科个性化治疗方面，3D打印技术已得到尝试性应用。一系列临床研究[13-17]表明，3D打印个性化导板(patient specific instruments，PSI)辅助完成全膝关节置换手术，可提高手术的准确性，简化术中操作步骤，降低术中出血量，缩短手术时间。但是，目前关节置换手术方案设计及个性化导板设计需要使用的软件较多，且软件操作流程复杂，学习周期长，需要具备计算机辅助设计、医学影像技术、生物工程等相关知识的综合专业人才完成[18-21]。鉴于此，目前手术方案及导板设计一般由专业工程师和医生合作完成。为实现医生头脑中的方案，医生和工程师需要反复沟通。但是由于软件、距离等因素限制，使得医生和工程师交流不够顺畅，影响方案效果，且双方反复沟通确认，降低工作效率，限制彼此工作灵活性。

借助互联网技术和移动设备，解决目前3D打印个性化导板辅助膝关节置换技术中的不足，利用“互联网”+“软件”+“医疗”改变以往工作方式。基于此，本研究在现有PC端Arigin 3D-Surgical Templating System[13]软件基础上，开发一款与之配套的可用在iPad上的膝关节置换手术方案调整软件，使膝关节置换手术方案调整操作简单化，减少医生对工程师的技术依赖，提高其工作效率。同时，借助移动终端优势，医生可随时随地查阅管理病例信息，提高其工作方式的灵活性，利用软件中确定的手术方案，医生可更直观、更真实的向患者讲解病情，减少医患矛盾发生。

1 移动端膝关节置换手术方案调整软件设计

1.1 调整软件总体架构

调整软件由移动终端iPad和网络服务器组成，软件和服务器的数据通信采用客户机与服务器(client/server，C/S)模式，软件设计采用模型视图控制器(model view controller，MVC)设计模式[22]。该模式应用广泛，分别为模型(Model)、视图(View)和控制器(Controller)3部分，模型在程序里用来存储数据；视图可以理解为软件界面，用来显示模型并提高各种交互操作；控制器是模型和视图的连接器，用来处理各种逻辑操作。

按MVC设计模式将调整软件分为表现层、业务逻辑层及数据层。表现层为用户提供程序访问的交互界面，是用户与系统交互信息的通道；业务逻辑层主要用于数据交换和连接，包含系统所有业务逻辑处理，会根据表现层接收的指令对数据层进行处理，并将结果返回到表现层；数据层主要用于处理数据库数据，如对数据的增加、删除、修改、更新等。据此，将软件各操作界面放在表现层，将各功能模块业务逻辑放在业务逻辑层，将医生、病例信息等数据放在数据层。调整软件体系如图1所示。

图1 调整软件体系结构图

1.2 数据库设计

数据库支撑软件的所有数据内容，在系统中占有重要地位。本系统采用MySql[23]数据库用于存储医生、患者及假体试模等信息。为清晰介绍数据库相关设计内容，本研究采用实体-关系图(entityrelationship，E-R)介绍设计思路。软件主体E-R如图2所示。

图2 数据库支撑软件E-R示图

1.2.1 医生用户信息

医生用户信息主要存储医生的姓名、编号、性别、年龄、所属医院、部门、职位等属性，软件会根据医生用户登录信息查询数据库对应医生信息，实现软件登录，见表1。

表1 医生用户信息表设计

1.2.2 患者信息

患者信息主要存储患者姓名、年龄、手术类型、主治医生、手术时间、手术方案等信息，方便医生用户查阅和管理患者信息，见表2。

表2 患者信息表设计

1.2.3 假体试模设备信息

假体试模信息主要存储各类膝关节假体试模、截骨器等信息。主要包括设备厂商、所属品牌、置换部位、型号、文件名等信息，见表3。

表3 设备信息表设计

1.3 服务器通讯

iOS客户端与服务器通信采用超文本传输协议(hyper text transfer protocol，HTTP)通信方式。移动客户端向服务器提出HTTP请求时，可以选择从指定资源请求数据(GET)和向指定的资源提交要被处理的数据(POST)两种方式。使用GET方式向服务器提交统一资源定位符(uniform resource locator，URL)后可获取相应的数据信息，使用POST方式，向服务器传输URL信息后可向服务器存储数据。使用HTTP协议实现客户端访问服务器查询病例信息数据流程如图3所示，实现客户端从服务器下载及上传手术方案文件流程如图4所示。

1.4 3D模型视图显示及更新

移动终端设备可使用3D图像渲染引擎(open scene graph，OSG)[24]绘制3D图像。使用Cmake3.0(Cmake，一个跨平台编译工具)编译获得可使用OSG库的XCode项目工程，实现3D网格模型的显示及更新操作。

图3 病例信息查询流程图

图4 手术方案文件下载及上传流程图

2 移动端膝关节置换手术方案调整软件主要功能

2.1 病例信息查询

医生用户登录软件后，通过服务器查询数据库中对应的患者病例信息，并将其显示在软件病例管理界面，方便医生管理病例数据，如图5所示。

图5 用户存储病例信息界面图

用户单击单条病例信息框，可获取该患者详细病例信息，同时通过服务器可下载患者对应的初始手术方案，并将其保存至客户端指定的本地沙盒文件夹中，如图6所示。

图6 患者详细信息界面图

2.2 不同状态模型显示

软件读取病例初始手术方案后，可以不同形式显示人体下肢3D骨骼模型，方便医生查看并对比膝关节置换手术方案设计中截骨前、截骨后、截骨量等信息，同时方便医生判断假体植入位置及假体型号选择合理性，如图7所示。

图7 模型显示状态示图

2.3 股骨及胫骨截骨位置调整

通过单击股骨调整面板外翻角、外旋角、远近端、内外侧以及前后髁位置按钮可调整股骨的截骨位置，同时股骨远端内外侧、股骨后髁内外侧截骨量信息可实时显示截骨参数文本框内，如图8所示。

图8 股骨截骨位置调整界面图

通过单击胫骨参数调整面板后倾角、外旋角、远近端、内外侧以及前后髁位置按钮可调整胫骨的截骨位置，胫骨近端内外侧截骨量信息可实时显示在截骨参数文本框内，如图9所示。

图9 胫骨截骨位置调整界面图

通过设置角度增量和截骨位移增量可设置调整量大小，其中软件角度调整精度可控制在0.01°，截骨精度可控制在0.01 mm。通过单击调整按钮，即可实现对截骨位置的调整，截骨量信息无需单独测量即可自动计算并显示在界面中，此软件简化方案调整操作步骤，降低医生对工程师技术依赖。

2.4 虚拟截骨及假体植入

利用Sqlite[25]数据库，软件内置不同厂商假体试模设备数据库，方便用户选择使用，提高方案调整便捷性。用户可根据患者骨骼大小及截骨位置等信息从设备数据库选择合适型号的假体试模。软件导入假体设备时，根据初始手术方案中确定的生理解剖参考信息和假体试模中几何参考信息之间相对位置关系，假体试模自动匹配到相应的骨骼模型中。通过股骨、胫骨参数调整面板，调整截骨及假体植入位置，如图10所示。

图10 虚拟截骨及假体植入界面图

2.5 手术方案确认、文件上传及生成病例报告

待用户调整并确认好手术方案后，可模拟术后下肢力线恢复状态，方便医生模拟术后效果，如图11所示。

图11 模拟术后下肢力线界面图

确认后的手术方案可上传至服务器，方便工程师下载完成后续个性化导板设计，查看病例报告可获取患者基本信息及对应手术方案所选设备及截骨参数信息，如图12所示。

图12 病例报告界面图

3 移动端膝关节置换手术方案调整软件优势

3.1 减少医生与工程师合作的依赖性

由于传统计算机辅助设计软件操作复杂、学习周期长等原因，采用医生与工程师合作方式设计3D打印个性化导板设计辅助膝关节置换手术，减少医生与工程师合作的依赖性，以提高工作方式灵活性，如图13所示。

图13 PC软件设计导板流程图

(1)工程师获取患者CT与MRI医学图像，利用医学图像重构软件重构人体下肢3D模型。

(2)工程师利用计算机辅助设计软件制定术前规划。

(3)工程师和医生反复沟通，并根据医生建议修改方案，直至达到主治医生理想设计需求，最终确认完成手术方案。

(4)工程师根据最终手术方案，设计个性化导板。

(5)采用3D打印技术制造个性化导板并最终应用于临床，辅助医生完成关节置换手术。

这种医工合作方式，需要医生和工程师一起反复讨论修改方案。此方式受时间、空间限制，需要双方协调工作时间，极大影响彼此工作的灵活性。

PC软件+移动终端APP设计软件是在现有PC端Arigin 3D-Suigical Templating System[13]软件基础上开发的一款与之配套的移动端手术方案调整软件，整个系统框架如图14所示。

图14 PC软件+移动终端APP设计导板流程图

工程师利用PC端Arigin 3D-Surgical Templating System软件制定初始手术方案后将其上传至数据库服务器，医生利用iPad登录移动端手术方案调整软件后即可查询获取初始手术方案，并可通过该软件根据患者病理情况调整最佳截骨位置、选择合适假体型号和确定最优假体置入位置，独立完成手术方案调整工作。该系统让医生和工程师分工更加明确，将需要更多工程设计技能部分工作交由专业工程师完成，将需要更多医学知识和临床经验部分工作交由医生完成，让双方发挥各自专业所长，提高工作效率。利用该系统医生无需与工程师反复沟通确认方案，极大减少了医生和工程师彼此的依赖性。利用终端设备，医生不再受时间、地点、软件等因素限制，可随时随地独立完成方案确认，极大提高医生工作方式灵活性。

3.2 手术方案调整操作简单化

利用计算机辅助手术规划软件设计手术方案，操作流程复杂，学习周期长[18-21]。以市场上利用较高的Mobile-health(比利时Materialise公司)为例，制定膝关节置换手术方案，该过程需要专业工程师完成且操作流程复杂，尤其在根据医生建议需要反复修改方案时，此类通用软件弊端更为突出[26]。在调整截骨及假体植入位置时，通用软件只能通过各种平移、旋转等操作，手动调整截骨及假体植入位置。且通用软件无病例数据库，无法查阅管理以往病例信息，同时也无假体设备数据库，不方便用户选择合适的假体型号。而本软件借助服务器可从数据库查询管理病例数据，同时软件内置假体设备数据库方便用户选择合适假体设备，提高方案调整的便捷性。在选择假体后，可通过识别手术方案设计参考信息及假体试模几何参考信息相对位置关系，快速将假体试模定位到截骨位置，通过单击股骨及胫骨参数面板上的调整按钮调整截骨位置及假体植入位置，使手术方案调整操作简单化。

3.3 方便医患沟通

医生利用iPad可随时查阅管理病例信息及手术方案，利用人体下肢3D模型可以更直观的向患者及家属讲解病情及治疗方案，方便医患沟通，减少医患矛盾的发生。同时病例数据库存储以往病例可让手术方案更具可追溯性，为后续医疗纠纷提供依据。

4 结论

以移动终端设备、互联网及3D打印技术为依托的移动端膝关节置换手术方案调整软件，实现了“互联网”+“软件”+“医疗”的新医疗模式。该软件通过访问服务器可查询病例数据信息，实现用户对患者的病例管理。在3D打印个性化导板辅助膝关节置换手术方案设计方面，该软件通过内置设备数据库、单击调整按钮即可调整截骨及假体植入位置，使手术方案调整操作更加简单，降低医生对工程师技术依赖，方便医生随时随地调整优化手术方案，使医生工作方式更加灵活。且利用移动终端设备，医生可向患者讲解病情，减少医患矛盾发生。

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