数字骨科技术在创伤骨科的应用及前景

赵猛 江勇 徐圣康

数字骨科是将计算机数字技术与骨科临床相结合的一门交叉学科，即通过计算机进行辅助的数字处理和图像处理骨科基础与临床中的实际问题。近10年来，数字骨科技术的飞速发展，使得创伤骨科的医学诊疗操作朝着个性化、智能化、微创化的方向发展。目前，数字骨科技术主要包括以下几个方面：(1)骨科有限元分析；(2)骨科三维重建技术；(3)骨科虚拟现实(virtual reality，VR)、增强现实(augmented reality，AR)和混合现实(mixed reality，MR)技术；(4)骨科增材制造技术(3D打印技术)；(5)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；(6)计算机辅助骨科导航手术(computer assist edorthopedic surgery，CAOS)；(7)骨科机器人技术；(8)骨科远程手术；(9)骨科人工智能技术[1]。

一、数字骨科技术在创伤骨科的术前诊疗中的的应用

车祸导致的高能量复杂骨损伤越来越多。多排螺旋CT可在短时间内进行大范围多角度扫描并快速清晰成像，清晰地观察骨折部位、骨折移位、骨折成角、骨折分类，获得精密的骨骼三维虚拟模型，增加诊断及分型的准确性。三维重建技术在急诊外伤中还能够快速识别隐匿性骨折及微小骨折，降低漏诊及误诊的几率[2]。成功建立三维骨折模型后，可利用计算机CAD相关软件模拟手术过程，有助于选择合适的手术入路和选择符合病情的手术器械等，提高手术精度，缩短手术时间，减轻手术创伤。

二、创伤骨科手术中数字骨科的应用

1.3D打印模型术前评估和3D打印定制植入物的应用：3D打印模型术前评估，目前在临床应用较广泛。可通过3D打印技术使骨折模型打印为1∶1大小的实体骨骼模型。术前通过对3D骨骼模型学习解剖、模拟复位练习、预弯钢板、螺钉预放置，甚至术前可以打印出更加符合正常生物力学以及骨骼匹配度更高的钢板及螺钉[3]。在具备条件的医院，创伤骨科中的复杂骨折特别是骨盆髋臼骨折、胫骨平台骨折和部分髋部骨折均选择性的开展了3D打印。近年来也有3D打印植入物用于复杂骨折和复杂困难关节翻修的报道。Baauw等[4]报道，在16例巨大髋臼缺损的髋关节翻修中，使用3D打印的定制微小梁钛植入物取得了良好的效果。骨肿瘤切除后，3D打印肿瘤植入物可定制匹配肿瘤切除后骨缺损的各种形状，可能是最理想的重建。3D打印价格、定制时间、制作材料选择等因素限制了其在创伤骨科手术中的使用[5]。随着材料学的进步，生物活性材料可能应用于3D打印，提供了骨结构和生物活性[6]，这为临床上修补骨缺损提供了更好地选择。

2.CAOS：CAOS手术操作步骤大致如下：在手术区域骨骼安装动态参考坐标(FGH)，以利于术中跟踪目标。获取图像，并传输至图像处理工作站。校准图像，正确配准，便于光学系统跟踪。按照规划好的术中位置，在获取的术区图像上跟踪定位手术工具[7]。CAOS手术可减少术中累计出血量、减少术中放射时间、缩小手术伤口及降低手术并发症，达成微创手术[8]。随着计算机辅助导航技术的发展，CAOS技术已经应用到骨科的各个领域，但在创伤骨科中的应用范围有限，这是因为创伤骨科骨科形态复杂，精准配准难度系数大[9]。目前，CAOS系统并不完善，但随着科学技术的发展，CAOS系统会在创伤骨科进一步普及，CAOS系统将更好地服务于创伤骨科临床。

3.骨科机器人技术：近年来，机器人技术快速发展，与骨科相互融合，逐渐形成了骨科机器人。目前，应用于创伤骨科的机器人按其在手术中的功能分为定位机器人和复位机器人。定位机器人可显示骨通道同瞄准器位置的三维动画，主要应用于股骨近端骨折、骨盆骨折及髋臼骨折等骨折手术。骨科手术机器人导航下可提高髓内钉内固定治疗股骨转子间骨折手术的精准度，术后髋关节功能恢复好，是进行转子间骨折复位髓内钉内固定手术较为理想的方法[10]。在骨科手术机器人导航下进行骨折内固定手术可获取准确的手术路径和手术精准度，减小手术伤害[11]。但术中骨折端的移动，会使术前和术中影像的匹配度降低，旋转角的存在导致固定不牢靠，光学相机和示踪器之间也容易被遮挡。因此，提升定位和固定能力非常重要。

4.骨科远程手术：创伤骨科中骨折逐渐复杂化，使得创伤骨科疾病的诊疗也变得更加复杂。交通不便或是医疗环境相对落后的地区，骨科创伤未得到及时有效的治疗。骨科远程手术可解决上述问题。骨科远程手术是通过有线或者无线网络技术将手术中的图像及视频进行远距离传输，指导医生通过远程指导完成手术操作。骨科专家可通过5G网络技术远程操控骨科机器人进行骨科创伤手术，减小术中辐射量，降低住院费用，增加手术精准度及安全性[12]。互联网、物联网、5G网络通讯技术的发展促进了医学领域的进步，使得骨科远程手术朝着智能化、远程化、精准化、安全化的方向发展。

5.骨科人工智能技术：人工智能是以控制论、信息论和系统论作为理论基础，运用数理逻辑和神经脑科学认知原理，通过计算机科学的逻辑推演编程来模拟人类部分大脑的智力活动[13]。创伤骨科疾病的大多数要根据医学影像来明确诊断，但是医学影像知识需要长时间的学习和积累，解读医学影像时，即使具有丰富经验的骨科临床医生也有出错的可能。人工智能系统对医学影像的识别效率高，而且人工智能系统可以发现人眼不可见的微小图像，增加了诊断精确性，使创伤骨科疾病的漏诊率及误诊率下降。人工智能系统能够不断学习和自我完善，能够模拟医生的临床诊断思维，然后拟定相关的治疗方案。人工智能在骨科机器人上的应用，使得自动化骨科机器人成为了可能。

三、数字骨科技术在创伤骨科临床教学中的应用

复杂的创伤骨折一直是创伤骨科教学的难点，对于一些复杂的骨折，如果只依据传统的X线、CT平扫、MRI等检查的平面图像，年轻医生及学生就很难对创伤骨折有直观、形象、深刻的认识[14]。数字骨科技术极大地丰富了创伤骨科的教学内容，重建的三维图像可清晰地再现骨骼的解剖结构特征及空间毗邻结构，而且利用计算机软件进行重组、拆分，使得对复杂骨科的成因、分型及解剖的理解更加透彻，还能节约尸体标本及实验资源[15]。3D打印技术打印出的三维立体模型可提供直观、立体的骨骼解剖特征和创伤骨折的病理特点，提高对骨折的认识[16]。VR技术可以有效地解决临床教学资源不足的问题，可利用VR移动设备虚拟各种外伤受伤过程，可重复多次的提供实践操作机会。数字骨科在创伤骨科中的教学中也有不足之处：课件制作复杂，且制作成本较高，缺少熟练掌握数字骨科技术的师资。

四、数字骨科在创伤骨科生物力学研究中的应用

创伤骨科传统的生物力学分析主要依赖于动物模型和尸体实验。人体骨骼所处的环境非常复杂，传统方法所得到的实验结果与正常人体生理正常参数有一定的差异。有限元法是利用数字化、数学法建模，根据已知的节点数目、各节点坐标系以及材料特性等条件，对每一单元做出一个近似解，最后推导解决这个域总的总解，进行定量分析，从而使实际复杂的问题定量化。有限元技术对研究生物力学有着非常重要的作用，其可靠性也被广泛认可[17]。目前，有学者成功建立了包括肌肉、韧带等软组织的骨骼生物力学模型，奠定了观察骨折状态、内固定置入状态等生物力学变化的基础[18]。有限元技术可以模拟各种创伤性骨损伤，通过建立骨损伤的有限元模型，可以模拟分析骨损伤的发生机制[19]。在研发骨折内固定器械的过程中，通过有限元技术对内固定器械进行生物力学分析，有利于器械的改良，有助于提升器械的临床应用效果。创伤骨科医生利用骨损伤部位的有限元模型研究模型外表面和内部区域应力-应变状态的变化，有利于医生分析出最适合的手术方式以及最优的固定方式。目前，有限元技术并不十分完善，需要将有限元技术同传统的生物力学研究方法相结合，两者相辅相成，从而得出精确可信的结果。

五、MR技术的应用

MR技术是一种高科技技术，有人预言它将成为21世纪的十大热门技术之一。目前，已经在生物医学领域得到成功应用，在医学教学、疾病诊断、手术模拟、康复医疗、远程医疗等方面逐渐显现出其重要性[20]。武汉协和医院的叶哲伟教授利用MR远程指导手术并做了许多开创性工作。我院也利用VR技术对复杂股骨髁上髁间骨折进行了手术。

创伤骨科病人病情比较复杂而且严重，急症病人需要在尽可能短的时间内进行手术治疗，但数字骨科技术相对较复杂，限制了其在临床的广泛应用。

六、数字骨科技术在骨科的应用前景及不足

近10多年来，随着数字骨科技术的发展，数字骨科技术已逐渐成为创伤骨科的基础研究，是临床诊疗的重要技术之一。随着数字骨科在创伤骨科的应用，使创伤骨科的诊疗方式朝着个性化、微创化、精准化、远程化及智能化的方向发展。目前，数字骨科技术还处于发展的初级阶段，其在创伤骨科的实际应用还存在以下问题：(1)医生对数字骨科技术相对匮乏，医生对数字骨科技术的学习曲线较长。(2)数字骨科技术自身的缺陷，3D打印技术制作模型成本高、速度慢、材料种类有限、精度有限、模型单一等；计算机辅助骨科导航手术系统操作复杂、且CAOS技术的图像后处理技术不够成熟，CAOS系统提供的图像并不能完全代表术中实时图像等；人工智能技术并不能表现出人类的高级思维活动等。(3)我国目前还没有制定与数字医学临床技术有关的法律、法规和标准。(4)数字骨科技术的手术适应证、术前规划、手术路径、手术操作流程、术后评估等没有一个全国性的行业标准等[1]。随着数字骨科的基础理论、技术创新性发展，数字骨科临床操作规范的制定，相关技术的研发以及多学科的合作，数字骨科必将更加规范、完善。