智慧医疗在骨科的应用现状及展望

赵建宁

0 引 言

随着5G时代的到来，以大数据、物联网、云计算、3D打印和人工智能(artificial intelligence, AI)等为代表的新一轮技术革命进入了高潮，以感、知、行为核心，促进了各行各业产业重构和智慧化变革。尤其是在新冠肺炎疫情发生以来，互联网医疗服务和智能化信息平台在应对控制疫情、解决人民群众就医需求等方面发挥了积极作用。2020年5月，国家卫生健康委印发了《关于进一步完善预约诊疗制度加强智慧医院建设的通知》强调，在疫情常态化防控下要完善预约诊疗制度，加强智慧医院建设，推动互联网诊疗与互联网医院发展[1]。新一代网络信息技术在医疗卫生领域的深入应用和实践，不仅从技术和资源供给端改变行业架构，还从业务和运营模式上重塑医疗服务的供需形态。在政策、技术与市场因素的多重推动下，智慧医疗的理念和实践应运而生。

智慧医疗基于云计算、大数据、互联网、人工智能等先进信息技术，以自动化、信息化、智能化为表现，建立科学、精准、高效、合理的医疗服务体系[2]。智慧医疗是传统医疗卫生信息化的革命性升级，强调先进网络信息技术与传统医疗融合发展，全面提升国内医疗领域技术能力与服务水平，扩大医疗服务范围，实现优质、高效、经济的价值医疗[3]。

由于人口老龄化、运动损伤和创伤等因素，骨科患者数量多、就医需求量高、市场规模大，成为精准医疗和智慧医疗发挥实效的重要板块[4]。当前健康医疗服务体系的智慧化变革将推动骨科的学科发展与建设，将人工智能、云计算、3D打印、先进材料、移动终端系统等新一代技术融合到骨科的疾病诊疗、内植物的设计制造、智能手术机器人的研发应用、临床大数据平台的搭建和智能远程疾病防治与护理平台的建立等各个环节中，大大提升骨科诊疗效率和质量，改善医疗服务，优化患者体验，这将是实施健康中国战略、深化医药卫生体制改革的重要体现。

1 骨科诊疗服务的智慧化变革

我国医疗资源相对于庞大的人口基数显得相对匮乏，优质资源分布不均衡。近年来，随着我国人口老龄化趋势的不断发展和其他众多因素，骨科疾病患者数量的增加，就医需求与日俱增，而大众健康意识不断提高，便捷优质的诊疗服务需求显得更为迫切。传统骨科诊疗模式以专科医师和医院为中心，而在智慧医疗时代将以患者为中心，通过远程医疗、线上医疗等模式扩大服务范围，降低医疗成本，提供便捷服务。目前众多医院已开通微信公众号、支付宝、APP等线上平台，提供线上问诊、门诊预约、自助挂号、报告查询、复诊提示等功能，极大地提升了医疗服务的效能和效率[5]。随着5G的普及和人工智能技术的发展，可保证医疗影像高清高速上传，实现远程实时交互操作、智能机器人手术等场景，这将有助于解决基层医疗机构及边远地区医疗资源不足的难点，促进优质医疗资源下沉基层，为分级诊疗等国家新医改政策提供强有力新技术支持[6]。

在大数据时代，骨科医师的诊疗依据将不再局限于有限的临床经验和病例数据，通过云计算、人工智能、物联网等先进信息技术，收集各类骨科病患人群病历数据并建立全员人口信息、电子健康档案和电子病历三大健康数据库。医疗物联网完成数据获取，大数据处理技术进行知识发现，云端服务与轻便智能终端共同提供远程服务。基于AI算法构建数学模型，对疾病诊断、治疗方案等提供支持。随着国内医疗智慧化进程的推进，未来骨科疾病的影像与病理诊断将在人工智能分析系统辅助下，在极短的时间内完成影像或病理诊断报告，大幅提高诊疗效率和准确度。通过设计可佩带或可植入式的智能化传感器检测设备，采集患者生命体征、生理病理、生物力学数据，如步态诊断、力线分析等，建立长时程连续化的运动健康监管系统，构建疾病预测及预后预测体系[7]。

随着先进信息技术的深入应用与实践，医疗设施智能化升级，将全面提升骨科医师的医疗服务工作效率和质量。如AI语音病历录入的应用，将减轻繁重的病历书写工作，使医师更专注于诊疗工作；移动医生工作站可实现院内高效协同，医师可通过移动医疗车或者手持Pad进行查房，便于查阅患者个人档案，提高医师诊疗效率。此外，将智能技术赋能于骨科临床科研与示教工作，建设全面的临床、实验、科研、教学一体化AI系统，打造丰富的病例数据库和云端医学教学资源平台，应用5G+VR/AR技术高清三维呈现示教内容并实现模拟操作，提升医疗科研教学水平。

2 骨科内植物的智慧化设计

目前我国骨科内植物多依赖于进口，其参数测量大多是基于欧美人群骨骼解剖数据设计完成；然而不同种族、性别、年龄、身高人群的骨骼解剖结构存在较大差异，故因内植物与骨骼形态不匹配而导致的术中、术后并发症较为多见[8]。近年来，随着大数据、云计算、3D打印、人工智能、影像组学等技术的发展，基于我国群体骨骼解剖数据的内植物设计有望实现，丰富骨科内植物市场的分类和产品线，为患者提供最优化、个性化的植入物选择以达到最佳疗效。

由于骨科内植物拥有相对较大的物理尺寸，其空间为内植物与传感技术的共生提供了机会。可将信号调节电子设备和遥测技术整合到植入物本身或表面，使得骨科内植物智能化并实现治疗效益与诊断功能同在，实时提供内部环境信息并制定治疗方案，最大限度地减少术后并发症，缩短康复时间，节约医疗成本，减轻患者负担[9]。此外，内植物表面修饰可在植入物和骨界面提供机械和生物上的紧密结合，如通过改变材料的化学组分、均质性、孔隙率、形貌修饰，表面抗菌涂层、有机生物分子涂层、无机钙磷酸盐涂层等促进骨整合、增加耐磨性、改善生物相容性、增强抗菌活性等[10]。未来对于智能骨科内植物的研究可进一步加深我们对体内病理生理改变、组织伤口愈合、内植物-骨界面整合以及局部生物力学的研究与认识，为下一代植入物和外科技术的研发提供重要的理论依据。

3 骨组织工程的智慧化应用

骨科材料是生物材料中市场需求量最大的一类，也是目前材料化学和生物组织工程研究的热点和难点。骨折内固定治疗中往往采用刚度和强度较高的金属内植物对骨折部位进行固定，在骨骼愈合的过程中会产生应力遮挡效应。骨缺损修复的传统方法包括自体或异体骨移植，自体骨移植取骨量有限增加了患者创伤，而异体骨移植面临一系列免疫排斥反应和感染的风险[7]。先进材料化学技术、分子生物技术、人工智能等引导的骨科生物材料研发有望解决上述难题。

理想中的骨科生物材料应用有良好的生物相容性和力学性能，易于加工成型，可降解且产物可被吸收代谢，具有促成骨、抗菌抗炎的生物效应，并随着植入时间推移，材料的降解与骨组织愈合处于动态平衡的过程中，有效防止应力遮挡效应，避免二次手术取出以及术后感染的风险，减少患者痛苦和经济负担。传统生物材料如聚乳酸、β-磷酸三钙、羟基磷灰石等，虽然可降解吸收，但其力学性能差，多用于不承力位置的骨修复与替换。可降解复合材料能够平衡不同材料的物理力学特点，集中不同类型可降解材料的优势性能，解决单一材料无法满足实际需求的问题[11]。按照传统的材料研发流程，一个新型复合材料的研发需要从材料配比合成、实验验证，再形成产品，时间漫长且耗资巨大。未来在大数据、AI算法等技术的支撑下，建立以数据驱动的材料研发模式，并结合3D打印技术精确设计、调控合成材料的功能属性。

“智能化”是骨科内植物材料的重要追求目标，形状记忆合金是智能材料在骨科应用的典例，其中镍-钛合金基于其具有形状记忆效应、超弹性、耐磨损、抗腐蚀、生物相容性好等特点，已在骨科临床中得到广泛应用[12]。形状记忆高分子聚合物作为新兴智能材料，与传统形状记忆合金相比，具有成本低、质量轻、形变量大、易加工、响应方式多样、相应范围广、生物相容性好以及良好的化学稳定性等优点，有些还可具有一定透明度和可调节的生物降解速率，并且具有多种驱动方式，如热驱动、化学驱动、光驱动、电磁驱动等，在骨组织工程等领域显示出巨大的应用潜力[13]。除形状记忆材料外，水凝胶由于其生物相容性高、免疫原性低和理化性质可调节等特点，在生物医学领域得到了广泛的应用和发展，其三维网络结构有助于组织中氧气与物质的交换，并为细胞移植分化、生物修复、药物持续性传递和可控性释放等提供了良好的基质。目前对于水凝胶的智能化研究已有了突破性的进展，其可随环境变化和外部刺激，凝胶体积和理化性质能够产生快速变化，如根据病变部位的温度、pH值、光强、电场、磁场、氧化还原等条件产生快速响应[14]。随着生物材料、3D打印技术的发展和生物分子机制研究深入，智能水凝胶将作为支架材料在骨及软组织修复中发挥更大的作用。

4 骨科手术模式与设备的智慧化升级

骨科患者大多是需要手术治疗的，如骨折内固定、关节置换术、骨骼矫形术、肌腱修补术等都需要手术干预而达到治疗目的。骨科手术存在创伤大、出血多、并发症等常见问题，微创化、智能化、精准化是骨科手术追求的目标，力求减少手术创伤、节约医疗成本、改善患者体验、提高手术精准度和成功率。在骨科手术中，脊髓神经组织错综复杂，关节对位对线要求精确，计算机影像导航、骨科手术机器人的应用突破了骨科医师眼和手的局限性，降低手术风险，减少手术并发症，为患者提供精准、高效的诊断与治疗[15]。

随着智能化手术设备的应用和远程医疗信息平台的发展，患者将不用为复杂手术求医而四处奔走，远程手术、远程会诊等多种形式将有效解决看病难、看病贵等问题，可缩小地区间医疗水平差异，促进城乡医疗卫生服务一体化发展。而智能骨科手术设备是骨科远程医疗服务体系中的核心设备之一，可代替医师在辐射环境下完成手术操作和精密手术动作，为医师提供丰富的手术图像信息并监测手术环境和手术过程，实现远程医疗服务的需求[16]。

5 骨科术后的智慧化康复

为了最大程度恢复患者肢体功能，使患者早日重回正常生活和运动，骨科术后康复极为重要。鉴于患者康复专业知识的欠缺，骨科或康复医师可借助当前诸多信息化平台和设备进行健康科普宣教，指导患者康复训练，提供适时、适地、无边界的康复指导服务。

当前已有一系列先进智能技术与设备应用于骨科术后的康复治疗中，如智能抗阻力训练系统对患者进行精准肌力评估和训练，外骨骼机器人对关节角度、速度进行调控并给予助力，可佩戴动作捕捉系统对康复过程中的肢体力线、步态姿势等进行三维监测和动态捕捉，以制定个性化康复方案，使得术后康复效果达到最大化，迅速恢复肢体功能[7]。未来通过对“脑-机”接口、识别生物电信号的研究，有望实现智能假肢的研发应用，最大程度地模拟肢体正常负重、行走等肢体功能，提升控制系统的运动识别和转换能力，为肢体瘫痪及截肢患者带来希望。

6 结 语

目前我国的智慧医疗仍处于探索阶段，随着近年来5G等高新技术的涌现和应用，其发展势头迅猛。骨科手术机器人、个性化骨科3D打印等新兴技术设施的出现，骨科的智能化势不可挡，以信息通讯、生命科学、材料科学等交叉融合的集成化创新、跨领域创新将颠覆骨科诊疗理念与技术手段，推动骨科智慧化、智能化变革。智慧骨科将提高医疗服务质量、扩展服务半径、优化诊疗流程、促进学科建设，全方位为人民大众的运动系统健康保驾护航！