数字医学在骨科手术中的应用与发展

曹志有，吴维玮，莫峰波，全坤（综述），戴 闽（审校）

·综述·

数字医学在骨科手术中的应用与发展

曹志有，吴维玮，莫峰波，全坤（综述），戴 闽（审校）

南昌大学第一附属医院骨科，江西 南昌 330006

当今社会，伴随着互联网的普及，信息技术得以快速发展，并在各个领域得到应用，其中数字医学就是信息技术在医学领域被很好利用和发展的充分体现。数字骨科则是数字化医疗技术结合骨科临床发展起来的一门学科，通过这门学科，使得骨科传感器、计算机辅助骨科导航技术和机器人手术系统等数字化技术在骨科领域得以充分利用，并极大提高了骨科的手术技术。文章就数字医学在骨科手术中的应用和发展情况作一综述。

骨科；传感器；计算机导航；机器人

当今互联网时代，随着信息技术在各个领域的不断发展，数字医学应运而生。数字医学是近年来出现的一门借助信息技术，结合现代医学的研究与实践而形成的集数字医学诊断技术、治疗技术和检测技术于一体的新兴前沿科学。数字骨科是骨科临床与计算机数字技术紧密结合的一门新型数字化医学学科，是以计算机图像处理技术为辅助，骨科为基础，涉及到生物力学、人体解剖学、材料学、机械工程学、立体几何学、电子学、信息学等领域内容的交叉学科［1-4］。近年来数字医学的迅速发展涌现出了许多新兴的数字技术，如骨科传感器、计算机辅助骨科导航技术和机器人手术系统等，这些技术为解决临床问题、提高临床诊断精度等问题搭建了平台，造福了许多骨科患者。本文将逐一介绍这些数字技术在骨科手术中的应用情况。

1 骨科传感器

在过去的几十年里，骨科植入物和科技的进步是巨大的。值得注意的是植入物和假肢的材料，以及导航和机器人技术的提升。过去数十年的技术进步也帮助创造了微电子技术。许多传感器都适用，并且可以应用于骨科临床。本文总结了目前使用的一些传感器以及其未来可能的应用场景。

在骨科中使用的最直观的传感器之一是应变计。多年来，该传感器已用于许多骨科领域，包括关节置换术、创伤手术和脊柱手术中。测量植入物的表面应力可以帮助预测植入物是否会失效，骨折愈合情况，以及更好地了解不同植入物的生物力学载荷情况。早在1975年，Lanyon等［5］就使用了应变计传感器来测量骨应变，但由于其侵入性，使用受到许多限制。为了更好地了解骨骼愈合能力，其他学者［6-7］将应变计应用于外固定器和钢板［8］。将传感器放置在股骨头内，压力传感器可以被用来测量半髋关节置换术中的软骨压力，实验结果较体外研究有着更大的峰值压力［9-10］。其他研究小组也在膝关节植入了经皮传感器，通过关节镜来监测内侧腔室压力［11］。然而迄今为止还没有在人类身上开发出可植入的直接软骨传感器。有研究通过使用嵌入传感器来分析全髋关节置换术后患者的髋关节的受力情况［12-13］。为了更好地了解肩部［14］和膝盖［15］的生物力学特性，植入物中使用嵌入式传感器的研究也被记录在案。

早在20世纪70年代，应变计也被用于通过经皮有线传感器测量脊柱的受力情况［16］。技术和无线通信的进一步发展使得椎板植入物［17］，甚至椎体置换术［18］得以实现。Nachemson等［19］也使用其他传感器（如压力传感器）来测量椎间盘上的应力。然而，长期完全可植入的传感器尚未在人类中获得成功［20］。

生物传感器并不局限于了解人体的生物力学，还被用于确定植入物的应力疲劳和预测植入失败的风险。Burny等［21］在一项研究中通过使用传感器来确定髋关节植入物所承载的应力情况，并预测力学负荷和骨愈合情况。Chen等［22］提出了一种类似的电路和无线通信设计来确定植入物的形变、应力、不对称性和疲劳情况，目的是预测不同植入物的失败率。Chen等［13］的另一项研究还展示了全髋关节置换术中嵌入的传感器如何帮助确定体内植入物的合适位置。

未来，传感器和电子技术的进步将使骨科具有许多优势。更小、更有效、更持久的植入物可以与手持设备和电脑进行无线通信，这是骨科的未来。这些传感器允许更好的临床测量，反过来迅速的临床诊断也会导致更好的护理和预后。一个很好的例子就是应用于监测骨筋膜室综合征，临床上可以在有风险的患者中使用植入式传感器进行早期监测。这些传感器也可能在愈合和康复中起作用。例如，传感器可以让患者和他们的治疗师更好地理解步态和运动，更好地针对性治疗，更早地恢复正常功能。

2 计算机辅助骨科导航技术

以计算机为基础的技术，不论是硬件还是软件技术，在当今手术过程中都发挥着越来越大和更重要的作用。骨科手术，与神经外科一起，是第一个开发了影像导航和机器人系统的临床专业。计算机辅助骨科导航手术（CAOS）现在大约有25年的历史。与其他外科技术相比，CAOS系统的临床影响和接受度一直较低。虽然有几个中心报告说几乎所有的关节和脊柱手术都使用了CAOS技术，但CAOS技术并没有广泛使用，即使在发达国家也是如此。保守估计，在美国、欧洲和亚洲，CAOS手术占整形外科手术的比例不到5%。CAOS技术目前主要用于膝关节和髋关节置换术手术。接下来是前交叉韧带（ACL）重建，脊柱手术（椎弓根螺钉置入术），UKA，截骨（高位胫骨和髋关节），创伤手术（长骨和骨盆骨折）。新出现的手术包括骨肿瘤切除术，反肩关节置换术，肘关节，手和踝关节手术。

人们认识到，与传统手术相比，CAOS技术的主要优势包括植入物定位精准度和定位结果的均匀化（与传统技术相比，变异更小）。对于疑难病例和术后翻修的病例，好处更大。通常来说，更高的精准度往往会有更低的失败率，因此可以获得更好的预后。

计算机辅助膝关节置换术是当今CAOS技术最成功和最广泛的应用，世界各地的注册机构记录了近50万例手术。CAOS辅助技术主要包括支持精确定位截骨平面，匹配植入物界面，通过算机导航和个性化导板完成。软组织情况的平衡和设计对优化膝关节稳定性和预后同样很重要。虽然计算机辅助膝关节置换术已经成为德国一些中心的标准化治疗方案，但它在北美很少报道。例如，在德国超过30%的外科医师使用计算机辅助膝关节置换术技术，而在法国只有6%，在英国只有不到3%［23］。

总体而言，CAOS技术并没有成为任何骨科手术的标准术式。这与计算机辅助神经外科导航手术形成对比，在神经外科手术中，导航是很多手术必不可少的，或者是带有机器人系统的各种腹腔镜手术。与神经外科不同，大多数骨科手术不会危及生命，对不准确有更大的容忍度，并且需要更长的评估时间来确定其中长期效益。在外科医师接受度方面，计算机辅助骨科导航手术面临着类似于腹腔镜手术引入时所面临的挑战。Picard等［23］指出限制计算机导航辅助膝关节置换术在骨科医师中传播的主要因素最有可能是人体工程学和经济学。他们的结论是，反对CAOS技术的主要原因是基于不准确和/或误导性的观察，以及缺乏数据来支持使用导航的成本效益。

根据BCC Research的报道，医学机器人和计算机辅助手术技术的全球市场预计增长到46亿美元，5年复合年增长率为7%。全球人口稳步老龄化和对心脏和骨科手术等微创外科手术的需求不断增加等因素，正在刺激全球这一市场的重大机遇。特别是，CAOS应用的市场份额增加两倍以上。对于CAOS技术的发展和相关的医学图像分析研究来说，现在是前所未有的好时机。

3 机器人手术系统

机器人手术开始改变骨科手术的方式。机器人最初因能够提高精确度、准确性和患者的总体预后和满意率而被引入骨科手术室。机器人辅助手术可以通过个体化手术方案提高手术医师的能力，从而实现这些目标。机器人辅助手术在全膝关节置换术、部分膝关节置换术［24-25］，和全髋关节置换术中，可以优化软组织平衡、重复对齐和恢复正常的关节解剖结构［26-27］。不管手术医师对于肢体对齐是什么目标，很明显，机器人辅助手术将使外科医师能够在更一致的基础上进行精确和准确的手术，并制定更多针对患者的个性化治疗方案。就像那些决定不去适应和学习新仪器和导航策略的伟大飞行员变得过时一样，骨科医师需要认真考虑机器人在医疗保健领域的作用，以及他们认为自己将从何时加入机器人手术大军。

但是，机器人手术目前仍存在不少问题。除了机器人手术相关的高成本外，为了优化机器人的安全性和有用性，外科医师不得不接受大量的教育。投资回报永远得不到保证，因为简单地购买一个机器人并不能改善结果。在使用机器人系统的情况下，手术时间可能更长，特别是在学习期间，并且机器人系统可能会与手术医师选取的植入物系统存在不兼容的情况。尽管精确度有所提高，但是目前的机器人系统只能按照特定的计划执行。这些系统仍然缺乏做出创造性决定的能力，或者在出现变量时单方面决定如何在手术期间改变计划。尽管机器人手术系统能够非常准确地植入内固定物，但是这些系统还不能很好地处理软组织问题，因为目前的机器人系统并不能区分组织类型。最后，机器人是根据提供给它的数据进行手术，虽然基于图像的系统可以更容易地识别错误来提供额外的安全性，但有图像系统和无图像系统都只能做到与提供给它们的数据一样。因此，不正确的数据虽然可以完美执行手术计划，但手术位置可能存在偏差，这将导致潜在的灾难性结果。

目前机器人手术主要集中在提高全髋关节置换术后影像学结果的精确性。早期数据表明全髋关节置换术后的翻修率降低，功能结果也得到改善。未来的创新可能会继续改进机器人辅助全髋关节置换术期间的规划和工作流程。这些创新将会简化手术过程，并缩短手术医师的学习时间。很难预测以后的技术创新将如何改变机器人辅助关节置换术。机器人手术的关键包括术前分析、术中传感器和机器人控制系统。当前机器人手术系统的术前规划通常涉及某种类型的影像学资料，例如CT或X线片，以定义手术边界和手术计划。术前计划将用于重建所需的解剖结构和运动学框架。虽然以前的植入物设计受到传统可视化要求和传统器械的限制，但未来的植入物发展一定会非常不同。一些公司已经在研究没有机器人技术就不可能植入的植入物。

4 结语

现代医学的发展已经朝着精确化、个性化、微创化、智能化与数字化的方向发展［28］，骨科学也将朝着数字骨科学方向发展。对于骨科传感器，骨科医师可以通过对植入物设计和对人体生物力学的理解进行其他改进，这在骨科研究和发展中是必不可少的。而计算机辅助骨科导航手术的临床影响和接受度现在虽然不高，但为了患者的利益，它仍然在骨科医师可用的工具库中占有一席之地。到目前为止，机器人手术技术已经经历了许多优化，并在未来将成为外科医师在进行关节置换术时首先考虑到的有价值的辅助工具。随着科学技术的进步，这些数字医学技术产品将越来越受到骨科临床医师的欢迎，并成为实践的标准。虽然现在数字骨科的基础研究和临床应用仍处在初级阶段，并面临着层层挑战，但通过学科的整合，不断探索、不断创新、不断解决研究与应用中遇到的难题，数字骨科学最终一定会成功运用于临床，解决患者的疾苦及许多现在无法解决的临床问题，为医学事业发展带来全新的生命力。

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Application and development of digital medicine in orthopedic surgery

，，，，

，，330006，，

In today’s society， with the popularity of the Internet， information technology has developed rapidly and has been applied to various fields. Among them， digital medicine is the full embodiment of how well information technology is being applied and developed in medical field. Digital orthopedics is a discipline developed by combining digital medical technology with clinical orthopedics， which enables digital technologies such as orthopedic sensors， computer-aided orthopedic navigation technology， as well as robotic surgery system to be fully utilized in the field of orthopedics， and has greatly improved the orthopedic surgery techniques. This paper summarized the application and development of digital medicine in orthopedic surgery.

Orthopedics； Sensor； Computer navigation； Robot

R687.1

A

2095-378X（2022）01-0056-04

10.3969/j.issn.2095-378X.2022.01.014

曹志有（1993—），男，硕士研究生，住院医师，从事临床骨科工作

戴 闽，电子信箱：daiminyisheng@163.com

（2021-07-14）