数字化技术在骨科手术中的应用进展

龙旭东，方家栋，杨黎综述 胡正霞，兰海审校

1.遵义医科大学，贵州 遵义 563000；

2.成都大学附属医院，四川 成都 610081

数字化技术是通过计算机、通信等设备来表达、传输和处理信息的技术。在电子技术与信息技术飞速发展的当今时代，骨科临床研究发展迅猛，数字技术与传统手术技术结合成为现代骨科手术的主流趋势，形成了系统性的骨科临床数字技术。数字化骨科作为一种全新的骨科临床应用技术在国内外取得显著的研究进展，其主要集中在可视化、模型化、智能化等方面。近年来随着骨科治疗理念的不断更新，数字化骨科技术不仅为骨科手术风险管理提供了新路径，还极大地提高了医生的操作效率，为手术方案选择提供了有力支持，在最大程度上减少了手术对患者造成的创伤，提高了患者的机体修复质量。本文就虚拟技术、3D打印技术、有限元分析技术、骨科手术机器人技术在骨科手术领域应用方面进行综述。

1 虚拟现实和可视化技术在骨科的应用

近几年虚拟技术飞速发展，虚拟技术也被称为虚拟环境，是利用电脑模拟产生一个三维立体逼真的虚拟环境，能够在视觉、听觉以及触觉方面，给人们提供一种感官的模拟，让用户能够从多个方面对世界有一种身临其境的感觉[1]。用户移动位置时，电脑可以立即进行复杂的运算，将精确的三维视频传回产生实时动态的虚拟影像。该技术是仿真技术与计算机图形学、人机接口技术、多媒体技术、传感技术、网络技术等多种技术的集合，是一种由电脑技术辅助生成的模拟系统。在骨科教学、手术培训、术前计划、术中导航及术后康复训练等方面发挥重要作用。

近年来，在虚拟环境中的计算机辅助骨科手术规划系统逐渐发展，如脊柱侧凸等肌肉骨骼疾病的三维重建系统、用于强直性脊柱炎手术前规划和术后矫正效果评估的“ASKyphoplan”软件等[2-7]。PIGGE等[3]对有关“ASKyphoplan”计算机软件方面的内容进行了具体介绍，通过此类软件的使用可以更好地设计强直性脊柱炎手术方案，还可以将整个术后矢状面截骨矫正情况充分地体现出来，不仅如此，通过这种程序，还可以把计划矫正角度、截骨平面、chin-brow纵向角度，以及对应的矢状面的平衡关系加入其中。通过虚拟现实技术的应用，在手术开始之前能够把有关手术的过程让患者了解一些，有助于患者焦虑心情的缓解；能够对一些具有较高复杂性的手术进行对应的模拟，从而找到最好的手术方式。BEKELIS等[8]通过开展一项随机对照实验发现，接受术前沉浸式VR的患者和非沉浸式VR的患者对比，术前沉浸式VR的患者围手术期压力减小、焦虑减轻、满意度增加、恢复较好。由此可见，医院在对患者进行治疗的过程中可以打造一个沉浸式的虚拟环境，明显的降低患者围手术期心理负担，这对于手术效果来说是非常有利的。CHAN等[9]评价了术前沉浸式VR(immersive virtual reality，IVR)疗法在局部麻醉下行关节置换术的可行性和潜在的镇静效果；9例患者接受了IVR、局部麻醉和镇静治疗的患者，10例患者接受了常规护理，在IVR组中异丙酚平均用量为(63±21)mg/h，在常规护理组中异丙酚平均用量为(155±45)mg/h(P＜0.05)，在手术后，患者满意度不存在明显差别，通过本实验能说明，在手术室环境下提供IVR是可行的，其有镇静作用，可减少麻醉药用量，不影响手术疗效。

2 3D打印技术在骨科的应用

3D打印技术出现于20世纪80年代，其原理是通过计算机及三维数字成像技术来实现数据的重建。在医疗、航天、军工、工业设计等很多行业得到广泛应用。3D打印骨折模型来源于CT或MRI导出的3D DICOM格式数据，这些数据转换成3D打印机能够识别的格式文件后，由计算机辅助设计(computer aided design，CAD)读取，用于设计3D对象。3D打印通过“叠加制造”，以预定方式逐层添加原材料，从而达到精确的3D框架。与传统的影像学资料相比，3D打印技术通过提取患者的CT和MRI数据重建三维解剖结构，得到实体的骨折模型，其提供的立体结构更加清晰直观，可以帮助医师全面地认识疾病，从而做出正确的诊断，对骨折部位有更为准确的认识，为后期制定合理的手术方案做好准备。

3D打印技术在骨科的临床工作中广泛地应用于骨折模型的制作、导航模板的设计、个性化的内置物打印。在治疗骨盆髋白骨折的过程中，因为其具有非常复杂的解剖结构，并且骨折的形式也非常多样，能够采取的手术方式相对较多，必须要对骨折的分型有一个深入的了解。BAGARIA等[10]进行一项多中心研究实验，50例手术患者采用了3D打印技术制作出骨折实体模型，其中，关节周围骨折患者24例，骨盆骨折患者11例，复杂骨折患者7例，人工髋关节翻修手术患者8例，所有治疗医师都认为3D打印的实体模型比常规影像提供了更多的信息，增强了他们对复杂疾病的认识，有助于做出正确诊断，做好术前规划、手术模拟、术中参考等。

在对复杂粉碎性骨折患者进行治疗的过程中，以往主要是通过医师的经验来对骨折部位进行复位以及螺钉植入操作，因为每个患者存在较高的个体差异，所以经常会出现手术过程中螺钉穿入关节内等相关的情况发生。导航模板技术能够使手术的精准度进一步提升，可以明显提高手术操作的准确度，减少手术时间及透视次数，提高手术成功率。目前随着科技的发展，虚拟增强现实技术已经在临床上得到应用，术者可以在电脑上进行术前规划和手术设计，并不需要高成本打印出完整的骨折模型，仅利用3D打印技术打印出所需的导航模板用来指导手术治疗显得更加经济、有效[11]。在周围骨折，骨盆、髋臼骨折等方面，BROWN等[12]在对107例创伤骨折患者中应用3D打印导航模板研究中发现，术后钢板位置及螺钉方向与术前设计几乎完全相同，其精确度令人满意；ZHANG等[13]使用3D打印技术制作出导航模板，分别对患有肘内翻畸形的12例男性患者和6例女性患者(平均年龄为15.7岁)进行了治疗，先通过患者对应的3D CT成像数据制作出患肘3D打印模型，从而反向设计出截骨角度以及截骨范围最具贴合性的导航模板，能够给矫正手术提供非常有利的指导，术后X线片证实畸形矫正，18例肘内翻畸形患者的平均术后携带角度为7.3°，随访12～24个月，平均矫正率为21.9°。虽然在理论上导板能够达到精确置钉，然而软组织滑动和缺乏稳定的贴合面是仍需要解决的问题。

通常情况下，位于人群正态分布两侧的患者想要找到一个匹配合适的标准植入物往往具有较高的难度，再加上创伤患者种类较多，出现内置物大小不匹配的可能性非常高，这样会进一步增加手术难度。所以采用个体化内置物就变得非常重要。3D打印技术可以根据患者的实际情况来定制出对应的个性化内置物，能够尽可能地符合患者的需求，从而使手术更加精准化。在腹腔镜下开展骨盆骨折手术已在临床中得到应用，在整个手术过程中，准备的内置物要确保其和患者的骨骼相互匹配，以便在狭小的手术视野中固定，便必须要制造一个具有高精确度的个体化内置物，3D打印术前定制个性化内置物就显得非常关键[14]。术中应用3D打印骨科植入物的原材料主要集中于PEEK(聚醚醚酮)和钛金属中，后者广泛用于接骨板、人工关节假体及脊柱植入物中。DAI等[15]采用3D打印技术为10例严重骨盆损伤准备行半骨盆切除术的患者制作出骨盆模型，植入个体化假体，术中操作顺利，假体匹配良好，术后随访X线片示假体固定确切，无松动、移位等情况。

3 有限元分析技术在骨科的应用

有限元分析技术是通过数字化构建数字模型，然后利用已知条件，如材料特性、已知的节点具体数目及各节点的坐标系等，对各个单元的做出一个近似解，最后在此基础上计算该域总的总解，进行定量分析，从而使实际复杂的问题定量化。数字化有限元分析技术因成本滴、精准性高、更能模拟机体力学等优点在国内外成为了研究热点，在力学分析、固定装置的指导、骨折的产生机制和生物材料的研究得到了广泛的应用推广，而且很容易在个人电脑中操作、处理大型的医学影像数据，对临床疾病的诊治提供了准确可靠的信息。构建骨骼系统的有限元模型能够在一定程度上为人体生物力学的分析研究上提供帮助，也为学者了解骨骼的生理特性提供了一条切实可靠、方便简洁的研究路径。

国内外众多学者都相继采用有限元分析法开展骨骼肌肉系统的探索与研究。彭春政等[16]基于人体躯干扫描的CT数据，应用有限元并结合逆向工程原理和根据解剖学资料建立了躯干骨骼-肌肉-韧带复合体三维模型，客观地反映了人体躯干解剖结构和力学特性，其模型的有效性验证也证明本研究的建模方法和材料参数选择的有效性。骨科医生在临床诊治股骨头坏死疾病时往往会漏诊，其主要原因是股骨头坏死会导致坏死区发生逐步塌陷。张念非等[17]在利用有限元分析发现，股骨头坏死塌陷处往往处于负重区，该区域的呈现为不规则圆形，通过有限元力学分析发现在股骨头中心为顶点坏死区＞110°时，股骨头内坏死区的应变能力超过软骨下骨的应变能力，极易出现软骨下骨板骨折。

有限元的生物力学分析对骨折固定装置的指导具有重要作用。20世纪70年代有研究构建首次建立出了长钢板固定的二维有限元模型，开始了运用有限元分析法对骨折固定进行分析研究。CULEMANN等[18]随后在此基础上对三维骨折固定的有限元模型进行更为深入的研究并取得较大的研究成果，如今骨科固定的有限元分析法已被广泛地应用到骨科内外固定的研究之中。许瑞杰等[19]在研究股骨颈骨骨折固定方式的不同对骨折端应力所造成的影响中发现，在保持单钉恒定不变情况下，在对Pauwels角为50°的经颈型骨折模型施加载荷时，各参数同时达到最小值，说明以该角度固定可取得最佳的力学效果；采用多钉固定时发现，两钉横放固定效果最差，两钉竖放抗扭效果较差，两钉斜放和三钉固定时力学效果最好。刘安庆等[20]对股骨力学分布的有限元分析表明：股骨颈处的压力骨小梁和股骨距是重要的承载结构，因而内固定装置放置位置应循压力骨小梁方向尽量紧贴股骨距钻入。现今的研究成果使模型不仅能逼真地模拟骨骼，还能将周围的韧带、肌肉直接或间接地加入模型，使模拟更加真实与完美，从而能更准确地反映研究对象的生物力学特性，使实验研究的结果更加精确可靠。

4 手术机器人技术在骨科的应用

机器人被定义为一个具有电脑操作系统及与周围环境有互动的电动操纵结构的机械。它的基本结构是包含能够提供机器人状态反馈数据的感应器和处理这些数据的中央处理器，以及能够按照指令进行动作的执行系统[21]。医学领域的手术机器人技术革新是伴着数字化技术、机器人服务技术和复杂影像学技术产生的。计算机技术、微创手术技术及医学影像学等多学科发展的共同推动下，手术机器人的研究和应用得到了很大程度的进步。手术机器人系统能够克服人的生理局限，具有操作精度高、操作可重复性好、操作稳定性强、手术创伤少、医生劳动强度降低等特点。目前骨科手术机器人的主要应用领域包括：人工关节置换、骶骨骨折脱位、复杂的骨盆及髋臼骨折、髓内钉远端锁定和股骨颈骨折螺钉固定等[22-24]。国外手术机器人的研发与临床应用大多数为以Spine Assist系统为主的机器人系统[25-28]。PECHLIVANIS等[25]采用Spine Assist系统对31例患者进行微创经皮后路腰椎融合术，共置入133枚椎弓根螺钉，91.0%～98.5%的患者的系统准确性与术前计划偏差在＜2 mm以内，29例患者均采用该机器人系统成功进行手术治疗。SUKOVICH等[26]应用Spine Assist系统经皮后路脊柱融合椎弓根螺钉置入治疗的14例临床病例中，成功率达到93%，96%的椎弓根螺钉的位置与计划进钉位置偏差在1 mm之内，该系统能够与很多微创经皮内固定系统协同配合使用，明显减少手术医生的射线损伤。CRUCES等[27]将机器人机械臂辅助与计算机导航相结合应用于骨科，手术医生可以通过手动牵引机械臂运动来提高骨科手术的准确性和安全性，在不降低灵活性的同时提高机器人的辅助功能。2015年，北京积水潭医院和北京天智航公司共同合作研发“天玑”机器人，其主要涵盖了6个高自由度的机械臂系统、光学追踪系统、手术规划和导航系统系统。在此基础上，北京积水潭医院主导下多单位配合开发的第三代骨科手术机器人系统(天玑)是国际上首个通用性骨科手术机器人，其亚毫米级的定位精确度足以满足45%以上骨科手术的需求[29]。韩巍等[30]借助天玑骨科机器人对38例不稳定骨盆后环骨折辅助骶髂螺钉经皮内固定治疗，螺钉位置优良率为100%，天玑骨科手术机器人辅助下置入S2骶髂螺钉治疗不稳定的骨盆后环骨折比透视下徒手操作成功率更高。

5 展望

现阶段来说，有关数字骨科学的基础研究以及临床应用的发展还处于高速发展的时期，伴随着数字化系统和骨科新技术以及理念的深入结合，最大可能地实现了骨科手术的微创化和智能化。在骨科未来的发展过程中，个性化、精准化以及微创化都是非常重要的发展目标，能够使整个骨科手术变得更加安全方便，能够对诊治水平进行非常大的改善，对于骨科疾病患者来说是非常有利的。