孫紹紅 劉 非 張維杰 馬建兵 姚舒馨 肖 琳 程詠華 徐顯輝 李滌塵 王 琦 張明嬌

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和智能設(shè)備的普及，移動(dòng)醫(yī)療作為一種新型的醫(yī)療模式，被廣泛的應(yīng)用到臨床中。國(guó)際衛(wèi)生組織對(duì)移動(dòng)醫(yī)療(mobile-health，mHealth)定義為通過移動(dòng)電話、掌上電腦(personal digital assistant，PDA)或衛(wèi)星通信等移動(dòng)通訊技術(shù)提供醫(yī)療信息服務(wù)[1]。目前移動(dòng)醫(yī)療幾乎涉及到醫(yī)療健康的各個(gè)方面，其中主要應(yīng)用在信息與通信、監(jiān)測(cè)、監(jiān)控和診斷等領(lǐng)域[2-3]。應(yīng)用在骨科手術(shù)方面的移動(dòng)醫(yī)療應(yīng)用程序(application program，APP)按功能主要分為臨床管理、醫(yī)學(xué)教育、醫(yī)療器械公司產(chǎn)品介紹、骨科會(huì)議介紹、服務(wù)患者等數(shù)類產(chǎn)品[4]。國(guó)外移動(dòng)醫(yī)療發(fā)展較為成熟，已具備相對(duì)完善的理論研究和豐富的市場(chǎng)實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)[5-8]。

國(guó)內(nèi)移動(dòng)醫(yī)療APP發(fā)展相對(duì)國(guó)外起步較晚，但是發(fā)展?jié)摿薮骩9]。近年來，各大公司將目光投向移動(dòng)醫(yī)療市場(chǎng)，蘋果公司在2014年推出具有健康監(jiān)測(cè)功能的AppleWatch，2015年推出強(qiáng)大的醫(yī)學(xué)研究工具ResearchKit，用于幫助人們?cè)\斷各種疾病，這預(yù)示著蘋果公司對(duì)移動(dòng)醫(yī)療的投入從開發(fā)可穿戴設(shè)備轉(zhuǎn)向手機(jī)應(yīng)用APP[10]；谷歌在2014年發(fā)布Google fit健康追蹤應(yīng)用開發(fā)平臺(tái)，并宣布研發(fā)隱形眼鏡用于監(jiān)測(cè)佩戴者血糖指標(biāo)[11]。國(guó)內(nèi)互聯(lián)網(wǎng)公司也借助自身行業(yè)優(yōu)勢(shì)，開始涉足移動(dòng)醫(yī)療領(lǐng)域；百度在2013年推出dullife智能設(shè)備平臺(tái)，在2014年推出“北京健康云”平臺(tái)；騰訊于2014年在微信上提供了“全流程就診平臺(tái)”服務(wù)，并在2015年斥資入股丁香園；阿里巴巴于2015年在支付寶中推出了“未來醫(yī)院”計(jì)劃[12]。

近年來，三維(three dimensional，3D)打印技術(shù)發(fā)展迅速，借助3D打印優(yōu)勢(shì)醫(yī)療領(lǐng)域可實(shí)現(xiàn)個(gè)性化和精準(zhǔn)化治療，尤其在骨科個(gè)性化治療方面，3D打印技術(shù)已得到嘗試性應(yīng)用。一系列臨床研究[13-17]表明，3D打印個(gè)性化導(dǎo)板(patient specific instruments，PSI)輔助完成全膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)，可提高手術(shù)的準(zhǔn)確性，簡(jiǎn)化術(shù)中操作步驟，降低術(shù)中出血量，縮短手術(shù)時(shí)間。但是，目前關(guān)節(jié)置換手術(shù)方案設(shè)計(jì)及個(gè)性化導(dǎo)板設(shè)計(jì)需要使用的軟件較多，且軟件操作流程復(fù)雜，學(xué)習(xí)周期長(zhǎng)，需要具備計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、醫(yī)學(xué)影像技術(shù)、生物工程等相關(guān)知識(shí)的綜合專業(yè)人才完成[18-21]。鑒于此，目前手術(shù)方案及導(dǎo)板設(shè)計(jì)一般由專業(yè)工程師和醫(yī)生合作完成。為實(shí)現(xiàn)醫(yī)生頭腦中的方案，醫(yī)生和工程師需要反復(fù)溝通。但是由于軟件、距離等因素限制，使得醫(yī)生和工程師交流不夠順暢，影響方案效果，且雙方反復(fù)溝通確認(rèn)，降低工作效率，限制彼此工作靈活性。

借助互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和移動(dòng)設(shè)備，解決目前3D打印個(gè)性化導(dǎo)板輔助膝關(guān)節(jié)置換技術(shù)中的不足，利用“互聯(lián)網(wǎng)”+“軟件”+“醫(yī)療”改變以往工作方式?；诖?，本研究在現(xiàn)有PC端Arigin 3D-Surgical Templating System[13]軟件基礎(chǔ)上，開發(fā)一款與之配套的可用在iPad上的膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)方案調(diào)整軟件，使膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)方案調(diào)整操作簡(jiǎn)單化，減少醫(yī)生對(duì)工程師的技術(shù)依賴，提高其工作效率。同時(shí)，借助移動(dòng)終端優(yōu)勢(shì)，醫(yī)生可隨時(shí)隨地查閱管理病例信息，提高其工作方式的靈活性，利用軟件中確定的手術(shù)方案，醫(yī)生可更直觀、更真實(shí)的向患者講解病情，減少醫(yī)患矛盾發(fā)生。

1 移動(dòng)端膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)方案調(diào)整軟件設(shè)計(jì)

1.1 調(diào)整軟件總體架構(gòu)

調(diào)整軟件由移動(dòng)終端iPad和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器組成，軟件和服務(wù)器的數(shù)據(jù)通信采用客戶機(jī)與服務(wù)器(client/server，C/S)模式，軟件設(shè)計(jì)采用模型視圖控制器(model view controller，MVC)設(shè)計(jì)模式[22]。該模式應(yīng)用廣泛，分別為模型(Model)、視圖(View)和控制器(Controller)3部分，模型在程序里用來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)；視圖可以理解為軟件界面，用來顯示模型并提高各種交互操作；控制器是模型和視圖的連接器，用來處理各種邏輯操作。

按MVC設(shè)計(jì)模式將調(diào)整軟件分為表現(xiàn)層、業(yè)務(wù)邏輯層及數(shù)據(jù)層。表現(xiàn)層為用戶提供程序訪問的交互界面，是用戶與系統(tǒng)交互信息的通道；業(yè)務(wù)邏輯層主要用于數(shù)據(jù)交換和連接，包含系統(tǒng)所有業(yè)務(wù)邏輯處理，會(huì)根據(jù)表現(xiàn)層接收的指令對(duì)數(shù)據(jù)層進(jìn)行處理，并將結(jié)果返回到表現(xiàn)層；數(shù)據(jù)層主要用于處理數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，如對(duì)數(shù)據(jù)的增加、刪除、修改、更新等。據(jù)此，將軟件各操作界面放在表現(xiàn)層，將各功能模塊業(yè)務(wù)邏輯放在業(yè)務(wù)邏輯層，將醫(yī)生、病例信息等數(shù)據(jù)放在數(shù)據(jù)層。調(diào)整軟件體系如圖1所示。

圖1 調(diào)整軟件體系結(jié)構(gòu)圖

1.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫支撐軟件的所有數(shù)據(jù)內(nèi)容，在系統(tǒng)中占有重要地位。本系統(tǒng)采用MySql[23]數(shù)據(jù)庫用于存儲(chǔ)醫(yī)生、患者及假體試模等信息。為清晰介紹數(shù)據(jù)庫相關(guān)設(shè)計(jì)內(nèi)容，本研究采用實(shí)體-關(guān)系圖(entityrelationship，E-R)介紹設(shè)計(jì)思路。軟件主體E-R如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)庫支撐軟件E-R示圖

1.2.1 醫(yī)生用戶信息

醫(yī)生用戶信息主要存儲(chǔ)醫(yī)生的姓名、編號(hào)、性別、年齡、所屬醫(yī)院、部門、職位等屬性，軟件會(huì)根據(jù)醫(yī)生用戶登錄信息查詢數(shù)據(jù)庫對(duì)應(yīng)醫(yī)生信息，實(shí)現(xiàn)軟件登錄，見表1。

表1 醫(yī)生用戶信息表設(shè)計(jì)

1.2.2 患者信息

患者信息主要存儲(chǔ)患者姓名、年齡、手術(shù)類型、主治醫(yī)生、手術(shù)時(shí)間、手術(shù)方案等信息，方便醫(yī)生用戶查閱和管理患者信息，見表2。

表2 患者信息表設(shè)計(jì)

1.2.3 假體試模設(shè)備信息

假體試模信息主要存儲(chǔ)各類膝關(guān)節(jié)假體試模、截骨器等信息。主要包括設(shè)備廠商、所屬品牌、置換部位、型號(hào)、文件名等信息，見表3。

表3 設(shè)備信息表設(shè)計(jì)

1.3 服務(wù)器通訊

iOS客戶端與服務(wù)器通信采用超文本傳輸協(xié)議(hyper text transfer protocol，HTTP)通信方式。移動(dòng)客戶端向服務(wù)器提出HTTP請(qǐng)求時(shí)，可以選擇從指定資源請(qǐng)求數(shù)據(jù)(GET)和向指定的資源提交要被處理的數(shù)據(jù)(POST)兩種方式。使用GET方式向服務(wù)器提交統(tǒng)一資源定位符(uniform resource locator，URL)后可獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，使用POST方式，向服務(wù)器傳輸U(kuò)RL信息后可向服務(wù)器存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。使用HTTP協(xié)議實(shí)現(xiàn)客戶端訪問服務(wù)器查詢病例信息數(shù)據(jù)流程如圖3所示，實(shí)現(xiàn)客戶端從服務(wù)器下載及上傳手術(shù)方案文件流程如圖4所示。

1.4 3D模型視圖顯示及更新

移動(dòng)終端設(shè)備可使用3D圖像渲染引擎(open scene graph，OSG)[24]繪制3D圖像。使用Cmake3.0(Cmake，一個(gè)跨平臺(tái)編譯工具)編譯獲得可使用OSG庫的XCode項(xiàng)目工程，實(shí)現(xiàn)3D網(wǎng)格模型的顯示及更新操作。

圖3 病例信息查詢流程圖

圖4 手術(shù)方案文件下載及上傳流程圖

2 移動(dòng)端膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)方案調(diào)整軟件主要功能

2.1 病例信息查詢

醫(yī)生用戶登錄軟件后，通過服務(wù)器查詢數(shù)據(jù)庫中對(duì)應(yīng)的患者病例信息，并將其顯示在軟件病例管理界面，方便醫(yī)生管理病例數(shù)據(jù)，如圖5所示。

圖5 用戶存儲(chǔ)病例信息界面圖

用戶單擊單條病例信息框，可獲取該患者詳細(xì)病例信息，同時(shí)通過服務(wù)器可下載患者對(duì)應(yīng)的初始手術(shù)方案，并將其保存至客戶端指定的本地沙盒文件夾中，如圖6所示。

圖6 患者詳細(xì)信息界面圖

2.2 不同狀態(tài)模型顯示

軟件讀取病例初始手術(shù)方案后，可以不同形式顯示人體下肢3D骨骼模型，方便醫(yī)生查看并對(duì)比膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)方案設(shè)計(jì)中截骨前、截骨后、截骨量等信息，同時(shí)方便醫(yī)生判斷假體植入位置及假體型號(hào)選擇合理性，如圖7所示。

圖7 模型顯示狀態(tài)示圖

2.3 股骨及脛骨截骨位置調(diào)整

通過單擊股骨調(diào)整面板外翻角、外旋角、遠(yuǎn)近端、內(nèi)外側(cè)以及前后髁位置按鈕可調(diào)整股骨的截骨位置，同時(shí)股骨遠(yuǎn)端內(nèi)外側(cè)、股骨后髁內(nèi)外側(cè)截骨量信息可實(shí)時(shí)顯示截骨參數(shù)文本框內(nèi)，如圖8所示。

圖8 股骨截骨位置調(diào)整界面圖

通過單擊脛骨參數(shù)調(diào)整面板后傾角、外旋角、遠(yuǎn)近端、內(nèi)外側(cè)以及前后髁位置按鈕可調(diào)整脛骨的截骨位置，脛骨近端內(nèi)外側(cè)截骨量信息可實(shí)時(shí)顯示在截骨參數(shù)文本框內(nèi)，如圖9所示。

圖9 脛骨截骨位置調(diào)整界面圖

通過設(shè)置角度增量和截骨位移增量可設(shè)置調(diào)整量大小，其中軟件角度調(diào)整精度可控制在0.01°，截骨精度可控制在0.01 mm。通過單擊調(diào)整按鈕，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)截骨位置的調(diào)整，截骨量信息無需單獨(dú)測(cè)量即可自動(dòng)計(jì)算并顯示在界面中，此軟件簡(jiǎn)化方案調(diào)整操作步驟，降低醫(yī)生對(duì)工程師技術(shù)依賴。

2.4 虛擬截骨及假體植入

利用Sqlite[25]數(shù)據(jù)庫，軟件內(nèi)置不同廠商假體試模設(shè)備數(shù)據(jù)庫，方便用戶選擇使用，提高方案調(diào)整便捷性。用戶可根據(jù)患者骨骼大小及截骨位置等信息從設(shè)備數(shù)據(jù)庫選擇合適型號(hào)的假體試模。軟件導(dǎo)入假體設(shè)備時(shí)，根據(jù)初始手術(shù)方案中確定的生理解剖參考信息和假體試模中幾何參考信息之間相對(duì)位置關(guān)系，假體試模自動(dòng)匹配到相應(yīng)的骨骼模型中。通過股骨、脛骨參數(shù)調(diào)整面板，調(diào)整截骨及假體植入位置，如圖10所示。

圖10 虛擬截骨及假體植入界面圖

2.5 手術(shù)方案確認(rèn)、文件上傳及生成病例報(bào)告

待用戶調(diào)整并確認(rèn)好手術(shù)方案后，可模擬術(shù)后下肢力線恢復(fù)狀態(tài)，方便醫(yī)生模擬術(shù)后效果，如圖11所示。

圖11 模擬術(shù)后下肢力線界面圖

確認(rèn)后的手術(shù)方案可上傳至服務(wù)器，方便工程師下載完成后續(xù)個(gè)性化導(dǎo)板設(shè)計(jì)，查看病例報(bào)告可獲取患者基本信息及對(duì)應(yīng)手術(shù)方案所選設(shè)備及截骨參數(shù)信息，如圖12所示。

圖12 病例報(bào)告界面圖

3 移動(dòng)端膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)方案調(diào)整軟件優(yōu)勢(shì)

3.1 減少醫(yī)生與工程師合作的依賴性

由于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件操作復(fù)雜、學(xué)習(xí)周期長(zhǎng)等原因，采用醫(yī)生與工程師合作方式設(shè)計(jì)3D打印個(gè)性化導(dǎo)板設(shè)計(jì)輔助膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)，減少醫(yī)生與工程師合作的依賴性，以提高工作方式靈活性，如圖13所示。

圖13 PC軟件設(shè)計(jì)導(dǎo)板流程圖

(1)工程師獲取患者CT與MRI醫(yī)學(xué)圖像，利用醫(yī)學(xué)圖像重構(gòu)軟件重構(gòu)人體下肢3D模型。

(2)工程師利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件制定術(shù)前規(guī)劃。

(3)工程師和醫(yī)生反復(fù)溝通，并根據(jù)醫(yī)生建議修改方案，直至達(dá)到主治醫(yī)生理想設(shè)計(jì)需求，最終確認(rèn)完成手術(shù)方案。

(4)工程師根據(jù)最終手術(shù)方案，設(shè)計(jì)個(gè)性化導(dǎo)板。

(5)采用3D打印技術(shù)制造個(gè)性化導(dǎo)板并最終應(yīng)用于臨床，輔助醫(yī)生完成關(guān)節(jié)置換手術(shù)。

這種醫(yī)工合作方式，需要醫(yī)生和工程師一起反復(fù)討論修改方案。此方式受時(shí)間、空間限制，需要雙方協(xié)調(diào)工作時(shí)間，極大影響彼此工作的靈活性。

PC軟件+移動(dòng)終端APP設(shè)計(jì)軟件是在現(xiàn)有PC端Arigin 3D-Suigical Templating System[13]軟件基礎(chǔ)上開發(fā)的一款與之配套的移動(dòng)端手術(shù)方案調(diào)整軟件，整個(gè)系統(tǒng)框架如圖14所示。

圖14 PC軟件+移動(dòng)終端APP設(shè)計(jì)導(dǎo)板流程圖

工程師利用PC端Arigin 3D-Surgical Templating System軟件制定初始手術(shù)方案后將其上傳至數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，醫(yī)生利用iPad登錄移動(dòng)端手術(shù)方案調(diào)整軟件后即可查詢獲取初始手術(shù)方案，并可通過該軟件根據(jù)患者病理情況調(diào)整最佳截骨位置、選擇合適假體型號(hào)和確定最優(yōu)假體置入位置，獨(dú)立完成手術(shù)方案調(diào)整工作。該系統(tǒng)讓醫(yī)生和工程師分工更加明確，將需要更多工程設(shè)計(jì)技能部分工作交由專業(yè)工程師完成，將需要更多醫(yī)學(xué)知識(shí)和臨床經(jīng)驗(yàn)部分工作交由醫(yī)生完成，讓雙方發(fā)揮各自專業(yè)所長(zhǎng)，提高工作效率。利用該系統(tǒng)醫(yī)生無需與工程師反復(fù)溝通確認(rèn)方案，極大減少了醫(yī)生和工程師彼此的依賴性。利用終端設(shè)備，醫(yī)生不再受時(shí)間、地點(diǎn)、軟件等因素限制，可隨時(shí)隨地獨(dú)立完成方案確認(rèn)，極大提高醫(yī)生工作方式靈活性。

3.2 手術(shù)方案調(diào)整操作簡(jiǎn)單化

利用計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)規(guī)劃軟件設(shè)計(jì)手術(shù)方案，操作流程復(fù)雜，學(xué)習(xí)周期長(zhǎng)[18-21]。以市場(chǎng)上利用較高的Mobile-health(比利時(shí)Materialise公司)為例，制定膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)方案，該過程需要專業(yè)工程師完成且操作流程復(fù)雜，尤其在根據(jù)醫(yī)生建議需要反復(fù)修改方案時(shí)，此類通用軟件弊端更為突出[26]。在調(diào)整截骨及假體植入位置時(shí)，通用軟件只能通過各種平移、旋轉(zhuǎn)等操作，手動(dòng)調(diào)整截骨及假體植入位置。且通用軟件無病例數(shù)據(jù)庫，無法查閱管理以往病例信息，同時(shí)也無假體設(shè)備數(shù)據(jù)庫，不方便用戶選擇合適的假體型號(hào)。而本軟件借助服務(wù)器可從數(shù)據(jù)庫查詢管理病例數(shù)據(jù)，同時(shí)軟件內(nèi)置假體設(shè)備數(shù)據(jù)庫方便用戶選擇合適假體設(shè)備，提高方案調(diào)整的便捷性。在選擇假體后，可通過識(shí)別手術(shù)方案設(shè)計(jì)參考信息及假體試模幾何參考信息相對(duì)位置關(guān)系，快速將假體試模定位到截骨位置，通過單擊股骨及脛骨參數(shù)面板上的調(diào)整按鈕調(diào)整截骨位置及假體植入位置，使手術(shù)方案調(diào)整操作簡(jiǎn)單化。

3.3 方便醫(yī)患溝通

醫(yī)生利用iPad可隨時(shí)查閱管理病例信息及手術(shù)方案，利用人體下肢3D模型可以更直觀的向患者及家屬講解病情及治療方案，方便醫(yī)患溝通，減少醫(yī)患矛盾的發(fā)生。同時(shí)病例數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)以往病例可讓手術(shù)方案更具可追溯性，為后續(xù)醫(yī)療糾紛提供依據(jù)。

4 結(jié)論

以移動(dòng)終端設(shè)備、互聯(lián)網(wǎng)及3D打印技術(shù)為依托的移動(dòng)端膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)方案調(diào)整軟件，實(shí)現(xiàn)了“互聯(lián)網(wǎng)”+“軟件”+“醫(yī)療”的新醫(yī)療模式。該軟件通過訪問服務(wù)器可查詢病例數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)患者的病例管理。在3D打印個(gè)性化導(dǎo)板輔助膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)方案設(shè)計(jì)方面，該軟件通過內(nèi)置設(shè)備數(shù)據(jù)庫、單擊調(diào)整按鈕即可調(diào)整截骨及假體植入位置，使手術(shù)方案調(diào)整操作更加簡(jiǎn)單，降低醫(yī)生對(duì)工程師技術(shù)依賴，方便醫(yī)生隨時(shí)隨地調(diào)整優(yōu)化手術(shù)方案，使醫(yī)生工作方式更加靈活。且利用移動(dòng)終端設(shè)備，醫(yī)生可向患者講解病情，減少醫(yī)患矛盾發(fā)生。

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