楊旭平，李興勇

(1.甘肅中醫(yī)藥大學第一臨床醫(yī)學院，甘肅 蘭州 730000； 2.甘肅省人民醫(yī)院骨科，甘肅 蘭州 730000)

數(shù)字化技術取得的卓越成果已經(jīng)改變了傳統(tǒng)醫(yī)療的診治模式[1]，該技術通過計算機輔助實現(xiàn)了疾病診療的個性化、精準化和微創(chuàng)化[2]。2006年中國首先提出“數(shù)字骨科學”這一概念，并在2011年經(jīng)中華醫(yī)學會批準成立了“中華醫(yī)學會醫(yī)學工程學分會數(shù)字骨科學組”，這標志著外科技術領域的重大革新[3]。目前，數(shù)字骨科技術應用在臨床解剖以及疾病表征等方面，它所涉及的范圍十分廣泛，包括有限元分析、立體幾何學、生物力學、人工智能、3D打印技術、機械工程學、機器人輔助導航、機器人關節(jié)置換術及其他多種數(shù)字骨科技術等[4-5]，極大地推動了臨床骨科疾病診療工作[6-7]。根據(jù)國內外相關文獻對臨床應用廣泛且前景良好的數(shù)字骨科技術做一綜述，以期為臨床工作提供一定參考。

1 3D打印技術

1.1 3D打印技術的起源與發(fā)展

3D打印技術起源于美國，又稱為“快速成型技術”“增材制造技術”，最初應用于加工制作工藝行業(yè)[8]。經(jīng)過30多年的發(fā)展，現(xiàn)已廣泛應用于兵工、教育、航天、醫(yī)學等多個行業(yè)領域。為了滿足臨床工作需要，將3D打印技術應用于醫(yī)學影像技術領域，使得其作用發(fā)揮更加廣泛[9]?；诜派淇艭T成像技術在3D打印技術的應用研究中，為了保證圖像具有較高質量，在采集數(shù)據(jù)時，需選用螺距較小、多排螺旋CT機，掃描間距一般<1 mm，像素0.1～0.5 mm，像素矩陣為512×512[10]。此外，除了常規(guī)CT掃描可用作3D打印的數(shù)據(jù)之外，一些特殊CT掃描，如低劑量CT掃描、血管造影或薄層CT掃描成像也可作為數(shù)據(jù)源應用于3D打印模型中[11-13]。

1.2 3D打印技術在骨科領域的應用

3D打印技術現(xiàn)被廣泛應用于骨科及其他學科術前診斷分型和術中參考方面，它能更精確地演示疾病相關的異常解剖，能夠對分析某些骨創(chuàng)傷性疾病的損傷機制起到輔助指導作用，進而通過立體直觀的視覺效應，提高診療水平，縮短手術時間，也成為臨床醫(yī)生和患者進行有效溝通的重要方式[14-16]。在骨科領域，3D打印手術導板尤其被廣泛應用于骨骼畸形截骨矯形、脊柱螺釘置入及術中精確定位等方面。嚴斌等[17]應用CT數(shù)據(jù)設計3D打印導板，以制定合適的手術方案，在腰椎椎弓根置釘術中有良好效果，置入率100%，提高了手術成功率，減少了并發(fā)癥。

1.3 3D打印技術的個體化發(fā)展

將3D打印技術與組織工程相結合形成了生物打印技術，它是以3D打印技術為基礎，結合計算機三維重建、生物材料研究成果等形成的新興學科技術，近年來已廣泛應用于臨床工作中[18]，為解決醫(yī)學領域器官供體數(shù)量不足相關問題提供新方法[19]。石磊等[20]對符合納入研究標準的15例脊柱腫瘤患者進行研究，在對其進行傳統(tǒng)手術方式切除病損椎體后，于術后采用3D打印技術進行個體化人工椎體重建，結果顯示，術后應用3D打印個體化椎體能夠達到更合適的匹配度及滿意的遠期穩(wěn)定特性。

1.4 3D打印技術在CT設備系統(tǒng)中的應用

在CT設備管理方面，3D打印技術可替代既往傳統(tǒng)管理模式。臨床工作中，常因操作人員的技術水平、設備運行情況等影響CT圖像結果，會造成醫(yī)生誤診漏診。通過加強CT圖像質量控制管理，為臨床診斷治療提供可靠依據(jù)[21]。Jahnke等[22]采用3D打印技術打印出具有輻射衰減性能和高度精細化的解剖模板，在優(yōu)化CT掃描方案、CT儀器校準、劑量學計算、員工教學演示等方面效果可觀，提高了CT圖像顯像的靈活性和精準性。最新建立的人工體模能夠模擬脊柱手術過程，也能夠很好地反映患者的病理生理結構，兼容了觸覺效果和X線透視特征，從而能夠更真實地提供患者信息[23]。

1.5 3D打印技術在構建顱腦血管模型中的應用

數(shù)字減影血管造影技術在顱腦血管成像中應用廣泛，被稱作是顯示腦動脈瘤、腦血管畸形等腦血管成像的金標準[24]。由于顱腦血管解剖結構復雜，對于臨床醫(yī)生而言，熟練掌握顱內解剖空間結構對于診療及預后至關重要，3D打印技術構建顱腦血管模型能夠在立體空間上清晰地顯示病變相關內容，縮減臨床診斷難度，提高手術治療的精準程度。有研究顯示，3D打印模型與數(shù)字減影血管造影圖形在顯示病變方面具有高度一致性[25]。金國良等[26]對顱內動脈瘤患者進行了數(shù)字減影血管造影檢查，將其進行3D打印，取得模型，結果清楚顯示動脈瘤瘤體大小及其與周圍組織毗鄰的情況，為瘤夾的選擇和手術方案的制定提供合理有效的幫助。

1.6 3D打印技術在骨科與軟組織腫瘤相關疾病中的應用

在放射治療方面，劉志勇等[27]對7例8～14歲的股骨下端骨肉瘤患兒應用3D打印導板輔助行瘤段骨截骨、術中離體放療滅活再植重建術進行研究，術后對肢體功能恢復及長度變化、并發(fā)癥、腫瘤復發(fā)情況等指標進行隨訪，隨訪12～24個月，結果顯示，患肢功能恢復良好，股骨干愈合時間為6.3～11.6個月，平均9.5個月，可見應用3D打印導板輔助截骨保骺聯(lián)合離體放療滅活再植重建術安全可行，可作為兒童四肢骨肉瘤的保肢治療選擇方案。放射性粒子組織間植入是近距離腫瘤放療的有效治療方式之一，通常在離子植入時需借助影像學輔助以實現(xiàn)粒子能夠精確分布于靶區(qū)。3D打印技術的輔助模板以其個性化特點可助于粒子植入時的高適形分布。根據(jù)其針道是否平行，將3D打印輔助模板劃分為3D打印共面模板和非共面模板兩類，前者適用于平行插植部位，后者適用于非平行等不規(guī)則及活動器官部位[28-29]。近年來，3D打印模板已被廣泛應用于放射治療領域，包括宮頸癌、肺癌、直腸癌等腫瘤的治療[30-33]，提高放射針植入的精確度，縮短住院時間，改善患者預后。

2 人工智能、計算機導航技術

2.1 人工智能、計算機導航技術在全髖關節(jié)置換術中的應用

全髖關節(jié)置換術在治療股骨頭壞死、先天性髖關節(jié)發(fā)育不良、高齡股骨轉子間骨折等疾病方面具有重要地位[34]。骨科機器人的出現(xiàn)極大地促進手術微創(chuàng)化、精準化及智能化發(fā)展，逐漸成為醫(yī)療行業(yè)的熱門研究方向[35]。但是基于目前在中國手術用機器人只有少數(shù)醫(yī)院擁有[7]，因此，大多數(shù)醫(yī)師憑借個人經(jīng)驗及大致測量等方法完成手術，導致全髖關節(jié)置換術操作沒有統(tǒng)一操作標準，增加了髖關節(jié)置換術的變異幅度。吳東等[36]基于人工智能深度學習技術的全髖關節(jié)置換術髖臼假體型號計算進行初步驗證，結果顯示人工智能全髖關節(jié)置換術髖臼杯放置算法較傳統(tǒng)術前方案設計具有較高的精準性。劉峰等[37]對11例已施行全髖關節(jié)置換術患者圍繞數(shù)字骨科技術在股骨近端畸形全髖關節(jié)置換術中應用的臨床價值進行探討，通過計算機輔助設計進行三維建模、模擬截骨、選擇假體及安裝組配等術前規(guī)劃，隨訪時間平均14個月，結果7例患者截骨矯形效果滿意，最終得出數(shù)字骨科技術可應用于股骨近端畸形截骨矯形的結論，使得術前規(guī)劃更為合理，降低術中矯形難度，提高矯形準確性，下肢力線重建及選擇安裝假體更規(guī)范。

2.2 人工智能、計算機導航技術在膝關節(jié)置換術中的應用

隨著人口老齡化程度的加劇，膝關節(jié)骨關節(jié)炎發(fā)病率逐年上升[38-39]。膝關節(jié)單髁置換術和全膝關節(jié)置換被常規(guī)應用于創(chuàng)傷性骨關節(jié)炎的治療[40-41]。但由于對上述術式的適應證掌握不夠充分、假體設計技術缺陷等問題，導致術后效果欠佳[42]。微創(chuàng)手術具有手術創(chuàng)傷小、住院時間短、術后康復快等優(yōu)點，近年來在骨性關節(jié)炎治療方面?zhèn)涫荜P注。計算機導航技術通過精確計算截骨量、準確放置假體以達到手術精準化及高效率的目的，與傳統(tǒng)術式相比具有更準確地恢復下肢力線、減少術后假體松動發(fā)生及骨溶解率，延長假體使用期限，術后關節(jié)功能恢復良好等優(yōu)勢[43-46]。有學者認為，在嚴格掌握其適應證的前提下，計算機導航技術結合傳統(tǒng)手術治療能更好地恢復患者步態(tài)[47]。

3 有限元分析

3.1 有限元分析的概念

如果將一個彈性物體看作是由無限個質點組成的連續(xù)結構，即這個彈性物體具有無限個自由度，則不可能進行計算分析，基于這一觀點，就引出了有限元分析法的概念：有限元法又稱有限元素法，其意思是將彈性物體根據(jù)計算需要，離散為有限個單元組成的集合，從數(shù)學角度來說，就是把微分方程的連續(xù)形式轉化為數(shù)個方程組進行求解[48]。

3.2 有限元分析在骨科領域的應用

隨著當今計算機技術、軟件處理等高科技技術的不斷發(fā)展，有限元分析已被廣泛應用于醫(yī)學領域。Belytschko等[49]于1974年首先將有限元分析方法應用于脊柱進行力學研究，最初建立了二維椎間盤模型，該研究技術的應用標志著有限元分析法在骨科生物力學分析應用的開始。此后，在20世紀90年代晚期有學者將其應用于頸椎模型的建立和力學分析[50]，隨著科學技術的不斷進步，有限元分析法的不斷完善使分析結果更具可信度[51-54]，成為骨科診療領域有力的工具之一。

在骨科學領域，創(chuàng)傷、腫瘤、骨質疏松等因素所致骨折多見，骨折愈合過程復雜，受到多種因素的影響，如患者內分泌狀況、年齡因素、骨折端血運及應力等[55]。其中，應力刺激是影響骨折愈合的最重要影響因素之一[56-57]。通過有限元分析方法可測出促進骨折愈合的應力參數(shù)大小。陳志達等[58]利用有限元分析方法分別對山羊脛骨橫行骨折模型進行內固定和應用外固定支架外固定后，于脛骨遠端施加軸向應力，分別設定不同載荷和不同頻率，結果得出200 N、1 Hz的軸向應力是促進骨折愈合的最佳應力。近年來，脊柱損傷的發(fā)生率逐漸增加，胸腰椎骨折更為常見，在脊柱創(chuàng)傷疾病中占35%～55%[59]。其致傷因素多為高能量損傷，多導致不穩(wěn)定性胸腰椎骨折，常伴隨重要臟器受損[60]，需要手術治療，其常規(guī)術式有很多種，包括單純后前路減壓融合術、前后路聯(lián)合術等，但在手術方法選擇上仍有爭議[61-62]。術前評估不合理、手術方案選擇不當均會導致術后脊柱功能恢復不佳、內固定物疲勞、原生理曲線繼發(fā)丟失等嚴重并發(fā)癥[60,63-64]。因此，正確的術前評估和選擇正確的手術方案對患者的康復預后至關重要。林斌等[65]通過建立腰椎L4-L5節(jié)段經(jīng)腰椎間孔椎間融合術單側固定加融合器三種不同放置位置模型進行有限元分析，測試在不同腰椎活動方向的腰椎活動范圍、融合器及健側小關節(jié)應力分布特征，結果顯示,單枚腰椎融合器斜行置入可有效改善應力分布，并有助于減少對健側小關節(jié)的應力載荷。因此，有限元分析應用于骨科領域，有助于分析發(fā)病機制、畸形位移程度、制定術前計劃、模擬手術過程，有助于為三維矯形提供參數(shù)指標，為醫(yī)療器械研發(fā)和改進提供數(shù)字化模型[66]。

4 數(shù)字骨科技術存在的問題及研究熱點

綜上，數(shù)字骨科為臨床診斷治療幫助甚大，被廣泛應用于臨床疾病診斷、治療及教學等領域，但是，在中國，數(shù)字骨科技術處在發(fā)展的初級階段[67-68]，大多數(shù)醫(yī)生對該技術的掌握程度不夠深，由于該技術涉及學科范圍廣，包括計算機技術、工學、力學等多學科，因此學習難度較大，且部分所用器材要求特殊，無法有效地進行普遍推廣；除3D打印技術中所需模型無毒外，在某些骨科相關疾病診療護理過程中需要可溶性強及可降解的高分子生物材料同樣要求具有無毒性，且其降解產(chǎn)物要具備易于排出體外等特點[69]，因此，可吸收高分子材料成為近年來研究的熱點之一。在計算機導航及機器人技術替代膝關節(jié)單髁置換術方面，手術時間較長、假體兼容性不良、費用高昂是其缺點[42,47]。隨著理論水平的不斷提高和其技術的不斷創(chuàng)新，數(shù)字骨科技術也將不斷規(guī)范和完善，為中國臨床骨科相關疾病診療技術增添動力！