数字骨科应用与展望：更精确、个性、直观的未来前景

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2015.09.025

摘要/Abstract

摘要：

背景：数字骨科技术是数字信息技术与临床骨科的结合，目前数字化的骨科技术已在骨科应用及研究方面贡献了部分学术成果，成为推动骨科临床发展的重要动力之一。
目的：综述近年来数字骨科技术的应用与发展，为指导临床提供参考。
方法：以“数字骨科，数字化模拟，有限元分析”为关键词，计算机检索PubMed(2009年1月至2015年1月)、MEDLINE(2009年1月至2015年1月)、EMbase(2009年1月至2015年1月)、CNKI(2010年1月至2014年12月)、VIP(2010年1月至2014年12月)、万方数据库(2010年1月至2014年12月)；同时手工检索6种中文主要骨科杂志，并查阅相关文章所附的参考文献。收集所有数字骨科相关研究文献，筛选出符合纳入标准的文献，对其进行严格的质量评价。
结果与结论：最终44篇文章符合纳入标准。综述结果表明，数字技术与传统骨科互相促进、互相融合、互相影响，使得生物力学结构和解剖复杂的各种骨折的诊疗方法以及各项相关研究更加精确化、个性化、直观化。数字化技术对临床实践和骨科的研究产生了极大的影响。由于文章纳入病例有限，缺乏设计更为严格的多中心、大样本、长期的临床随机对照研究来进一步证实其可信度。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

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关键词: 植入物, 数字化骨科, 数字化模拟, 有限元分析, 计算机辅助设计, 生物力学, 个体化手术, 综述文献, 质量评价

Abstract:

BACKGROUND: Digital orthopedic technology is the combination of digital information technology and clinical orthopedics. At present, digital orthopedic technology has been widely used in the field of orthopedics and achieved some progress, it is regarded as one of the important motivations to develop clinical orthopedics.
OBJECTIVE: To summarize the application and prospects of digital orthopedic technology in recent years and provide a reference for clinical guidance.
METHODS: A computer-based online retrieval of PubMed (between January 2009 and January 2015), MEDLINE (between January 2009 and January 2015), EMbase (between January 2009 and January 2015), CNKI (between January 2010 and December 2014), VIP (between January 2010 and December 2014) and Wanfang database (between January 2010 and December 2014) was performed, with the key words of “digital orthopedics, digital simulation, finite element analysis” in Chinese. At the same time, six orthopedic journals published in Chinese were manually reviewed and the attached references were consulted. Documents addressing the digital orthopedics were screened according to the inclusion criteria, and the quality was strictly evaluated.
RESULTS AND CONCLUSION: Finally 44 articles were included in this review. The review analysis showed that, digital orthopedic technology has a mutual correlation with traditional orthopedics, they promote, fuse and influence each other. The mutual development allows a more precise, individual and intuitional outlook of the diagnosis and treatment for various fractures with complex biomechanical structure and anatomy. Digital orthopedic technology has a great impact on the clinical practice and orthopedic studies. Due to limited cases in the present study, multicenter, large-sample-size, and long-term clinical randomized controlled studies are needed to further verify the reliability of digital orthopedic technology.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

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Key words: Fractures, Bone, Finite Element Analysis, Computer-Aided Design, Biomechanics, Individualized Medicine

中图分类号:

R318

霍莉峰，倪衡建. 数字骨科应用与展望：更精确、个性、直观的未来前景[J]. 中国组织工程研究, 2015, 19(9): 1457-1462.

Huo Li-feng, Ni Heng-jian. Applications and prospects of digital orthopedics: more precise, individual and intuitional outlook[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2015, 19(9): 1457-1462.

图/表（结果） 1

2.1 计算机生物力学 采用三维图像重建后有限元分析的虚拟仿真实验可以解决传统生物力学实验难以解决的需要大量人体标本，以及全面的解释标本各个部分内在的相互作用机制等问题。

有限元法通过利用计算机把不规则的、复杂力学分析对像离散化成有限个几何单元体进行分解计算，能够反映机体内部的应力变化情况，对形状、载荷、材料力学性能和结构较复杂的物体进行应力、应变分析。并可在持续性研究中改变部分参数或者重复模拟实验，并反映变化后的情况，这是其他实验技术难以实现的。目前有限元法已广泛运用于运动损伤的机制分析、手术治疗规划、术后效果评价、矫形及器械优化设计等众多方面^[8-12]。通过人体虚拟技术，撞击性损伤的应力应变分布的有限元研究，在骨科基础理论研究上已经初步取得成效，对预防损伤和损伤机制的研究具有重要的指导意义^[13-17]。

目前，模型软组织(韧带、肌肉等)大多是参考解剖学结论并根据个人的理解添加的，这与实际存在一定的偏差，而国内材料的性质也有相当大一部分是参考国外资料，但是外国人与国人在体格方面有很大的差异，且生物材料性能等测试工作欠缺，这些缺陷都要求进一步深入了解与分析。实验生物力学技术与计算生物力学技术都在不断地发展，二者互为补充、相辅相成^[18]。计算生物力学为实验力学提供了新的发展空间，应用起来快捷、经济；而实验生物力学则是基础，为计算生物力学提供辅助条件。由于理论始终有假设和简化的成分存在，因此计算生物力学必须与临床资料进行比较、与大体标本力学实验进行对照分析，从而互相促进，使二者结合更为紧密。

2.2 术前骨折的影像处理和三维建模 计算机CT三维建模技术即在骨折手术前利用患者的影像学数据，通过 Mimics 等三维操控软件系统在计算机中建立相应的骨关节三维模型。

在常规的骨折诊疗过程中，手术复位及固定的参考标准主要包括CT 扫描图像，术前X射线片以及术中透视结果等。但在复杂粉碎性骨折中，建立CT三维重建骨关节模型可以使术者在术前即对复杂骨折形成一个直观的立体的概念，掌握骨折的细节和全面情况，在此基础上作出准确判断；从而术者有更充分的证据来进行手术设计，能够更大限度地提高复位和固定效果，保护骨折部位的血运。

具体到某个部位的骨折，骨盆髋臼骨折的情况常常比较复杂。对于不稳定性骨盆骨折尤其情况较严重者，确定治疗方案的关键是正确的诊断分型^[19]。以往常通过拍摄闭孔斜位及髂骨斜位X射线片来判断臼壁的骨折情况，目前通过采用计算机三维建模技术可以更直观地展示骨盆髋臼骨折的实际情况包括骨折的位置、类型、骨折部位的解剖结构等，为复杂骨折的诊断和治疗提供直观精准的的依据(图2)。

在 Mimics 软件中，Object为可操控的独立的三维实体，术前对于重要的骨单元或骨折块均应建立 Object，以便在模拟手术中进行操作，即建立单元(简称建元)。在各部位骨折中如涉及关节面，往往都是最重要的骨折，因此凡是涉及关节面且面积> 0.5 cm²者都应单独建立单元。因此应由熟悉软件性能的技术人员来执行骨折三维CT重建，并仔细观察，不可遗漏重要的碎小骨块。具体到胫骨平台骨折和股骨髁上骨折，这类骨折损伤较重，涉及关节面的骨折往往有多块，同时常伴有关节面的塌陷，恢复膝关节功能是其主要治疗目的^[20-25]。在进行CT三维重建时，应注意对以上相关的骨折块尤其是塌陷的关节面部分单独建元分析，以便在计算机辅助设计时可以撬拔复位模拟。对于后踝骨折，一般认为当负重面< 25%时骨折对胫距关节的生物力学特性影响十分微小，可不予手术复位固定^[26-32]。有学者认为当骨折块关节面≥胫骨远端关节面10%时，需切开复位固定，否则将改变关节内原有的接触应力，从而增加创伤性关节炎的发生率^[33-38]。因此对于明确的后踝骨折，在进行三维重建时均应予以建元(图3)。

2.3 数字骨科手术 随着数字化虚拟技术的快速发展，骨折的情况可以三维可视化形式展示，同时计算机辅助设计技术的发展为手术设计、手术模拟、骨折的复位、内固定的选择等提供准确的依据。可以通过软件在建立的术前骨折三维模型上进行模拟复位、固定、测量等操作。

在进行计算机辅助设计手术模拟时，应将三维模型按照预定的手术入路旋转至适当的角度，然后对其进行虚拟复位操作。术中骨折复位由于受显露条件的限制将比模拟手术情况更加复杂(特别是骶骨骨折和髋臼)，这一点在手术模拟时应予以充分考虑。此外，还应考虑神经血管保护、神经血管保护以及切口方向等问题。股骨髁上骨折可进行复位、固定等模拟手术，粉碎性股骨髁上骨折如伴有成角畸形和短缩，可同时进行模拟纠正。肘关节骨折的手术入路常取外侧或后侧切口，应注意充分了解桡神经走形并保护桡神经^[39]。跟骨骨折则可进行模拟恢复Böhler角，撬拨复位塌陷松质骨，保持距下关节的平整，矫正跟骨高度、长度和宽度等手术过程^[40]。如塌陷较大、考虑需要并有植骨可能时，可同时计算植骨量。

2.4 数字骨科在显微外科修复中的应用 提供皮瓣血供轴型血管的解剖是皮瓣切取的重点，即使术者有熟练的局部解剖知识，其术前仍很难估计患者的具体血管情况。术者如能术前了解皮瓣周围结构的解剖关系以及轴型血管走行，则可进行精确的术前设计，从而减少对经验的依赖。皮瓣在显微外科领域的应用20世纪70年代以来获得了令人瞩目的发展，它在实验研究和解剖的基础上不断深入发展，为解决骨科修复重建提供了新的思路。

随着数字化技术手段的不断完善以及微创诊断治疗技术要求的不断提高，重建皮瓣的三维解剖，实现了由平面解剖向数字解剖和立体解剖的发展已成为可能，这为直观的观察皮瓣供血情况以及制定治疗方案和最佳的手术入路奠定了基础^[40-44]。张元智等^[11]研究数字化技术在腓肠神经筋膜皮瓣移植中的应用，利用数字化技术进行腓肠神经筋膜皮瓣研究，通过三维重建并立体显示了腓肠神经筋膜皮辨结构。同时临床采用腓肠神经营养皮瓣移植对骨外露、足跟部皮肤缺损的5例患者进行了创面修复。研究证实通过三维重建技术可准确反映腓肠神经营养皮瓣的解剖学结构特点，为腓肠神经营养皮瓣移植的临床应用提供数字化、直观化的解剖依据。

2.5 个性化医疗产品或医疗辅具设计 目前的关节假体以及其他骨科医疗材料大多采用厂商提供的系列产品，但对于畸形、肿瘤、翻修和骨缺损患者，常常不能完全满足要求。计算机辅助制造技术和计算机辅助设计技术已成功运用于个性化假体置换手术中^[12]。医学界正在开展儿童脊柱侧弯矫正支具的计算机辅助设计/计算机辅助制造技术研究，并制作出相应的支具，设计出最佳的治疗方案。在足踝外科领域，可以通过对平足及糖尿病足、外翻压力分布分析，利用计算机辅助设计/计算机辅助制造技术个性化制作的矫形鞋具和鞋垫在临床上获得了良好的效果^[13]。数字技术和骨外科医学相结合制作出的个性化医疗产品，将对医疗技术发展产生巨大的推动作用。

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引言

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，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^[1-5]。

目前应用于骨科的数字技术主要包括临床计算机辅助设计/计算机辅助制造技术、人体骨肌系统力学仿真技术、三维虚拟仿真与可视化技术、有限元技术、手术导航与机器人辅助技术、医学影像处理与三维建模技术等。随着计算机信息技术的告诉发展，三维立体重建与3D打印技术在各个行业广泛应用，该项技术首先在汽车飞机制造行业应用，随着近年来生物医学信息技术的飞速发展，该项技术也逐渐的应用于医学研究与临床治疗^[2-3]。

三维立体重建与计算机手术模拟就是将患者的二维影像学资料(CT、MR)，利用计算机的图像叠加原理进行叠加，即形成三维立体图像，由于骨质影像学显影明显，计算机软件容易识别，应此人体结构三维立体重建最先应用到骨科研究，应此诞生了数字骨科，最初的CT三维重建只能在CT机所附带的工作站中进行，由于工作站需要专业的影像科医生操作，且操作程序复杂，其三维数据兼容性差，所以对于临床骨科医生应用其进行手术设计非常有限。随着现代软件技术的发展，市面上许多软件能将CT资料中的二维断面数据直接在个人PC上进行重建分析测量，且对计算机的硬件要求不高^[4-7]，操作界面友好，容易被骨科医生学习。文章旨在综述近年来数字骨科技术的应用与发展，为指导临床提供参考。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程
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材料方法

讨论

数字骨科是骨科与数字技术全面结合的一项新技术，近些年获得了飞速的发展。在以后具有更加强大功能的计算机及其软件的支持下，可以通过精度更高、质量更好的模型打印和技术含量更高的快速成型机床直接将植入材料三维成型；通过提取虚拟人数据中的特征参数或CT/MRI直接产生人体骨骼模型；在网络机器人和计算机导航的协助下实现远程网络手术；对植入物应力分布应用自动化有限元技术进行个体化预测；通过人机交互方式设计假体和个体化内固定器材，进行术前实物模拟并精确定量手术操作；研制神经元-机械接口人工假肢和全智能化人工假肢造福残疾人等等。21 世纪是数字医学的时代，目前数字骨科学的临床应用以及基础研究正处于一个持续飞速发展的技术腾飞的起步阶段，相信随着不断发展与创新，数字骨科将最终形成其自身完整的临床体系和学科理论，不断推动骨科学的发展。

目前数字化的骨科技术已在骨科应用及研究方面贡献了部分学术成果，成为推动骨科临床发展的重要动力之一。

相比于传统骨科的研究模式，数字骨科具有明显的技术优点，主要体现在以下3点：第一，数字骨科采用了计算机的人体骨骼快速成型辅助技术，在该技术帮助下对于结构较为复杂的人体骨骼模件也能够制作完成，完成后的标本可用于医生学习患者的解剖特点，从而提高医生参与手术治疗时的正确性与科学性，还可有效缩短手术时间^[40]。第二，数字骨科运用的计算机辅助设计/计算机辅助制造技术能够对患者的骨骼模件进行三维重建，为患者提供独特的假体设计，在该设计方案下制造完成的假体，与患者病变骨骼匹配程度较高，应用效果更好；计算机辅助设计技术还能用于术前的手术方案设计，模拟过程，提升手术效果。第三，计算机的辅助设计技术还能够为患者制定个体化的手术方案设计，通过手术模拟使得较为复杂的骨折情况也能得到准确外科复位，同样该技术还可用于骨科肿瘤的切除、畸形肢体的矫正以及假体配置等。

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