發布日期：2023-8-15 22:44:59
古往今來，每一次高新技術的發展都在推動著醫學領域不斷的前進與開拓創新，回顧骨科學的發展歷程,前后大體經歷了顯微外科、微創外科及數字骨科3個階段。顯微外科技術使臨床外科醫生能夠克服人的自然視力限制,更精細地解剖、切開縫合各級組織，顯著提高了外科手術質量，推動了外科學整體水平的前進。20世紀末，微創外科技術的問世是現代外科學發展史上的一個里程碑，一次重大的突破，微創外科技術當前在臨床得到了廣泛的應用，其中最突出的代表便是內鏡技術,使外科手術更加微創化同樣是當前醫學領域的重要方向［1］。近年來，數字骨科技術在骨科領域展現出了強大的生命力，彰顯出了巨大的發展前景和臨床應用價值，其中在人工智能(artificial intelligence, AI) 技術和3D打印技術的推動下產生了諸多新型診療思路，具有極大發展潛力。本文對近年來AI技術和3D打印技術在骨關節領域的應用和研究進展進行綜述。
1、 AI技術在關節領域的應用進展
AI是研究、開發用于模擬、延伸和擴展人的智能的理論、方法、技術及應用系統的一門新的技術科學，該領域的研究包括機器人、語言識別、圖像識別、自然語言處理和專家系統等。“人工智能”一詞最早出現于20世紀50年代,最初僅僅是機器展示人類智能的簡單理論霍在當今這個技術快速進步、超大數據集(“大數據”)呈指數級增長的時代,AI已經達到了前所未有的規模并從單純的理論過渡到實際應用,已經扎根于社會的方方面面［3］o新技術發展的同時，也為醫學領域注入了新的生命力，現階段,AI技術在關節領域展示出巨大的發展與應用潛力。
1.1 AI技術輔助關節外科臨床診斷
進入21世紀后各種形式的數字成像在醫學和醫療保健領域變得越來越強大和不可或缺,X線、CT、MRI等影像技術成為了骨科醫生臨床診斷中重要的輔助工具，但是臨床醫生常常因工作繁忙、壓力大而造成漏診、誤診的風險�；贏I的子領域一機器學習(machine learning, ML)與深度學習技術作為AI的重要研究方向,在骨科領域得以廣泛應用，可替代人類
醫生大量的重復性工作,減輕工作壓力，協助提高診斷率、降低誤診率、減少漏診［4-5］。Karnuta等問設計出一種基于X線片診斷骨關節炎的技術，該技術通過ML的一種預測算法,分析圖像中的像素并識別骨關節炎的相關特征,將所有相關信息劃分為一個模式,將其與已知的骨性關節炎模型相匹配,在遇到未知圖像時即可做出診斷性決策。髓關節骨性關節炎是中老年人群的常見病,傳統上，髓關節骨性關節炎的診斷是通過人工評估X線圖像,Xue等［7利用深度卷積神經網絡模型(convolutional neural network , CNN )在 420 張髓部X線圖像上進行測試,以自動診斷髓關節炎,結果顯示該CNN模型具有95.0%的高靈敏度和90.7%的高特異性，以及92.8%的準確性，該模型的性能堪比一個10年經驗的主治醫師。Norman等[8]利用DenseNets模型對膝關節骨性關節炎進行評估和診斷，該神經網絡的結果正確反映了骨關節炎特征，可以幫助放射科醫生作出更準確和精確的診斷。
1.2 AI技術輔助關節外科手術
基于計算機的技術,包括軟件和硬件在如今的外科手術方面發揮著越來越重要的作用。骨科手術機器人成為推進微創、精準骨科治療的核心技術與設備，在臨床中的應用愈加廣泛。骨科手術機器人與AI結合,使微創化、智能安全化、精準化與個性化疾病治療成為可能,在關節骨科領域取得了不錯的臨床效果化機器人輔助全膝關節置換術(total knee arthroplas
ty, TKA) 與傳統手術相比能減少軟組織損傷，提高假體植入物的精確度，并降低術后疼痛感與全身并發癥發生率,從而增加患者滿意度;機器人輔助單課膝關節置換術能夠顯著減少并發癥的發生率，使患者獲得更快的術后恢復速度并更真實自然地感知膝關節［10-11］。吳東等［12］研發出一套人工智能輔助全髓關節置換術三維規劃系統(AIHIP),在術前對擬行單側初次全髓關節置換術(total hip arthroplasty, THA)治療的60例股骨頭壞死患者進行隨機分組，其中30例使用AIHIP系統、30例使用膠片模板測量方法進行術前規劃，結果顯示AIHIP系統可實現對髓關節的全面三維評估，與傳統二維模板測量方法相比,具有更高的準確性和有效性。隨著云計算、3D打印技術、AI技術、大數據等技術的發展，參照我國人群骨骼解剖設計的內植物設計正不斷變成現實,為患者提供最優化、個性化的內植物，使關節外科手術提供了更多的選擇,避免了術后并發癥的發生[13]。
AI技術輔助臨床診斷，提高了診斷效率,緩解了臨床醫生的壓力,讓有限的醫療資源能更好地分配到每一個患者身上。同時，隨著AI聯合手術機器人等技術在臨床的應用愈發普遍,讓手術過程變得更加精細化、微創化,縮短了整個手術過程、減少了出血時間和并發癥，讓患者能夠早日獲得康復。
2 、3D打印技術在關節領域的應用進展
3D打印技術又稱為快速成型技術，是以一種數字資料為基礎，根據熔融沉積制造、光固化立體成型術等各種不同的成型方式，運用粉末狀金屬或塑料等粘合材料,通過分層加工、逐層堆疊累積等方式創建三維實體的新興技術網。近年來，隨著計算機、大數據、數字影像等技術的快速發展，尤其是合金材料的應用,3D打印技術在關節骨科領域中得到了廣泛的發展,包括術前規劃、術中導航、個性化關節置換模型和假體的制作等，深受醫生和患者的青睞，具有極大的發展潛力。
2.1 3D打印技術在關節外科手術中的應用
傳統的關節外科手術時,在螺釘置入和截骨時為了保證其準確性,避免損傷血管、神經及周圍重要臟器等結構,往往需要依靠術中多次透視及主刀醫師的手術經驗,造成手術時間過長,并存在螺釘松動的風險。基于3D打印技術制作的截骨導板在術前對CT等影像資料進行三維重建，確定術中螺釘置入的位置、深度和方向，進行個性化手術設計，可以減少術中透視次數,簡化手術過程，同時提高手術效率和精度叫Sun等購設計了一種3D打印專用髓內導向器,對納入標準80例膝關節骨性關節炎患者實行隨機分配，并分別實施3D打印個體化輔助TKA和常規TKA,術后發現3D打印個體化組的髕骨運動軌跡更好，可以更準確地輔助髓內引導，具有更好的假體置入精度。王躍輝等切運用3D打印髓關節旋轉中心定位器輔助進行THA,術后發現3D打印髓關節旋轉中心定位器,可有效協助髓關節旋轉中心的重建，精準植入髓臼假體，具有良好的手術精度。Wang等兩為髓臼盆腔惡性腫瘤設計了一系列3D打印、定制的多孔結構半骨盆一體化內假體，術后結果顯示該定制一體化設計,準確并完整地植入骨盆,無假體脫位、假體斷裂、假體無菌性松動或局部復發等并發癥,為盆腔重建患
者提供了可接受的早期結果。
2.2 3D打印技術在術前宣教、人工假體、骨關節損傷修復中的應用
通過3D打印制作出的1：1模型，在關節外科術前溝通中同樣發揮著積極的作用,以膝關節置換為例子,通過所打印出的3D模型能夠能夠使患者更加直觀地理解醫學專業知識,實現有效的術前溝通,讓患者能夠更加清楚地了解自身的病情情況,進而有效地減少醫患矛盾的發生。同時3D模型及術前的操作演示也有助于團隊在體外完成手術預操作并有針對性地提出其中存在的風險和相應預案，使整個手術方案更加成熟，進而幫助骨科醫生縮短手術時間，改善臨床結果凹。關節假體與骨頭的匹配度直接影響人工關節置換術的效果,關節假體如果不能較好地和骨與軟組織匹配的話，髓腔與假體之間可能留有間隙，并可能此而發生關節松動，甚至導致假體滑脫影響療效。
因此人工關節個體化的要求越來越高，目前3D打印個性化設計假體在骨科臨床上已得到廣泛應用,根據患者自身影像學數據設計出與其生理解剖相匹配且高精度的個體化假體可以顯著提高手術成功率，減少術后并發癥㈣。在骨關節損傷修復重建方面，關節軟骨再生能力較差,關節腔內血管分布較少,只能依靠滑膜分泌的滑液滋養，因此軟骨一旦損傷后,修復較為緩慢。3D打印技術可采用聚合物材料、生物陶瓷、天然材料等生物活性材料對復雜組織超微結構進行仿生構建,并可通過對支架材料的力學性能調控及內部結構設計,構建適合細胞生長的微環境,如果該細胞支架符合軟骨細胞生長的特點,細胞與滑液就能進行充分的接觸,從而促進軟骨細胞生長［21］。
3、 AI聯合3D打印在關節外科的應用
膝髓關節置換術是治療終末期膝髓骨關節炎的重要方法，可恢復關節的形態、功能。據不完全統計,我國髓膝關節置換的手術量已由2011年的22萬臺上升到2019年的95萬臺,并以每年超過19%的速度增長,為數百萬的患者解決了問題2］。盡管近年來我國人工膝、髓關節置換手術水平取得了飛速發展。盡管已經被認為是20世紀外科手術中最成功、最重要
的手術，但人工髓、膝置換術中仍存在很多尚未解決的問題。目前臨床中關節置換手術計劃的制訂多是根據臨床影像學資料，難以準確、全面地反映病變關節的具體信息,尤其是截骨角度的把握,多數依賴主刀醫生的個體臨床經驗，另外患者滿意度及遠期假體生存率的主要因素包括肢體不等長、關節不穩定、力線不佳、假體位置不良等,而造成這些問題的原因除了手術醫生的技術外,還跟假體的設計精度及材料密切相關㈤。為了能更好地解決這些問題，達到當前關節外科微創化、精準化、個性化的目標，越來越多的數字技術被應用到關節外科手術中。當前,AI聯合3D打印技術已經被應用于臨床實踐中,給臨床工作帶來了全新的思路。
3D 打印輔助工具在術前根據患者的病情定制化設計，在術中作為醫生的得力助手進行精確測量，輔助完成術中精準安裝假體、截骨等操作，減少手術時間和出血量，使假體能夠更好地貼合生理解剖結構。
AI技術可在術前進行三維重建、人工智能識別和分割、人工智能矯正和測量、假體預放置,并在此基礎上個性化定制3D打印輔助工具，為關節置換手術的整個過程進行周密和精確的個性化術前規劃。劉帥［24］將3D打印個性化截骨導板與計算機設計技術相結合輔助TKA,結果顯示3D打印個性化截骨導板與計算機輔助技術相結合能夠提高假體精準度,具有良好的臨床實用價值，提供精準的個體化手術方案。吳東等㈤將3D打印技術與計算機輔助技術相結合，利用計算機輔助技術導入患者術前影像學檢查數據,在此基礎上獲得個性化的三維重建手術規劃，并利用3D打印技術提供精準的手術定位導航,結果顯示此全新的個性化定制THA手術導板能夠更加貼合患者的生理解剖,降低THA手術難度,提高手術精度,經臨床證實后，具有良好的有效性和安全性。惠州市人民醫院骨科團隊使用“人工智能+3D打印技術+直接前方入路”三合一技術,成功完成了國內首例三合一技術全髓關節置換術，術后當天患者即可下地活動,獲得了令人滿意的臨床療效。三種技術共同使用的目的是讓手術的創口更小、讓關節置換的過程更精確、讓患者在術后能獲得與假體更好的匹配度，更舒適地行走。另外,AI聯合3D打印在年輕醫生的教學工作中同樣發揮著重要的作用,醫學操作本身具有侵襲性，在當今社會中患者自我保護意識強化、醫患關系敏感化、手術室資源應用盡可能最大化的背景下，以患者為對象進行直接臨床技能操作教學的傳統教學模式已經逐漸被淘汰,膝髓關節置換對很多年輕的外科學員來說，手術設計和長期的培訓獲得經驗的機會有限，培訓難度較大。有研究表明西，模擬教學能夠提高年輕醫生的臨床操作信心，這對年輕醫生的成長至關重要，利用機器人系統和3D打印產生的逼真仿真進行訓練的結合手術設計的混合模型，可以降低年輕醫生的成長周期,提高醫學教育水平,為患者提供安全、有效的治療[27]。
4、小結
高新技術的發展為臨床骨科的診療工作帶來了眾多的新型診療思路，給傳統骨科的診療模式帶來了巨大的變革和發展。科技進步帶來了機遇也帶來了挑戰，首先，臨床大數據是AI發展的重要基石,但是如何將非結構化數據和大數據集變得直觀可視化，最終轉化為通用性工具供醫護人員在臨床中使用至為重要，基于AI算法的應用通常會導致復雜數據的產生，
這些數據的處理與交融需要跨科合作,開發團隊勢必龐大，需要多個學科共同配合。其次前期的數據錄入與機器投入相對較高,醫學數據的多樣性、不完整性、隱私性，以及當醫學數據泄露后可能涉及的倫理等問題同樣需要解決。3D打印也存在著相關問題,如關節軟骨修復現階段仍停留在動物實驗和體外階段，其臨床有效性與安全性仍需要繼續研究，實物模型耗費貴,相關法律文件仍有待完善,缺乏切實可行的政策性文件,對于現有的前期應用尚缺乏具有說服力的長期隨訪數據,未來仍有待開展更多高證據級別的臨床研究。數字骨科蓬勃發展的同時雖然也存在著局限性，但是古往今來每一次高新技術的進步都為醫學領域帶來了前所未有的發展，相信隨著骨科臨床醫生、骨科科研人員乃至機械工程師等的共同努力,智能骨科時代很快就會來臨。
[參考文獻]
[1] 裴國獻.數字骨科:骨科領域的第三次技術浪潮[J].中華創傷骨科雜志,2019,21(1):3-5.
[2] Viktor D.Encyclopedia of Creativity[M].3rd ed.Oxford: AcademicPress，2020：57-64.
[3] Myers TG,Ramkumar PN,Ricciardi BF,et /.Artificial Intelligence and Orthopaedics：An Introduction for Clinicians [J].JBone Joint Surg Am,2020,102(9)： 830-840.
[4] Castiglioni I,Rundo L,Codari M,et al.AI applications tomedical images：from machine learning to deep learning [J].Phys Med,2021,83：9-24.
[5] Kaul V,Enslin S,Gross SA.History of artificial intelligence in34 CHINA MODERN MEDICINE Vol. 30 No. 1 January 2023medicine[J].Gastrointest Endosc，2020，92(4) 807-812.
[6] Karnuta JM ,Luu BC,Haeberle HS,et al.Machine learningoutperforms regression analysis to predict next-season majorleague baseball player njuries:epidemiology and validation of13982 player-years from performance and injury profiletrends , 2000—2017[J].Orthop J Sports Med,2020,8( 11 ):2325967120963046.
[7] Xue Y,Zhang R,Deng Y,et al.A preliminary examination ofthe diagnostic value of deep learning in hip osteoarthritis [J].PLoS One,2017,12(6)：e0178992.
[8] Norman B,Pedoia V,Noworolski A,et al.Applying DenselyConnected Convolutional Neural NeLworks for Staging Os-LeoarLhriLis Severity from Plain Radiographs[J].J Digit Imag-ing,2019,32(3)：471-477.
[9] 高宇，翟吉良，丁大偉，等.人工智能在骨科手術機器人中的應用與展望[J].中華骨與關節外科雜志，2022,15(2)：155-160.
[10] Pailh佴 R.Total knee arthroplasty: Latest robotics implantationtechniques [J].Orthop Traumatol Surg Res , 2020,107( 1S )：102780.
[11] Ofa SA,Ross BJ,Flick TR,et al.Robotic total knee arthroplasty vs conventional total knee arthroplasty:a nationwidedatabase study[J]. Arthroplasty Today, 2020,6(4)： 1001-1008.
[12] 吳東,劉星宇,張逸凌,等.人工智能輔助全髖關節置換術三維規劃系統的研發及臨床應用研究[J].中國修復重建外科雜志,2020,34(9)： 1077-1084.
[13 ]趙建寧.智慧醫療在骨科的應用現狀及展望[J].醫學研究生學報,2021,34(5)： 449-452.
[14] RiclesLM,CoburnJC,DiPrimaM,et al.Regulating3D-print-ed medical products [J]. Sci Transl Med , 2018,10 ( 461 )：eaan6521.
[15] 林濤，歐陽漢斌，鐘環，等.3D打印技術在關節外科領域應用研究進展[J].中國骨與關節損傷雜志,2021,36(6)：669-671.
[16] Sun ML,Zhang Y,Peng Y,et al.Accuracy of a Novel3D-Printed Patient-Specific Intramedullary Guide toControl Femoral Component Rotation in Total Knee Arthroplasty[J].Orthop Surg，2020，12(2)：429-441.
[17] 王躍輝，曹亮亮,鄒士平，等.3D打印髖關節旋轉中心定位器在全髖關節置換術中的輔助作用[J].中華創傷骨科雜志，2020，22(3)：243-248.
[18] Wang J,Min L,Lu M,et al.What are the Complications ofThree -dimensionally Printed,Custom -made袁IntegrativeHemip el vic Endoprostheses in Patients with Primary Malignancies Involving the Acetabulum 袁 and What is the Function of These Patients?[J].Clin Orthop Relat Res,2020,478(11):2487-2501.
[19] Huang JH，Liao H，Tan XY， et al.Surgical treatment forboth-column acetabular fractures using pre-operative virtualsimulation and three-dimensional printing techniques [J].Chin Med J(Engl)，2020，133(4) 395-401.
[20] 華志勛，陳國強,袁俊虎，等.3D打印技術在關節外科中的應用進展[J].中國骨與關節損傷雜志，2022,37(2)：218-220.
[21] Setayeshmehr M，Esfandiari E，Rafieinia M，et al.Hybrid andcomposite scaffolds based on extracellular matrices for cartilage tissue engineering[J].Tissue Eng Part B Rev，2019，25(3)：202-224.
[22] 邊焱焱，程開源，常曉，等.2011至2019年中國人工髖膝關節置換手術量的初步統計與分析J].中華骨科雜志，2020，40(21)：1453-1460.
[23] 張先龍，王坤正.關節外科的未來一數字骨科技術在關節外科的應用[J].中華骨科雜志，2021,41(8):525-531.
[24] 劉帥.計算機輔助設計與3D打印導板技術在人工全膝關節表面置換中的應用[D].南京:南京醫科大學,2017.
[25] 吳東，尹濟琛,盧江楓，等.個性化定制手術導板在全髖關節置換術中的應用[J].骨科,2019,10(5)： 372-378.
[26] Morris MC，Conroy P.Development of a simulation-basedsub-module in undergraduate medical education[J].Ir J MedSci,2020,189(1 )：389-394.
[27 ]黃瑩,羅文浩，范彧，等.機器人輔助全膝關節置換術設計結合3D打印高仿真教學模型模擬手術在研究生教學中的應用[J].基礎醫學與臨床,2022,42(6)： 988-993.