数字及逆向工程技术在复杂骨科应用进展

背景:医学数据可视化技术的快速发展及不断对医学领域地渗透,尤其使脊柱外科在诊断和治疗上发生了根本性地改变,朝着“精确化、个性化、微创化”方向发展,已成为临床骨科治疗中不可或缺的重要手段.目的:通过对数字技术在复杂骨科应用进展,明确研究突破口.方法:由第一作者在PubMed数据库、万方数据库、维普数据、中国知网库检索,时间范围为1990/2011.检索词为“个性化的定位导航模板,数字解剖模型,螺钉内固定术,逆向工程技术,快速成型技术”.纳入标准为导航模板制备工艺及技术的研究、有限元相关理论的研究、实验及临床应用.排除标准为与此文目的无关、较陈旧的文献和重复同类研究.结果与结论:利用数字化技术重建的导航模板为骨科螺钉内固定的定位、定向固定提供了一种新的方法.通过数字化重建技术可以制作个体化导航模板,将模板紧密贴合于相应的解剖结构上进行导航穿刺,即可完成对术区的准确定位和定向.对复杂骨科手术,尤其是解剖结构畸形变的患者有着不可替代的意义.为临床手术设计奠定良好的基础,提高准确性和安全性.     

CT三维重建与颈椎弓根测量

背景：三维重建技术能够提供人体内部结构的数字化三维模型,并利用相关软件在模型上进行手术设计和生物力学分析,为椎弓根螺钉的安全有效置入提供可靠数据。目的：综述CT三维重建在颈椎弓根测量中的应用。方法：应用计算机检索1990/2011PubMed数据库、维普数据库及万方数据库中有关CT三维重建在颈椎弓根测量中应用的文献,英文检索词为＂thre edimensional reformation sofmulti-slicespiral CT;cervical pedicle＂;中文检索词为＂颈椎弓根;三维CT;计算机辅助设计;脊柱外科;数字骨科;医学图像＂。结果与结论：应用CT三维重建技术可以获得清晰颈椎三维图像。颈椎椎弓根螺钉置入技术因颈椎椎弓根变异较大,临近解剖结构复杂,目前国内仅少数医院得以成功开展。而利用三维CT重建测量颈椎弓根可以模拟椎弓根螺钉置入技术,能够真实准确地观察和测量椎弓根螺钉在椎体内的情况,获取个体化解剖数据,为临床应用椎弓根螺钉置入技术提供指导。     

数字化导航模板辅助儿童胸椎椎弓根螺钉置钉的准确性

背景：目前国内外学者已将椎弓根螺钉内固定技术应用于儿童脊柱损伤治疗中,儿童胸椎椎弓根细小,解剖结构变异大、毗邻关系复杂,如将以成人数据为依据的椎弓根螺钉技术简单地应用于处于不断生长发育的儿童,手术风险极大,提高置钉的准确性和降低失误率成为儿童椎弓根内固定技术能否深入开展的关键所在。目的：利用计算机辅助设计与快速成型技术为儿童胸椎椎弓根螺钉置入提供一种个性化、精确化的定位方法。方法：对4例儿童尸体标本CT 扫描后将原始数据利用软件进行三维重建,将标本随机分为2组：一组采用传统椎弓根内固定法,另一组采用逆向工程原理及快速成型技术设计并制造出个体化导航模板,利用个体化导航模板在标本上辅助置入腰椎椎弓根螺钉,随后分别根据CT 扫描评价椎弓根螺钉置钉位置。结果与结论：传统椎弓根内固定法置钉准确率为58%;而个体化数字导航模板法的置钉准确率为81%,置钉成功率优于传统手术组,且经过卡方检验两者之间差异有显著性意义（P〈0.05）。提示个体化导航模板辅助儿童胸椎椎弓根螺钉置入具有较高的准确率,充分体现了置钉个体化原则,为儿童胸椎椎弓根螺钉的准确置入提供了一种新的可行的方法。     

股骨颈骨折空心钉内固定数字化模板的建立

背景：按照骨折治疗的 AO 原则,目前治疗股骨颈骨折的趋势是尽早切开关节囊,清除血肿,解剖复位,加强内固定,不必缝合关节囊,可降低股骨头缺血性坏死的发生率。股骨颈骨折空心钉的安放位置是维持稳定构型的关键,但置钉准确性受个体差异,置钉定位影像设备二维性及术者经验等主观因素影响较大,临床上急需一种实用性强花费较小且易于推广使用的辅助置钉方法。目的：构建骨颈骨折中空加压螺钉立体模型,通过3D生物打印技术精确建立导航模板并验证。方法：18例志愿者知情同意后,连续螺旋CT进行双侧股骨上端加密扫描。将Dicom数据导入Amira3.1（TGS）软件,三维重建骨折模型,导入Imageware12.1软件,数字化设计最佳穿刺通道,三维重建股骨颈螺钉三维立体模型。提取解剖学形态,建立反向模板,3D生物打印实物模板,进行手术模拟验证。结果与结论：成功地建立了股骨颈三维模型及空心钉内固定模型,设计出了数字通道及螺钉最佳穿刺途径,制作出导航模板。模拟手术中置钉位置全部在最佳钉位。生成的三维模型与导航模板体外贴附良好,成功穿刺后断层证明穿刺通道位置较准确。提示成功构建了数字仿真股骨颈骨折内固定三维模型,逆向工程及3D生物打印导航模板技术能够提高手术操作精确性,为临床提供理论依据和技术支持。     

本期专题：计算机辅助技术在脊柱外科椎弓根置钉和三维有限元建模中的应用

1三维虚拟图像导航技术在脊柱椎弓根螺钉固定中的应用 李书纲（中国医学科学院北京协和医院骨科，北京市100730）推荐理由：文章评估置入前CT扫描三维虚拟图像导航技术在脊柱椎弓根螺钉固定中的应用价值。与传统解剖标志定位法相比，应用置入前CT扫描三维虚拟图像导航技术置入椎弓根螺钉的精度无明显差异，且延长了手术时间，其在脊枉椎弓根螺钉固定中的应用价值有限。见2009年13卷17期3365页。     

CRTER杂志“硬组织工程”栏目关于“数字骨科学”的组稿内容

快速成型个体化导航模板辅助胸椎椎弓根螺钉置入可行性研究 逆向工程原理和快速成型技术的脊柱椎弓根定位数字化导航模板的设计     

颈椎后路侧块钢板螺钉置入治疗多节段颈椎病伴颈椎失稳

背景：侧块钢板螺钉内固定技术已广泛用于创伤及各种原因引起的颈椎不稳、滑脱和颈椎重建。目的：探讨后路椎板减压侧块固定辅助小关节撑开植骨融合治疗多节段颈椎病的效果。方法：作者以＂颈椎,侧块,内固定,植骨＂为检索词,在中国期刊全文数据库中,采用电子检索的方式进行文献检索。排除Meta分析及重复性研究,共检索到22篇文献,从颈椎侧块临床解剖、侧块螺钉固定技术,侧块螺钉固定疗效等方面进行探讨。结果与结论：颈椎侧块螺钉为后路短节段固定,最大限度地保留了颈椎的活动度,能实现对颈脊髓的充分减压,恢复椎间高度,维持颈椎生理曲度,稳定颈椎的失稳节段,并能预防颈椎后凸畸形以及神经根麻痹的发生及颈椎失稳的加重,是治疗多节段颈椎病伴颈椎失稳的有效方法。     

不同年龄寰枢椎椎弓根的数字化测量

背景：CT重建技术能够提供寰枢椎内部结构的数字化模型,并利用相关软件在模型上进行手术设计及相关参数的测量,为椎弓根螺钉的安全、有效置入提供可靠数据。目的：综述寰枢椎数字化测量的研究进展,为椎弓根螺钉技术在寰枢椎疾患治疗应用中提供理论依据。方法：应用计算机检索1994至2012年PubMed数据库、维普数据库及万方数据库中有关CT重建在寰枢椎椎弓根测量中应用的文献。中文检索词为寰椎椎弓根,枢椎椎弓根,计算机辅助设计,数字化,成人,儿童。英文检索词为atlaspedicle,axispedicle,digitization,computer-aideddesign,children。初检得到110篇文献,40篇文献最终进入结果分析。结果与结论：应用CT重建技术可获得清晰的颈椎图像,应用现代数字技术直接建立椎弓根进钉通道,根据通道的位置来确定螺钉的定位点、进钉方向及长度,该方法更直接更具体更精确,能够为临床个体化置钉提供指导。国内外对成人寰枢椎椎弓根的研究已经获得了许多重要的科学数据,但关于儿童寰枢椎椎弓根研究的报道较少见。相信随着医学技术的发展和对儿童寰枢椎椎弓根进行较精准的数字化测量,儿童寰枢椎椎弓根螺钉固定技术将更加安全、准确。     

数字化医学技术与脊柱外科的临床应用

背景：随着现代科学技术尤其是计算机技术和医学技术的迅猛发展,现代脊柱外科进入了一个崭新的时代,呈现出数字化、个性化、显微化、精确化和人工智能化的发展趋势。 目的：探讨数字化技术在脊柱外科中的应用研究进展。 方法：义乖检索词为“脊椎（spine）：腰椎（1umbar）;颈椎（cervical）;数字化（digitization）;脊柱外科（spinaIsurgery）;数‘弘骨科学（digitalorthopedics）;订限元模型（thefiniteelementmodel）：计算机辅助设计（computerassisteddesign,CAD）;微创技术（minimallyinvasivetechnology）;二维重建（threedimensionsreconstruction,3D）：CT：磁八振成像（MRI）：计锋机仿真（computeremulation）;内窥镜（endoscope）：椎间柱（intervertebraldisc）：绛戍内窥镜激光椎间鼎切除术（percutaneousendoscopiclaser-assisteddiscectomy,PELD）”,对有限元、计算机导航技术、微创技术以及医学影像在脊柱外科中的应用文献进行深入分忻,探讨数字化脊柱外科手术的特点,临床效果以及安全性。结果与结论：数字化医学在有限元模型、计算机导航技术、微创技术、医学影像等领域研究进展的基础上,建立独特的脊柱外科新方法,并将其广泛应用于临床骨科。有限元模型最大的优势在于町以反映集体内部的应力变化情况,有限元分析应用于医学生物力学后,取得了很_人的进步与发展。计算机导航技术的：【作原理是利用数字化影像信息通过媒介体输入计算机工作站,经运算处理后重建三维模型影像,通过相关软件,在此影像基础上进行术前计划并模拟进程,通过高解像度的显示屏从各个方位观察到当前的手术入路以及各种参数,完成微创手术。微创脊柱外科采用微小切口或穿刺通道,运用特殊的器械或装置在影像仪器监视下或导航技术的引导下进行于术。医学影像分析作为信息科学技术为基础的交叉学科研究,对脊柱外科的临床诊断和观察具有参考价值。数字化医学高效率、高精度、二维立体地了解疾病的分布、形态、结构,最大程度减少手术创伤,在脊柱外科应用中的前景广阔。     

腰椎骨折治疗中置入螺钉内固定系统的安全性评价

背景：腰椎骨折后经椎体椎弓根植入螺钉内固定技术在临床上应用越来越广泛,但其安全性及有效性仍存在争论。目的：评价腰椎骨折治疗中置入螺钉内固定系统的安全性及其并发症发生情况。方法：采用电子检索的方式,在万方数据库（http：//www.wanfangdata.com.cn/）中检索2000-01/2011-12有关置入螺钉内固定系统治疗腰椎骨折的研究文章,关键词为＂腰椎骨折,螺钉,内固定＂。排除重复研究、普通综述或Meta分析类文章,筛选纳入31篇文献进行评价。结果与结论：置入螺钉内固定系统治疗腰椎骨折的不安全性主要存在于：错位固定、椎弓根定位错误、复位欠佳、骨折过度复位、神经损伤。内固定后并发症包括：螺钉断裂、连杆断裂、假关节形成、矫正度丢失、切口裂开。术者具有良好的脊柱解剖知识及脊柱外科手术经验,熟练掌握器材的性能及使用技术要求,椎弓根螺钉的准确定位及准确置入是内固定成功的关键;内固定后配带支具及扶拐功能锻炼,恰当的植骨技术,可减少断钉率及提高植骨融合率。由于椎弓根螺钉系统在力学结构上的合理性,加上在设计、材质、工艺及操作技巧的不断改进与完善,以及影像学技术及计算机导航系统的不断发展,其置入安全性将明显提高。     

经伤椎椎弓根置钉技术在胸腰段骨折中的应用

背景：对于胸腰椎骨折,有很多固定方式,但目前经伤椎后路短节段内固定是损伤最小、费用较少,且固定牢固的固定方式。目的：系统阐述伤椎置钉技术的发展及其临床应用效果。方法：应用计算机检索1983-01/2011-06PubMed数据库、中国知网数据库中相关文章,中文检索词为＂伤椎置钉,椎弓根螺钉内固定,胸腰段骨折＂,英文检索词为＂intermediate screws,pedicular screw fixation,thoracolumbar fracture＂。排除重复文献。结果与结论：共纳入48篇文献进行综述。目前,生物力学实验及临床应用结果证明,经伤椎短节段椎弓根螺钉内固定能即时复位骨折椎体,恢复椎体高度,且同传统的后路短节段内固定相比,能有效地降低内固定松动或短钉、伤椎高度再次丢失等并发症的发生率。     

导板导航在复杂腰椎椎弓根螺钉置入手术中的初步应用

目的：探讨导航导板椎弓根螺钉置入技术在复杂腰椎疾病手术中的应用价值。方法回顾性研究本组7例患者：严重退行性腰椎脊柱侧弯4例,退变性腰椎术后翻修3例,其中HIV阳性患者2例。应用三维CT断层扫描腰椎,保存数据为DICOM格式输入计算机处理,然后进行病变区域的数字化三维重建和快速成型,根据快速成型脊柱模型制作椎弓根导航导板,并将其应用于临床。同时随机抽取未做脊柱模型的7例严重腰椎患者作对照研究。结果7例患者按计划成功完成了手术,无脊髓、神经、血管损伤手术并发症,术后效果满意,术中所见与术前数字化三维重建模型的形状和测量结果完全一致,椎弓根导航导板效果良好,术后X 线和CT复查显示椎弓根螺钉位置正确。结论快速成型脊柱模型椎弓根导板导航是一种新的技术方法,技术简单,不需要特殊的手术经验,并且可以缩短手术时间,减少术中出血,减少或避免手术中透视,为严重腰椎疾病手术中准确、安全有效的辅助技术手段。     

寰枢椎损伤解剖学基础及植入物内固定治疗的生物力学特征

背景：寰枢椎疾病的发病率逐年上升,由于其解剖结构及毗邻关系复杂,因此选择正确的内固定技术对疾病的治疗起着至关重要的作用。目的：综述寰枢椎损伤的解剖学基础及内固定治疗技术的进展,指导临床应用。方法：由第一作者检索万方数据库（http：／／www.wanfangdata.com.cn）及Pubmed数据库（http：／／www.ncbi.nlm.nIh.gov／pubmed）中1974／2010已发表的关于寰枢椎解剖及其内固定技术的文献,在标题和摘要中以“寰枢椎;解剖学：内固定”或“atlantoaxial;anatomy;interalfixation”为检索词进行检索。选择文章内容与寰枢椎解剖学及内固定技术相关,同一领域文献则选择近期发表或发表在权威杂志文章。初检得到114篇文献,根据纳入标准选择26篇文章进行综述。结果与结论：寰枢椎作为枕颈移行部,是构成头颅旋转及屈伸运动的重要结构,因其邻近颈髓、椎动脉和颈神经等重要结构,任何原因所导致的寰枢椎和韧带的损伤,均可导致寰枢椎不稳,目前寰枢椎内固定技术繁多,应根据患处解剖特点、各种方法的适应证,以及医生的操作能力,来选择一个最合适的技术方法。     

医学图像可视化及加速技术的研究进展和趋势

背景：近年来图像可视化技术蓬勃发展,相应的各种加速算法也层出不穷,但少有文献就此方面进行综述和概括。目的：尝试对医学图像可视化技术及加速技术的研究进展和发展趋势进行归纳和概括。方法：由第一作者检索2000／2009PubMed数据及万方数据库有关医学图像三维重建、科学计算可视化、可视化加速技术等方面的文献。计算机初检得到56篇文献,根据纳入标准保留23篇进一步归纳总结。结果与结论：医学图像可视化技术可以在重建三维图像模型的基础上,进行定性定量分析,便于人们更清楚地认识蕴涵在体数据中的复杂结构,这对于医学研究和临床诊断都具有十分重要的理论意义和应用价值。医学图像可视化技术通常分成面绘制和体绘制这两大类。’由于面绘制技术的缺点和局限,以及计算机技术的迅猛发展,目前人们越来越多地关注体绘制技术及其加速技术。医学图像可视化技术及其加速技术如能与虚拟现实及GPU相结合;’必能发挥更大的作用,真正体现其价值。     

前路腰椎椎间融合的理论研究及其治疗进展

背景：前路腰椎椎间融合已成为一种椎间融合的标准技术,广泛应用于椎体滑脱、椎间盘源性疼痛、腰椎失稳等病症的治疗。目的：归纳总结前路椎间融合器的种类、前路腰椎椎间融合的临床应用及内固定器械种类等方面的研究进展。方法：以＂anterior lumbar interbody fusion＂为检索词,检索PubMed数据库（1979年1月至2012年1月）。以＂前路腰椎椎间融合术＂为检索词,检索万方数据库（1979年1月至2012年1月）。文献语种限制为英文和中文。结果与结论：计算机初检得到567篇文献,根据纳入排除标准,对39篇文献进行分析。近年来,前路腰椎椎间融合在临床应用方面及椎间融合器自外形到材料等都有很大发展,椎间融合率不断提高;多种内固定器械开始用于临床以增强前路融合的稳定性;小切口术式的临床应用,腹腔镜下手术的开展,使手术趋向微创化。     

组织工程中3D生物打印技术的应用

背景：近年来,研究者将最先应用于工程领域的3D打印技术嫁接到组织工程学中,希冀利用3D生物打印技术进行体外组织、器官复制过程,并取得了一些令人惊喜的成果。 目的：从3D打印技术的原理、打印操作步骤、与组织工程学的关系、优势和难题、临床应用等方面对其目前的发展趋势做一概述。 方法：第一作者应用计算机检索2000年1月至2013年10月PubMed数据库、中国期刊全文数据库、维普中文期刊网有关3D生物打印技术在组织工程中应用的文章,英文检索词＂three-dimensional bioprinting, tissue engineering, rapid prototyping technology, scaffold materials, selective laser sintering, fused deposition modeling, stereolithography ＂,中文检索词＂3D生物打印,组织工程学,快速成型技术,支架材料,选择性激光烧结,熔融沉积成型,立体光刻技术＂,排除重复性研究。共检索到79篇相关文献,其中52篇文献符合纳入标准。 结果与结论：3D生物打印就是借助影像技术（CT、MRI）资料的辅助,应用计算机辅助设计技术虚拟出待构建体的三维结构,然后利用相应的材料,逐层创建出实体的一种组织工程学技术。其具有高精度、构建速度快,可实现按需制造等优势,但也面对力学、生物学等方面的难题,临床应用前景广阔。     

髓内钉和微创钢板在肱骨干骨折内固定治疗中的应用

背景：随着微创技术的开展,髓内钉和微创钢板内固定广泛应用于肱骨干骨折并取得良好效果,但也并存一些并发症,如何改进内固定的设计及操作以减少或避免并发症成为研究热点。目的：总结近年来肱骨干骨折微创内固定的治疗进展。方法：由第一作者检索PubMed/MEDLINE（http：//www.ncbi.nlm.nih.gov/PubMed）、Webofknowledge（http：//apps.isiknowledge.com）、OVID（http：//ovidsp.tx.ovid.com）、Elsevier（http：//www.sciencedirect.com）、中国期刊网（http：//epub.edu.cnki.net）及万方数据库（http：//wanfang.lib.sjtu.edu.cn）2005/2010有关髓内钉和微创钢板内固定治疗肱骨干骨折的文献,英文检索词为＂humeralshaftfractures,internalfixation,minimallyInvasvie＂,中文检索词为＂肱骨干骨折,微创,内固定＂。排除重复性研究及肱骨干病理性骨折相关文献,纳入32篇文献进行综述。结果与结论：只有准确掌握肱骨干骨折及不同内固定种类的特点,做到个体化治疗,才能达到最好的治疗效果并最大程度减少并发症。目前深化了对肩袖损伤的认识,初步寻找到减少肩袖损伤的方法,改进了髓内钉及钢板的设计,在方便操作、减少手术时间的同时一定程度上避免了神经血管损伤。