第四节　数字骨科学的发展趋势

骨科虚拟仿真系统将图像处理、虚拟现实、电子通讯以及骨科手术等诸多的内容结合起来，通过合理、定量、个体化和计算机交互系统，进行骨科手术的设计、模拟、干预和评估，通过视、听、触觉等感观体验，使骨科医师产生身临其境的交互视景的仿真，它综合了计算机图形、图像处理与模式识别、智能技术、传感技术、语言处理与音响技术、网络技术等多门科学，是数字医学的进一步发展和应用。

通过骨科虚拟仿真系统医师可以有效地与患者沟通，使患者和家属的知情权得到保证，同时让患者了解手术实施的基本过程，减少患者的紧张情绪。

数字化技术和数字医学的发展为数字骨科学概念的实现提供了良好的理论基础，目前有许多研究机构利用可视人计划（Visible Human Project，VHP）数据集和数字化技术进行研究开发并已获得了良好的结果，在数字解剖方面有美国仁斯利尔理工学院研制的虚拟仿真用成年男子全身模型（Visible Photographic Man，VIP-Man）、德国汉堡大学研制的Voxel-Man系统；超声波、CT、MRI数据集构建个体化数字人（法国）、英国PA咨询公司与美国菲西奥姆科学公司联合研制计算机化的“虚拟人体”系统、臂丛神经功能定位重建（复旦大学）、人体器官虚拟浏览（中国科技大学）；南方医科大学、第三军医大学、首都医科大学进行了子宫、肝胆、肾脏、骨等局部器官的构建。在手术设计与模拟研究方面已完成基于微机的具有力反馈功能的腹部手术模拟器（CS Tseng）、膝关节手术训练的虚拟环境（AD McCarthy）、虚拟现实和力反馈的内窥手术模拟器（C Baur）、全脑图谱以及外科手术规划（哈佛大学）。我国在虚拟手术设计与实施方面已成功应用于骨科、肝胆和神经外科及其他领域，如椎体骨刺切除虚拟手术操作（南方医科大学）、眼的功能模拟和临床应用（厦门大学）等，而将数字化技术应用于骨科领域并形成体系是一个全新的尝试。

数字骨科学不同于传统骨科学，其本身在骨科可以形成一个体系，骨科仿真教室不是实际的病房，而是以数字可视化形式展示，进行骨科手术的设计、训练、模拟与实施，实现基础与临床、理论与实践的完美结合，“数字骨科学”的发展方兴未艾。

“数字骨科学”包括三个基本内容：数字骨科解剖、数字骨科手术、骨科虚拟仿真系统。三维数字骨科解剖的建立是骨科虚拟教学的基础，可以使学生通过人机交互对人体模型进行浏览，数字骨科解剖能让使用者在没有任何外界干扰的情况下自由地观察、移动和生成解剖结构，更快捷地学习和了解解剖信息，充分展示个性化解剖特征（图1-1）。

数字骨科手术通过建立三维骨折（或骨病）数据库模型，直观分析、观察骨折情况、进行骨折类型分类，利用计算机和数字化技术进行手术设计、模拟，并将手术方案应用于实际手术，同时加以验证、完善和充实数据库（图1-2、图1-3）。

数字骨科手术将诊断、先进的治疗设备和外科医师有机结合起来，充分利用信息，使患者接受安全、精确、微创的手术，是一种能人机交互的系统，通过合理、定量地利用多元数据和导航系统，进行外科手术的计划、干预和评价，可促进微创手术的发展。

骨科虚拟教学是虚拟现实技术在骨科仿真训练中最重要的应用，运用该技术可以使医师沉浸于虚拟的场景内，通过多种感官了解和学习各种手术实际操作。虽然目前的多层螺旋CT可以进行三维重建并以获得很好的图像显示，但其重建的结果只能在计算机上显示，不能以其他接口的方式导出，而利用三维重建软件重建的结果可以STL和IGS格式将模型导出，然后导入其他CAD及逆向工程软件进行进一步分割、渲染，为虚拟手术设计所用。通过对获取的CT扫描数据的提取，可建立不同种类的数字化手术模型，继而可逼真地赋予手术模型组织一定的弹性、张力、实体感、真实感及血液、声音等。完全可模拟仿真出一种实境的手术环境及手术操作过程，同时可多角度、全方位观察手术的入路、内置入物位置的走行和位置，立体显示手术入路的毗连解剖关系，从而可大大提高手术操作的精确度、有效避免手术的副损伤（图1-4）。

通过对手术的模拟仿真训练，可改善传统的老师带学生、只能在手术台示教的经验式外科手术训练模式，有利于使外科手术训练规范化、程序化、标准化，从而有助于外科医师的规范化培训，有助于提高外科手术的质量与治疗效果。

骨科虚拟仿真环境可为年轻骨科医师的培养提供方便的三维交互工具，对于骨折治疗方案的设计，可以先在虚拟骨折模型上进行全方位的显示，依据其方位和虚拟系统中的数据库资料，制定手术和治疗的方案或模拟手术的定位与操作，模拟治疗的结果，进行评判，所以说骨科虚拟手术仿真训练系统具有低代价、零风险、多重复性、自动指导的优点，具有广阔的发展与应用前景。

数字骨科学的出现为骨科的临床与教学提供了全新的训练途径，改变了老师带学生、内容随机的传统模式，实现了由二维到三维、由平面到立体、由静态到动态的转变，数字骨科学的建立，有望使临床骨科系统化、标准化、实体化、立体化，有利于骨科手术医师以全新的模式和技术平台进行模拟、训练，“数字骨科学”这一骨科新分支的萌生必将极大地推动骨科学的发展。

（裴国献　张元智）