【述评】数智时代下骨科的发展趋势与前景【2024年10月第5期】

李建涛 张里程

解放军总医院第四医学中心骨科医学部 国家骨科与运动康复临床医学研究中心，北京 100048

通信作者：张里程， Email：zhanglcheng218@126.com

摘要

随着信息革命的不断深入，诸如人工智能（AI）、混合现实、3D打印、5G等前沿技术在骨科医疗领域展现出了巨大的潜力。作为医疗产业的重要分支，骨科的诊疗过程涵盖了多学科的交叉融合，目前正经历着新技术驱动下的全面变革。借助AI算法，先进的医学图像处理技术正在优化诊疗流程，进一步提升了治疗的安全性和有效性。混合现实技术凭借其可视化导航功能，极大地提高了手术的精准度。而3D打印技术的崛起，推动了个性化植入物的发展，有望减少二次手术的需求并提升康复质量。此外，5G技术的引入为远程医疗服务的实现提供了强有力的支持，使得医疗资源能够更广泛地共享。在科技不断进步的时代背景下，骨科正在向智能化、自动化、智慧化方向迈进，将为人类健康事业提供更为优质的保障。

自新一轮信息革命以来，人工智能（artificial intelligence，AI）、混合现实、3D打印、5G等领先技术对社会经济和产业结构产生了深刻影响，并在医疗健康领域展现出巨大潜力^{［‍1‍］}。骨科的发展史是一部由技术演进所驱动的进化史^［2］。作为医疗行业的一个重要分支，骨科的诊断和治疗过程涉及医疗、工程、图像处理等多学科的交叉与融合，在新技术推动的产业升级中，注定将经历全面变革^［3］。近年来，数字技术在医疗卫生领域展现出重要的战略价值^［4］，以AI为代表的现代科技成果已在骨科领域得到广泛而有效的应用，标志着智能骨科时代的开启^［5-8］。本文旨在对智能骨科所涵盖的若干方面进行探讨，为数智化在骨科领域的探索提供借鉴和思考。

一、先进医学图像处理技术辅助骨科疾病的诊治与预测

骨科疾病的诊断多基于影像学资料，AI技术中的“卷积神经网络”算法具有图像分析识别的独特优势。从海量的医学数据中，利用AI算法构建骨科疾病影像学诊断标准和术后结局指标之间的映射关系，重新分配与调整诊疗过程中不同层次的结构化数据的权重，将为疾病诊断、治疗决策、手术规划提供智能化指导，最终将建立骨科疾病诊治及预测体系。骨科AI诊疗模式将为骨科疾病提供最优的治疗方案及可预见性的诊治结果，减少对于个人的经验性依赖，从而规避不良事件发生，提升疾病治疗的安全性和有效性。非监督学习聚类分析的转子间骨折分型系统^［9］，基于机器学习的髋部骨折预测模型^［10］，AI引导的骨科疾病预后预测模型^［11］等，均是AI技术在骨科领域应用的积极探索，并取得了系列令人欣喜的成果。

在推动骨科疾病诊疗的进步中，先进的图像处理技术虽带来了众多创新和便捷，但也面临一系列挑战。智能化医学图像处理不仅依赖于大量的计算资源，并且需要先进的深度学习算法来执行图像特征提取及多模态数据融合，这无疑导致了高昂的成本和资源投入。此外，大规模异质医学图像数据的存储与处理、患者隐私信息的保护与应用，以及新技术背景下的道德伦理问题，都是未来可持续发展的关键挑战。

在AI驱动的图像处理技术迅速发展的今天，加强自主创新和提升核心技术能力变得尤为重要。同时，亟须完善监管和法律体系，确保创新技术的安全管理和合规运用。更为重要的是，深化医学、研究、政策和企业之间的协同创新，促进AI技术向临床应用的转化，实现技术创新在医疗领域的落地实施，从而惠及民生，推动医疗事业的蓬勃发展。

二、混合现实驱动骨科可视化导航技术的发展与应用

基于混合现实的可视化导航技术是数智骨科体系中极为重要的一部分，是精准手术治疗的基础，也是骨科手术机器人技术开展的重要组成。可视化导航技术是整合AI、术中导航和混合现实技术于一体的全息视觉影像技术，是骨科疾病治疗体系的新趋势。该技术采用非放射的方式完成手术部位、路径实时跟踪和呈现，具有精准、微创和零辐射的特点。

可视化导航技术实施的基础包括手术规划系统和导航执行系统。手术规划系统的主要功能是骨骼三维重建、手动复位交互、多模态图像配准与融合显示、骨骼标志物自动识别、多平面重建以及手术计划输出。导航执行系统的主要功能是接收并显示导航硬件传输来的位姿信息，与术中影像进行实时融合和动态多平面重建计算，最终通过用户界面给出操作引导信息，提升操作的精度，同时避免X线的暴露风险。

多模态图像的配准与融合技术能够在统一空间坐标系内实现组织模型、多种成像模式所获图像以及手术器械等多元信息的精确对齐与整合。这一过程极大地丰富了临床诊疗中可用的组织结构和功能信息，为医疗决策提供了更为全面和精准的辅助数据^［12］。

基于术前CT影像数据构建的可视化技术，结合了混合现实可视化技术和光学导航系统，实现了对骨结构以及手术过程中实时变化的三维高精度可视化。通过“智能可视化规划系统”，可以精确地计算和规划出手术操作所需的详细量化信息，并数字化输出至终端显示或手术执行模块，从而确保手术操作的定量化管理。此外，光学导航技术确保了手术流程严格按照预定方案逐步实施，从而提高了步骤的精确性。在完成整个操作过程后，基于数据标注基础的结果分级，规划系统会对整体效果进行评价，从而实现技术体系的“数智化”。

三、定制化3D打印骨科植入物的应用与发展

3D打印技术通过逐层堆积材料的方式构建，无需依赖传统模具即可直接形成复杂的三维实体。这一创新技术显著提高了生产效率并增强了制造过程的灵活性。在骨科医疗领域，3D打印技术凭借其高精度、个性化定制能力以及材料的多样性等显著优势，已逐渐成为推动该领域创新与发展的关键力量。

传统的骨科植入物大多采用标准化设计，往往难以满足患者个性化的骨骼结构需求。然而，3D打印技术的引入有效地解决了这一问题。通过利用该技术，可以根据患者的三维骨骼模型定制与其骨骼结构完全吻合的植入物，从而显著提高了手术的精准度与成功率。目前，3D打印技术已被广泛应用于创伤、脊柱、关节、骨肿瘤等多个骨科亚专科的手术中。

未来，随着材料科学的进步，将涌现出更多具有优良生物相容性和机械性能的新型材料，这将显著扩展3D打印在骨科植入物领域的应用范围。特别是可降解复合材料的研究，有望克服传统金属植入物可能导致的无菌性松动和骨溶解等问题，并有助于减少患者对二次手术的需求。同时，随着数智化技术的快速发展，3D打印技术将与AI、4D打印和大数据深度整合，进一步提高植入物设计的精度和效率，实现更加智能化和自动化的生产流程^［13］。同时，医学影像技术和计算机技术的快速发展也将为3D打印提供更精确的数据支持，增强模型的准确性和实用性。

3D打印技术在骨科领域展现出革命性的前景，通过个性化定制植入物，显著提升了手术精度和患者康复质量。随着材料科学、AI和大数据的融合，3D打印正推动骨科手术向智能化、精准化发展，预示着未来医疗个性化和患者体验的全面提升。

四、基于5G的骨科远程医疗的开发与建设

5G网络以其超高速数据传输、低延迟、高移动性和高能效等特性，使得实时传输高清影像、进行复杂数据分析及远程操控设备成为可能。5G的应用涵盖远程诊断、手术指导、患者监护和健康管理等方面，为远程医疗和紧急救援提供了稳定、高效、安全的通信环境，带来了革命性变革，使医疗行业能够实现更高质量的远程医疗服务和更广泛的医疗资源共享。骨科作为一门需要高度精准和及时响应的学科，5G技术的应用不仅提高了骨科医疗效率，更使得患者的高质量就医体验不再受限于物理空间，从而促进医疗均质化。我国政府高度重视5G技术在医疗领域的应用，把远程医疗放在优先发展的战略要位，支持利用“互联网+健康医疗”使高质量医疗资源更加普及，提高医疗行业的均等化、普及化和便利化水平。

2019年6月6日，我国正式发放5G商用牌照，这标志着5G技术在我国的商业化应用正式启动。上海华山医院运用5G技术进行了高清手术直播和远程实时手术指导。四川大学华西医院则成功实施了省内首次5G远程医疗咨询。兰州大学第一医院更是建立了5G智能医院，探索多种应用场景。此外，5G技术与智能化手术的结合，为外科手术的远程化和精准化提供了重要的技术保障。北京积水潭医院利用5G技术远程控制手术机器人，为相距733 km和1 231 km的患者实施了骨科手术。解放军总医院骨科医学部的唐佩福院士团队更是实施了基于5G的远程手术指导，开展了北京-和田的全流程数字化创伤骨科手术，为3例骨折患者实现了规划内植物植入路径、可视化引导骨折复位以及低辐射量暴露的智能化手术操作。

5G技术极大地缩短了医疗健康服务的时间和空间距离，在医疗保健领域展现出重要作用。相信随着5G技术的不断发展和应用，医疗行业将迎来更加智能化、个性化和高效化的未来^［14］。

五、总结与展望

随着科技的不断进步，学科之间的界限逐渐模糊，交叉、融合和创新成为推动医学发展的新动力。历经数千年的经验性临床医学正在逐步向数字化、数据化和数学化转型。在这一过程中，随着医疗数据的持续积累，隐藏在海量数据中的深层规律得以通过智能算法被探索和挖掘出来。这些数据分析结果反过来又可以对智能算法进行修正、改进和迭代。

这种良性循环不断推动医疗领域发生颠覆性的变革，并展现出明显的智能化趋势。“数智骨科”正是在这样的背景下，借助前沿科技的赋能和大数据的支撑，逐渐发展起来的。它不断扩展我们对骨科医疗认知的边界。显然，智能化、自动化和智慧化是骨科领域发展的必然趋势，并将为人类健康事业提供更优质的保障。

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