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1、骨相关外科中的数字技术王成焘白雷岭(b海交通大学数字医!激教育龆Z程研究中心一b海200240)擒要：本文阐述r矫形外科、揆粒铃斟等与人体骨骼矧必的喻昧外科中f勺数字技笨，傻括：数宇拨求拯诗辫帆辅动术阿规期巾羽玲掰：计簿机辅助设计和辅助制造技术111：个姓仡骰体爱换，个中f=托敝j器城或躐疗辅飙设计与潮造cl的臌阁；术中手术导肮的燕键技术以及糨汰陂用婶。关键溺：骨幸日笑外科；汁算机辅劲手术；谛辩机辅渤设诗与耩进；平术导航DigitalTechniquesinBone-relatedSurgeryWANGChengtao，BAIXueling娅ngineeringResearchCenterof
2、DigitalMedicine，MinistryofEducatioll，ShnnghaiJiaotongUniversitXShanghai200240，China)Abstract：Thispaperi：ntrodncesdigitaltechniquesinclinicalsurgerycorrelatedwithskeletalsystemsuchasorthopedicsurgeryplasticsurgeryela1，including：applicationsofdigitaltechniquesinthecomputeraidedpreoperativeplarming；app
3、licationsofcomputeraideddesignandcomputeraidedmallufactureinthefieldsofcustomizedprosthesisreplacement，designandmanufactureofcustomizedsIl画caltoolsand期edicalm=xiliaryinstruments；thefimdamentaltechnologiesusedinthesurgicalnavigationandrelatedclinicalapplicationsKeywords：Bone-relatedsurgery，Computerai
4、dedsurgeryComputeraideddesign&manufacture，Surgicalnavigation1引言个性化、精确他、微刨化q远稚化是2l世纪医学簸碰的四犬方向。为达到达融轹，医学必须r泛地吸收现代科技领域醴i现的务种成果。蜜现多学科的交叉与融会。嗣数譬技洙栩结合是现代医学发展爨耍的选择。今天，数字技术已渗透到医学的籀个领域，例如：数字医学影像技沭、数字解剖学、数字医学制造、医学信息管理与传输技术、各种数字仡诊断与治疗设备，等等。在涉及胬、荚节簿艘组织的嚣棚荧外科领域。如矫形外科、颅预外科、髌形矫科、弧落科等，医学影像处理与术前手术媲划技术、个性化假体置换术、个性化手术
5、器械或渍疗靛艘的CADCAM技术、手术导航技术游敲字技术都已获褥广泛的绒用。作者简介：-E戚焘，男，教授+I嫜寸：难释师。耋器从攀敬字腻警、搬物力擎、个妻#化般体设计与制造以投计算讥耱黝手术游领域的研究。E-maihl畦嫩妇蝴，蝴拟；嬲2计算机辅助术前手术规划计算机辅助米前手术规划是计算机辅助手术的霞受内荦荽它的慕础是医学图像处理和计算机固学两_：=技术。一个性能优良的手术规划软件首先必衙具备优良的联学图像处翻!功能，可对已袄得的圈像进行分析、识别、分割、觯释、分类、配准以及进行三维蘑建与显示瞢。日莳手术舰划主要是通过二维x光圈像以及利用CT、MR!数据所挡建的兰雄数字模型来进行。不l刈摸卷的
6、医学搿辣可提供人体相关组甥的不同信息，例如：CT具有较高的空间分辨卑自制f定位情灶：MRI对戟绸纸成像清晰，壬利于确定瘸灶范响。因此临床医生地切希望对不同图像信息谨行集成图la-c为术研究所利11jCTjMRI数掘进幸I二维配准，罔】d为119i匈!啬【；肌肉与麒骨的三维ij己HE。“)蛐l图像国藏(b)cT嘲像(c)配准融舟后的图像【d)，t椎图像穗准雷1二维医学瞪像配准、三维医学田像配准在计算机辅助术前规划软件的开发生要涉及计算机图形学算法方新的工作，蝴：三维切割与裁剪、空闻撞索与求交运葬、碰撞检测、面霉啉舣计算等II-I“。作为母业化的手术规划软件，同时还应带有丰寓的数据库倒蛔口腔种植手
7、术规划软件蹴带有国内外厂商种植体产品豹弹细兰维数字模型，人工关节置换年术规划轼件斑带仃国内外J商工荚。育J“品数摄等。翻2为我们开发的计算机辅助口臃种植术前规划软件的操作抖晰，该软件也成为口腔种植医牛手中静嚏要工H。圉2计算机辅助口腔种植术前规划软件界面3个性化假体置换术融仰人工关节置换太事数采雕号业J_商生产的系列化产品，但是耐于肿癌、畸彤或翻括患者系列产品戈节常常不能满足要求。从更高的技术要求角度来说最好的A工荚节磴换本身就应该采用“星体虢表，度身定徽”的方式。至于骨缺损修复埘的工目，山j缺损却能秆矜态的随机性必须采用个性化的人工骨假体。今天在工程羿广泛采州的计算机辅助设计(Compute
8、rAidedDesign，CAD)和计算机辅助制造(ComputerAidedManufacture，CAM)技术已被成功地运删f个性化假体簧换手术中”1-14上海空斌大学经过和糕学界、特剐是L海第九人民医院20多年的赍作，建成f一个较宽糍的个性化假体数字制造系统，实现了产业他，H柏已为临床提供1000多恸J人工兑1，和人l：甘；闺3是个性化人工靛关节鸳换CADACM流程以及般侧靛关节先天性啼，群个性化r髓关节簧换舳寨捌，置换后手术效巢良好。泌固I：拳_图3个性化人工髋关节置换CADCAM流程最帮f的快速戚形拉术叮阻直接用Tj粉、Ti6A14V粉或CoCrMo合垒粉通过层屉铺垫遂层烧结的方法直
9、接利缶出形状复杂的人I“关节或人1=骨假体迁以赢接烧绪出表面撇孔站构。途项技术的出现将使个性他人工植入物的临寐应用这到更高的水h4个性化医疗器械或医疗辅具(CADCAM)技术的临床应用利用CADCAM系统可以宽j拉临寐所需要的并种个性化鞋疗器械或医疗轴县的快遮设汁与制造_f=务n在日腔正畸领域医生I叮以通过口腔琅膜制备山舞正畸牙列的石膏接熊。然硪对谖习=列模型进行光学扫描，在计算机巾重建该牙硎的三维几何模型。利用恍建成形技术，制作出系列牙列实体模型。利i|：l现代的吸型技术，坷阻用透明塑料模版制作出一系则透明的lE畸牙套。与传统的钢丝正畸方法棚比，选种方法具有保持芷畸过程中口腔美观舒适的效果，
10、嗣此目日tj一要用于荚释性牙列三畸。闭内很多单位都开发r这种数字制造系统，翻4显示了我们巾心这套系统制作个性化正畸牙套关键的CADCAM过程。g月镕nm#=m目nBmWC4fnRpmD“#tg图4隐形芷腩牙套的CADC枷过程花口腔种植领域，当医生使Hj图4所示的软件完成口腔种植规划后，i_：r以柱所规划自0种植方案基础l进一步做出定位模扳豹三维几何设计，然刷H快速成jl耋技术制作fll定位艇板。在临床种植时，H需将浚定位模板固定在器磊的牙槽骨或固定在闱边的牙到t，然后用牙钻进行钻孔，媒珏T种植棒安装的正确方位和深度，姓目前翻外莱刷的蛾新种植技术。圈5为采J1上海交通大学开艇的技术制作的种植替向
11、摸扳。图5种植导向攘板在骨科领域，E海仁济医院和作者l引队台作，开展了儿翥脊柱侧弯矫lE直且的CADCAM技术研究。通过耐cT的处理得到嘲弯脊柱的二维几倒模型，井进一步转化为一个简化的宙m兀计算模型，通过施加1：同豹矫蚯力观察相心脊桂h的成力分布，晕f用上耋方法设计妊佳的正畸方案然历进行Jf庵的支具曲而设计，井带I作山相应豹盘其在足躁外科领域医生可以通过对触胀镐患者足底艇力分布的分斩，作舶个性化的鞋垫5计，便艇力分市避让开溃烂醚，进。步朋机谜成j粒技术制作出琏种鞋垫。同样的技术琏可以刑米设计个性化的平足拇讣糊等蛴艏鞋其。这项技术在艇选闱象已羟被广泛麻肌我嘲的足踩外科医生和鞋鞋一【k已开始合作阻
12、产_2化的方式生产个性他的治，f鞋乳，5术中手术导航统，科平术过挫可以归纳为“开放一税察一手术”，现代术导航技术拍产|t蛆辊奉r改变了传统予术樾式，变为“观察一开放手术”叩医生枉尚束手术器露患部之旃，先在手术例划鞔件t2观察虐挪的三椎楼型，对手术部位做槔的观禁，精确地确定术中切隙的潞张范嘲。在手术中医生将从直接注视患体转为注视哿航系统屏幕上的忠体与手术I具按规划的路径施行手术。手术导航已成为训赞：帆辅助手术的重罂内容和夸后障外科手术的煎噩手段。它具确以1：的优点：(1)手术豁位搦耀卅桃化：(2)币术的精确化；(3)外科手术的徽自化；同淞用于临麻的导航敬蔷有美嘲Modtronic公刊的Sealt
13、hstation系统，奖阉的RokeManorResearch公司的V1SLAN系统罐围Stryker公叫的s时keNavigationSystem系统。我国搦f目l泼科公司、复凰大学、糸南太学(永黪)、t海蹙通人学也部先借推出自已的导航系统，如图6所示，柏!上海市科垂的火力支持下，匕海交通大学Jl_=在研发儿宵自j三产权的红外光学定位系统，甩以装备周产导航吐各。瓣篙蜊芦；激“鬣8惩黼犏：；徽；徽；麓徽”圈6我国研制的手术导航系统下术导航依托兰埙技术即：空问定位技术、术中配准与千术工县宜时F踪技术以及针对禁项千术专门开发的导航软件。静秘手术撩航根据懒床t手术的特点和医学图像索潦的誉嗣，矮有三挣
14、辏本黉型：“无医学影像铮航技术荛爨用_=手术部位黎辫较犬，假惑患骨一系列特征点的位凝髓l叮以确定手术工艇讶割方钕的场合。(2)慕予=三维医学影像的鼷学静航技术首先。对患种进行CT栩搦，建啦忠龄的=乏维几掰模型。通常逐需要建立年秘关软组织臼l三维模型。然詹，用手术规划软件制定宠整的手术规娥，标恣出刀其的切割路径，以及假体的植入缒避。艘后。将其反映径哿航解鞯E避行蕾术导航。圈13睽承鞘髓神擅镣航楚个典型实倒。(3)撼j：C型觜x线影像的医学姆航技术钮C型臂卜安装V-个特制的矫1l靶，拙扛数钉一嘲红外光学定能标记，馊得矫正靶在器种撇箴都能被空问定位系统认迩。谯乎术施行滤分别在研：同的角度获取患体部位
15、的影像。术r_I通过光学跟踪系统追踪乎术I_：_I：矮、患体参考架和C型臀的黛问能鬣，然厩根据之附所确定的投影艇阵和王瓤的设计参数，在术瓣获取的影像t形成。E媳的虚拟投影，这样医护人员毓可移去c型臀。谯不同角度厮获得的影像一E，观察手术二l：艇以及池植物榴辩“=_j：销患处的能簧变化情况。医生前先成剁：襁鄹结合。确定融已将创遗Il)锊航乎术采用上述嚼一种技求+编制嫩铎航手术进行的流程墨H篙要导航的内容。闷时与r程娜缚含，j殳计出所嚣簧豹掴关器械，然精哟软件工程师开发出桐应的较件，医羔始对廖没计的总髋系统进行反复豹临廉考核，最聪形成完夔的。镣航技承。运绢导航技术进彳ij：的乎术创新是求巢医生手术
16、创新的爨黉内容，乎术譬航软件是导髋系统的灵魂。6结束语计算机辅助术前规划、个性化假体谧换、个性化医疗器械或医疗耥舆CADCAM技术、警术导航技术跫数字医学的煎蘩组成部分+跫融入医z轵个人技术水甲的数字化技术，囡此更容翰弓I起f“人临床医生的兴趣，必然随潜数譬医学的发瓞而迅速发展。同时也楚工程辨一个嚣常”纣懑义的跨学科研究领域，大爨掰m现的=j：稷技术，包括俯息技术、利料J：芑、制造技术鞭域中的犬爨刨新成聚，都可以在这一交叉领域的研究中获得陂刚，产生三次创新的效髓。并产生巨犬的经济和社会效蕴。它的发鼹同时也进少推动，数字医学的发艘。参考文献1】Neumann魏Faulkne_|GKraussM。eta1MeVisTo-Jaw：AVisualizationbasedMaxilIofacialSurgilealPIanningTool。Proceedillgs
