古往今来，每一次高新技术的发展都在推动着医学领域不断的前进与开拓创新，回顾骨科学的发展历程,前后大体经历了显微外科、微创外科及数字骨科3个阶段。显微外科技术使临床外科医生能够克服人的自然视力限制,更精细地解剖、切开缝合各级组织，显著提高了外科手术质量，推动了外科学整体水平的前进。20世纪末，微创外科技术的问世是现代外科学发展史上的一个里程碑，一次重大的突破，微创外科技术当前在临床得到了广泛的应用，其中最突出的代表便是内镜技术,使外科手术更加微创化同样是当前医学领域的重要方向［1］。近年来，数字骨科技术在骨科领域展现出了强大的生命力，彰显出了巨大的发展前景和临床应用价值，其中在人工智能(artificial intelligence, AI) 技术和3D打印技术的推动下产生了诸多新型诊疗思路，具有极大发展潜力。本文对近年来AI技术和3D打印技术在骨关节领域的应用和研究进展进行综述。
1、 AI技术在关节领域的应用进展
AI是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新的技术科学，该领域的研究包括机器人、语言识别、图像识别、自然语言处理和专家系统等。“人工智能”一词最早出现于20世纪50年代,最初仅仅是机器展示人类智能的简单理论霍在当今这个技术快速进步、超大数据集(“大数据”)呈指数级增长的时代,AI已经达到了前所未有的规模并从单纯的理论过渡到实际应用,已经扎根于社会的方方面面［3］o新技术发展的同时，也为医学领域注入了新的生命力，现阶段,AI技术在关节领域展示出巨大的发展与应用潜力。
1.1 AI技术辅助关节外科临床诊断
进入21世纪后各种形式的数字成像在医学和医疗保健领域变得越来越强大和不可或缺,X线、CT、MRI等影像技术成为了骨科医生临床诊断中重要的辅助工具，但是临床医生常常因工作繁忙、压力大而造成漏诊、误诊的风险。基于AI的子领域一机器学习(machine learning, ML)与深度学习技术作为AI的重要研究方向,在骨科领域得以广泛应用，可替代人类
医生大量的重复性工作,减轻工作压力，协助提高诊断率、降低误诊率、减少漏诊［4-5］。Karnuta等问设计出一种基于X线片诊断骨关节炎的技术，该技术通过ML的一种预测算法,分析图像中的像素并识别骨关节炎的相关特征,将所有相关信息划分为一个模式,将其与已知的骨性关节炎模型相匹配,在遇到未知图像时即可做出诊断性决策。髓关节骨性关节炎是中老年人群的常见病,传统上，髓关节骨性关节炎的诊断是通过人工评估X线图像,Xue等［7利用深度卷积神经网络模型(convolutional neural network , CNN )在 420 张髓部X线图像上进行测试,以自动诊断髓关节炎,结果显示该CNN模型具有95.0%的高灵敏度和90.7%的高特异性，以及92.8%的准确性，该模型的性能堪比一个10年经验的主治医师。Norman等[8]利用DenseNets模型对膝关节骨性关节炎进行评估和诊断，该神经网络的结果正确反映了骨关节炎特征，可以帮助放射科医生作出更准确和精确的诊断。
1.2 AI技术辅助关节外科手术
基于计算机的技术,包括软件和硬件在如今的外科手术方面发挥着越来越重要的作用。骨科手术机器人成为推进微创、精准骨科治疗的核心技术与设备，在临床中的应用愈加广泛。骨科手术机器人与AI结合,使微创化、智能安全化、精准化与个性化疾病治疗成为可能,在关节骨科领域取得了不错的临床效果化机器人辅助全膝关节置换术(total knee arthroplas
ty, TKA) 与传统手术相比能减少软组织损伤，提高假体植入物的精确度，并降低术后疼痛感与全身并发症发生率,从而增加患者满意度;机器人辅助单課膝关节置换术能够显著减少并发症的发生率，使患者获得更快的术后恢复速度并更真实自然地感知膝关节［10-11］。吴东等［12］研发出一套人工智能辅助全髓关节置换术三维规划系统(AIHIP),在术前对拟行单侧初次全髓关节置换术(total hip arthroplasty, THA)治疗的60例股骨头坏死患者进行随机分组，其中30例使用AIHIP系统、30例使用胶片模板测量方法进行术前规划，结果显示AIHIP系统可实现对髓关节的全面三维评估，与传统二维模板测量方法相比,具有更高的准确性和有效性。随着云计算、3D打印技术、AI技术、大数据等技术的发展，参照我国人群骨骼解剖设计的内植物设计正不断变成现实,为患者提供最优化、个性化的内植物，使关节外科手术提供了更多的选择,避免了术后并发症的发生[13]。
AI技术辅助临床诊断，提高了诊断效率,缓解了临床医生的压力,让有限的医疗资源能更好地分配到每一个患者身上。同时，随着AI联合手术机器人等技术在临床的应用愈发普遍,让手术过程变得更加精细化、微创化,缩短了整个手术过程、减少了出血时间和并发症，让患者能够早日获得康复。
2 、3D打印技术在关节领域的应用进展
3D打印技术又称为快速成型技术，是以一种数字资料为基础，根据熔融沉积制造、光固化立体成型术等各种不同的成型方式，运用粉末状金属或塑料等粘合材料,通过分层加工、逐层堆叠累积等方式创建三维实体的新兴技术网。近年来，随着计算机、大数据、数字影像等技术的快速发展，尤其是合金材料的应用,3D打印技术在关节骨科领域中得到了广泛的发展,包括术前规划、术中导航、个性化关节置换模型和假体的制作等，深受医生和患者的青睐，具有极大的发展潜力。
2.1 3D打印技术在关节外科手术中的应用
传统的关节外科手术时,在螺钉置入和截骨时为了保证其准确性,避免损伤血管、神经及周围重要脏器等结构,往往需要依靠术中多次透视及主刀医师的手术经验,造成手术时间过长,并存在螺钉松动的风险。基于3D打印技术制作的截骨导板在术前对CT等影像资料进行三维重建，确定术中螺钉置入的位置、深度和方向，进行个性化手术设计，可以减少术中透视次数,简化手术过程，同时提高手术效率和精度叫Sun等购设计了一种3D打印专用髓内导向器,对纳入标准80例膝关节骨性关节炎患者实行随机分配，并分别实施3D打印个体化辅助TKA和常规TKA,术后发现3D打印个体化组的髌骨运动轨迹更好，可以更准确地辅助髓内引导，具有更好的假体置入精度。王跃辉等切运用3D打印髓关节旋转中心定位器辅助进行THA,术后发现3D打印髓关节旋转中心定位器,可有效协助髓关节旋转中心的重建，精准植入髓臼假体，具有良好的手术精度。Wang等两为髓臼盆腔恶性肿瘤设计了一系列3D打印、定制的多孔结构半骨盆一体化内假体，术后结果显示该定制一体化设计,准确并完整地植入骨盆,无假体脱位、假体断裂、假体无菌性松动或局部复发等并发症,为盆腔重建患者提供了可接受的早期结果。
2.2 3D打印技术在术前宣教、人工假体、骨关节损伤修复中的应用
通过3D打印制作出的1：1模型，在关节外科术前沟通中同样发挥着积极的作用,以膝关节置换为例子,通过所打印出的3D模型能够能够使患者更加直观地理解医学专业知识,实现有效的术前沟通,让患者能够更加清楚地了解自身的病情情况,进而有效地减少医患矛盾的发生。同时3D模型及术前的操作演示也有助于团队在体外完成手术预操作并有针对性地提出其中存在的风险和相应预案，使整个手术方案更加成熟，进而帮助骨科医生缩短手术时间，改善临床结果凹。关节假体与骨头的匹配度直接影响人工关节置换术的效果,关节假体如果不能较好地和骨与软组织匹配的话，髓腔与假体之间可能留有间隙，并可能此而发生关节松动，甚至导致假体滑脱影响疗效。
因此人工关节个体化的要求越来越高，目前3D打印个性化设计假体在骨科临床上已得到广泛应用,根据患者自身影像学数据设计出与其生理解剖相匹配且高精度的个体化假体可以显著提高手术成功率，减少术后并发症㈣。在骨关节损伤修复重建方面，关节软骨再生能力较差,关节腔内血管分布较少,只能依靠滑膜分泌的滑液滋养，因此软骨一旦损伤后,修复较为缓慢。3D打印技术可采用聚合物材料、生物陶瓷、天然材料等生物活性材料对复杂组织超微结构进行仿生构建,并可通过对支架材料的力学性能调控及内部结构设计,构建适合细胞生长的微环境,如果该细胞支架符合软骨细胞生长的特点,细胞与滑液就能进行充分的接触,从而促进软骨细胞生长［21］。
3、 AI联合3D打印在关节外科的应用
膝髓关节置换术是治疗终末期膝髓骨关节炎的重要方法，可恢复关节的形态、功能。据不完全统计,我国髓膝关节置换的手术量已由2011年的22万台上升到2019年的95万台,并以每年超过19%的速度增长,为数百万的患者解决了问题2］。尽管近年来我国人工膝、髓关节置换手术水平取得了飞速发展。尽管已经被认为是20世纪外科手术中最成功、最重要
的手术，但人工髓、膝置换术中仍存在很多尚未解决的问题。目前临床中关节置换手术计划的制订多是根据临床影像学资料，难以准确、全面地反映病变关节的具体信息,尤其是截骨角度的把握,多数依赖主刀医生的个体临床经验，另外患者满意度及远期假体生存率的主要因素包括肢体不等长、关节不稳定、力线不佳、假体位置不良等,而造成这些问题的原因除了手术医生的技术外,还跟假体的设计精度及材料密切相关㈤。为了能更好地解决这些问题，达到当前关节外科微创化、精准化、个性化的目标，越来越多的数字技术被应用到关节外科手术中。当前,AI联合3D打印技术已经被应用于临床实践中,给临床工作带来了全新的思路。
3D 打印辅助工具在术前根据患者的病情定制化设计，在术中作为医生的得力助手进行精确测量，辅助完成术中精准安装假体、截骨等操作，减少手术时间和出血量，使假体能够更好地贴合生理解剖结构。
AI技术可在术前进行三维重建、人工智能识别和分割、人工智能矫正和测量、假体预放置,并在此基础上个性化定制3D打印辅助工具，为关节置换手术的整个过程进行周密和精确的个性化术前规划。刘帅［24］将3D打印个性化截骨导板与计算机设计技术相结合辅助TKA,结果显示3D打印个性化截骨导板与计算机辅助技术相结合能够提高假体精准度,具有良好的临床实用价值，提供精准的个体化手术方案。吴东等㈤将3D打印技术与计算机辅助技术相结合，利用计算机辅助技术导入患者术前影像学检查数据,在此基础上获得个性化的三维重建手术规划，并利用3D打印技术提供精准的手术定位导航,结果显示此全新的个性化定制THA手术导板能够更加贴合患者的生理解剖,降低THA手术难度,提高手术精度,经临床证实后，具有良好的有效性和安全性。惠州市人民医院骨科团队使用“人工智能+3D打印技术+直接前方入路”三合一技术,成功完成了国内首例三合一技术全髓关节置换术，术后当天患者即可下地活动,获得了令人满意的临床疗效。三种技术共同使用的目的是让手术的创口更小、让关节置换的过程更精确、让患者在术后能获得与假体更好的匹配度，更舒适地行走。另外,AI联合3D打印在年轻医生的教学工作中同样发挥着重要的作用,医学操作本身具有侵袭性，在当今社会中患者自我保护意识强化、医患关系敏感化、手术室资源应用尽可能最大化的背景下，以患者为对象进行直接临床技能操作教学的传统教学模式已经逐渐被淘汰,膝髓关节置换对很多年轻的外科学员来说，手术设计和长期的培训获得经验的机会有限，培训难度较大。有研究表明西，模拟教学能够提高年轻医生的临床操作信心，这对年轻医生的成长至关重要，利用机器人系统和3D打印产生的逼真仿真进行训练的结合手术设计的混合模型，可以降低年轻医生的成长周期,提高医学教育水平,为患者提供安全、有效的治疗[27]。
4、小结
高新技术的发展为临床骨科的诊疗工作带来了众多的新型诊疗思路，给传统骨科的诊疗模式带来了巨大的变革和发展。科技进步带来了机遇也带来了挑战，首先，临床大数据是AI发展的重要基石,但是如何将非结构化数据和大数据集变得直观可视化，最终转化为通用性工具供医护人员在临床中使用至为重要，基于AI算法的应用通常会导致复杂数据的产生，
这些数据的处理与交融需要跨科合作,开发团队势必庞大，需要多个学科共同配合。其次前期的数据录入与机器投入相对较高,医学数据的多样性、不完整性、隐私性，以及当医学数据泄露后可能涉及的伦理等问题同样需要解决。3D打印也存在着相关问题,如关节软骨修复现阶段仍停留在动物实验和体外阶段，其临床有效性与安全性仍需要继续研究，实物模型耗费贵,相关法律文件仍有待完善,缺乏切实可行的政策性文件,对于现有的前期应用尚缺乏具有说服力的长期随访数据,未来仍有待开展更多高证据级别的临床研究。数字骨科蓬勃发展的同时虽然也存在着局限性，但是古往今来每一次高新技术的进步都为医学领域带来了前所未有的发展，相信随着骨科临床医生、骨科科研人员乃至机械工程师等的共同努力,智能骨科时代很快就会来临。
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