數(shù)字骨科學

前言

科技創(chuàng)新發(fā)展的火花，往往出現(xiàn)在學科間交叉碰撞的地帶?！稊?shù)字骨科學》這部專著融集了骨科學家、計算機學家、影像學家、生物力學家等多學科專家們的智慧，勇于探索新事物，在裴國獻教授的組織領導下成為第一批敢于嘗試“食螃蟹”的群體。經過艱辛的努力和實踐，與骨科臨床緊密結合，在涉及人體數(shù)據(jù)信息獲取、圖像色彩校正、圖像質控、圖像分割、圖像配準、圖像構建、快速成形、有限元素分析、計算機軟件開發(fā)應用、計算機輔助導航、虛擬仿真技術應用等方面進行了大量工作。已經編制了部分醫(yī)學教育課件，并結合，臨床骨科實際問題，為術式設計研討、術后質量評估、手術虛擬仿真、療效評價、手術導航、遠程醫(yī)療等，展示了不少有價值的探索性成果。當前，信息科學技術引發(fā)的數(shù)字化革命，已經深入到各個不同的領域，給人們帶來了以往不可想象的效率和效益。信息科學與生命科學交叉領域出現(xiàn)的《數(shù)字醫(yī)學》有望發(fā)展成為一門新興的分支學科。但是創(chuàng)建新興分支學科的先決條件目前尚未完全具備，尚須繼續(xù)努力。必備條件中主要有四項：專業(yè)性學術組織、專業(yè)性學術隊伍、專業(yè)性學術園地、系統(tǒng)完整的理論體系。我國還沒有正式的數(shù)字醫(yī)學學術組織，只在2007年召開的“全國首屆數(shù)字醫(yī)學學術研討會”后，成立過“中國數(shù)字醫(yī)學研究聯(lián)絡組”。聯(lián)絡組僅是松散的民間組織形式，還不是正式的學術祉團。2006年創(chuàng)刊出版的《中國數(shù)字醫(yī)學》是發(fā)展前進中的里程碑性標志。不過，目前在這個園地里所培育的花卉品種還比較單一，雖然較見長于數(shù)字化醫(yī)院管理的“一支獨秀”，但是，在數(shù)字化醫(yī)學應用和數(shù)字化工程技術有關的內容還相當欠缺。理論體系是新興學科必具的基礎。目前，除了在國內外期刊上發(fā)表了一定數(shù)量的學術論文外，也相繼出版部分專著。但是上述學術成果與系統(tǒng)完整的理論體系建立的要求，還有很大的差距?！稊?shù)字骨科學》的面世，是新開拓的數(shù)字醫(yī)學園地里破土而出的一株新苗，今后還需精心呵護培育，成長、開花，結出累累的豐碩成果。

內容概要

本書是數(shù)字化技術與骨科學相結合的我國第一部《數(shù)字骨科學》專著。    數(shù)字骨科學是一門新興的前沿交叉學科，目前的研究成果及臨床的初步應用已顯示出其重要的臨床價值與發(fā)展前景。本書反映了數(shù)字化技術在骨科的應用與研究方面的最新學術成果。全書共8章40節(jié)，簡要介紹了我國數(shù)字人研究及數(shù)字人的國際發(fā)展概況，詳細介紹了數(shù)字化骨科基礎知識、醫(yī)學圖像處理理論與技術及人體虛擬可視技術、數(shù)字虛擬技術在骨科的初步應用、骨與關節(jié)解剖的三維可視化以及逆向工程、有限元分析、計算機導航技術在骨科的應用等全新內容。本書內容新穎，文字簡練，適合于骨科臨床醫(yī)生、影像人員、醫(yī)學研究生和圖像處理技術人員閱讀參考。

作者簡介

裴國獻，1954年10月生人。醫(yī)學博士，教授，主任醫(yī)師，博士研究生導師。曾任南方醫(yī)科大學南方醫(yī)院創(chuàng)傷骨科主任?，F(xiàn)任第四軍醫(yī)大學西京骨科醫(yī)院院長。在學術上曾任首屆國際手與復合組織異體移植協(xié)會秘書長，現(xiàn)任該協(xié)會常務理事。目前還擔任國務院學位委員會學科評議組成員、國家科技進步獎評審專家、國家自然科學基金評審專家、中華醫(yī)學科技獎評審委員會評審專家、亞洲創(chuàng)傷骨科學會理事、中華醫(yī)學會顯微外科學分會候任主任委員、中華醫(yī)學會骨科學分會創(chuàng)傷骨科學組副組長、《中華骨科雜志》常務編委、《中華創(chuàng)傷骨科雜志》總編輯等學術職務。
    裴國獻教授系國內著名的骨科及組織工程研究專家，創(chuàng)立了肢體嚴重戰(zhàn)、創(chuàng)傷救治的多項新理論與新技術，形成了較為完整的理論及臨床救治體系，取得多項具有國際先進、亞洲首例及國內領先的創(chuàng)新性成果。在國際上最先報道四肢同時離斷再植成功；首創(chuàng)下肢嚴重創(chuàng)傷避免截肢的雙橋式皮瓣移植修復新技術；成功地率先開展了亞洲第1、第2例（世界第3、第4例）異體手移植術，被評為2000年度“中國醫(yī)藥科技十大新聞”，為國內最早開展組織工程學研究者之一；并在國際上率先提出血管、神經與組織工程化組織和器官同步構建的新理論，在大動物（恒河猴）體內分別成功構建出帶血管、神經的組織工程骨，證實了這一理論的科學性與重要的臨床價值。
    主持國家重大基礎研究項目（973）、國家高新技術發(fā)展項目（863）重大專項課題、國家自然科學重點基金、軍隊杰出青年科技基金等17項基金項目；以第一完成人共獲得各類科技成果獎17項，其中國家科技進步二等獎1項、省（軍隊）科技成果一等獎3項、二等獎4項、全軍重大科技成果獎2項、國家發(fā)明專利6項。先后被授予“全國首屆中青年醫(yī)學科技之星”、“國家級有突出貢獻的中青年科學技術專家”、“全國百千萬人才工程”首批人選、“總后院士后備人選”、“軍隊科技金星”、“軍隊專業(yè)技術重大貢獻獎”、“中央組織部直接聯(lián)系掌握的高級專家”等多項國家級殊榮。
    以第一作者及通訊作者在國內外重點期刊發(fā)表論述156篇。創(chuàng)辦中華醫(yī)學會系列雜志《中華創(chuàng)傷骨科雜志》。先后主編《手外科解剖與臨床》《同種異體骨移植》《組織工程學實驗技術》《周圍神經損傷基礎與臨床》《顯微手外科學》《成人骨折學》《現(xiàn)代微創(chuàng)骨科學》和《南方戰(zhàn)區(qū)高溫高濕環(huán)境火器傷救治與衛(wèi)勤保障》等8部專著。

書籍目錄

第一章  數(shù)字解剖學的問世  第一節(jié)  傳統(tǒng)解剖學方法    一、制作人體教學標本    二、生物塑化技術在人體標本制作中的應用    三、人體斷層解剖學的發(fā)展  第二節(jié)  斷層影像解剖學研究    一、X線平片    二、計算機斷層掃描    三、磁共振成像    四、CT三維重建在骨科中的應用  第三節(jié)  數(shù)字解剖學的提出第二章  醫(yī)學圖像處理理論與技帶  第一節(jié)  數(shù)字人圖像處理概述    一、圖像和視覺的基本概念    二、圖像處理常用軟件  第二節(jié)  圖像質量標準與控制    一、圖形圖像文件格式    二、切削層距與像素的關系    三、數(shù)據(jù)的存儲與備份  第三節(jié)  圖像色彩的校正    一、色彩管理    二、數(shù)字人斷層顏色及控制  第四節(jié)  圖像配準技術    一、圖像配準的基礎理論    二、常用的醫(yī)學配準方法    三、數(shù)字人研究中圖像配準方法  第五節(jié)  醫(yī)學圖像的分割與分類    一、醫(yī)學圖像分割概述    二、數(shù)字人研究中圖像分割方法第三章  人體虛擬可視技術  第一節(jié)  人體標本冷凍切削技術    一、標本的遴選    二、標本的定型灌注    三、標本血管顯示技術    四、標本包埋和定位    五、低溫冷凍系統(tǒng)  第二節(jié)  基于序列斷層圖像的三維重建技術    一、三維重建技術概述    二、螺旋CT三維重建技術    三、Amira軟件介紹    四、Mimics軟件介紹    五、3D Med軟件介紹    六、3D Slicer軟件簡介    七、其他  第三節(jié)  虛擬現(xiàn)實建模語言VRML簡介    一、概述    二、基本原理    三、VRML的建模    四、虛擬現(xiàn)實開發(fā)工具Vrml Pad    五、VRML瀏覽器第四章  數(shù)字人研究現(xiàn)狀  第一節(jié)  解剖學——醫(yī)學發(fā)展的基石  第二節(jié)  美國可視人計劃    一、可視人計劃的提出    二、可視人計劃原始圖像數(shù)據(jù)的獲取    三、可視人計劃原始圖像數(shù)據(jù)的分割與分類    四、可視人計劃應用規(guī)劃  第三節(jié)  基于可視人計劃的應用    一、可視人的突出進展    二、紅骨髓虛擬仿真模型    三、可用于ESS培訓的鼻竇精確模型  第四節(jié)  我國數(shù)字人研究發(fā)展概況    一、兩次香山科學會議啟動與推動數(shù)字人研究工作    二、中國數(shù)字人應用計劃  第五節(jié)  超越可視人計劃的數(shù)字人計劃及其他國家的響應    一、美國數(shù)字人計劃    二、韓國數(shù)字人計劃    三、人類腦計劃    四、數(shù)字人胚胎項目第五章  數(shù)字化技帶與骨科研究  第一節(jié)  骨科中的數(shù)字化技術    一、硬組織外科中的數(shù)字化技術    二、骨肌系統(tǒng)的力學仿真及其應用  第二節(jié)  虛擬現(xiàn)實技術及其應用    一、虛擬現(xiàn)實技術概述    二、虛擬現(xiàn)實技術研究現(xiàn)狀  第三節(jié)  數(shù)字醫(yī)學與骨科臨床    一、骨科影像電子病歷系統(tǒng)    二、人體骨折分類系統(tǒng)的軟件開發(fā)與應用    三、面向骨科臨床的計算機輔助診斷技術與應用第六章  數(shù)字虛擬技帶在骨科的初步應用  第一節(jié)  數(shù)字骨科學——新的分支學科    一、概念及理論的提出    二、數(shù)字骨科學的理論基礎    三、數(shù)字虛擬技術在骨科應用研究的設想與實施    四、數(shù)字骨科學發(fā)展前景  第二節(jié)  骨與關節(jié)  解剖結構的三維可視化    一、上肢骨    二、下肢骨    三、上肢肌肉解剖結構的三維可視化    四、下肢肌肉解剖結構的三維可視化  第三節(jié)  肩部骨折分類的三維可視化    一、鎖骨骨折    二、肩胛骨骨折  第四節(jié)  上肢骨折分類的三維可視化    一、肱骨近端骨折    二、肱骨干骨折    三、肱骨遠端骨折    四、肘部骨折、脫位    五、橈、尺骨骨干骨折    六、橈骨遠端骨折    七、腕部骨折、脫位  第五節(jié)  骨盆及髖部骨折分類的三維可視化    一、骨盆骨折    二、髖臼骨折  第六節(jié)  下肢骨折分類的三維可視化    一、股骨頸骨折    二、股骨轉子間骨折    三、股骨干骨折    四、股骨遠端骨折    五、髕骨骨折    六、脛、腓骨近端骨折    七、脛、腓骨干骨折  第七節(jié)  足踝部骨折分類的三維可視化    一、踝部骨折、脫位    二、足部骨折、脫位  第八節(jié)  數(shù)字化皮瓣、肌瓣及骨瓣的可視化    一、數(shù)字化背闊肌皮瓣的可視化    二、數(shù)字化股前外側皮瓣的可視化    三、數(shù)字化腓腸肌皮瓣的可視化    四、數(shù)字化足背皮瓣的可視化    五、數(shù)字化髂骨瓣的可視化    六、數(shù)字化腓骨瓣的可視化  第九節(jié)  周圍神經的三維可視化    一、概述    二、臂叢神經的三維重建及可視化    三、腰骶叢神經的三維重建及可視化    四、腰叢神經斷層解剖學及可視化研究  第十節(jié)  MR、CT影像三維重建膝關節(jié)  及交叉韌帶    一、科學計算可視化    二、科學計算可視化的含義與重要意義    三、科學計算可視化在醫(yī)學上的應用    四、醫(yī)學圖像可視化技術重建膝關節(jié)  及交叉韌帶  第十一節(jié)  椎弓根進釘通道的數(shù)字解剖學研究    一、應用數(shù)字技術建立椎弓根進釘通道的分析方法    二、椎弓根進釘通道隨水平面角變化的數(shù)字解剖學研究    三、腰椎椎弓根進釘通道、進釘點與椎體邊界關系三維精確定位分析    四、胸椎椎弓根進釘通道、進釘點與椎體邊界關系三維精確定位分析    五、中下頸椎椎弓根進釘通道、進釘點與椎體邊界關系三維精確定位分析  第十二節(jié)  快速成形技術在骨科的應用    一、快速成形技術的基本概念    二、快速成形技術的分類    三、快速成形的全過程    四、快速成形的發(fā)展趨勢及在我國的應用現(xiàn)狀    五、快速成形技術在個性化假體制造中的應用    六、快速成形技術在創(chuàng)傷骨科的應用    七、快速成形技術在髖關節(jié)  外科的應用    八、快速成形技術在脊柱外科的應用    九、快速成形技術在骨組織工程中的應用第七章  有限元分新在骨生物力學研究中的應用  第一節(jié)  有限元建模的基本概念與方法    一、有限元分析的發(fā)展過程    二、有限元仿真與有限元建模    三、有限元建模對象    四、有限元建模的目的    五、有限元建模的基本步驟    六、有限元建模的主要數(shù)據(jù)來源    七、有限元建模的主要方法  第二節(jié)  有限元分析在骨力學研究中的應用    一、骨骼力學性能分析    二、骨折內外固定器械及人工植入物的力學研究    三、手術評價與術式選擇    四、有限元技術研究進展    五、有限元模型的優(yōu)越性與局限性    六、有限元分析的前景與展望  第三節(jié)  人體物理參數(shù)的測量    一、骨骼材料性質測量    二、軟骨材料性質測量    三、軟組織材料性質測量  第四節(jié)  有限元建模及應用實例    一、頸前路蝶形鋼板的力學性能評價    二、腰椎小關節(jié)  接觸模型的有限元分析    三、腰椎微創(chuàng)前路融合后不同固定方式生物力學特性的比較    四、骨質疏松椎體增強后對相鄰椎體生物力學影響的有限元研究    五、骨盆三維有限元模型的建立及其分析    六、正常髖臼三維有限元模型的構建    七、髖臼后壁骨折有限元模型加載與應力分析    八、股骨-脛骨復合體模型在人體體重沖擊下的運動力學響應研究第八章  計算機輔助導航技術在骨科的應用  第一節(jié)  計算機輔助骨科手術概述    一、CAOS發(fā)展的簡要歷史回顧    二、CAOS在骨科手術應用中的導航定位方法    三、CAOS在骨科手術應用中的醫(yī)用機器人技術  第二節(jié)  計算機輔助骨科手術的基本工作原理與應用原則    一、基本原理與概念    二、導航手術系統(tǒng)分類    三、計算機輔助骨科手術的基本工作原理與應用原則  第三節(jié)  計算機輔助骨科手術系統(tǒng)的組成與應用要點    一、CAOS的系統(tǒng)組成及基本設備    二、CAOS在臨床手術中的關鍵技術    三、CAOS的操作要點    四、CAOS在臨床應用中的優(yōu)缺點  第四節(jié)  計算機輔助骨科手術的臨床應用    一、計算機輔助脊柱手術    二、計算機輔助髖、膝關節(jié)置換手術    三、計算機輔助骶髂關節(jié)螺釘固定    四、計算機輔助髖臼骨折手術固定    五、計算機輔助骨盆環(huán)斷裂手術    六、計算機輔助髓內針固定    七、計算機輔助骨折復位    八、計算機輔助在骨科其他領域的應用與進展    九、結論與展望索引

章節(jié)摘錄

插圖：三、科學計算可視化在醫(yī)學上的應用盡管計算機斷層掃描及磁共振圖像已廣泛應用于對疾病的診斷，但是，這些醫(yī)療儀器只能提供人體內部的二維圖像。醫(yī)生們只能憑經驗由多幅二維圖像去估計病灶的大小及形狀，構想病灶與其周圍組織的三維幾何關系，這給治療帶來了困難?？茖W計算可視化技術可以由一系列二維圖像重構出三維形體，并在計算機上顯示出來。在此基礎上，就可以實現(xiàn)矯形手術、放射治療等計算機模擬以及手術規(guī)劃。例如，髖關節(jié)發(fā)育不正常在兒童中并不少見，當做矯形手術時，需要對髖關節(jié)進行切割、移位、固定等操作。利用可視化技術可以首先在計算機上構造出髖關節(jié)的三維圖像，然后對切割部位、切割形狀、移位多少及固定方式等多種方案在計算機上進行模擬，并從各個不同角度觀察其效果，最后由醫(yī)生選擇出最佳實施方案，從而大大提高矯形手術的質量。又如在做腦部腫瘤放射治療時，需要在顱骨上穿孔，然后將放射性核素準確地安放在腦中病灶部位，既要使治療效果最好，又要保證整個手術過程及放射性核素不傷及正常組織。由于人腦內部結構十分復雜，而且在不開顱的情況下，醫(yī)生無法觀察到手術實際進行情況，因而要達到上述要求是十分困難的。利用可視化技術就可以在重構出的人腦內部結構三維圖像的基礎上，對顱骨穿孔位置、核素置入通道、安放位置及等劑量線等進行計算機模擬，并選擇最佳手術方案。不僅如此，手術過程中還可以在屏幕上對手術進行情況予以監(jiān)視，使醫(yī)生們做到“心中有數(shù)”，這必將大大提高手術的成功率。四、醫(yī)學圖像可視化技術重建膝關節(jié)及交叉韌帶（一）數(shù)字化成像技術隨著數(shù)字化、網絡化時代的到來，醫(yī)學影像技術進入一個嶄新的時代。在醫(yī)學影像領域，多種新的數(shù)字化成像技術（如CT、MRI、DSA、CR、DR、PET等）的問世，全數(shù)字化放射學、圖像導引及遠程放射學作為三種相互關聯(lián)的技術成為新世紀的影像技術的主流。這些醫(yī)學影像數(shù)字化技術，使傳統(tǒng)的醫(yī)學獲取和觀察方式被徹底改變，同時也使圖像在醫(yī)學中變得越來越重要。醫(yī)學圖像可視化在信息科學和醫(yī)學科學的最新技術基礎上，對人體從細胞組織到器官結構進行全面的研究，其技術得到了巨大的推動，臨床應用范圍不斷擴大。（二）圖像配準和融合隨著醫(yī)學圖像可視化技術在醫(yī)學領域的進一步應用，為了豐富和突出各類不同影像的有用信息，醫(yī)學圖像融合開始受到足夠重視。通過醫(yī)學圖像融合，有效地豐富了圖像信息，提高了診斷和治療的可靠程度。圖像融合是在基于圖像及其他知識的組織分割的前提下，圖像之間利用特征點進行配準，配準后兩種（或多種）模式的圖像在同一坐標系下將各自的有用信息融合，再通過三維重建的方法表達成二維或三維的圖像。

編輯推薦

《數(shù)字骨科學》是由人民衛(wèi)生出版社出版的。

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