基于多元化人工智能技术的跟骨骨折损伤机制研究

The program is taking aim at the calcaneal fracture, which is of high morbidity. Meanwhile, patients with calcaneal fractures demand higher quality of life. The program host further expands the “one-stop computer assisted orthopaedic research platform” system on the technical level, which has reached the international advanced level. The system is combined with finite elements analysis software to generate rapidly a three-dimensional (3D) finite element model of the calcaneus, the other tarsal bones and the soft tissue. Then the loading analysis will be stimulated through advanced 3D image segmentation, automatic grid optimized mode and intelligentize model material given techniques. The model is validated by the biomechanical loading test of the fresh cadaver foot specimen. Based the computational biomechanics research pattern, the new and rapid finite element modeling method combined with digital 3D measurements and virtual surgical techniques are adopted to analyze the slight relationship between morphological characteristics and pathological mechanical changes among more than 200 calcaneal fractures, to design 3D classification for calcaneal fractures, and to demonstrate and filter the best internal fixation solution. If carried out, the study will provide a series of scientific and objective theories basis for treating calcaneal fractures, including the confirmation of operative indications, the option of treatment protocols and the evaluation of surgical curative effect. Additionally, this study can also demonstrate and promote the efficient computational biomechanical research pattern based on the multivariate artificial intelligence technique to be widely used in the related research of the whole body bone and joint diseases.

本项目针对跟骨骨折日益增高的发病率及患者对生活质量的高要求，拟从技术层面深入拓展具有国际领先水平的“一站式计算机辅助骨科研究系统”，结合有限元分析软件，通过高阶三维图像分割技术、自动网格优化模式、智能化模型材质赋予，快速生成个性化的跟骨及其周围跗骨和软组织的三维有限元模型并模拟加载分析；通过新鲜尸体足标本的生物力学测试对新构建的跟骨有限元建模技术进行有效性验证；通过计算机辅助的计算生物力学研究模式，应用新一代有限元建模分析解决方案结合高阶三维测量技术及虚拟手术技术，深入剖析200例以上跟骨骨折形态学特征与病理力学变化的细微关系，设计跟骨骨折三维分型系统，筛选与论证最佳内固定治疗方案。研究目标的实现可为跟骨骨折手术指征确定、治疗方案选择、手术疗效评估提供一项科学、客观的理论依据。同时，本研究还可论证和推动基于多元化人工智能技术的高效计算生物力学研究模式在全身骨与关节疾病相关研究中的广泛应用。

人工智能系计算机科学的一项分支，也是计算机辅助外科研究领域的核心技术。本项目针对跟骨骨折日益增高的发病率及患者对生活质量的高要求，在前期工作基础上，深入拓展及整合医学人工智能技术。在技术类创新上，创建了本研究专用的Mini PACS系统和高分辨率的内置入物模型数据库，完成了大样本跟骨骨折影像学原始数据的收集；通过三维空间点、线、平面、曲面，四元素相结合的组合式三维测量技术，构建出了一套客观、精准、可重复性的跟骨骨折三维解剖形态学测量技术；通过整合具有国际领先水平的“一站式计算机辅助骨科研究系统”进行高阶三维图像分割，逆向工程软件进行降噪、平滑以及曲面拟合，有限元分析软件对所构建模型进行求解与有效性验证，构建了一套快速有限元建模技术解决方案。在研究结果上，应用基于人工智能的三维测量技术，论证了三维形态学指标对踝-后足功能恢复的影响机制；通过新鲜尸体足标本的生物力学加载测试，为新一代计算生物力学研究模式提供理论和数据支撑；应用数字化技术精准评估老年跟骨骨折的损伤细节，有助于选择合适的内固定，高效评估骨折复位质量，为切开复位内固定精准治疗老年跟骨骨折提供了技术保障；基于新一代计算生物力学研究模式对跟骨骨折最佳内固定治疗方案进行筛选与论证；通过对比分析及综合评估各类跟骨骨折二维、三维解剖形态学参数，论证了跟骨骨折常用分型的局限性，并初步设计了新一代跟骨骨折三维分型系统。在研究结果的临床应用上，建立了基于计算机辅助虚拟手术技术的跟骨骨折畸形愈合诊疗流程，有效地辅助临床医生提高手术技能及精准度，最终提高手术疗效。同时，本研究中的技术类创新推动了基于多元化人工智能技术的高效计算生物力学研究模式在全身骨与关节疾病相关研究中的广泛应用。