潜心笃志 破冰前行——记2019年度自治区科技进步一等奖“数字骨科学概念的提出及应用”项目团队牵头人张元智
2020/12/10 9:29:21
近年，我国医疗行业不断推进数字化转型，新兴数字技术与医疗健康的融合，全面提升了我国在医疗健康和公共卫生上的治理水平。
以张元智为首的科研团队，历经十余年，采用现代影像学、电脑图形图像处理、计算医学、现代临床解剖学和骨科学相结合，跨学科、多学科交叉研究完成的“数字骨科学概念的提出及应用”项目，实现了我区骨科的新突破，该项目获得2019年度自治区科技进步一等奖。
扎根故乡 开拓数字医学疆土
1986年，张元智毕业于第二军医大学军医系，2002年师从国内著名显微外科专家、第一军医大学南方医院顾立强教授（现中山大学第一附属医院显微外科部主任）攻读博士学位，首次实现了臂丛神经和腰骶丛神经的三维可视化。
2005年，他进入南方医科大学博士后流动站，在我国“数字人之父”钟世镇院士和中国“异体手移植”之父裴国献教授指导下进行骨科数字化相关研究，协同裴国献教授创立了 “数字骨科学”体系，主编国内第一部《数字骨科学》专著，参编多部数字骨科学相关专著。
无论脚步走了多远，家乡的山水始终令张元智心魂相牵。2008年，张元智博士后出站后毅然选择回到内蒙古，进入内蒙古医科大学附属医院。
“2010年我开始申报国家自然基金，到2017年已经有4个国家自然基金项目。”张元智潜心研究数字骨科技术，带领团队攻坚克难，在内蒙古地区开展并推广数字医学的应用。2012年，在他的努力下，内蒙古医科大学成立自治区首个数字医学中心，2018年初在医院建立了“数字医学中心暨智能医疗机器人实验室”，进一步推动成果转化和产学研用紧密结合。截止目前，实验室共承担国家自然科学基金4项，多项内蒙古重大专项基金和内蒙古自然科学基金，申请专利30余项，获授权专利23项（其中发明专利7项）。
“做学问很简单，静下心来，做到极致就会有结果。”张元智表示，如果没有创新的科研，就没有核心技术，就像房屋没有坚实的地基。当前我国医学的发展已经进入创新时代，只有不忘初心，不断探索，踏踏实实一步一个脚印地去做科研，推动精准医疗与智能医学技术的深度融合，才能为老百姓提供优质的医疗服务。
率先提出数字骨科学
为临床医疗提供更多可能
“数字骨科学不同于传统骨科学，其本身在骨科可以形成一个体系，骨科仿真教室不是实际的病房，而是以数字可视化形式展示，进行骨科手术的设计、训练、模拟与实施，实现基础与临床、理论与实践的完美结合。”张元智说。
通过跨学科与多学科交叉研究，张元智将人体解剖学、现代影像学、计算机三维重建、逆向工程技术和骨科学相结合，在国内率先提出“数字骨科学”概念，并建立“数字化皮瓣”、“三维下肢机械轴线和全膝关节置换截骨模板”和“横向骶髂关节螺钉固定最佳钉道术前规划”，提高了手术的精确性和安全性。目前，《数字骨科学》概念已得到国内同行的广泛认可，并广泛开展。“数字骨科学”为现代骨科学研究拓展了新的思维方式，多种方法为国内首创。
“所有的骨盆都会有骨的螺钉固定通道，但这个通道到底是什么？能不能用数字化的东西把它测量出来？”张元智介绍，术前规划符合生物力学的螺钉置入最优钉道并实施手术是当前难以解决的问题。传统的实验研究，往往需要大量的标本，而每个标本个体差异太大，实验所需数据繁冗复杂。
为攻克该难题，张元智与团队就此开展研究，并提出了新的“骶髂关节螺钉固定最佳钉道”方法，应用于临床本项目建立了一种针对每个患者骶骨个体特征，进行横向骶髂关节螺钉固定最佳钉道术前规划。利用图像分割、重建和逆向工程技术，针对每个患者的个体化CT数据，生成最优的螺钉固定钉道。同时虚拟还原术中二维侧位骶骨图像，确定此位钉道位置（进钉点），实现术前定量规划与术中精确引导的结合，从规划和执行两个方面提高手术的精确性和安全性，缩短了手术时间，通过多家医院的实际应用收到了良好的临床效果。
数字骨科学的出现为骨科的临床与教学提供了全新的训练途径，改变了老师带学生、内容随机的传统模式，实现了由二维到三维、由平面到立体、由静态到动态的转变。张元智表示，数字骨科学的建立，有望使临床骨科系统化、标准化、实体化、立体化，有利于骨科手术医生以全新的模式和技术平台进行模拟、训练，“数字骨科学”这一骨科新分支的萌生必将极大地推动骨科学的发展。
以数字骨科为基础
创新研发骨科机器人
随着数字骨科、导航技术及数字影像融合技术的兴起，骨科手术机器人逐步成为炙手可热的发展领域。
2016年，张元智走访浙江某机械臂制造企业发现，机械臂的操作灵活且精度很高。张元智想，如果能将机械臂集成智能应用到骨科手术中，就可以解放医生在手术台前的双手，高精度也可以为患者带来更安全、可靠的治疗。
经过多年努力，在2018年团队终于研发出我国首个无遮挡骨科手术机器人“AIOOR骨科手术机器人(All-In-One Orthopaedic Robot)”，从此也宣告内蒙古骨科手术正式迈入机器人时代。
张元智介绍，AIOOR因其特有的前沿影像系统及软件开发，不需要另外购置手术室配套CT设备，也无需在术前进行手术规划，在术中2至5分钟就可以完成规划。AIOOR针对骨盆骨折、关节附近骨折、骨质疏松骨折、脊柱损伤、脊柱退行性病变等骨科疑难疾病进行手术的时间更短，精准度更高，也更安全。
“用箭靶举例，传统骨科手术把钢钉打在安全区域6至10环都是成功的，AIOOR能精确到10.01环！”张元智与团队自主研发的AIOOR手术通道机器人，其功能定位于手术器械通道的快速实时定位，基于正侧位X线片结合红外数字导航原理，快速精准实时规划手术通道，通过控制软件驱动六轴协作机器人到达指定位置，形成入针/入钻平台，成为创建脊柱和关节微创手术通道的基础。
AIOOR的导航定位系统是国内外首创的基于传统骨科手术C臂透视影像实现定位，并集成智能机器人的新一代定位系统。在手术过程中，导航定位系统可提供精确稳定的导向作用，由C臂透视确保最终位置，保障安全有效性，医生只需独立在控制室完成手术定位，不实际与病人接触，进一步确保了手术过程中的安全性。
张元智表示，AIOOR大大简化了操作流程，对医生的手术习惯和流程影响最小，并采用双平面透视技术，极大简化了手术流程，缩短了手术时间，减少了医生和患者的辐射，实现了低成本，有效地解决了机器人辅助手术快、准、稳等难以同时实现的难题。
人物简介：
张元智教授，医学博士，博士后，现任内蒙古自治区数字转化医学工程技术研究中心主任，内蒙古医科大学数字医学中心主任，内蒙古医科大学附属医院数字医学中心暨智能医疗机器人实验室负责人，SICOT（国际矫形与创伤外科学会）中国部数字骨科学会副主任委员，内蒙古数字转化医学学会理事长，第五批“草原英才”。
张元智在国内外学术期刊上发表论文百余篇，其中SCI收录文章十余篇。主持国家自然科学基金3项，内蒙古重大专项基金和内蒙古自然科学基金多项，曾获省级科技进步一等奖两项，二等奖一项，内蒙古自治区医学会科学技术一等奖一项，二等奖三项。
（内蒙古科技厅成果管理与转化处 科技奖励服务中心）
以张元智为首的科研团队，历经十余年，采用现代影像学、电脑图形图像处理、计算医学、现代临床解剖学和骨科学相结合，跨学科、多学科交叉研究完成的“数字骨科学概念的提出及应用”项目，实现了我区骨科的新突破，该项目获得2019年度自治区科技进步一等奖。
扎根故乡 开拓数字医学疆土
1986年，张元智毕业于第二军医大学军医系，2002年师从国内著名显微外科专家、第一军医大学南方医院顾立强教授（现中山大学第一附属医院显微外科部主任）攻读博士学位，首次实现了臂丛神经和腰骶丛神经的三维可视化。
2005年，他进入南方医科大学博士后流动站，在我国“数字人之父”钟世镇院士和中国“异体手移植”之父裴国献教授指导下进行骨科数字化相关研究，协同裴国献教授创立了 “数字骨科学”体系，主编国内第一部《数字骨科学》专著，参编多部数字骨科学相关专著。
无论脚步走了多远，家乡的山水始终令张元智心魂相牵。2008年，张元智博士后出站后毅然选择回到内蒙古，进入内蒙古医科大学附属医院。
“2010年我开始申报国家自然基金，到2017年已经有4个国家自然基金项目。”张元智潜心研究数字骨科技术，带领团队攻坚克难，在内蒙古地区开展并推广数字医学的应用。2012年，在他的努力下，内蒙古医科大学成立自治区首个数字医学中心，2018年初在医院建立了“数字医学中心暨智能医疗机器人实验室”，进一步推动成果转化和产学研用紧密结合。截止目前，实验室共承担国家自然科学基金4项，多项内蒙古重大专项基金和内蒙古自然科学基金，申请专利30余项，获授权专利23项（其中发明专利7项）。
“做学问很简单，静下心来，做到极致就会有结果。”张元智表示，如果没有创新的科研，就没有核心技术，就像房屋没有坚实的地基。当前我国医学的发展已经进入创新时代，只有不忘初心，不断探索，踏踏实实一步一个脚印地去做科研，推动精准医疗与智能医学技术的深度融合，才能为老百姓提供优质的医疗服务。
率先提出数字骨科学
为临床医疗提供更多可能
“数字骨科学不同于传统骨科学，其本身在骨科可以形成一个体系，骨科仿真教室不是实际的病房，而是以数字可视化形式展示，进行骨科手术的设计、训练、模拟与实施，实现基础与临床、理论与实践的完美结合。”张元智说。
通过跨学科与多学科交叉研究，张元智将人体解剖学、现代影像学、计算机三维重建、逆向工程技术和骨科学相结合，在国内率先提出“数字骨科学”概念，并建立“数字化皮瓣”、“三维下肢机械轴线和全膝关节置换截骨模板”和“横向骶髂关节螺钉固定最佳钉道术前规划”，提高了手术的精确性和安全性。目前，《数字骨科学》概念已得到国内同行的广泛认可，并广泛开展。“数字骨科学”为现代骨科学研究拓展了新的思维方式，多种方法为国内首创。
“所有的骨盆都会有骨的螺钉固定通道，但这个通道到底是什么？能不能用数字化的东西把它测量出来？”张元智介绍，术前规划符合生物力学的螺钉置入最优钉道并实施手术是当前难以解决的问题。传统的实验研究，往往需要大量的标本，而每个标本个体差异太大，实验所需数据繁冗复杂。
为攻克该难题，张元智与团队就此开展研究，并提出了新的“骶髂关节螺钉固定最佳钉道”方法，应用于临床本项目建立了一种针对每个患者骶骨个体特征，进行横向骶髂关节螺钉固定最佳钉道术前规划。利用图像分割、重建和逆向工程技术，针对每个患者的个体化CT数据，生成最优的螺钉固定钉道。同时虚拟还原术中二维侧位骶骨图像，确定此位钉道位置（进钉点），实现术前定量规划与术中精确引导的结合，从规划和执行两个方面提高手术的精确性和安全性，缩短了手术时间，通过多家医院的实际应用收到了良好的临床效果。
数字骨科学的出现为骨科的临床与教学提供了全新的训练途径，改变了老师带学生、内容随机的传统模式，实现了由二维到三维、由平面到立体、由静态到动态的转变。张元智表示，数字骨科学的建立，有望使临床骨科系统化、标准化、实体化、立体化，有利于骨科手术医生以全新的模式和技术平台进行模拟、训练，“数字骨科学”这一骨科新分支的萌生必将极大地推动骨科学的发展。
以数字骨科为基础
创新研发骨科机器人
随着数字骨科、导航技术及数字影像融合技术的兴起，骨科手术机器人逐步成为炙手可热的发展领域。
2016年，张元智走访浙江某机械臂制造企业发现，机械臂的操作灵活且精度很高。张元智想，如果能将机械臂集成智能应用到骨科手术中，就可以解放医生在手术台前的双手，高精度也可以为患者带来更安全、可靠的治疗。
经过多年努力，在2018年团队终于研发出我国首个无遮挡骨科手术机器人“AIOOR骨科手术机器人(All-In-One Orthopaedic Robot)”，从此也宣告内蒙古骨科手术正式迈入机器人时代。
张元智介绍，AIOOR因其特有的前沿影像系统及软件开发，不需要另外购置手术室配套CT设备，也无需在术前进行手术规划，在术中2至5分钟就可以完成规划。AIOOR针对骨盆骨折、关节附近骨折、骨质疏松骨折、脊柱损伤、脊柱退行性病变等骨科疑难疾病进行手术的时间更短，精准度更高，也更安全。
“用箭靶举例，传统骨科手术把钢钉打在安全区域6至10环都是成功的，AIOOR能精确到10.01环！”张元智与团队自主研发的AIOOR手术通道机器人，其功能定位于手术器械通道的快速实时定位，基于正侧位X线片结合红外数字导航原理，快速精准实时规划手术通道，通过控制软件驱动六轴协作机器人到达指定位置，形成入针/入钻平台，成为创建脊柱和关节微创手术通道的基础。
AIOOR的导航定位系统是国内外首创的基于传统骨科手术C臂透视影像实现定位，并集成智能机器人的新一代定位系统。在手术过程中，导航定位系统可提供精确稳定的导向作用，由C臂透视确保最终位置，保障安全有效性，医生只需独立在控制室完成手术定位，不实际与病人接触，进一步确保了手术过程中的安全性。
张元智表示，AIOOR大大简化了操作流程，对医生的手术习惯和流程影响最小，并采用双平面透视技术，极大简化了手术流程，缩短了手术时间，减少了医生和患者的辐射，实现了低成本，有效地解决了机器人辅助手术快、准、稳等难以同时实现的难题。
人物简介：
张元智教授，医学博士，博士后，现任内蒙古自治区数字转化医学工程技术研究中心主任，内蒙古医科大学数字医学中心主任，内蒙古医科大学附属医院数字医学中心暨智能医疗机器人实验室负责人，SICOT（国际矫形与创伤外科学会）中国部数字骨科学会副主任委员，内蒙古数字转化医学学会理事长，第五批“草原英才”。
张元智在国内外学术期刊上发表论文百余篇，其中SCI收录文章十余篇。主持国家自然科学基金3项，内蒙古重大专项基金和内蒙古自然科学基金多项，曾获省级科技进步一等奖两项，二等奖一项，内蒙古自治区医学会科学技术一等奖一项，二等奖三项。
（内蒙古科技厅成果管理与转化处 科技奖励服务中心）
