日前，华中科技大学同济医学院附属协和医院发布科技成果转化现金奖励信息公示，医院拟通过转让方式，将“椎体的骨水泥量自动计算系统V1.0”软件著作权拟转让予嘉一高科（湖北）有限公司，协议金额30万元。
该软件系统的核心研发人员为协和医院曹发奇主治医师团队。曹发奇医生为华中科技大学同济医学院临床医学博士，现任华中科技大学附属协和医院副主任医师。他长期深耕于骨科创伤领域，不仅在临床诊治上经验丰富，在科研创新方面也成果显著。他已以第一作者或通讯作者身份在国内外权威期刊发表学术论文20余篇，并作为项目骨干多次参与国家重点研发计划及国家自然科学基金等多项国家级课题。2016年，他曾作为AO访问学者赴德国深造，同年，其参与的研究项目“创伤性骨折的治疗关键技术与临床系列应用”荣获湖北省科技进步二等奖。此外，他还拥有4项实用新型专利，并参编了3部专业著作。在学术服务方面，曹医生现任中国老年医学学会骨与关节分会创伤骨科委员、中国老年学和老年医学学会老年病学分会委员、《中华创伤杂志》青年学术委员会委员，同时担任湖北省运动人体科学研究会骨质疏松专业委员会主任委员等多个重要社会职务。
本次成果的受让方嘉一高科（湖北）有限公司，是一家专门从事数控与3D技术研究与应用服务的高新技术企业。公司以数控技术为基础，将数控技术、计算机软件技术、材料科学有机融合，自主研发生产系列高速数控多工位转塔冲床和数控送料机、系列3D桌面打印机、医疗专用系列3D打印机、系列光固化3D打印机、三维扫描仪、3D投影仪和3D应用材料。
该团队开发的椎体骨水泥量自动计算系统，能够基于医学影像数据智能、精准地计算椎体成形术所需骨水泥用量，为提升手术安全性、标准化操作流程提供了重要的技术支撑。
骨质疏松与骨质疏松性骨折是严重影响老年群体运动功能和生活质量的常见疾病，其中尤为多发的是骨质疏松性脊柱骨折，即老年胸腰椎体压缩性骨折。
目前临床上针对此类骨折的主要治疗方式是椎体后凸成形术。该手术通过在患者被压缩的椎体中注入一种称为“骨水泥”的医用高分子材料，旨在恢复椎体的原有高度和稳定性。理想的手术效果是实现骨水泥在椎体内的充分、均匀填充，从而有效支撑起塌陷的椎体。
然而，手术中骨水泥的灌注量一直是临床实践中面临的关键挑战。骨水泥在伤椎内部的弥散分布是否均衡，直接关系到手术的镇痛效果。如果灌注量不足，骨水泥可能无法充分弥散至椎体的上下终板（椎体与椎间盘相邻的骨性界面），导致对伤椎的强化作用减弱，术后可能出现椎体高度再次丢失的风险。反之，如果灌注量过多，则会使椎体内压力显著升高，大大增加骨水泥向椎管或周围血管渗漏的概率。一旦发生严重渗漏，可能压迫脊髓或神经根，甚至导致患者出现瘫痪等严重后果。
目前，医生在术中决定骨水泥的用量主要依赖于个人积累的临床经验。这种依靠主观判断的方式，虽然在一定程度上可行，但由于缺乏客观、量化的标准，容易产生误差，从而影响手术的一致性与安全性。因此，如何精准、个体化地确定骨水泥的最佳灌注量，是当前临床亟待解决的重要问题。
针对上述临床挑战，传统依赖经验估算的方法已显露出其固有的局限性。而“椎体的骨水泥量自动计算系统”的诞生，正是为了从根本上解决这一精准医疗难题。该系统的核心优势在于，它将现代医学影像、三维重建技术与智能算法深度融合，开创了一条客观、定量且个性化的术前规划新路径。
该专利技术“椎体的骨水泥量自动计算系统”所体现的核心优势，在于它成功地将脊柱微创手术中一项高度依赖外科医生主观经验与直觉判断的关键决策——骨水泥灌注量的确定——转化为一个客观、定量、且可重复的精准计算流程。
传统临床实践完全依赖于术者目测二维医学影像（如X光片或CT断层图像）并在脑海中构建三维关系，凭借个人积累的案例经验来估算注入量，这种方法不可避免地存在个体差异和不确定性。而本系统构建了一套完整的数字化解决方案，其原理始于患者术前常规获取的椎体计算机断层扫描（CT）影像。
系统通过先进的图像分割算法，自动识别并提取每一层CT图像中骨组织的像素轮廓，将这些连续的二维轮廓“层叠”起来，并通过三维重建技术，生成包含病变椎体及其上下相邻健康椎体的高保真数字模型。
这一模型不仅精确复制了椎体外观的几何形态，更能清晰区分并再现内部的骨小梁（即构成椎体松质骨、呈多孔蜂窝状的微结构）与包裹在外层的致密骨皮质，从而在虚拟空间中完整保留了患者的个体化解剖信息。
系统的智能化优势进一步体现在其创新的“数字化模板匹配与差异提取”方法上。它并非对病变椎体进行简单的形态学测量，而是巧妙地利用患者自身未被破坏的健康椎体作为天然参考。具体而言，系统会将重建出的相邻健康椎体三维模型，通过旋转、平移等空间变换，精准地“放置”到病变椎体所在的正常解剖位置上。
随后，采用曲面特征拟合算法，将健康椎体的表面形态与病变椎体的残留结构进行数学上的最佳贴合，从而在计算机中模拟重建出该病变椎体如果未发生压缩骨折时应有的、理想的生理形态。接下来，系统执行一步关键的“布尔减法运算”——这是三维计算机图形学中的一种核心操作，用于精确计算两个三维实体模型之间的空间差异。
通过从拟合生成的“理想椎体”数字模型中“减去”当前塌陷的“病变椎体”模型，系统能够自动计算出需要被填充以恢复椎体高度和形态的那个缺损区域的精准三维空间体积。
更重要的是，该系统超越了简单的几何学计算，融入了生物材料学的考量。它深知骨水泥并非惰性填充物，其从可注射的粘稠液态聚合成固态的过程中，会发生轻微的化学反应性体积膨胀。
因此，系统在计算出理论填充空间体积后，会结合预设的、经过实验验证的“体积膨胀系数”，进行反向推演，最终给出为实现理想支撑效果所需注入的液态骨水泥的推荐毫升数。这一过程彻底将“估算”变为“计算”，为外科医生提供了一个在手术开始前即可明确知晓的、高度个性化的科学剂量依据，从根本上提升了手术规划的预见性与可控性。
该专利技术的先进性，体现在它创造性地整合了临床医学、医学影像处理、计算机图形学与手术规划等多学科知识，实现了一个从影像到剂量、全自动且闭环的智能决策支持系统。其先进性首先源于对医学问题深刻理解后所设计的独特技术路径。
系统在利用健康椎体作为参考模板时，并非直接使用完整的原始模型，而是先智能地“切除”模板椎体上的横突、椎板、棘突等骨性突起结构。
这些结构是椎体后方的附属部分，个体形态变异大，且其主要功能在于肌肉附着和构成椎管后壁，与椎体前方承担主要负重功能的“椎体”核心块状结构的形态相关性较弱。切除这些变异度高的“噪声”部分，实质上是将参考模板“纯化”为更能代表椎体核心通用形态特征的几何模型，从而使得后续的曲面拟合更加稳定，比对结果更能聚焦于反映因骨折导致的、真正需要填充的核心骨质缺损。
为确保整个计算流程的可靠性，系统内嵌了严格的自我验证机制，这构成了其方法学先进性的另一重要维度。在完成曲面拟合得到“拟合椎体”后，系统会对其进行虚拟的“纵向劈开”，然后自动测量拟合出的椎体前缘与后缘骨皮质的高度。
通过与预设的精度阈值进行对比，系统能够自主判断此次拟合是否达到了可供临床参考的质量标准。
这一步骤相当于为自动化流程设置了一个质量控制关卡，确保最终输出的骨水泥推荐量是建立在一个高质量的、经过验证的中间计算结果之上，而非可能存在偏差的原始数据之上，极大增强了医生对系统输出结果的信任度。
最终，本系统输出的不再是一个模糊的经验范围值，而是一个基于患者自身独特解剖结构、经过一系列严谨数学建模、三维运算及物理补偿后得出的具体数值。它标志着椎体后凸成形术的术前规划，从“艺术化”的经验操作迈向“工程化”的精准医疗。
该技术通过将决定手术安全与疗效的核心变量之一进行客观量化与标准化，有望显著降低因剂量不当所致的骨水泥渗漏（可能引起神经压迫、肺栓塞等严重并发症）或术后椎体再塌陷的风险，代表了脊柱微创手术向更高阶的精准化、个性化与智能化发展的明确方向。
针对椎体成形术术前规划依赖人工经验、骨水泥用量难以精准量化的核心痛点，相关企业、医院与研发机构正通过器械创新、材料升级与智能化辅助等多元化技术路径积极寻求突破。
在国际市场中，美敦力骨水泥产品Xpede Bone Cement，该产品适用范围包括因骨质疏松引起的椎体压缩性骨折，以及骨肿瘤或良性病变导致的椎体高度无明显丢失、椎体后壁完整的病理性骨折，可在椎体后凸成形术或椎体成形术中用于椎体的填充与稳定。
该产品目前已通过NMPA进口医疗器械注册审批，处于成熟的临床应用阶段。
在国内，南京市第一医院骨科孙强主任医师及团队于 2024 年在河西院区成功完成医院首例骨科手术机器人辅助下的椎体成形术，截至相关报道发布时已完成 3 台机器人辅助下经皮椎体后凸成形手术；该技术借助三维影像扫描、机器人导航系统术前规划及机械臂精准定位，解决了传统椎体成形术穿刺依赖医生经验 “盲穿” 的痛点，大幅提升穿刺精准度与骨水泥注射后的弥散效果，目前该机器人辅助椎体成形术已处于临床应用阶段。
未来该院还计划依托骨科手术机器人技术进一步缩短复杂手术时间、加速患者康复，推动复杂手术安全化、常规手术微创化、核心操作智能化，最大化发挥 “智能 + 人工” 的治疗效益。
与普爱医疗合作的南京医科大学第二附属医院王伯尧主任及团队便借助这款机器人完成了一例经皮复杂胸腰椎压缩性骨折的经皮椎体成形术。
术中该机器人可配合平板三维 C 形臂完成患者三维影像扫描，将图像同步传输至机器人成像系统后，通过导航系统做好手术规划，再依靠机械臂将手术工具精准定位至目标位置，解决了传统骨科手术中依赖医生经验 “盲穿”、患者需反复承受 X 光辐射、定位误差风险较高的问题，还能优化骨水泥弥散效果。
且相比传统手术，可减少术中辐射量、切口大小、手术时间和出血量，降低患者术中出血量、二次感染率，缩短术后康复周期，减少患者整体医疗支出。从发展阶段来看，普爱医疗这款骨科手术机器人已处于临床应用阶段，其成功应用不仅助力医院智慧化建设，也推动了地区骨科医疗水平向智能化、精准化方向迈进。
华科润公司在椎体成形领域，已构建完整的弯角椎体成形技术体系，实现单侧穿刺双侧成形、骨水泥全椎体定向多点低压注射等效果，同时推进弯角通道工具与集成化工具创新项目还研发新型椎体成形弯角内植入物技术，并开展人工智能椎体成形系统研发。
在脊柱微创领域，该公司开发了可通过极小内镜通道进入椎间隙的微创椎间融合器，创新经椎弓根融合技术，同时专注微创内固定技术研发；在手术机器人领域，即将推出远程骨水泥机器人与 “智能啄木鸟” 脊柱手术机器人；在生物医用材料领域，研发可吸收高强骨水泥、骨诱导再生材料、仿生骨材料。
在数字化骨科领域，研发 AI 辅助骨科三维规划系统，探索 5G 远程手术方案，并将 VR 技术用于脊柱外科临床教学、AR 导航系统用于脊柱微创治疗。新型椎体成形弯角内植入物技术、人工智能椎体成形系统、微创椎间融合器、可吸收高强骨水泥等处于研发优化阶段。远程骨水泥机器人与 “智能啄木鸟” 脊柱手术机器人处于即将推出阶段。
通过实现骨水泥用量的自动计算，为临床手术提供客观、量化的关键决策支持，已经成为该类手术的大趋势。未来，随着此类精准辅助技术与手术流程的深度融合，将进一步推动脊柱微创手术的标准化与规范化发展，提升手术安全边界与疗效的一致性。
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