脛骨平臺骨折優(yōu)化內(nèi)固定手術(shù)的數(shù)字化設(shè)計與臨床研究.pdf

1、背景:
　　脛骨平臺骨折是一種常見的高能量復(fù)雜關(guān)節(jié)內(nèi)骨折，內(nèi)固定手術(shù)難度較大且術(shù)后常伴有疼痛、關(guān)節(jié)不穩(wěn)及創(chuàng)傷性關(guān)節(jié)炎。其內(nèi)固定要求不僅體現(xiàn)在要獲得良好的生物力學(xué)性能，還必須實現(xiàn)關(guān)節(jié)面的解剖復(fù)位以避免術(shù)后患者關(guān)節(jié)疼痛。復(fù)雜類型的骨折在內(nèi)固定植入時需要實現(xiàn)上述兩點要求，那么不僅需要考慮到手術(shù)入路、術(shù)式選擇、骨折以及骨缺損的具體情況等，也要考慮到內(nèi)固定植入所需的接骨板和螺釘?shù)囊?guī)格、植入位置、螺釘植入方向等因素。因此，更為有效及精確化的“

2、個性化手術(shù)”的呼聲越來越高。
　　骨折手術(shù)的內(nèi)固定效果很大程度上決定于鋼板的外形匹配程度，鋼板與骨面良好的匹配無疑能夠獲得更好的固定效果及生物力學(xué)性能。鎖定加壓鋼板(LCP)是現(xiàn)今比較常用的脛骨平臺內(nèi)固定植入物，由于個體化差異，每一例骨折情況都不相同，而且不同廠家接骨板規(guī)格、型號都不盡相同，常常導(dǎo)致鋼板與骨面不匹配。即使外形匹配的鋼板也會出現(xiàn)釘?shù)婪植疾焕硐氲那闆r。因此，術(shù)中常常面臨沒有合適的鋼板可供選擇的窘境，勉強植入效果不理想，

3、導(dǎo)致復(fù)雜脛骨平臺骨折內(nèi)固定植入效果參差不齊。因此，詳盡合適的術(shù)前手術(shù)方案設(shè)計顯得尤為重要，但傳統(tǒng)手術(shù)方式術(shù)前設(shè)計主要關(guān)注手術(shù)入路、術(shù)式選擇、骨折以及骨缺損等情況，往往忽視了內(nèi)固定植入所需的接骨板和螺釘?shù)囊?guī)格、植入位置、螺釘植入方向等重要因素。
　　傳統(tǒng)的骨科手術(shù)，醫(yī)生在術(shù)前主要依靠個人經(jīng)驗制定手術(shù)計劃，而且，在我國絕大多數(shù)的基層醫(yī)院還是停留在術(shù)前靠人腦空想設(shè)計手術(shù)方案的狀況，或者只能通過X線、CT、MRI等二維圖像進行術(shù)前的手術(shù)方

4、案構(gòu)思，常缺乏骨性病理解剖結(jié)構(gòu)與周圍血管、神經(jīng)等軟組織的關(guān)系的描述反映，很難精確的、標(biāo)準化的設(shè)計手術(shù)入路、內(nèi)固定方式的方案制定，即很難確定適合具體病例的最優(yōu)化的手術(shù)方案，也很難預(yù)測手術(shù)當(dāng)中所遇到的問題。手術(shù)醫(yī)生往往憑借自己的經(jīng)驗在大腦中勾勒術(shù)中的三維場景，其構(gòu)思和手術(shù)經(jīng)驗很難為手術(shù)組每一位成員所共享，手術(shù)操作更難以達成默契，而且手術(shù)效果往往依賴于醫(yī)生個體的外科臨床經(jīng)驗與技能，經(jīng)驗與手術(shù)熟練程度決定了手術(shù)的成敗。
　　近20多年來，

5、“數(shù)字骨科”技術(shù)發(fā)展迅速。利用計算機輔助技術(shù)，骨科手術(shù)模式由傳統(tǒng)的“開放-觀察-手術(shù)”向“觀察-開放-手術(shù)”轉(zhuǎn)變，即利用計算機重建患者個體化的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的數(shù)字化三維立體圖像，在手術(shù)規(guī)劃軟件上觀察、測量三維模型，對手術(shù)部位深入觀察，精確設(shè)計手術(shù)路徑和范圍，使手術(shù)更加精確、微創(chuàng)，提升手術(shù)質(zhì)量和可靠性，正是由于上述優(yōu)點，數(shù)字醫(yī)學(xué)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于創(chuàng)傷、脊柱骨科及關(guān)節(jié)外科等領(lǐng)域。數(shù)字化技術(shù)可以精確設(shè)計手術(shù)方案，使手術(shù)更加精確，提升手術(shù)質(zhì)量和可靠性。

6、但是虛擬的手術(shù)方案設(shè)計如何指導(dǎo)現(xiàn)實手術(shù)實施，如何縮小虛擬與現(xiàn)實之間的差距是數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用的重要問題。3D打印技術(shù)的發(fā)展，可以將任何形狀的虛擬模型打印成實體模型，而且其成本的降低、打印精度與速度的提高以及打印模型力學(xué)強度的增加，都為解決上述難題提供了難得的契機。經(jīng)過完善的計算機輔助術(shù)前評估、規(guī)劃和手術(shù)方案設(shè)計，應(yīng)用3D打印技術(shù)將手術(shù)方案精確地付諸于實施，為虛擬設(shè)計向現(xiàn)實手術(shù)實施架設(shè)一座橋梁。
　　目的:
　　1.基于國內(nèi)臨床常

7、用的脛骨平臺骨折內(nèi)固定植入物的CT數(shù)據(jù)，建立脛骨平臺骨折內(nèi)固定植入物三維模型庫;
　　2.調(diào)用內(nèi)固定植入物三維模型庫，進行脛骨平臺骨折內(nèi)固定手術(shù)方案的數(shù)字化優(yōu)化設(shè)計研究;
　　3.基于優(yōu)化設(shè)計的手術(shù)方案的基礎(chǔ)上設(shè)計導(dǎo)航模板，并結(jié)合3D打印技術(shù)指導(dǎo)現(xiàn)實內(nèi)固定手術(shù)的實施，實現(xiàn)脛骨平臺骨折精確化手術(shù)。
　　方法:
　　1.脛骨平臺內(nèi)固定植入物三維模型庫的建立:采用6套國內(nèi)臨床常用的脛骨平臺全規(guī)格鋼板（辛迪斯，捷邁，史塞

8、克，大博，威高，華森）為實驗材料，通過CT掃描的方式獲取原始DICOM數(shù)據(jù)，包括帶釘鋼板與不帶釘鋼板。利用Mimics軟件進行內(nèi)固定器械的初步三維建模，然后把三維模型導(dǎo)入Geomagic軟件進行光順優(yōu)化處理，包括消除CT偽影所產(chǎn)生的影響。帶釘鋼板的三維模型受CT偽影影響較大，需要繪制虛擬釘?shù)来骀i定釘，而且虛擬釘?shù)琅c鎖定釘方向一致。因此，內(nèi)固定植入物三維模型庫的建庫單元為帶虛擬釘?shù)赖匿摪迦S模型，按照不同鋼板廠家、類型、規(guī)格分類建庫。<

9、br>　　2.基于3D打印的脛骨平臺骨折內(nèi)固定手術(shù)方案的數(shù)字化優(yōu)化設(shè)計:采集臨床脛骨平臺骨折薄層CT掃描數(shù)據(jù)60例，利用Mimics軟件建立脛骨平臺骨折三維模型并且進行虛擬骨折復(fù)位。調(diào)用脛骨平臺內(nèi)固定植入物三維模型庫，選取最合適具體病例的鋼板進行虛擬內(nèi)固定植入手術(shù)方案的優(yōu)化設(shè)計，包括鋼板外形與骨面的匹配，螺釘?shù)闹踩胛恢煤头较蚰茏畲蟪潭鹊墓潭ㄖ饕钦蹓K。在優(yōu)化設(shè)計方案的基礎(chǔ)上設(shè)計導(dǎo)航模板，并且運用3D打印技術(shù)，把骨折模型、鋼板模型以及導(dǎo)航

10、模板模型打印成等比例實體模型，在導(dǎo)航模板的引導(dǎo)下指導(dǎo)實體模型的內(nèi)固定植入手術(shù)，并且比較虛擬手術(shù)與實體模型手術(shù)的效果是否一致，評價數(shù)字化技術(shù)結(jié)合3D打印技術(shù)在精確化手術(shù)中應(yīng)用價值。
　　3.脛骨平臺骨折數(shù)字化優(yōu)化設(shè)計手術(shù)的尸體實驗驗證:采用正常人膝關(guān)節(jié)尸體標(biāo)本6例，模擬脛骨平臺骨折雙柱及三柱骨折類型進行骨折造模，然后骨折造模標(biāo)本CT掃描進行三維重建、虛擬骨折復(fù)位、內(nèi)固定手術(shù)數(shù)字化優(yōu)化設(shè)計以及導(dǎo)板的設(shè)計和3D打印成型，按照數(shù)字化手術(shù)方

11、案在導(dǎo)航模板的引導(dǎo)下實施尸體標(biāo)本的內(nèi)固定手術(shù)。術(shù)后再次進行CT掃描以及三維重建，測量及比較分析術(shù)前及術(shù)后螺釘長度、進釘點坐標(biāo)、釘?shù)婪较虻囊恢滦?，評價內(nèi)固定植入物三維模型庫與導(dǎo)航模板輔助下的精確化手術(shù)的可行性及準確性。
　　4.脛骨平臺骨折數(shù)字化優(yōu)化設(shè)計手術(shù)的臨床應(yīng)用:采集臨床脛骨平臺骨折病例，按照尸體標(biāo)本實驗的實驗方法實施脛骨平臺骨折精確化及優(yōu)化手術(shù)，實現(xiàn)虛擬的數(shù)字化優(yōu)化方案向現(xiàn)實手術(shù)的轉(zhuǎn)化，指導(dǎo)臨床手術(shù)。
　　結(jié)果:

12、>　　1.基于高質(zhì)量的內(nèi)固定植入物的CT薄層掃描數(shù)據(jù)，利用Mimics和Geomagic軟件可以建立起高仿真度的內(nèi)固定植入物三維模型庫。鎖定鋼板與虛擬鎖定釘?shù)赖目煞挚珊系膯卧鳛閮?nèi)固定植入物三維模型庫的標(biāo)準件模式，是內(nèi)網(wǎng)定植入物三維模型庫的精髓所在。利用虛擬釘?shù)来骀i定鋼板的鎖定釘?shù)?，既可以保留了鎖定釘?shù)姆较蚣拔恢玫恼鎸嵭?，同時又可直接被調(diào)用實施虛擬手術(shù)，對內(nèi)固定虛擬手術(shù)具有巨大的臨床意義。同時基于脛骨平臺骨折的CT掃描數(shù)據(jù)，利用三維編

13、輯的方式，可以快速建立高仿真的脛骨平臺骨折三維模型，并且進行虛擬骨折復(fù)位，內(nèi)固定植入等虛擬手術(shù)，對臨床手術(shù)術(shù)前規(guī)劃及個性化、精確化手術(shù)方案的制定具有重大意義。
　　2.基于3D打印模型的基礎(chǔ)實驗結(jié)果顯示3D模型模擬手術(shù)的手術(shù)效果與內(nèi)固定數(shù)字化設(shè)計方案的手術(shù)效果一致，二者螺釘長度無明顯差異(t=-1.594;V=12; P=0.137)，二者螺釘長度差值為-0.52±1.180mm，二者螺釘長度相關(guān)系數(shù)r=0.994。
　　3

14、.尸體標(biāo)本的內(nèi)固定手術(shù)效果與數(shù)字化優(yōu)化手術(shù)方案的手術(shù)效果高度一致。二者螺釘長度偏差為0.95±2.89mm，P＞0.05;鎖定螺釘進釘點在X，Y和Z軸上的偏差分別為0.25±1.77mm，0.31±3.14mm和0.25±1.38mm，P＞0.05;鎖定螺釘在冠狀面(X-Y)和橫斷面(X-Z)上的投影角偏差分別為0.71±4.46°和1.57±5.13°，P＞0.05。數(shù)字化的理想釘?shù)篮同F(xiàn)實手術(shù)的實際釘?shù)涝诼葆旈L度、進釘點位置和釘?shù)劳队?/p>

15、角的比較上無明顯差異。
　　4.臨床脛骨平臺骨折病例內(nèi)固定手術(shù)效果與數(shù)字化優(yōu)化手術(shù)方案的手術(shù)效果高度一致。二者螺釘長度偏差為1.57±5.77mm，P＞0.05;鎖定螺釘進釘點在X，Y和Z軸上的偏差分別為1.59±5.46mm，0.74±4.98mm，和1.76±6.50mm，P＞0.05;鎖定螺釘在冠狀面(X-Y)和橫斷面(X-Z)上的投影角偏差分別為1.59±5.17°和1.25±7.05°，P＞0.05。數(shù)字化的理想釘?shù)篮同F(xiàn)

16、實手術(shù)的真實釘?shù)涝诼葆旈L度、進釘點位置和釘?shù)劳队敖堑谋容^上無明顯差異。
　　結(jié)論:
　　脛骨平臺骨折精確化及優(yōu)化的內(nèi)固定手術(shù)主要體現(xiàn)在術(shù)前選擇與骨面高度匹配的鋼板、優(yōu)化的鋼板植入位置以及理想的螺釘釘?shù)?。?nèi)固定植入物三維模型庫是實現(xiàn)虛擬內(nèi)固定手術(shù)的前提，對臨床手術(shù)術(shù)前規(guī)劃及個性化、精確化手術(shù)方案的制定具有重大意義。數(shù)字化技術(shù)結(jié)合內(nèi)固定植入物三維模型庫能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)化以及個性化的術(shù)前手術(shù)方案的制定，通過確定鎖定釘進釘點與方向的方法來

17、確定鎖定鋼板的植入位置，并且輔以3D打印導(dǎo)航模板的來精確引導(dǎo)鎖定釘?shù)闹踩?，能夠完成精確化的脛骨平臺骨折內(nèi)固定植入手術(shù)。在內(nèi)固定植入物三維模型庫及手術(shù)方案術(shù)前數(shù)字化設(shè)計的輔助下，實現(xiàn)了精確及優(yōu)化的尸體標(biāo)本內(nèi)固定手術(shù)，獲得了與優(yōu)化設(shè)計的數(shù)字化方案一致的鋼板植入位置以及理想釘?shù)溃炞C了3D打印導(dǎo)航模板指導(dǎo)下的精確化手術(shù)的可行性。根據(jù)尸體標(biāo)本內(nèi)固定手術(shù)的數(shù)據(jù)及操作經(jīng)驗，通過導(dǎo)航模板的改良設(shè)計，實現(xiàn)了在內(nèi)固定植入物三維模型庫以及3D打印導(dǎo)航模板輔