虛擬現實技術在全髖表面置換術中的應用.pdf

1、股骨頭缺血性壞死、先天性髖關節(jié)發(fā)育不良、股骨頭骨骺滑脫、強直性脊柱炎等常見疾病其晚期結果是導致髖關節(jié)疼痛和嚴重的功能障礙,對于這類髖關節(jié)疾病晚期,較好的治療方法是進行人工全髖關節(jié)置換。對于預期壽命長,骨質條件較好,活動量大,將來面臨多次翻修的患者來說,選擇全髖關節(jié)表面置換(hip resurfacing arthroplasty,HRA)更具以下特點:1.HRA可更精確地重建股骨近端解剖結構,使應力分布更符合生理要求；2.髖關節(jié)表面置換

2、術可最大限度地保留原有骨質和生理結構,使患者術后關節(jié)活動度的恢復更接近于正常水平；3.保留較多骨質,增加關節(jié)穩(wěn)定性:4.未破壞骨髓腔,為二次翻修提供便利,無碎屑誘發(fā)的骨溶解,假體不會發(fā)生無菌性松動。相關臨床資料報告關節(jié)優(yōu)良率為94.4-99.7％。但是全髖關節(jié)表面置換的并發(fā)癥也不容忽視,常見的并發(fā)癥包括股骨頸骨折,股骨頸狹窄,血清鉻鈷金屬離子的上升,下肢短縮跛行,腹股溝區(qū)持續(xù)疼痛及腫塊的形成。
　　 據相關研究資料表明,股骨頭缺

3、血性壞死在全部髖關節(jié)置換術的患者中所占的比例是5％～12％。選擇適合患者、正確放置假體、合理使用骨水泥、術中導航技術及術前模擬手術等,可明顯降低術后并發(fā)癥的發(fā)生率或減少并發(fā)癥的危害。當前認為全髖關節(jié)表面置換術最佳的適應癥為:骨質良好、股骨頭直徑與股骨頸直徑的比值大于1.2、下肢縮短長度小于1cm、年齡小于55歲的、體重小于82千克的非感染和毀損性髖關節(jié)疾病患者；傳統全髖關節(jié)表面置換的術前影像學準備為術前常規(guī)拍攝骨盆正位片及雙髖關節(jié)螺旋C

4、T掃描,主要從二維平面評估骨質破壞情況、頭頸比率、確定假體的大小、及初步評價股骨頭塌陷對于髖關節(jié)表面置換術后的可能影響。但二維結構很難完全反應病變的真實形態(tài),特別是股骨頭塌陷的范圍,囊性變和硬化帶的量化及術后截骨后骨質保留之間的相互關系未能給予一量化的評估；應用非影像的計算機導航技術可以縮短初學者的學習曲線,術中及時反饋,從而使股骨假體置于最佳位置。但也有其缺點:1.手術時間相對較長；2.紅外線參考架術中應該避免碰撞移動,否則需要重新注

5、冊。3.解剖標志點選擇要準確,否則影響圖像匹配精確性。當前國內引進非影像導航系統的醫(yī)院還少,目前在國內才處于臨床摸索階段,缺乏大樣本的系統的臨床應用研究,因此很有必要進行相關的技術培訓和理論研究,接受這一新的外科輔助理念。
　　 隨著計算機技術的飛速發(fā)展,虛擬現實技術(virtual reality VR)在醫(yī)學上發(fā)揮著重要的作用。在臨床上,為了避免直接使用人為制定的手術策略進行手術所帶來的巨大風險,目前采取的最好解決方法就是建

6、立一套虛擬仿真系統。虛擬仿真系統基于三維醫(yī)療可視化立體模型。對外科手術進行規(guī)劃和虛擬操作。開展這方面的研究將在精確手術定位、縮短手術時間、提高手術質量等方面帶來一系列的技術變革。目前,對于醫(yī)療仿真的研究多數集中利用患者的醫(yī)學影像資料(CT/MRI圖像)或數字人(Virtual Human VH)數據庫進行人體組織器官的建模,應用數字化三維醫(yī)學影像交互式控制系統mimics(Materialise’s interactive medica

7、l image control system)或3dsmax等軟件系統進行手術模擬演練、手術計劃制定、手術教學、技能訓練、術中引導手術、術后康復等工作。目前虛擬手術模擬系統主要涉及耳鼻頜面外科、矯形外科、神經外科、虛擬內窺鏡等方面,臨床醫(yī)生將醫(yī)學影像數據輸入到系統中,將原始圖像格式轉換為計算機方便處理的格式,并對圖像進行減噪、提高信噪比和消除圖像的偽影,通過分割提取感興趣區(qū)域或待手術部位,對同一部位不同模態(tài)圖像進行配準和融合,然后可視化

8、立體結構得到直觀的三維立體模型顯示。最后調用交互操作程序,對可視化三維立體模型再進行一系列的交互操作(旋轉、縮放、平移、切割、測量、組合、以及虛擬假體置入等來實現手術模擬)。目前可視化虛擬手術主要應用于脊柱椎弓根螺釘內固定系統定位、復雜骨折復位及選擇個體化內固定器械、全髖全膝關節(jié)置換截骨平面的選擇等相關研究。目前國內外關于虛擬現實技術應用于客觀評估髖關節(jié)病變情況及設計個性化的虛擬手術鮮有報道。
　　 本研究利用Mimics在數字

9、仿真與三維建模方面的優(yōu)勢,將飛利浦Brilliance64排螺旋CT薄層掃描得到的Dicom原始數據導入Mimics軟件中進行三維骨盆重建,對三維骨盆結構(股骨頭囊性變,硬化帶,及髖臼骨質)進行準確而完整的術前數字化評價；在Geomagic studo 8.0及3dsmax軟件中對三維模型進行可視化虛擬操作,明確股骨頸中心定位,截骨平面,假體大小及放置,最大程度的實現手術效果的最優(yōu)化。
　　 第一章 基于CT斷層圖像重建股骨頭缺

10、血性壞死三維結構
　　 目的:1.快捷、精確的基于CT斷層圖像重建股骨頭缺血性壞死髖關節(jié)三維立體結構；2.客觀評價病變組織。
　　 方法:利用Philips/Brilliance 64排螺旋CT各向同性分辨率0.625mm的薄層掃描技術,基于0.5mm層厚286張股骨頭缺血壞死性壞死患者髖關節(jié)的連續(xù)斷層圖像,Mimics 10.01軟件直讀入Dicom格式原始圖像,根據閾值設置不同產生不同的蒙罩,每層圖像經邊緣分割,選擇

11、性編輯及補洞處理,去除冗余數據,分別建立髖臼,近端股骨,股骨頸及股骨頭病變組織的三維立體結構。將重建好的各部分結構以STL格式導入Geomagic studo 8.0軟件進行光滑及配準處理。
　　 結果:三維重建的髖關節(jié)(包括病變組織)與術前影像學資料,術中所見完全吻合。三維立體結構外型逼真,能夠任意角度的旋轉及縮放觀察,多彩色、透明或任意組合顯示,視覺效果較佳,整體清晰、實體感強。通過不同平面的切面可以觀察各組件的內部結構關系

12、。并且能對內部結構進行拆分,分離病變組織(囊性變及硬化帶),進一步對病變組織進行體積的評估。各組件以STL格式文件導入Geomagic studo和3dsmax軟件系統中可進行虛擬仿真操作。
　　 結論:Mimics軟件根據CT掃描所得的Dicom原始數據能準確重建股骨頭缺血性壞死髖關節(jié)的三維立體結構,計算病變體積,為患髖術前骨質的客觀評價提供了依據。
　　 第二章 可視化虛擬手術在全髖表面置換術中的應用
　　

13、目的:1.術前選擇合適的假體型號(股骨和髖臼假體)；2.術中精確的股骨頸中心定位,準確的截骨及最佳位置放置假體,根據全髖關節(jié)表面置換的術前數字化評價為髖關節(jié)表面置換術中假體位置的放置和手術技術的改進提供技術支持。
　　 方法:假體大小測量:在3dsmax軟件中導入以STL格式保存的三維重建圖像。分別于股骨頭頸交界處取前后、內外側的最大直徑。前后直徑約為44mm,內外側直徑約為40mm(測量過程在Geomagic studo 8.

14、0完成)。因此本虛擬手術選擇股骨假體直徑為44mm,髖臼假體直徑為50mm的假體。
　　 股骨頸中心定位:由于股骨頸并非標準的圓柱形或者橢圓柱形,骨頭的中心并非股骨頸的中性,本研究取過股骨頸中心且平行于股骨頸的直線與股骨頭的交點作為虛擬導針的初步進針點,由于患髖股骨頭前外側明顯塌陷,并且積聚大量的囊性變區(qū)域,而后內側骨皮質骨質較好,為了去除更多的囊性變和保留更多的完整骨質,因此進針點向后方平移了3mm。
　　 近端股骨虛

15、擬打磨:(1)沿著進針點插入一粗導桿,虛擬平臺銼(平行于股骨頸)去除股骨頸近端骨質部分約6mm厚。(2)沿導桿方向用一與股骨頸直徑相同(都為44mm)的虛擬桶狀銼磨削股骨頭至頭頸交界處。注意觀察股骨頸皮質處是否有切跡的形成,以及計算殘余囊性變區(qū)域的體積。(3)套上虛擬錐形銼磨削股骨頭使股骨頭形成一斜角圓柱形,使其外徑與股骨頭假體內徑相匹配。
　　 結果:在3ds max v7.0軟件系統中,運用布爾邏輯運算系統,模擬全髖表面置換

16、整個手術過程,效果生動、逼真、基本和實際手術操作過程相同(見下圖所示)。并且經過虛擬桶狀銼磨削股骨頭至頭頸交界處,可以從前后內外側清晰可見股骨頸邊緣無多余骨贅及切跡形成,形成一有效的股骨截骨面。并可進而觀察股骨頸部剩余骨囊腫的區(qū)域及計算保留的股骨頸部骨量。
　　 結論:可以在3ds max v7.0的三維坐標儀中建立起不同的虛擬手術器械(虛擬平臺銼,虛擬桶狀銼,虛擬錐形銼),通過布爾邏輯運算系統形成有效的虛擬近端股骨打磨。在整個