利用CT三維重建和Ugnx、Pro/E數(shù)控加工定制完全個(gè)體化鎖骨骨折內(nèi)固定鋼板的研究

陸忠輝，童松林，徐仲棉

1 浙江省慈溪市人民醫(yī)院骨科，浙江省，慈溪市，315300

2 浙江省廣慈醫(yī)療器械有限公司，浙江省，慈溪市，315300

隨著骨科手術(shù)的發(fā)展，創(chuàng)傷骨折病人的內(nèi)固定植入物器材的變化也很大，由簡(jiǎn)單的克氏針[1]及鏈條式接骨鋼板發(fā)展到鎖定鋼板和LISS鋼板[2]，由三棱形髓內(nèi)釘發(fā)展到交鎖髓內(nèi)釘[3]等。由于個(gè)體差異，且內(nèi)植入物沒(méi)有做到完全個(gè)體化，使術(shù)中鋼板塑型不良，或者植入物不能完全匹配患肢的骨骼解剖結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致部分病人發(fā)生骨折愈合延遲，畸形愈合或骨不連，甚至內(nèi)植入物斷裂，取出困難等等問(wèn)題[4]。利用螺旋CT三維重建成像技術(shù)和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、制造（簡(jiǎn)稱(chēng)：CAD/CAM）技術(shù)及數(shù)控仿真加工（CNC）技術(shù)，我們已經(jīng)快速定制出按照不同病人、不同部位、不同骨折特點(diǎn)的骨骼匹配度極高的鎖骨異性?xún)?nèi)固定鋼板，使患者的內(nèi)固定鋼板完全個(gè)體化，現(xiàn)報(bào)道如下。

圖1 右側(cè)鎖骨（骨折側(cè)）CT圖像Fig.1 Across-sectional CT image of the right clavicle(injured side)

圖2 左鎖骨（健側(cè)）CT圖像Fig.2 Across-sectional CT image of the left clavicle(uninjured side)

1 數(shù)據(jù)處理

1.1 數(shù)據(jù)采集

利用本院16排螺旋C T機(jī)，型號(hào)為美國(guó)G E lightspeed16 ，1.25 mm 間距，螺距10 mm螺旋掃描，患側(cè)和健側(cè)兩側(cè)鎖骨各掃描64張，dicom格式圖像，圖1和圖2為螺旋CT掃描獲得的兩幅圖像。

1.2 三維重建和圖像切割

利用求反軟件mimics8.1三維重建(圖3、圖4),并把圖像切割，并轉(zhuǎn)換成iges文件（圖5、圖6）。

圖3 右側(cè)（患側(cè)）鎖骨粉碎性骨折三維圖Fig.3 3D image of the right clavicle (injured side)

圖4 左側(cè)（健側(cè)）鎖骨三維圖Fig.4 3D image of the left clavicle (uninjured side)

圖5 右鎖骨骨折三維圖轉(zhuǎn)換成igs文件Fig.5 The .igs file from the 3D right clavicle image(injured side)

圖6 左鎖骨由三維圖轉(zhuǎn)換成igs文件Fig.6 The .igs file from the 3D left clavicle image(unjured side)

1.3 數(shù)據(jù)處理及鋼板設(shè)計(jì)

利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件Unigraphics NX 5.0，可以精確繪制出患者正常鎖骨的側(cè)面弧度（圖7）和上面觀（圖8）兩個(gè)面的弧度，由此先設(shè)計(jì)出健側(cè)鎖骨相貼合的鋼板。結(jié)合患側(cè)右側(cè)鎖骨骨碎片大小以及骨折線長(zhǎng)短（圖9），再設(shè)計(jì)出螺釘孔的間距（圖10）。根據(jù)人體骨骼對(duì)稱(chēng)性，把得到鎖骨圖像鏡像處理，得到右側(cè)鎖骨定制鋼板的圖像（圖11），保存為igs文件。

圖7 根據(jù)左側(cè)鎖骨的冠狀面的弧度設(shè)計(jì)定制鋼板的側(cè)面弧度Fig.7 The individualized plate’s arc of the side view from the arc of the left clavicle’s cronal section

圖8 根據(jù)左鎖骨的上面觀 定制鎖骨鋼板的正面弧度Fig.8 The individualized plate’s arc of the anterior view from the arc of the left clavicle’s verticle view

圖9 測(cè)量出右側(cè)鎖骨骨碎片大小以及骨折線長(zhǎng)短Fig.9 Take the measurements of the bonechips and fractue lines

圖10 根據(jù)骨折線調(diào)整定制鋼板的鎖骨螺釘孔的間距Fig.10 The spacing adjustment of the individual plate’s screw hole according the fracure

圖11 由左側(cè)（健側(cè)）定制的鋼板作鏡像，得到右側(cè)鎖骨定制鋼板Fig.11 The right clavicle individual plate’s image according the left(uninjured side)

2 數(shù)控中心加工

把igs文件導(dǎo)入到數(shù)控中心Pro/Engineer Wildfire 5.0，采用0.10mm刀具加工，直接切削加工外形、內(nèi)圓弧表面成型(圖12)。

圖12 完全個(gè)體化定制的右鎖骨鋼板Fig.12 The end product of the right calvicle individual steel plate

3 結(jié)果

通過(guò)CT掃描和三維重建，并經(jīng)求反軟件和UG NX、Pro/E數(shù)控加工技術(shù)，定制出完全個(gè)體化的內(nèi)固定鋼板。理論上，該內(nèi)固定鋼板跟病人的骨骼的匹配度可以達(dá)到±0.2 mm。定制的鎖骨鋼板比目前常用的普通S形鎖骨異形鋼板，更符合正常人的鎖骨骨骼特征，不但有上面觀的S形，而且還有前面觀的彎曲弧度（圖13）。實(shí)際證明，作者把這塊個(gè)體化鋼板未經(jīng)塑形直接植入固定，與患側(cè)鎖骨的匹配度相當(dāng)滿意（圖14）。

圖13 定制的鎖骨鋼板（下）與普通S形鎖骨異型鋼板（上）的對(duì)比Fig.13 Comparison of the individual plate(down) and common “S” special-shaped plate (up)

圖14 內(nèi)固定術(shù)后圖片F(xiàn)ig.14 The X photograph of post operation

4 討論

基于CT三維重建和求反軟件、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)及CNC數(shù)控仿真的完全數(shù)字化的個(gè)體化鎖骨鉤鋼板制作研究，以三維重建為基礎(chǔ)，成功實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換與統(tǒng)一，實(shí)現(xiàn)快速設(shè)計(jì)制造，可以改變目前手術(shù)醫(yī)生根據(jù)目測(cè)和經(jīng)驗(yàn)塑型鋼板的現(xiàn)狀，不但省去塑型這個(gè)步驟，而且減少手術(shù)創(chuàng)傷，縮短手術(shù)時(shí)間，減少骨折畸形愈合骨不連等并發(fā)癥發(fā)生，完全符合現(xiàn)代骨科內(nèi)固定微創(chuàng)BO5的理念。作者在手術(shù)中顯露骨折端后，該個(gè)體化鎖骨鉤鋼板未經(jīng)任何塑型直接植入，骨折端復(fù)位固定的相當(dāng)服帖，術(shù)后攝片也證實(shí)該鋼板與患者鎖骨匹配度相當(dāng)滿意。首例完全數(shù)字個(gè)體化鋼板的成功應(yīng)用，極大地鼓舞著我們進(jìn)一步研究，讓我們手術(shù)醫(yī)生與鋼板設(shè)計(jì)的工程師和醫(yī)療器械公司能更多交流溝通，使完全個(gè)體化鋼板的制造技術(shù)和工藝趨于更加完美。

[1]Fransen P,Bourgeois S,Rommens J.Kirsehner wire migration causing spinal cord injury one year after internal fixation of a clavicle fracure[J].Acta Orthop Belg, 2007, 73(3):390-392.

[2]姚平.脛腓骨骨折固定研究進(jìn)展[J].中國(guó)中醫(yī)骨傷科雜志, 2007,15(1): 69-71.

[3]劉世敬.長(zhǎng)骨骨折髓內(nèi)釘擴(kuò)髓或不擴(kuò)髓內(nèi)固定的研究進(jìn)展[J].中華創(chuàng)傷雜志, 2002, 18(5): 318-320.

[4]WOO SI-Y.Lee rigid internal tixation plate:Histeolog-ical perspectivers and new concepts[J].J Orthop Res, 1984, 110: 413-419.

[5]王亦璁.BO與AO的不同之處[J].骨與關(guān)節(jié)損傷雜志，2002, 17(1):3-5.