基于三維重建技術(shù)的股骨遠(yuǎn)端數(shù)字鋼板設(shè)計(jì)

張國棟,陶圣祥,鄭和平,張發(fā)惠,鄭曉暉,廖維靖,魯植艷

(1.武漢大學(xué)中南醫(yī)院康復(fù)醫(yī)學(xué)科,湖北 武漢 430071;2.南京軍區(qū)福州總醫(yī)院骨科研究所,福建 福州 350023;3.武警福建總隊(duì)醫(yī)院骨科 ,福建 福州 350003)

基于 CT圖像的骨骼三維重建、有限元分析已在國內(nèi)外開展[1～3],與臨床骨科密切相關(guān)的骨折三維重建、內(nèi)固定[4～7]以及有限元力學(xué)分析均有學(xué)者進(jìn)行了探討[8～10]。上述研究述及內(nèi)固定器械的形狀以及內(nèi)固定方式與實(shí)際手術(shù)情況尚有一定差異,未能解決針對每 1例特定的骨折進(jìn)行個性化數(shù)字鋼板設(shè)計(jì)的問題。其原因之一為醫(yī)學(xué)三維重建軟件Mimics或者有限元分析軟件Ansys機(jī)械制圖的性能均欠佳,難以制作復(fù)雜的骨科內(nèi)固定器械,更難以針對不同的骨折情況對鋼板進(jìn)行預(yù)彎等處理以適應(yīng)骨折情況。機(jī)械制圖軟件SolidWorks可較好地完成骨科內(nèi)固定器械的制作及預(yù)彎,通過接口可與 Mimics以及有限元軟件 Ansys互通,與 Mimics配合可完成虛擬狀態(tài)下的骨折復(fù)位、內(nèi)固定,為現(xiàn)實(shí)手術(shù)提供極具價值的參考,同時為骨折內(nèi)固定的有限元分析做形態(tài)學(xué)方面的準(zhǔn)備。作者按照 AO分類標(biāo)準(zhǔn)[11]制作股骨遠(yuǎn)端 A1～ 3、B1～3、C1～ 3骨折模型,以其為例對骨折數(shù)字鋼板方法學(xué)上的實(shí)踐過程進(jìn)行初步探討。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 實(shí)驗(yàn)標(biāo)本 新鮮成人尸體膝關(guān)節(jié)標(biāo)本9具,髁支持鋼板、空心螺釘及皮質(zhì)骨螺釘(武漢德骼拜爾公司);

1.1.2 軟件環(huán)境 Windows X P Professional SP264bit;Mimics10.1;Solidworks2007;

1.1.3 硬件環(huán)境 CPU-Intel酷睿 2E8200;內(nèi)存 -DDR 2800共 4G;圖形加速卡-Nvidia8800GT;硬盤-Seagate SATA 250G;

1.1.4 CT掃描 武漢大學(xué)人民醫(yī)院 64排 128層容積 CT(V CT)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 標(biāo)本制作 將9具膝關(guān)節(jié)標(biāo)本肌肉等軟組織切除,保留膝關(guān)節(jié)周圍韌帶。以骨鑿、電鉆等器械將9具標(biāo)本分別制成股骨遠(yuǎn)端骨折 A1～ 3型、B1～ 3型、C1～3型。

1.2.2 CT掃描 掃描條件設(shè)置為 120kV,250mA,層距為0.625 mm,掃描時間 1.5 s,采集像素為 1024×1024的 Dicom格式圖像,以刻錄DVD光盤的形式輸出。

1.3 三維重建

1.3.1 骨折三維模型重建 參考姜海波等[12]的方法,輸入并組織圖像(Import imgaes,Organize images),設(shè)定閾值(Thresholding):按照 Mimics設(shè)定的 Bone(CT)Scale,即 226～ 3071Hu進(jìn)行設(shè)定;重建三維模型 (Calculate3D)即可得到骨折的初步三維模型。

1.3.2 骨折塊分解 利用 Mimics的 Edit Masks、Boolean Operations、Region Growing等功能進(jìn)行,運(yùn)行 Calculate3D即可得到相應(yīng)的三維模型,不同骨折塊可指定任意顏色。對于骨折線不明確或骨折片重疊的情況需根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行人工判斷。

1.3.3 骨折三維模型復(fù)位 運(yùn)行 Mimics的 Reposition命令,對各骨折塊進(jìn)行復(fù)位。此操作要點(diǎn)為選擇最大的骨塊作為基準(zhǔn),先對容易對位的、較大的骨折塊進(jìn)行復(fù)位,逐一耐心、細(xì)致地進(jìn)行,避免顧此失彼 ,重復(fù)勞動,保證骨折塊對應(yīng)的面、邊緣較為滿意地吻合。

1.3.4 合并骨折復(fù)位后三維模型 運(yùn)行Boolean運(yùn)算,將分離出來的所有骨塊合并成為一個三維模型。Mimics的3D測量只能針對某一個三維模型進(jìn)行,不能跨越不同三維模型,合并后的模型與分開的各個模型的空間位置相同。

1.3.5 三維測量 利用 Mimics中 Tools,在合并后的三維模型進(jìn)行2項(xiàng)測量。首先在進(jìn)行鋼板固定的位置進(jìn)行長度和角度的測量,以選擇內(nèi)固定器械及進(jìn)行預(yù)彎;在鋼板進(jìn)行虛擬內(nèi)固定之后,測量進(jìn)釘孔至對側(cè)骨面的 3D長度以選擇螺釘。

1.4 手術(shù)鋼板、螺釘?shù)娜S構(gòu)建 參照手術(shù)鋼板實(shí)物構(gòu)建不同種類的鋼板、螺釘,修改草圖即可獲得其他規(guī)格。在繪制時,將 SolidWorks原點(diǎn)置于草圖中最容易確定位置的部位,以方便進(jìn)行繪制以及預(yù)彎時進(jìn)行定位。

1.5 鋼板預(yù)彎以及虛擬內(nèi)固定 將制作好的鋼板SolidWorks零件文件以 Stl文件輸入 Mimics,通過Reposition命令將鋼板移動至預(yù)定位置,觀察鋼板與骨折線、骨面的位置。如鋼板與骨面敷貼效果欠佳,可根據(jù)三維測量的數(shù)據(jù)在Solidworks中對鋼板進(jìn)行折彎和扭曲,再次將鋼板 Stl文件輸入 Mimics,同時將螺釘 Stl文件輸入至 Mimics,移動至鋼板進(jìn)釘孔,調(diào)整螺釘方向使其與預(yù)設(shè)進(jìn)釘位置一致。

2 結(jié) 果

2.1 SolidWorks零件文件 SolidWorks可繪制絕大多數(shù)的手術(shù)器械,其曲面成型功能可對復(fù)雜的器械進(jìn)行折彎、扭曲以適應(yīng)手術(shù)要求,臨床骨科醫(yī)師可以利用SolidWorks進(jìn)行各種個性化的手術(shù)鋼板的設(shè)計(jì)。圖1顯示髁支持鋼板、皮質(zhì)骨螺釘及空心螺釘,繪制時注意原點(diǎn)是鋼板進(jìn)行預(yù)彎的重要定位標(biāo)志,本例原點(diǎn)位置系鋼板上部正中(見圖 1)。

2.2 B3型股骨遠(yuǎn)端骨折 股骨遠(yuǎn)端B3型骨折的三維重建模型對各骨折塊進(jìn)行分解及虛擬復(fù)位的情況(見圖 2);將各骨折塊通過 Boolean運(yùn)算合并成一個三維模型后,進(jìn)行 3D長度測量的情況 ,對預(yù)定進(jìn)釘途徑進(jìn)行測量(見圖3)。本例測量數(shù)據(jù)為 58.12mm、62.74mm、60.36mm、62.66mm。根據(jù)測量數(shù)據(jù),在虛擬內(nèi)固定時選用空心螺釘(直徑 7.5 mm)為長58 mm和 60 mm各 1根,62 mm共 2根 ,將此 4根螺釘?shù)腟olidWorks零件文件另存為 Stl格式,輸入至 Mimics,通過Reposition命令移動至預(yù)定進(jìn)釘位置 ,具體見圖 3,其虛擬內(nèi)固定效果良好。

2.3 C3型股骨遠(yuǎn)端骨折 C3型股骨遠(yuǎn)端骨折三維模型及復(fù)位情況見圖 4。將各骨折塊通過Boolean運(yùn)算合并成一個三維模型后,輸入髁支持鋼板標(biāo)準(zhǔn)件,觀察鋼板與骨面、骨折線的關(guān)系(見圖5),可見必須對鋼板進(jìn)行折彎方能與骨面良好敷貼。根據(jù)測量數(shù)據(jù),第1個折彎選擇在鋼板原點(diǎn)下方100.42 mm處 ,角度為 157.57°;第 2個折彎在據(jù)鋼板原點(diǎn)下方 125.27 mm處 ,外 19 mm,折彎角度為 144.73°。

根據(jù)上述測量數(shù)據(jù) ,在 Solidworks中很容易對鋼板標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行折彎。再次將鋼板輸入到Mimics中(見圖6),可見鋼板與骨面敷貼良好。測量鋼板各進(jìn)釘孔至對側(cè)骨面的3D長度,輸入螺釘至 Mimics,移動至預(yù)定鋼板進(jìn)釘孔并觀察效果。本例選用皮質(zhì)骨螺釘(直徑 4.5mm)長度 30 mm共 2根 ,32mm、34mm、36mm 各 1根 ,空心螺釘 (直徑 7.5 mm)長度 70 mm、75 mm及 78 mm各 1根,最終虛擬內(nèi)固定效果良好。

3 討 論

影響復(fù)雜類型骨折手術(shù)效果的因素眾多,一般認(rèn)為準(zhǔn)確的復(fù)位、恰當(dāng)和堅(jiān)強(qiáng)的內(nèi)固定、縮短手術(shù)時間及減少軟組織損傷對骨折愈合有利。這在一定程度上取決于手術(shù)醫(yī)師對傷情的準(zhǔn)確判斷以及對手術(shù)方案的細(xì)致規(guī)劃。作者以股骨遠(yuǎn)端兩種類型骨折為例,闡述了虛擬骨折復(fù)位、內(nèi)固定的方法,據(jù)此在術(shù)前即可完成部分手術(shù)方案的設(shè)計(jì),選擇適當(dāng)鋼板并進(jìn)行準(zhǔn)確折彎、扭曲以適應(yīng)骨折端骨面,并選擇合適的螺釘。通過上述的術(shù)前準(zhǔn)備,可縮短手術(shù)時間,避免因手術(shù)中鋼板反復(fù)折彎而降低其強(qiáng)度,還可減少軟組織損傷以改善手術(shù)效果。

迄今數(shù)字鋼板仍無明確的定義。作者認(rèn)為數(shù)字鋼板應(yīng)該包括形態(tài)和功能兩個方面,形態(tài)方面即為骨折三維重建、復(fù)位、利用軟件設(shè)計(jì)出鋼板模型、虛擬內(nèi)固定等過程;功能方面即為力學(xué)性能。我們認(rèn)為不同的內(nèi)固定器械、方法具有不同力學(xué)性能。Mimics可以將包括骨折塊、鋼板、螺釘在內(nèi)的所有模型輸出到有限元分析軟件中,如 Ansys進(jìn)行力學(xué)分析,從性能的角度評價內(nèi)固定的優(yōu)劣。本文目的之一是為有限元力學(xué)分析做形態(tài)學(xué)上的準(zhǔn)備。

3.1 骨骼模型實(shí)體化的問題 在Mimics以及其他醫(yī)學(xué)三維重建軟件中重建骨骼三維模型,如果將這個模型以 Iges和點(diǎn)云格式輸出到 CAD軟件,我們可以發(fā)現(xiàn)骨骼由多層曲線構(gòu)成,同時每一層曲線都是由大量規(guī)則的或者不規(guī)則的自由曲線構(gòu)成。由于存在大量不規(guī)則的曲線,導(dǎo)致不管進(jìn)行何種操作其運(yùn)算量都以幾何級增加,使得骨骼難以形成可以編輯的實(shí)體或者嚴(yán)重變形,也就是說難以對骨骼進(jìn)行切割、鉆孔、內(nèi)固定等操作。 Mimics中的三維模型實(shí)際上為面格式,將螺釘、內(nèi)固定器械以 Stl文件引進(jìn) Mimics,可對模型、鋼板進(jìn)行編輯。

3.2 骨折數(shù)字模型與實(shí)體模型的比較 CT掃描所獲得的骨折數(shù)據(jù)可以通過快速成型(Rapid Prototyping,RP)系統(tǒng)完成骨折實(shí)體模型的制造過程。利用專用鑄型器械,采用硬質(zhì)石膏、硅橡膠等材料進(jìn)行翻模,制作熔模并進(jìn)行熔模鑄造,制作出與骨折形狀基本一致的實(shí)體模型?？焖俪尚碗m具有直觀的特點(diǎn),但其過程比較復(fù)雜。由于材料特性與真實(shí)的骨骼不一致,不能利用鑄造模型進(jìn)行力學(xué)分析,從而限制了快速成型在骨折復(fù)位、固定模擬中的應(yīng)用。

3.3 個性化數(shù)字鋼板設(shè)計(jì)問題 個性化數(shù)字鋼板即針對每1例骨折,選擇對骨折最合適的接骨鋼板,根據(jù)骨折情況進(jìn)行預(yù)彎,選擇合適的螺釘?shù)葍?nèi)固定器械。臨床骨科醫(yī)師甚至可以對原有的骨科內(nèi)固定器械進(jìn)行改良,乃至設(shè)計(jì)全新的內(nèi)固定器械?；诂F(xiàn)代強(qiáng)大的加工技術(shù),在較短的時間內(nèi)可以加工出最適合于某一特定骨折的內(nèi)固定器械,顯然這樣的內(nèi)固定器械不會因?yàn)榉磸?fù)折彎影響到內(nèi)固定器械的力學(xué)強(qiáng)度,同時減少對骨膜等軟組織的剝離,減少破壞血液供應(yīng),有利于骨折愈合。術(shù)前進(jìn)行個性化數(shù)字鋼板設(shè)計(jì),可以在一定程度上減少手術(shù)時間,降低麻醉風(fēng)險,減少患者手術(shù)費(fèi)用。

3.4 臨床應(yīng)用前景及不足 本試驗(yàn)綜合了CT掃描、Mimics三維重建及 3D測量、Solidworks鋼板制圖及預(yù)彎等多方面內(nèi)容,目前尚無一種軟件能全程完成上述全部工作。Mimics及 Solidworks均要求進(jìn)行培訓(xùn),各種操作仍稍顯復(fù)雜。我們期待一種全新軟件可以完成上述全程,同時可以進(jìn)行有限元力學(xué)分析,以方便臨床骨科醫(yī)師使用。

3.5 軟件環(huán)境及應(yīng)用技巧 a)Mimics是交互式的醫(yī)學(xué)影像控 制 系 統(tǒng) (Materiaise′s interactive medical image control system,Mimics),Mimics可運(yùn)行在 windows環(huán)境下,其豐富的接口使其可以和眾多機(jī)械制圖軟件互通。Solidworks為當(dāng)前應(yīng)用廣泛的機(jī)械制圖軟件,主流個人電腦完全可以勝任全程工作。b)三維重建中每產(chǎn)生的模型均需要命名,避免遺忘。臨時產(chǎn)生的模型可不必保留,如 Boolean運(yùn)算過程中產(chǎn)生的臨時模型。c)骨折塊的分解是為了復(fù)位,復(fù)位之后進(jìn)行合并是為了3D測量,3D長度測量宜在鋼板上進(jìn)行,而角度的測量最好在骨面上進(jìn)行,這樣可以保證對鋼板進(jìn)行折彎。d)原點(diǎn)的概念貫穿數(shù)字鋼板設(shè)計(jì)全程,即從鋼板標(biāo)準(zhǔn)件的繪制開始直到預(yù)彎,原點(diǎn)均是重要的定位標(biāo)志 ,3D測量包括 X、Y、Z軸;e)建立鋼板、螺釘各種規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)件庫,使用的時候直接調(diào)用(本文圖 1～6見后插頁)。

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