數(shù)字化骨科手術新方法的建立及其臨床廣泛應用

丁煥文，涂 強，王迎軍，張迪輝，王 虹，曾鎖林，劉 寶，陳曉峰，尹慶水

在一代又一代外科醫(yī)師的不懈努力下，人體生理功能和外科手術技能已經(jīng)發(fā)揮到了極致，傳統(tǒng)的外科手術遇到了前所未有的瓶頸和挑戰(zhàn)。因此，如何借助現(xiàn)代科學技術手段以突破和延伸人類生理功能極限，逐漸成為現(xiàn)代外科領域關注的熱點問題和發(fā)展方向。我們在廣泛調(diào)研反求工程（reverse engineering，RE）、醫(yī)學影像技術、計算機輔助設計（computer-aided design，CAD）、計算機輔助制造（computor-aided manufacturing，CAM）和快速成型（rapid prototyping，RP）技術等領域研究進展的基礎上，建立獨特的數(shù)字化骨科手術新方法，并將其廣泛應用于骨科臨床，大大提高了骨科手術的精確性和安全性。

1 資料與方法

1.1 一般資料

本組123例患者，男81例，女42例。年齡6～67歲。術式包括：（1）計算機輔助骨關節(jié)畸形精確數(shù)字化矯形：膝內(nèi)外翻畸形18例，肘內(nèi)外翻畸形5例，腕關節(jié)畸形4例，肱骨近端畸形4例；（2）計算機輔助設計個性化假體：骨盆腫瘤切除、個性化半骨盆假體置換重建6例，股骨腫瘤切除、個性化假體置換重建3例；（3）計算機輔助前、后交叉韌帶等長重建：前交叉韌帶重建10例，后交叉韌帶重建2例，前后交叉韌帶同時重建5例；（4）計算機輔助特殊疑難假體置換：發(fā)育不良性髖脫位假體置換及翻修手術7例，髖臼發(fā)育不良并骨性關節(jié)炎全髖置換手術5例；（5）計算機輔助特殊疑難骨折、關節(jié)內(nèi)骨折以及陳舊性骨折的復位固定：骨盆骨折11例，關節(jié)內(nèi)骨折15例，復雜骨干骨折5例；（6）數(shù)字化脊柱側彎矯形4例；（7）計算機輔助脊柱后凸畸形矯正2例；（8）計算機輔助個性化腫瘤切除和重建8例；（9）寰樞椎骨折后路復位內(nèi)固定的計算機模擬與精確置釘5例；（10）計算機模擬齒狀突骨折復位內(nèi)固定4例。所有患者均進行CT掃描、三維重建、計算機輔助分析、骨關節(jié)原型的RP制作、計算機輔助手術設計和預演、手術模板CAD設計和制作，運用數(shù)字化手段確保了精確外科手術的實施。

1.2 方法

1.2.1 骨關節(jié)三維重建 選擇合適的骨關節(jié)損傷病例，采用Elscint CT-Twin flash雙螺旋掃描機和64排PET-CT進行掃描，層厚0.5～1 mm，層距0.5～1 mm，一般選擇骨窗圖像進行后續(xù)處理。所有二維平面圖像以DICOM或BMP格式下載至移動硬盤，在計算機上用Mimics 10.0進行處理，建立骨關節(jié)解剖原型，按STL格式輸出，以供下一步進行CAD設計；亦可在Mimics 10.0中三維重建感興趣的區(qū)域（region of interest，ROI）并建立骨關節(jié)表面，將其外形輪廓按IGES格式輸出備用。

1.2.2 骨關節(jié)解剖建模并對骨關節(jié)損傷情況進行計算機輔助分析 將點云圖像資料輸入建模軟件，由點云擬合出曲線，由曲線擬合出曲面，形成了ROI骨關節(jié)的外形輪廓，以IGES格式輸出片體結構，此即為ROI骨骼的解剖模型。在計算機上進行骨關節(jié)解剖模型分析，通過與正常骨關節(jié)解剖模型和健側骨關節(jié)解剖模型的比較、測量和點云分析等，詳細了解骨關節(jié)損傷情況。

1.2.3 RP技術制作骨關節(jié)原型并分析骨關節(jié)損傷情況 將骨關節(jié)解剖模型以STL格式輸出，采用RP技術制作骨關節(jié)原型。通過對骨關節(jié)原型的實物觀察及與健側骨關節(jié)鏡像的比較，準確分析骨關節(jié)損傷情況。

1.2.4 計算機輔助骨關節(jié)外科手術設計和預演 將骨關節(jié)解剖模型輸入CAD軟件，在計算機上進行外科手術過程設計和仿真模擬，虛擬骨折復位、截骨矯形、骨折固定、設計個體化外科手術模板、個性化假體、個體化外科植入物、個體化內(nèi)固定物等手術過程，明確手術設計是否能夠得以實現(xiàn)；之后在骨關節(jié)RP原型上實物操演外科手術步驟，進一步驗證手術設計方案的可行性。

1.2.5 計算機輔助骨關節(jié)外科手術的實施 按計算機設計、模擬的手術方案，在CAD設計制作的外科手術模板輔助下實施精確外科手術。

2 結果

123例患者中，采用計算機輔助和RP技術對骨關節(jié)疾患進行詳細分析和研究，通過三維圖象和實物原型分析對病情有了更深入的了解和掌握。所有患者按計算機設計精確實施外科手術，取得良好的手術效果。

典型病例：患者，男性，60歲。右髖部酸痛不適半年余。X線片及MRI檢查示右髖臼良性占位性病變伴動脈瘤樣骨囊腫。CT引導下穿刺活檢結果：動脈瘤樣骨囊腫。在硬膜外麻醉下行右髖病變刮切、瘤腔滅活、植骨術，術后病理檢查結果：右髖臼血管肉瘤。進一步行PET-CT掃描提示局部復發(fā)，未見全身轉(zhuǎn)移病灶。治療方案：化療+再次手術（腫瘤根治性切除、半骨盆置換）+術后化療。

主要步驟：（1）患者于術前拍攝X線片（圖1A）、行骨盆及雙大腿部位MRI掃描以了解腫瘤侵潤范圍。（2）計算機輔助建立骨盆、雙髖和股骨三維重建模型（圖1B），精確界定腫瘤骨性破壞范圍（圖1C），然后按照PET-CT掃描界定的腫瘤侵潤范圍，切除周圍5 cm區(qū)域的正常骨組織（圖1D，1E）。（3）按照腫瘤切除范圍制作CAD設計輔助手術模板（圖1F，1G），訂購異體半骨盆，CT掃描構建其三維模型，按照殘留骨缺損區(qū)三維外形，利用CAD設計異體骨輔助修剪模板，并修剪異體骨，使其大小、形狀與受區(qū)骨缺損相匹配（圖1H～1J）。RP工藝制作輔助手術模板包括腫瘤精確切除輔助模板和異體骨盆輔助修剪模板。（4）根據(jù)患者的解剖模型，基于腫瘤切除后骨缺損情況利用CAD設計個性化骨盆假體（圖1K），由上海交通大學定制假體基地進行機械加工和制作（圖1L）。（5）精確實施外科手術：患者全麻，左側臥位，采用右髖部“Y”形切口，在模板輔助下精確切除腫瘤（圖1M），切除骨盆腫瘤的范圍與CAD設計完全一致，將異體骨盆修剪出與骨缺損相匹配的三維外形，將個性化半骨盆假體與異體骨盆連接、固定（圖1N）。將個性化骨盆假體與異體骨盆置入體內(nèi)修復骨盆骨缺損（圖1O）。骨盆假體內(nèi)安裝聚乙烯髖臼，采用骨水泥固定，股骨近端截骨，安裝股骨柄假體。（6）術后處理：常規(guī)行抗炎治療防止切口感染，短期使用激素防止異體排斥反應。術后X線片證實骨盆重建效果好，自體殘留骨組織與異體骨盆外形匹配、恢復良好，假體位置正常（圖1P）。

3 討論

隨著現(xiàn)代科學技術尤其是計算機技術和先進制造技術的迅猛發(fā)展，現(xiàn)代外科手術進入了一個嶄新的時代，呈現(xiàn)出數(shù)字化、個性化、顯微化、精確化和人工智能化的發(fā)展趨勢。例如，計算機輔助導航技術已從神經(jīng)外科領域逐步擴展至輔助人工關節(jié)選擇和假體植入引導、輔助口腔頜面部畸形矯正等其它外科領域[1-3]。近年來，我們亦采用計算機技術和RP技術開展了骨關節(jié)三維重建、骨關節(jié)傷病分析、骨關節(jié)手術設計和預演、CAD-RP制作解剖外形的植入物等獲得成功[4,5]；此外，我們運用計算機輔助技術和RP技術建立了解剖模型和制作原型，既可對骨科疾患進行輔助分析，又實現(xiàn)了骨科手術的術前數(shù)字化仿真和模擬。

骨關節(jié)解剖模型建立的整個過程是基于逆向

工程的原理加以實現(xiàn)的，雖然患者的體內(nèi)信息無法通過三維坐標測量和激光抄數(shù)等實體輪廓測量方法獲取，但CT/MRI掃描能夠很好地解決患者體內(nèi)組織器官形態(tài)信息的采集問題。CT掃描具有精確度高、可在不破壞組織結構的前提下獲取實體內(nèi)外表面的優(yōu)點，但存在電離輻射的副作用；MRI檢查不會產(chǎn)生電離輻射，且可以顯示軟組織解剖結構的細微差別，其各種工藝參數(shù)亦非常成熟，因此目前臨床應用廣泛。CT三維重建是將一系列連續(xù)的二維橫切面圖像疊合而形成實體的立體圖象的過程[6]。在骨骼三維重建方面，CT優(yōu)于MRI，但MRI在顯示軟組織病理結構尤其是在神經(jīng)、骨骼肌肉、血管疾病等方面具有較大的臨床價值[7]。

圖1 右髖臼血管肉瘤患者的腫瘤精確切除以及骨盆個性化假體置換和重建

RP技術是20世紀80年代末誕生的先進制造技術，是制造技術領域出現(xiàn)的一次重大突破，其對制造業(yè)的影響完全可以與數(shù)控技術相媲美。它綜合應用了機械工程、CAD、CAM、數(shù)控技術、激光技術和材料學研究領域的最新技術，能夠直接、精確地將設計思想物化為具有一定功能的原型，甚至可以直接制造零部件[8]。RP技術是基于離散堆積的原理而發(fā)明的新技術，是與以往傳統(tǒng)的去除成型（如車、削、刨、磨）、拼合成型（如焊接）或受迫成型（如鍛、粉末冶金）等迥然不同的嶄新加工工藝。在電腦控制下按CAD模型分層制作、逐層累積，最終形成三維外形的產(chǎn)品?，F(xiàn)已發(fā)明了多種RP工藝，主要包括SLA（sterelithography aparatus）、SLS（selective laser sintering）、FDM（fused deposition modeling）、疊層實體制造（laminated object manufacturing，LOM）、三維打?。╰hree-dimensional printing，3DP）和噴墨印刷（ink-jet printing）等[9]。

通過對123例患者的臨床應用，我們認為數(shù)字化骨科手術新方法具有以下優(yōu)點：（1）使復雜的解剖結構可視化，在手術前通過模型了解個體特異性解剖結構，對患者手術部位的解剖形態(tài)做到心中有數(shù)。（2）術前演練可以發(fā)現(xiàn)手術設計中存在的缺陷以及不完善之處，及時改進手術方案；了解和掌握術中可能會遇到的問題，預先擬定解決方法，以便在術中從容應對，及時處理；幫助選擇最佳的手術途徑和植入物，有助于減少手術并發(fā)癥、節(jié)省手術時間和降低成本[10,11]。（3）計算機建模在手術中通過提供手術區(qū)域的寬廣視圖輔助手術器械導航；與機器人的結合可以引導外科手術器械，防止其進入危險區(qū)域，從而使外科手術的精準度得到最大限度的提高。（4）為缺少經(jīng)驗的外科醫(yī)師提供操作經(jīng)驗，促進學術交流，提高學習效率；同時有利于對患者的健康教育。（5）術后通過模型可以更好地對患者進行預后評估。（6）隨訪期間的建模比較可以為機體畸形的動態(tài)變化提供系統(tǒng)詳細的對比分析。（7）在較大骨腫瘤手術中，模型可以界定精確的手術切除范圍，使手術更加準確、有效。

從本研究的結果來看，借助數(shù)字化骨科手術新方法，骨關節(jié)畸形的精確矯形，全膝關節(jié)、全髖關節(jié)、半骨盆的個性化設計和制作，前、后交叉韌帶的解剖重建，發(fā)育不良性髖脫位的精確髖關節(jié)置換，復雜骨折和關節(jié)內(nèi)骨折的解剖復位，骨腫瘤的個性化切除和重建，脊柱側彎和脊柱后凸的個性化截骨和精確矯形，脊柱椎弓根釘置釘?shù)木_性和安全性等外科手段和技術（尤其是針對疑難、復雜、特殊病例）均能得以實施，既提高了手術效率，又保證了手術安全。但我們所建立的數(shù)字化骨科手術新方法仍然存在以下不足之處：（1）軟件和硬件要求過高。（2）術者既要有一定的手術經(jīng)驗，又需熟練掌握三維重建和CAD技術；CAD技術學習周期較長，因此阻礙了此項技術的開展。（3）手術模板需與骨面緊密貼附才能減少誤差，故術中需要仔細剝離軟組織，以避免對正常組織造成損傷。

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