基于TKA術(shù)前準(zhǔn)備的CAD關(guān)節(jié)重建與假體建模＊

.廣州醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院廣州骨科研究所.廣州醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院急診科 (廣東 廣州 500)彭鳒僑 張占磊 董亞賢黃偉青

基于TKA術(shù)前準(zhǔn)備的CAD關(guān)節(jié)重建與假體建模＊

1.廣州醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院廣州骨科研究所
2.廣州醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院急診科 (廣東 廣州 510120)
彭鳒僑1張占磊1董亞賢2黃偉青2

目的 通過計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)來輔助膝關(guān)節(jié)重建與假體模型制作，為全膝關(guān)節(jié)置換虛擬手術(shù)提供相關(guān)的配備。方法 把經(jīng)CT/MR掃描的原始數(shù)據(jù)輸入到Mimics重建三維模型,同時(shí)把經(jīng)LPX激光掃描的關(guān)節(jié)假體輸入到逆向軟件Roland 配置的Dr.PICZA來重建假體實(shí)物模型，再經(jīng)分割修補(bǔ)、除噪光順等后處理，這些成型的3D關(guān)節(jié)、3D假體將成為供后階段虛擬TKA(Total Knee Arthroplasty) 手術(shù)調(diào)用的“配件”。結(jié)果 分別生成清晰的三維骨關(guān)節(jié)及其網(wǎng)格優(yōu)化影像，分離出韌帶等軟組織附件，擬合出可供編輯的CAD (Computer Aided Design) 模型。結(jié)論成功獲得的重建關(guān)節(jié)與假體模型為下一階段的模擬手術(shù)或有限元分析創(chuàng)造了充裕的條件，進(jìn)一步完善后可推廣于臨床。

關(guān)節(jié)置換；三維建模；激光掃描；模擬手術(shù)

自上個(gè)世紀(jì)60年代開展全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)(Total Knee Arthroplasty，TKA)以來，這種手術(shù)被證明是解決膝關(guān)節(jié)疼痛與畸形的有效的方法[1]。隨著接受TKA手術(shù)患者數(shù)目的不斷增加，術(shù)后出現(xiàn)的各種并發(fā)癥越來越引起人們的關(guān)注，期望通過完善假體設(shè)計(jì)、改進(jìn)手術(shù)操作以獲得更為可靠的結(jié)果。人工TKA術(shù)首先要保證立體空間上準(zhǔn)確的定位截骨與假體植入，其次要維持伸屈膝間隙等同以及軟組織平衡穩(wěn)定[2]。由于現(xiàn)在大部分的定位器械都是以國外人體骨骼測量參數(shù)所設(shè)計(jì)，再加上個(gè)體差異性和特殊畸形病例，傳統(tǒng)的手工髓內(nèi)外定位截骨法的假體植入位置、下肢力線恢復(fù)、韌帶平衡等重要參數(shù)僅憑肉眼X線片和主刀的手感來判斷，手術(shù)的精確度常受諸多不確定因素影響，TKA術(shù)前準(zhǔn)備和術(shù)前規(guī)劃的必要性日顯突出。隨著醫(yī)學(xué)影像技術(shù)的迅速發(fā)展，TKA術(shù)前完全可以通過掃描、重建、分割、融合等步驟來更加形象和真實(shí)地再現(xiàn)關(guān)節(jié)及周圍各組織的空間結(jié)構(gòu)[3]，通過實(shí)驗(yàn)，本文總結(jié)出一套簡易實(shí)用的滿足TKA術(shù)所需的關(guān)節(jié)重建與假體模型制作方案。

1 方 法

1.1 研究對象 選擇2012年期間入住廣州醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院骨科準(zhǔn)備施行全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)(Total Knee Arthroplasty，TKA)的病人若干例。采用由醫(yī)療器械有限公司提供的全膝關(guān)節(jié)固定平臺(tái)假體，假體型號根據(jù)手術(shù)需要選取。

1.2 儀器設(shè)備 荷蘭Phill產(chǎn)牌，型號Intera1.5T Nova，切層厚度＜1mm的MR掃描機(jī)；日本Toshiba產(chǎn)牌，型號AquilionTSX-101A，切層厚度0.5mm，配備高壓注射器的16排計(jì)算機(jī)體層CT掃描機(jī)；Roland公司產(chǎn)牌LPX-60三維激光掃描儀[4]，比利時(shí)Materialise產(chǎn)牌的Mimics-13醫(yī)學(xué)成像儀[4]。

圖1-2 CT影像重建；圖3-4 MR影像重建；圖5-6 韌帶三維重建；圖8-9激光掃描過程；圖7 關(guān)節(jié)假體原圖；圖10-11 激光掃描結(jié)果；圖13后處理假體。圖12 網(wǎng)格優(yōu)化；

1.3 研究方法

1.3.1 數(shù)據(jù)采集

1.3.1.1 CT掃描：取仰臥、膝關(guān)節(jié)呈髕骨向上的放松直立位，下肢全長(從髂前上棘至足跟)范圍垂直于下肢軸線掃描，分別獲得冠狀、矢狀、橫斷等斷層圖像序列1746張。掃描參數(shù)為：電壓=120kV，電流=100mA，F(xiàn)OV=50mm，螺旋1.675mm，螺旋層厚3.75mm，層間隙3.27mm。

1.3.1.2 MR掃描：體位同上，掃描范圍為膝關(guān)節(jié)上下各10cm，共獲斷層圖像48張。掃描參數(shù)為：T1加權(quán)成像，SE序列，重復(fù)時(shí)間(TR)為500ms，回波時(shí)間(TE)為17ms，視場(FOV)=200cm，矩陣256～256[Matrix scan 256，reconstruction 256]，信號采集均值次數(shù)(NEX)為2[NSA=2]，F(xiàn)lip angle=90，層厚6mm，無間隙容積掃描。

1.3.1.3 激光掃描：LPX-60激光掃描儀可對被測實(shí)體進(jìn)行設(shè)定的360o平面智能掃描，提供最大直徑203mm、空間高度304.8mm、單幅測量范圍250×100mm、單幅測量點(diǎn)數(shù)100萬、測量精度0.2mm、測量噪音0.005mm、單幅測量時(shí)問3s等實(shí)物表面數(shù)據(jù)[5]。附帶的Dr.PICZA軟件協(xié)助輸出不同格式的精確圖形資料。

1.3.2 三維重建

1.3.2.1 關(guān)節(jié)建模

(1)CT影像重建：將以上CT信息經(jīng)Import(導(dǎo)入)MIMICS，生成Mask(蒙板)，再經(jīng)Threshold(閾值分割)、Region Growing(區(qū)域增長)、Editing-Masks(蒙板編輯)、Calculate-3D(模型運(yùn)算)建立下肢全長，股骨、脛骨三維雛型[6]，并以ASCII STL格式導(dǎo)出作為下一波TKA術(shù)前儲(chǔ)備。

(2)MR影像重建：基本步驟同上，但側(cè)重于Editing Masks，以便手工分割出灰度值相差不大的膝關(guān)節(jié)內(nèi)外側(cè)韌帶[7]，可供下一波CT+MR融合出軟硬組織兼?zhèn)涞娜ジ咔鍒D[8]，并以STL格式導(dǎo)出作為TKA前儲(chǔ)備。

(3)圖像優(yōu)化處理：將CT、MR三維圖導(dǎo)入MIMICS的3-Magic模塊Remesh(網(wǎng)格優(yōu)化)，存儲(chǔ)為TKA后續(xù)分析之用。

1.3.2.2 假體建模：①在膝關(guān)節(jié)假體表面噴涂顯像劑以減少假體表面的光學(xué)反射，提高掃描精度，降低噪音；②啟動(dòng)LPX激光掃描儀圍繞假體360o掃描。③利用配套的Dr.PICZA軟件，自由選擇平面、控制掃描角度，在原有掃面基礎(chǔ)上對缺損部分加行平面掃描，以獲得更完整的假體數(shù)據(jù)信息，并保存為STL文檔為TKA作最后準(zhǔn)備。

2 結(jié) 果

計(jì)算機(jī)輔助下的CT影像：Threshold閾值設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)的成人骨質(zhì)范圍226～1778HU[9]；Region Growing對初步閾值分割蒙板上彼此不相連接的分割區(qū)域進(jìn)一步細(xì)分亞組，提取出股骨、脛骨部分；Editing Masks對蒙板分割修補(bǔ)、去除干擾、修補(bǔ)漏洞。之后的Calculate結(jié)果高亮顯示骨骼與周圍組織界限清晰如圖1-2。

計(jì)算機(jī)輔佐下的MR影像：因各種組織灰度值相差不大，尤其是韌帶自動(dòng)分割圖像困難，Editing masks[10]手工分割成為首選，結(jié)果分辨出膝關(guān)節(jié)諸如內(nèi)外側(cè)韌帶等附件[11]的2D影像如圖3-4的偽彩染色帶，分離、放大后的3D內(nèi)側(cè)副韌帶、外側(cè)副韌帶如圖5-6。

逆向軟件輔佐下的假體重建：關(guān)節(jié)假體原型(如圖7)在Roland三維激光儀內(nèi)掃描的過程如圖8-9，然后在逆向工程軟件塑造出來的膝關(guān)節(jié)假體[12]的3D幾何模型如圖10-11。

逆向工程輔佐下的假體3D后處理：脛、股骨影像經(jīng)Mimics中的3-magic可將不規(guī)則三角片轉(zhuǎn)化為趨于等邊的三角片[13](如圖12所示)，以提高模型的質(zhì)量和處理速度,為后續(xù)有限元處理降低計(jì)算時(shí)間和存儲(chǔ)容量；圖10-11的關(guān)節(jié)假體帶有龐大點(diǎn)云數(shù)據(jù)的膝關(guān)節(jié)假體影像，在LPX配備的逆向軟件Piciform Droll里快速運(yùn)算出多邊形曲面[14]，經(jīng)除噪、過濾、光順、拋光、網(wǎng)格化等處理，膝關(guān)節(jié)假體最后被擬合成為表面光滑的可供編輯的高質(zhì)量CAD模型如圖13。

3 討 論

3.1 技術(shù)回顧 傳統(tǒng)手術(shù)方法的精確度問題一直困擾著臨床手術(shù)醫(yī)生，為了突破傳統(tǒng)術(shù)式的局限性，眾多學(xué)者進(jìn)行了各種嘗試，其中較成功的是計(jì)算機(jī)導(dǎo)航膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)系統(tǒng)，但因存在臨床醫(yī)生術(shù)中配準(zhǔn)耗時(shí)、操作習(xí)慣不易改變等負(fù)面因素，加上機(jī)器費(fèi)用昂貴、器械操作復(fù)雜，影響了計(jì)算機(jī)輔助人工TKA手術(shù)的臨床推廣應(yīng)用。個(gè)性化、精確化、微創(chuàng)化是未來醫(yī)學(xué)發(fā)展的方向，術(shù)前獲得手術(shù)部位的準(zhǔn)確信息是手術(shù)成功的重要保證，基于TKA術(shù)前準(zhǔn)備的CAD關(guān)節(jié)重建與假體建模就是為滿足以上臨床需要而作出的嘗試。

3.2 實(shí)驗(yàn)體會(huì) 本實(shí)驗(yàn)利用CT、MR掃描數(shù)據(jù)輸入到醫(yī)模軟件Mimics，根據(jù)設(shè)定條件自動(dòng)分割提取出感興趣的組織輪廓，這種建模不僅速度快而且精度高。模型的精度主要取決于掃描層面之間的間離，間隔越小越精確。由于CT對骨性結(jié)構(gòu)顯示清楚，但對軟組織顯示受限；MR掃描軟組織成像清晰，清楚顯示關(guān)節(jié)軟骨、半月板、韌帶等結(jié)構(gòu),所以本實(shí)驗(yàn)分別以CT掃描膝關(guān)節(jié)骨組織、以MR掃取軟組織數(shù)據(jù)。雖然CT和MR掃描針對同一個(gè)體，但兩機(jī)不可能同時(shí)同層面掃描，獲得的掃描參數(shù)(層厚、分辨率及空間坐標(biāo)等)不一樣，因此,本研究計(jì)劃參照我們的前期研究成果”9點(diǎn)3面方案”配準(zhǔn)原理[15]，在MR重建的韌帶模型選擇明顯的標(biāo)志點(diǎn),以便利用這些標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行配準(zhǔn)融合到CT重建的骨骼模型中[16]，繼而建立包含股骨、脛骨和髕骨以及兩側(cè)韌帶的膝關(guān)節(jié)個(gè)性化生物模型。把(CT、MR)掃描2D斷層數(shù)據(jù)輸入到Mimics后，經(jīng)過圖像分割得到需要分析的組織，并對快速重建起來的3D模型進(jìn)行不同角度觀察、測量和處理之后,這些3D模型可以通過接口輸出以供計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)、快速成型機(jī)(RP)、有限元分析(FEA)、TKA虛擬術(shù)等后續(xù)研究。

對于假體模型的制作，以往有人采用根據(jù)物體幾何形狀、尺寸構(gòu)建模型的所謂幾何建模，雖然簡單快捷，但因膝關(guān)節(jié)假體外形復(fù)雜、曲面較多，所建立的假體模型與實(shí)物相差較大、可靠性降低，以致最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果受影響而未被本研究所采納。本研究選擇實(shí)物建模中的三維坐標(biāo)儀法，通過非接觸式激光掃描法采集假體的空間坐標(biāo)，輸入計(jì)算機(jī)經(jīng)逆向軟件運(yùn)作，取得膝關(guān)節(jié)假體的3D幾何模型。逆向工程也稱反求工程，它根據(jù)已存在的零件原型構(gòu)造出零件的三維模型，并利用生成的3D模型檢測、剖析或改進(jìn)原有的實(shí)物模型，其原理是通過特定的設(shè)備和方法獲取物體表面離散點(diǎn)的幾何坐標(biāo)數(shù)據(jù)，使實(shí)體的幾何外形數(shù)字化，然后通過計(jì)算機(jī)處理取得的幾何外形和空間位置與原實(shí)物一模一樣。所有這些幾何形狀、空間坐標(biāo)為下一階段的TKA模擬手術(shù)提供了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

3.3 臨床意義 本次實(shí)驗(yàn)成功獲得的關(guān)節(jié)重建與假體模型，為下一階段的模擬手術(shù)及有限元分析創(chuàng)造了充裕的條件。同時(shí)，它作為TKA術(shù)前規(guī)劃的一部分,可望為置換手術(shù)中的矯形截骨、假體植入等操作提供前瞻性指導(dǎo)，以減少術(shù)中失誤、降低術(shù)后并發(fā)癥，進(jìn)一步完善后可在臨床推廣應(yīng)用。

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(本文編輯: 汪兵)

The Processing of CAD Joint Rebuilt & Prosthesis Model Made Based on Preparation of TKA Surgery Preoperatively*

PENG Jian-qiao1, ZHANG Zhan-lei1, DONG Ya-xian2, HUANG Wei-qing2. 1Orthopedic Institute of Guangzhou City; 2 Department of Emergency, 1st Affiliated Hospital of Guangzhou Medical University, Guangzhou 510120

Objective To process joint rebuilt & prosthesis-model by computer aided design (CAD) so as to prepare relative parts for emulative operation of Total Knee Arthroplasty (TKA).Methods Original data of CT/MR were imported onto Mimics to build 3D model, simultaneously, scanned images of prosthesis joint by Laser instrument LPX were imported onto Reverse Engineering Software called Dr. PICZA installed in Roland in order to rebuild 3D object model, after post-process of segmentation, reparation, denoising & spline-curve, those rebuilt 3D joint and 3D prosthesis will be components available for selection of TKA simulative operation next step.Results Clear image of 3D bone joint were created and meshed in optimization, articular appendage such as ligaments and soft tissues were separated, and editable CAD models were mended. Conclusion These successful rebuilt-joint and prosthesis model will provide good condition for Simulative Operation or Finite Element Analysis next step, and will be popularly practiced in clinic.

Joint Replacement; 3D Modeling; Laser Scan;Simulative Operation

R322.7+2

A

廣州市科技局對外合作項(xiàng)目(醫(yī)藥衛(wèi)生#12S0920200 83)“基于三維熱場的熱學(xué)仿真婦科手術(shù)模型”;廣東省高教學(xué)會(huì)高等教育“十二五”項(xiàng)目(#11GJB125081) "基于虛擬手術(shù)訓(xùn)練的外科仿真教學(xué)內(nèi)涵及其質(zhì)量評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)"

10.3969/j.issn.1672-5131.2014.06.31

2014-07-25

黃偉青