脛骨近端骨折數(shù)字化內(nèi)固定的臨床研究

陳宣煌, 吳獻偉, 林海濱, 吳長福, 鄭　鋒, 郭慶清, 張國棟

(福建醫(yī)科大學教學醫(yī)院, 南方醫(yī)科大學附屬莆田醫(yī)院, 莆田學院附屬醫(yī)院,

1. 骨科; 2. 醫(yī)學影像科, 福建 莆田, 351100)

脛骨近端骨折數(shù)字化內(nèi)固定的臨床研究

陳宣煌1, 吳獻偉1, 林海濱1, 吳長福1, 鄭鋒1, 郭慶清2, 張國棟1

(福建醫(yī)科大學教學醫(yī)院, 南方醫(yī)科大學附屬莆田醫(yī)院, 莆田學院附屬醫(yī)院,

1. 骨科; 2. 醫(yī)學影像科, 福建 莆田, 351100)

摘要:目的探討醫(yī)用軟件Mimics、Solidworks在脛骨近端骨折中三維重建、復位的效果，并設(shè)計內(nèi)固定方案。方法30例脛骨近端骨折患者(數(shù)字化組)，進行高速CT薄層掃描，在Mimics中對骨折進行重建、復位，以Solidworks進行內(nèi)固定鋼板、螺釘?shù)倪x擇和設(shè)計，并在骨折復位三維模型上進行虛擬內(nèi)固定。臨床據(jù)此方案進行手術(shù)，觀察治療效果，與按傳統(tǒng)經(jīng)驗的30例患者(對照組)進行對比。結(jié)果數(shù)字化組所有骨折均進行了三維重建、復位，以準確的內(nèi)固定鋼板及螺釘進行了虛擬內(nèi)固定。臨床手術(shù)順利，按術(shù)前設(shè)計的數(shù)字化方案成功完成，療效滿意。在術(shù)中出血量、手術(shù)時間、術(shù)后引流量、住院時間、骨折愈合時間等方面優(yōu)于對照組。結(jié)論應(yīng)用Mimics及Solidworks可在個人電腦上設(shè)計出脛骨近端骨折內(nèi)固定手術(shù)的數(shù)字化方案。

關(guān)鍵詞:脛骨近端; 骨折; 數(shù)字化; 內(nèi)固定; 醫(yī)用軟件

福建省莆田市科技計劃課題[2013S03(6)]

骨折模型的三維重建及復位有助于臨床骨科醫(yī)師了解傷情，虛擬內(nèi)固定過程有助于選擇、處理內(nèi)固定鋼板及螺釘，從而制定更為合理的手術(shù)方案、縮短手術(shù)進程、提高手術(shù)療效。目前CT重建骨折三維模型在技術(shù)上已頗為成熟，但影像醫(yī)師只能提供固定角度的三維重建圖像，對于動態(tài)的三維模型只能在CT工作站上觀察，不能進行骨折虛擬復位，無法完全滿足臨床骨科醫(yī)師的需要。本文借助醫(yī)學軟件Mimics、Solidworks設(shè)計脛骨近端骨折內(nèi)固定手術(shù)的數(shù)字化方案，指導臨床手術(shù)，效果良好，報告如下。

1資料與方法

1.1　材料

1.1.1軟件環(huán)境: Windows XP Professional SP2 64bit；Mimics 14.0；Solidworks 2010。

1.1.2硬件環(huán)境：CPU-Intel 酷睿2 E8200; 內(nèi)存-DDR2 800共4 G; 圖形加速卡-Nvidia 8800GT; 硬盤-Seagate SATA 250G。

1.1.3CT掃描：莆田學院附屬醫(yī)院64排128層容積CT(VCT)。

1.1.4臨床病例資料：2010年6月-2013年6月本院收治的60例脛骨近端骨折患者，分為數(shù)字化組和對照組，每組30例。數(shù)字化組男19 例，女11例，年齡(43.14±11.76)歲；對照組男17 例，女13例，年齡(44.82±10.28)歲。2組性別、年齡比較無顯著差異。2組骨折分型(均按Schatzker[1]分型)、合并傷情況對比無顯著差異，具有可比性。見表1、2。

表1　2組患者骨折分型比較

表2　兩組合并損傷比較

1.2　方法

1.2.1臨床病例術(shù)前處理：術(shù)前早期發(fā)現(xiàn)并處理血管損傷及軟組織挫裂傷，并常規(guī)予以抬高患肢或跟骨牽引及消腫等處理?；颊邔κ中g(shù)均知情同意，并簽署知情同意書。

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

1.2.3三維重建: ① 骨折三維模型重建：Dicom格式圖像輸入并組織圖像，刪除與骨折關(guān)系不大的層面；設(shè)定閾值：按照Mimics設(shè)定的Bone(CT) Scale，即226～3071 H進行設(shè)定；重建三維模型即可得到骨折的初步三維模型; ② 骨折碎片分解：利用Mimics的Edit Masks、Boolean Operations、Region Growing等功能進行。首先對完全游離的骨片以Region Growing命令進行分解成為獨立的Mask; 運行Edit Masks命令，對未完全游離的骨折塊進行切割、離斷；運行Boolean Operation命令將骨折塊游離，從而得到所有骨折片、骨折塊的Masks。運行Calculate 3D即可得相應(yīng)的三維模型，不同骨折片可指定不同的顏色以方便辨認。

1.2.4骨折模型復位：運行Mimics的Reposition命令，對各個骨折片、骨折塊進行復位。此操作要點為選擇最大的骨塊作為基準，先對容易對位的、較大的骨折塊進行復位，逐一耐心、細致地進行，避免顧此失彼，重復勞動，保證骨折塊對應(yīng)的面、邊緣較為滿意地吻合。合并骨折復位后三維模型：運行Boolean運算，將分離出來的所有骨塊合并成為一個三維模型。在該模型上可進行3D長度、角度測量。

1.2.5手術(shù)鋼板、螺釘?shù)娜S構(gòu)建: ① 鋼板、螺釘模板制作：參照多個廠家不同規(guī)格的內(nèi)固定產(chǎn)品實物測量, Solidworks中構(gòu)建接骨鋼板、螺釘，形成盡量龐大的內(nèi)固定物“模型庫”，所有鋼板、螺釘均另存為Stl格式文件，供虛擬手術(shù)選用合適的內(nèi)固定物; ② 鋼板、螺釘導入: Solidworks中鋼板模板以Stl文件輸入Mimics中，運行Reposition命令，將模板移動至模型骨面，觀察模板與骨面的位置關(guān)系。從Solidworks中輸入合適長度、口徑的螺釘，在Mimics中進行固定觀察，挑選效果滿意的關(guān)建點是鋼板能與骨面良好貼合，螺釘相互間不會觸碰并能兼顧固定到關(guān)鍵骨折塊。

1.2.6手術(shù)鋼板、螺釘?shù)奶摂M內(nèi)固定及數(shù)據(jù)測量：在Mimics中確定鋼板預設(shè)的位置，導入鋼板、螺釘完成虛擬內(nèi)固定后，如有必要，可運行Boolean Operations，將骨折片與螺釘相交的空間移除。以Tools中測量工具在預計進行鋼板固定的位置進行角度和長度的測量，確定鋼板進釘孔眼到對側(cè)骨面的距離以及進釘軸線并記錄，可暫時將測量數(shù)據(jù)留在骨面上，以作為定位參考。

1.2.7現(xiàn)實手術(shù)實施：所有患者由同一組醫(yī)生進行手術(shù)。依據(jù)骨折不同分型選擇手術(shù)入路，數(shù)字化組均采用術(shù)前選擇的鋼板和螺釘規(guī)格，按術(shù)前設(shè)計位置、方向植入，固定。對照組按傳統(tǒng)經(jīng)驗進行手術(shù)。術(shù)中C 型臂X 線機確認關(guān)節(jié)面平整、鋼板位置良好、螺釘長度合理后沖洗切口，切口放置負壓引流，縫合切口，術(shù)后常規(guī)功能鍛煉、定期復查。術(shù)后患者自我評價療效依據(jù)按MacNab[2]標準。

2結(jié)果

數(shù)字化組術(shù)中鋼板和螺釘規(guī)格，進釘長度、直徑、位置、角度等與術(shù)前高度一致。2組患者術(shù)中出血量、手術(shù)時間、術(shù)后引流量、住院時間、骨折愈合時間比較見表3；術(shù)后療效方面，數(shù)字化組優(yōu)15例，良13例，可2例，差0例；對照組優(yōu)8例，良12例，可7例，差3例，2組比較差異有統(tǒng)計學意義(P=0.05, Mann-WhitneyU法)。

表3　兩組患者術(shù)中出血量、手術(shù)時間、術(shù)后引流量、住院時間、骨折愈合時間比較

與對照組比較，*P<0.05，**P<0.01。

3討論

3.1　脛骨近端骨折手術(shù)治療的難點

脛骨近端骨折的患者越來越多，治療上要求盡量解剖復位，恢復正常的力線[3]。但脛骨近端解剖鄰近結(jié)構(gòu)復雜，骨折手術(shù)操作失準常導致附近神經(jīng)、血管等重要結(jié)構(gòu)的嚴重損傷。內(nèi)固定物選擇不當、術(shù)中過多的剝離軟組織和固定技術(shù)的不成熟等，也可能導致不良的并發(fā)癥[4-5]。內(nèi)固定失敗將導致再次手術(shù)，甚至不得不進行膝關(guān)節(jié)融合術(shù)或膝關(guān)節(jié)置換術(shù)，這不僅給患者帶來了很大的身心痛苦，也加重他們的經(jīng)濟負擔，更造成社會勞動力的喪失[6]。對于嚴重的脛骨近端骨折，選擇雙鋼板內(nèi)固定治療可較大程度上防止了骨折再次移位和膝關(guān)節(jié)力線的改變，從而獲得良好的臨床療效[7-8]。但該手術(shù)較大，術(shù)中內(nèi)固定較繁瑣，術(shù)后易出現(xiàn)術(shù)野皮膚壞死等并發(fā)癥[9]。對如何在減少軟組織損傷的情況下使關(guān)節(jié)面骨折塊獲得穩(wěn)固的解剖復位，而且達到良好臨床預后，脛骨近端骨折的治療在鋼板螺釘內(nèi)固定物的準確選擇、操作精準性要求、手術(shù)的微創(chuàng)和個體化等方面有較高的要求。良好的術(shù)前規(guī)劃可以縮短修復時間，減少創(chuàng)傷，是手術(shù)成功的關(guān)鍵。

3.2　醫(yī)用軟件促進骨科數(shù)字化

隨著CT影像技術(shù)的發(fā)展，可獲得患者相關(guān)部位的三維斷層圖像，借助有關(guān)醫(yī)學軟件可以進行三維重建、術(shù)前方案規(guī)劃設(shè)計、虛擬手術(shù)，以此為基礎(chǔ)的數(shù)字技術(shù)為現(xiàn)代骨科手術(shù)提供了新途徑[10-11]。Mimics軟件把薄層掃描的原始CT文件導入軟件，在計算機屏幕上可以重建手術(shù)部位的三維模型，可以直接、立體、深入地觀察手術(shù)部位結(jié)構(gòu)特點，對手術(shù)區(qū)的結(jié)構(gòu)進行數(shù)字化分析，提供了直觀的、非常有價值的信息。這樣不僅可以提高內(nèi)固定裝置放置的精確度，而且可提高手術(shù)的安全性，保證準確、安全置釘[12]。Mimics不但能完成骨骼三維重建，也能對血管在造影后進行三維重建，對于復雜骨折的病例，可以同時進行骨骼、血管造影三維重建，也可以對部分軟組織，如椎間盤、脊髓、膝關(guān)節(jié)半月板等進行重建。這對于準確理解傷情、制定精確的手術(shù)方案、減少手術(shù)風險、順利完成手術(shù)具有意義[13]。在Mimics數(shù)字模型上，可以模擬復雜骨折塊的復位，多方位旋轉(zhuǎn)觀察，直接、立體、深入了解手術(shù)部位結(jié)構(gòu)特點，根據(jù)實際情況獲得手術(shù)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，術(shù)前反復調(diào)整手術(shù)計劃。精確設(shè)計釘?shù)溃瑴蚀_確定鋼板位置及螺釘方向軸、直徑及長度，進行虛擬手術(shù)訓練[14-15]。一般認為，Mimics為醫(yī)學三維重建與CAD、有限元分析之間進行溝通的橋梁。和既往利用小型服務(wù)器、圖形工作站才能進行重建不同，Mimics運行在windows環(huán)境下，其豐富的接口使之可以和眾多機械制圖軟件互通。Solidworks為目前市場占有率最高的機械設(shè)計軟件，其曲面設(shè)計工具對設(shè)計手術(shù)鋼板非常有利，Mimics和Solidworks的全程結(jié)合應(yīng)用在當前主流個人電腦上完全可以實現(xiàn)。本文應(yīng)用這兩種軟件，完成術(shù)前手術(shù)方案細致的規(guī)劃，準確判斷傷情，選擇適當規(guī)格的鋼板和合適的螺釘并設(shè)計好進釘長度、直徑、位置、角度等，術(shù)中大大簡化了手術(shù)過程，可避免剝離過多軟組織，避免術(shù)中反復操作造成的損傷，減少操作時間，降低手術(shù)風險，術(shù)中無需反復透視，減少射線傷害，提高了手術(shù)的準確性和微創(chuàng)性[16]。術(shù)后影像學檢查提示鋼板位置滿意，螺釘長度、直徑、方向均按預設(shè)計方案實現(xiàn)，效果良好，值得推廣。

3.3　醫(yī)用軟件應(yīng)用的一些技巧

將重建之骨骼三維模型以Iges、點云格式輸出到CAD軟件，可以發(fā)現(xiàn)模型由多層曲線構(gòu)成，每一曲線都是由大量規(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，導致不管進行何種操作，其運算量都以幾何級增加，使得模型難以形成可以編輯的實體或者嚴重變形。也就是說，難以對骨骼進行切割、鉆孔、內(nèi)固定等操作。本文將螺釘、內(nèi)固定器械在Solidworks軟件中繪制后以Stl文件引進Mimics，上述困難迎刃而解。

Mimics中設(shè)定閾值可將同屬某一灰度值范圍的組織提取至操作蒙板(Mask)中，即可能在不影響三維模型外觀下降低閾值，閾值過低可致Mask增大，過高則會丟失信息致Mask減小。所有過程中產(chǎn)生的Mask以及3D模型均須及時命名以免遺忘發(fā)生錯漏，臨時產(chǎn)生的Mask以及3D模型可不必保留，如Boolean運算過程中產(chǎn)生的臨時模型，重建后如發(fā)現(xiàn)模型上有較多空洞，可在Mask進行修補。

虛擬復位時首先可對游離的骨塊以Region Growing命令進行提??；連在一起的模型可以在3D上進行切割，從而分離出骨塊；Mimics的3D測量只能針對某一個三維模型進行，測量跨越不同三維模型，即跨越不同的骨折塊，其測量的位置不能固定，導致三維模型旋轉(zhuǎn)、移動后測量數(shù)據(jù)改變，因此重建骨折復位后模型應(yīng)通過Boolean運算合成一個獨立的模型以方便測量工作，合并后的模型與分開的各個模型之間空間位置一致。

參考文獻

[1]Schatzker Mc Broom, Bruce D. The tibial plateau fracture.The Toronto experience 1968-1975[J]. Clin Orthop, 1979, (138): 94.

[2]MacNab I. Negative disc exploration. An analysis of the causes of nerve-root involvement in sixty-eight patients[J]. J Bone Joint Surg(Am), 1971, 53(5): 891.

[3]Gsling T, Klingler K, Geerling J, et al. Improved intra-operative reduction control using a three-dimensional mobile image intensifier-a proximal tibia cadaver study[J]. Knee, 2009, 16(1): 58.

[4]Papagelopoulos P J, Partsinevelos A A, Themistocleous G S, et al. Complications after tibia plateau fracture surgery[J]. Injury, 2006, 37(6): 475.

[5]林志堅, 黃勇. LISS鋼板在高能量脛骨近端骨折中的應(yīng)用[J]. 實用臨床用藥雜志, 2009, 13(6): 85.

[6]Taylor J, Langenbach A, Marcellin-Little DJ. Risk factors for fibular fracture after TPLO[J]. Vet Surg, 2011, 40(6): 687.

[7]Yu Z, Zheng L, Zhang Y, et al. Functional and radiological evaluations of high-energy tibial plateau fractures treated with double -buttress plate fixation[J]. Eur J Med Res, 2009, 14(5): 200.

[8]劉俊, 劉錦波, 王生介, 等. 雙鋼板治療脛骨平臺粉碎性骨折的臨床研究[J]. 實用臨床用藥雜志, 2014, 18(7): 129.

[9]Yu B, Han K, Zhan C, et al. Fibular head osteotomy：a new approach for the treatment of lateral or posterolateral tibial plateau fractures[J].Knee, 2010, 17(5): 313.

[10]Hu Y L, Ye F G, Ji A Y, et al. Three-dimensional computed tomography imaging increases the reliability of classification systems for tibial plateau fractures[J]. Injury, 2009, 40(12): 1282.

[11] Hu Y,Li H,Qiao G,et al.Computer-assisted virtual surgical procedure for acetabular fractures based on real CT data[J]. Injury, 2011, 42(10): 1121.

[12]Osti M, Philipp H, Meusburger B, et al. Analysis of failure following anterior screw fixation of Type II odontoid fractures in geriatric patients[J]. Eur Spine J, 2011, 20(11): 1915.

[13]Chen C, Ruan D, Wu C, et al. CT morphometric analysis to determine the anatomical basis for the use of transpedicular screws during reconstruction and fixations of anterior cervical vertebrae[J]. PLoS One, 2013, 8(12): e81159.

[14]Messmer P, Brig G, Suhm N, et al. Three-dimensional fracture simulation for preoperative planning and education[J]. Eur J Trauma, 2001, 27: 171.

[15]Osti M, Philipp H, Meusburger B, et al. Analysis of failure following anterior screw fixation of Type II odontoid fractures in geriatric patients[J]. Eur Spine J, 2011, 20(11): 1915.

[16]Khoury A, Liebergall M, Weil Y, et al. Computerized fluoroscopic-based navigation-assisted intramedullary nailing[J]. Am J Orthop, 2007, 36(11): 582.

Clinical research on digital internal fixation

for proximal tibial fracture

CHEN Xuanhuang1, WU Xianwei1, LIN Haibin1, WU Changfu1,

ZHENG Feng1, GUO Qingqing2, ZHANG Guodong1

(1.DepartmentofOrthopedics; 2.DepartmentofMedicalImaging,TeachingHospitalof

FujianMedicalUniversity,AffiliatedPutianHospitalofSouthernMedicalUniversity,

AffiliatedHospitalofPutianUniversity,Putian,Fujian, 351100)

ABSTRACT:ObjectiveTo explore the effect of Mimics, Solidworks (medical software) in performing three-dimensional reconstruction and reduction on proximal tibial fracture, and to design digital internal fixation plan. MethodsThirty patients with proximal tibial fracture (digital group) were treated with CT scan. Three-dimensional reconstruction and reduction were performed in Mimics. The plates and screws were designed and selected in Solidworks. Virtual internal fixation on the reduction three-dimensional models was performed. The clinical operation was performed on the basis of the scheme, and the curative effect was observed and compared with 30 cases patients treated by the traditional operation (control group). Results All the fractures were performed with three-dimensional reconstruction and reduction in the digital group, and the accurate design for internal fixation plates and screws as well as virtual internal fixation were accomplished. The clinical operations finished successfully according to the digital scheme of the preoperative design. The curative effect was satisfactory. Indexes such as bleeding volume, operation time, postoperative drainage, hospital stay and healing time of fracture in the digital group were better than those in the control group. ConclusionThe digital scheme for internal fixation of proximal tibial fracture can be designed in Mimics and Solidworks with a personal computer.

KEYWORDS:proximal tibia; bone fracture; digitization; internal fixation; medical software

基金項目:福建省衛(wèi)生計生委衛(wèi)生系統(tǒng)中青年骨干人才培養(yǎng)項目(2014-ZQN-JC-39);

收稿日期:2014-11-22

中圖分類號:R 683

文獻標志碼:A

文章編號:1672-2353(2015)09-076-04

DOI:10.7619/jcmp.201509022