應(yīng)用Solidworks軟件對脛骨平臺骨折進(jìn)行術(shù)前評估和虛擬手術(shù)的初步研究

鄭翔，許錦煌，黃建榮

(1.廣州市增城區(qū)人民醫(yī)院，廣東 廣州 510300；2.中山大學(xué)孫逸仙紀(jì)念醫(yī)院，廣東 廣州 510120)

臨床研究

應(yīng)用Solidworks軟件對脛骨平臺骨折進(jìn)行術(shù)前評估和虛擬手術(shù)的初步研究

鄭翔1，許錦煌1，黃建榮2*

(1.廣州市增城區(qū)人民醫(yī)院，廣東 廣州 510300；2.中山大學(xué)孫逸仙紀(jì)念醫(yī)院，廣東 廣州 510120)

目的探討Solidworks軟件在脛骨平臺骨折術(shù)前評估和虛擬手術(shù)中的價值。方法將脛骨平臺骨折患者的Dicom格式CT掃描圖像數(shù)據(jù)導(dǎo)入MIMICS14.01軟件，重建膝關(guān)節(jié)和脛骨平臺骨折三維模型，擬合曲面后將Iges文件導(dǎo)入Solidworks2013軟件生成CAD模型。對骨折情況進(jìn)行立體多角度觀察，對脛骨平臺骨折平臺塌陷程度、膝關(guān)節(jié)半脫位程度等進(jìn)行三維數(shù)據(jù)測量及植骨量測算。在膝關(guān)節(jié)CAD模型上規(guī)劃手術(shù)入路，充分暴露骨折端，模擬克氏針撬撥等方式行骨折復(fù)位，通過開窗打壓植骨恢復(fù)關(guān)節(jié)面平整性，將復(fù)位成功的骨折模型用鋼板螺釘系統(tǒng)進(jìn)行內(nèi)固定。結(jié)果重建的脛骨平臺骨折三維可視化CAD模型可進(jìn)行立體多角度觀察和測量，初步實(shí)現(xiàn)了對脛骨平臺骨折的術(shù)前評估，完成了以規(guī)劃手術(shù)入路、暴露骨折端、模擬骨折復(fù)位、開窗植骨、內(nèi)固定為主要步驟的虛擬手術(shù)。結(jié)論應(yīng)用Solidworks軟件能夠重建脛骨平臺骨折CAD模型，對骨折情況進(jìn)行便捷和精確的術(shù)前評估，完成虛擬手術(shù)操作，將為臨床工作提供可靠依據(jù)。

脛骨平臺骨折；Solidworks；術(shù)前評估；虛擬手術(shù)

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)采集 隨機(jī)抽選我院1例脛骨平臺粉碎性骨折病例，所抽取病例為男性，46歲，右側(cè)閉合性脛骨平臺粉碎性骨折，受傷機(jī)制為車禍，按照Schatzker分型為Ⅳ型。采用Siemens 64排螺旋CT機(jī)獲得脛骨平臺骨折的基本數(shù)據(jù)(見圖1)。掃描參數(shù)：掃描層厚為0.33 mm，管電壓120 kV，管電流100 mA。

a 橫斷面

b 冠狀斷面 c 矢狀面

1.2 利用MIMICS軟件進(jìn)行三維可視化模型重建 將Dicom格式CT掃描斷層數(shù)據(jù)輸入MIMICS 14.01軟件，經(jīng)定位圖像，閾值分割，動態(tài)分割，每層圖像經(jīng)選擇性編輯和補(bǔ)洞處理，去除冗余數(shù)據(jù)，平滑處理，經(jīng)3D計算建立膝關(guān)節(jié)軟組織和脛骨平臺骨折三維可視化模型。

1.3 利用Solidworks軟件進(jìn)行術(shù)前評估和手術(shù)規(guī)劃 在MIMICS 14.01軟件上重建的三維數(shù)字模型采用點(diǎn)云文件格式導(dǎo)入Solidworks 2013軟件，進(jìn)行擬合曲面并獲得完整的膝關(guān)節(jié)軟組織和脛骨平臺骨折CAD模型(亦可采用STL文件格式導(dǎo)入Geomagic Studio軟件進(jìn)行擬合曲面，再以Iges格式或Step格式文件輸出至Solidworks 2013軟件)。以重建的膝關(guān)節(jié)和脛骨平臺骨折CAD模型為基礎(chǔ)進(jìn)行術(shù)前評估，在Solidworks 2013軟件中模擬進(jìn)行立體、多角度觀察，對脛骨平臺骨折平臺塌陷程度、膝關(guān)節(jié)半脫位程度等三維數(shù)據(jù)進(jìn)行測量及測算植骨量。應(yīng)用Solidworks 2013軟件進(jìn)行虛擬手術(shù)，首先在膝關(guān)節(jié)CAD模型上設(shè)計手術(shù)入路，暴露骨折端，模擬克氏針撬撥等方式行骨折復(fù)位，開窗植骨恢復(fù)關(guān)節(jié)面平整性，將鋼板螺釘系統(tǒng)CAD模型導(dǎo)入后與復(fù)位成功的骨折模型進(jìn)行組裝模擬內(nèi)固定手術(shù)。鋼板螺釘系統(tǒng)CAD模型根據(jù)脛骨平臺鎖定髁鋼板、鎖定螺釘實(shí)物參照，以1︰1比例由Solidworks 2013軟件進(jìn)行繪制。

2 結(jié) 果

2.1 應(yīng)用Mimics 14.01軟件重建三維模型 基于CT Dicom格式數(shù)據(jù)，應(yīng)用Mimics 14.01軟件可完整清晰地重建膝關(guān)節(jié)軟組織和脛骨平臺骨折三維可視化模型，清楚地反映膝關(guān)節(jié)軟組織腫脹情況以及骨折粉碎和移位情況(見圖2)。

a 雙側(cè)膝關(guān)節(jié)軟組織 b 患側(cè)脛骨平臺骨折

圖2 膝關(guān)節(jié)軟組織和脛骨平臺骨折三維可視化模型

a 上視面 b 前視面

a 內(nèi)外側(cè)平臺關(guān)節(jié)面高度差為4.55 mm，脛骨平臺向外側(cè)移位約13.52 mm b 藍(lán)色區(qū)域代表植骨處，植骨量約為1 279.20 mm3

圖4 對脛骨平臺骨折CAD模型進(jìn)行三維測量

2.2 應(yīng)用Solidworks 2013軟件進(jìn)行術(shù)前評估 將Mimics 14.01軟件生成的三維模型導(dǎo)入Solidworks 2013軟件生成CAD模型，可多側(cè)面、多角度、多方向、多層次顯示骨折細(xì)節(jié)(見圖3)。能對脛骨平臺骨折平臺塌陷程度、膝關(guān)節(jié)半脫位程度等三維數(shù)據(jù)進(jìn)行測量，對植骨量進(jìn)行精確測算，如本例測得內(nèi)外側(cè)平臺關(guān)節(jié)面高度差4.55 mm，脛骨平臺向外側(cè)移位約13.52 mm，植骨塊體積約1 279.20 mm3(見圖4)。

2.3 應(yīng)用Solidworks 2013軟件進(jìn)行虛擬手術(shù) 應(yīng)用Solidworks 2013軟件可便捷和直觀地進(jìn)行虛擬手術(shù)，在膝關(guān)節(jié)CAD模型上設(shè)計手術(shù)入路，充分暴露骨折端，模擬克氏針撬撥等方式行骨折復(fù)位，通過開窗打壓植骨恢復(fù)關(guān)節(jié)面平整性，將復(fù)位成功的骨折模型用鋼板螺釘系統(tǒng)進(jìn)行內(nèi)固定(見圖5)。

2.4 術(shù)后影像學(xué)評估 根據(jù)上述術(shù)前評估及虛擬手術(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行手術(shù)，手術(shù)過程順利術(shù)后行膝關(guān)節(jié)正側(cè)位X線片復(fù)查，與術(shù)前X線片對比，可見骨折復(fù)位良好，關(guān)節(jié)面平整，脛骨平臺高度恢復(fù)，內(nèi)固定牢固、位置合適，基本與術(shù)前虛擬規(guī)劃一致，達(dá)到了預(yù)期效果(見圖6)。

a 設(shè)計手術(shù)入路 b 暴露骨折斷端 c 骨折復(fù)位 d 開窗植骨 e 內(nèi)固定

圖5 虛擬手術(shù)示意圖

圖6 手術(shù)前后正側(cè)位X線片比較

3 討 論

脛骨平臺骨折是一種高能量復(fù)雜關(guān)節(jié)內(nèi)骨折，且位于干骺端，多為松質(zhì)骨，易出現(xiàn)骨質(zhì)壓縮缺損伴軟骨面塌陷，常合并膝關(guān)節(jié)韌帶損傷導(dǎo)致關(guān)節(jié)不穩(wěn)，或出現(xiàn)髁間嵴骨折及半月板損傷，傷后常常腫脹明顯并形成張力性水皰。對于平臺骨折關(guān)節(jié)面塌陷大于2 mm、劈裂移位大于5 mm的骨折常采用手術(shù)治療，如果手術(shù)時機(jī)或手術(shù)切口選擇不恰當(dāng)，或者軟組織腫脹、皮膚牽拉過度等均可能出現(xiàn)皮膚缺血壞死、感染、切口愈合不良、骨與內(nèi)固定物外露等并發(fā)癥[4-6]。如果骨折復(fù)位不理想，或內(nèi)固定失敗術(shù)后易出現(xiàn)關(guān)節(jié)疼痛、不穩(wěn)及創(chuàng)傷性骨關(guān)節(jié)炎等并發(fā)癥[7-8]。為減少上述并發(fā)癥的發(fā)生，需要盡可能達(dá)到解剖復(fù)位，恢復(fù)關(guān)節(jié)面的平整以及關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性[9-10]，同時要盡量減少對軟組織的損傷。而如果術(shù)前對骨折和軟組織情況充分進(jìn)行評估，準(zhǔn)確和細(xì)致的進(jìn)行手術(shù)規(guī)劃，將大大縮短修復(fù)時間，減少手術(shù)時間過長造成的軟組織創(chuàng)傷，提高手術(shù)的精確性和成功率。

臨床上對于復(fù)雜骨折的術(shù)前評估和手術(shù)規(guī)劃大多來自探討與分析X線片及CT等影像學(xué)資料，但這些資料提供的信息不完整，需要醫(yī)師結(jié)合自己的臨床經(jīng)驗(yàn)，不同醫(yī)師可能有不同看法，因而具有主觀性和差異性，常常不能制定具體的手術(shù)方案，更多時候需要根據(jù)術(shù)中探查情況取得更多的信息進(jìn)行考量，而術(shù)中探查(如打開膝關(guān)節(jié)囊探查關(guān)節(jié)面或延長切口)可能加大軟組織損傷程度。另一方面，術(shù)中探查有時需要預(yù)備膝關(guān)節(jié)鏡器械或者準(zhǔn)備更多的內(nèi)固定器械?，F(xiàn)在很多醫(yī)院CT機(jī)自帶軟件可進(jìn)行三維重建，但重建出來的圖像僅僅是外觀上的可視化，提供的信息量有限，且易出現(xiàn)偽影，常規(guī)重建不能顯示脛骨平臺關(guān)節(jié)面，且要在該軟件上進(jìn)行某個骨折塊的移動或分析是很難的，如果要求過多會增加放射科醫(yī)師的工作量。目前在很多科室，如整形外科和口腔頜面外科等科室，使用數(shù)字化三維重建和虛擬手術(shù)來為修復(fù)前進(jìn)行規(guī)劃已經(jīng)成為一種發(fā)展趨勢[11-13]，在骨科尤其是一些復(fù)雜的骨折和矯形手術(shù)中常常能獲得良好的臨床效果[14]。章瑩等[15]分析了135例脛骨平臺骨折病例，其中73例采用計算機(jī)三維仿真技術(shù)進(jìn)行輔助，采用常規(guī)手術(shù)方法治療62例，隨訪6～34個月，平均17個月，計算機(jī)輔助組優(yōu)良率90.4%，常規(guī)手術(shù)組優(yōu)良率83.0%。李清泉等[16]分析了60例脛骨平臺骨折病例，其中觀察組30例術(shù)前采用虛擬手術(shù)三維重建技術(shù)輔助，對照組30例采用常規(guī)手術(shù)方法治療，觀察組術(shù)中出血量明顯少于對照組，手術(shù)時間及骨折愈合時間明顯短于對照組，術(shù)后滿意度評分明顯優(yōu)于對照組，術(shù)后6個月觀察組關(guān)節(jié)活動度改善程度較對照組更優(yōu)。

MIMICS(Materiaise's interactive medical image control system)是Materialise公司的交互式的醫(yī)學(xué)影像控制系統(tǒng)，是一套高度整合而且易用的3D圖像生成及編輯處理軟件，它能輸入各種掃描的數(shù)據(jù)(CT、MRI)，建立3D模型進(jìn)行編輯，然后輸出通用的CAD(計算機(jī)輔助設(shè)計)、FEA(有限元分析)，RP(快速成型)格式，可以在PC機(jī)上進(jìn)行大規(guī)模數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換處理。MIMICS可以說是一款非常經(jīng)典的數(shù)字骨科學(xué)入門級軟件，能夠快速根據(jù)CT、MRI等臨床常見影像數(shù)據(jù)建立三維模型，功能強(qiáng)大。有報道[17-18]利用MIMICS軟件進(jìn)行術(shù)前評估和虛擬手術(shù)規(guī)劃，但該軟件主要功能是快速3D圖像生成及簡單的編輯處理，如果需要對模型進(jìn)行分割組合、繪圖等操作則較為困難且繁瑣，而如果將模型輸出到CAD軟件，由于CAD軟件的強(qiáng)大繪圖和操作功能，則可以較好地完成三維模型的評估測量以及虛擬手術(shù)等工作。

法國的SolidWorks軟件，是世界上第一個基于Windows開發(fā)的三維CAD系統(tǒng)，具有功能強(qiáng)大、易學(xué)易用和技術(shù)創(chuàng)新三大特點(diǎn)。本研究通過將Mimics軟件重建的三維模型導(dǎo)入SolidWorks軟件，通過建立脛骨平臺骨折CAD三維模型，可以多角度、全方位觀察、分析骨折情況，更加準(zhǔn)確地按照Schatzker分型或三柱理論進(jìn)行分型。利用該軟件對塌陷型骨折進(jìn)行骨折塌陷程度等三維數(shù)據(jù)的測量，進(jìn)行植骨量的測算，對于伴有膝關(guān)節(jié)半脫位的骨折進(jìn)行關(guān)節(jié)脫位程度的測定。通過設(shè)計手術(shù)入路、模擬骨折撬撥復(fù)位、模擬并挑選合適的內(nèi)固定器材，為手術(shù)操作提供規(guī)劃和模擬，從而提高手術(shù)成功率，減少并發(fā)癥，降低手術(shù)風(fēng)險?；赟olidWorks軟件的強(qiáng)大功能和易操作性，可以預(yù)見如果將其引進(jìn)臨床工作一定會有廣闊的用途和前景，為廣大醫(yī)務(wù)人員提供極大便利。

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PreoperativeEvaluationandVirtualSurgeryofTibialPlateauFracturewithSolidworksSoftware

Zheng Xiang1，Xu Jinhuang2，Huang Jianrong2，et al

(1.People’s Hospital of Zengcheng District，Guangzhou 510300，China；2.Sun Yat-Sen Memorial Hospital，Sun YatSen University，Guangzhou 510120，China)

ObjectiveTo investigate the value of Solidworks software in preoperative evaluation and virtual surgery of tibial plateau fractures.MethodsThe Dicom format CT image data of tibial plateau fracture patients were inputted into MIMICS14.01 software，and 3D reconstruction of the knee and tibial plateau fractures were imputed into Solidworks 2013 software after fitting surface after the Iges format files.The fractures' CAD models were shown from different perspectives and measured accurately.We designed operative approaches，exposed fracture area，performed virtual reduction and internal fixation with computer.ResultsThe CAD models of tibial plateau fractures showed us the details of fracture from different perspectives include the degree of comminution and displacement.We finished the preoperative evaluation of tibial plateau fractures，performed virtual surgery include designing surgical approaches，exposing the fracture area，simulate fracture reduction，fenestration and bone grafting and internal fixation.ConclusionSolidworks software can reconstruct the CAD models of tibial plateau fractures，achieve the fracture assessment and preoperative virtual surgery.Solidworks software will provide a reliable method and basis for clinical work.

tibial plateau fracture；solidworks；preoperative evaluation；virtual surgery

1008-5572(2017)10-0895-05

R683.42

B

廣州市增城區(qū)人民醫(yī)院青年醫(yī)學(xué)人才培育基金(2016QN03)；實(shí)用新型專利：一種持骨器(ZL20162032811.2)；

*本文通訊作者：黃建榮

鄭翔，許錦煌，黃建榮.應(yīng)用Solidworks軟件對脛骨平臺骨折進(jìn)行術(shù)前評估和虛擬手術(shù)的初步研究[J].實(shí)用骨科雜志，2017，23(10)：895-898；907.

2017-05-31

鄭翔(1989- )，男，醫(yī)師，廣州市增城區(qū)人民醫(yī)院，510300。

脛骨平臺骨折臨床較常見，屬關(guān)節(jié)內(nèi)骨折，占所有骨折的1.3%[1]，占老年人群骨折的8%[2]。脛骨平臺骨折常伴有嚴(yán)重的膝關(guān)節(jié)韌帶、半月板等軟組織損傷[3]，臨床表現(xiàn)復(fù)雜多變給治療帶來很大的難度。得益于醫(yī)學(xué)影像處理與三維建模技術(shù)、虛擬仿真與可視化技術(shù)、計算機(jī)輔助設(shè)計等數(shù)字骨科技術(shù)的發(fā)展，我們可以在計算機(jī)上運(yùn)用相關(guān)軟件術(shù)前對脛骨平臺骨折進(jìn)行充分的評估和虛擬手術(shù)，真正做到知己知彼、百戰(zhàn)不殆。MIMICS軟件是最常用和最基礎(chǔ)的數(shù)字骨科三維建模軟件，但測量骨折細(xì)節(jié)和進(jìn)行繪圖或移動骨折塊模擬骨折復(fù)位內(nèi)固定手術(shù)時不夠精確、簡單。本文介紹一種新的方法，利用Solidworks軟件生成CAD(計算機(jī)輔助設(shè)計)模型，可以對骨折情況進(jìn)行立體、多角度顯示，便于骨折分型、精確測量三維數(shù)據(jù)、估算植骨量、設(shè)計手術(shù)入路、模擬骨折復(fù)位內(nèi)固定手術(shù)，現(xiàn)報告如下。