張國棟,陶圣祥,鄭和平,張發(fā)惠,鄭曉暉,廖維靖,魯植艷

(1.武漢大學中南醫(yī)院康復醫(yī)學科,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外開展[1～3],與臨床骨科密切相關的骨折三維重建、內固定[4～7]以及有限元力學分析均有學者進行了探討[8～10]。上述研究述及內固定器械的形狀以及內固定方式與實際手術情況尚有一定差異,未能解決針對每 1例特定的骨折進行個性化數字鋼板設計的問題。其原因之一為醫(yī)學三維重建軟件Mimics或者有限元分析軟件Ansys機械制圖的性能均欠佳,難以制作復雜的骨科內固定器械,更難以針對不同的骨折情況對鋼板進行預彎等處理以適應骨折情況。機械制圖軟件SolidWorks可較好地完成骨科內固定器械的制作及預彎,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)下的骨折復位、內固定,為現實手術提供極具價值的參考,同時為骨折內固定的有限元分析做形態(tài)學方面的準備。作者按照 AO分類標準[11]制作股骨遠端 A1～ 3、B1～3、C1～ 3骨折模型,以其為例對骨折數字鋼板方法學上的實踐過程進行初步探討。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 實驗標本 新鮮成人尸體膝關節(jié)標本9具,髁支持鋼板、空心螺釘及皮質骨螺釘(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 武漢大學人民醫(yī)院 64排 128層容積 CT(V CT)。

1.2 試驗方法

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

1.2.2 CT掃描 掃描條件設置為 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),設定閾值(Thresholding):按照 Mimics設定的 Bone(CT)Scale,即 226～ 3071Hu進行設定;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等功能進行,運行 Calculate3D即可得到相應的三維模型,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經驗進行人工判斷。

1.3.3 骨折三維模型復位 運行 Mimics的 Reposition命令,對各骨折塊進行復位。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,保證骨折塊對應的面、邊緣較為滿意地吻合。

1.3.4 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。Mimics的3D測量只能針對某一個三維模型進行,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行2項測量。首先在進行鋼板固定的位置進行長度和角度的測量,以選擇內固定器械及進行預彎;在鋼板進行虛擬內固定之后,測量進釘孔至對側骨面的 3D長度以選擇螺釘。

1.4 手術鋼板、螺釘的三維構建 參照手術鋼板實物構建不同種類的鋼板、螺釘,修改草圖即可獲得其他規(guī)格。在繪制時,將 SolidWorks原點置于草圖中最容易確定位置的部位,以方便進行繪制以及預彎時進行定位。

1.5 鋼板預彎以及虛擬內固定 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,可根據三維測量的數據在Solidworks中對鋼板進行折彎和扭曲,再次將鋼板 Stl文件輸入 Mimics,同時將螺釘 Stl文件輸入至 Mimics,移動至鋼板進釘孔,調整螺釘方向使其與預設進釘位置一致。

2 結 果

2.1 SolidWorks零件文件 SolidWorks可繪制絕大多數的手術器械,其曲面成型功能可對復雜的器械進行折彎、扭曲以適應手術要求,臨床骨科醫(yī)師可以利用SolidWorks進行各種個性化的手術鋼板的設計。圖1顯示髁支持鋼板、皮質骨螺釘及空心螺釘,繪制時注意原點是鋼板進行預彎的重要定位標志,本例原點位置系鋼板上部正中(見圖 1)。

2.2 B3型股骨遠端骨折 股骨遠端B3型骨折的三維重建模型對各骨折塊進行分解及虛擬復位的情況(見圖 2);將各骨折塊通過 Boolean運算合并成一個三維模型后,進行 3D長度測量的情況 ,對預定進釘途徑進行測量(見圖3)。本例測量數據為 58.12mm、62.74mm、60.36mm、62.66mm。根據測量數據,在虛擬內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根螺釘的SolidWorks零件文件另存為 Stl格式,輸入至 Mimics,通過Reposition命令移動至預定進釘位置 ,具體見圖 3,其虛擬內固定效果良好。

2.3 C3型股骨遠端骨折 C3型股骨遠端骨折三維模型及復位情況見圖 4。將各骨折塊通過Boolean運算合并成一個三維模型后,輸入髁支持鋼板標準件,觀察鋼板與骨面、骨折線的關系(見圖5),可見必須對鋼板進行折彎方能與骨面良好敷貼。根據測量數據,第1個折彎選擇在鋼板原點下方100.42 mm處 ,角度為 157.57°;第 2個折彎在據鋼板原點下方 125.27 mm處 ,外 19 mm,折彎角度為 144.73°。

根據上述測量數據 ,在 Solidworks中很容易對鋼板標準件進行折彎。再次將鋼板輸入到Mimics中(見圖6),可見鋼板與骨面敷貼良好。測量鋼板各進釘孔至對側骨面的3D長度,輸入螺釘至 Mimics,移動至預定鋼板進釘孔并觀察效果。本例選用皮質骨螺釘(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,最終虛擬內固定效果良好。

3 討 論

影響復雜類型骨折手術效果的因素眾多,一般認為準確的復位、恰當和堅強的內固定、縮短手術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醫(yī)師對傷情的準確判斷以及對手術方案的細致規(guī)劃。作者以股骨遠端兩種類型骨折為例,闡述了虛擬骨折復位、內固定的方法,據此在術前即可完成部分手術方案的設計,選擇適當鋼板并進行準確折彎、扭曲以適應骨折端骨面,并選擇合適的螺釘。通過上述的術前準備,可縮短手術時間,避免因手術中鋼板反復折彎而降低其強度,還可減少軟組織損傷以改善手術效果。

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

3.1 骨骼模型實體化的問題 在Mimics以及其他醫(yī)學三維重建軟件中重建骨骼三維模型,如果將這個模型以 Iges和點云格式輸出到 CAD軟件,我們可以發(fā)現骨骼由多層曲線構成,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,使得骨骼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、內固定等操作。 Mimics中的三維模型實際上為面格式,將螺釘、內固定器械以 Stl文件引進 Mimics,可對模型、鋼板進行編輯。

3.2 骨折數字模型與實體模型的比較 CT掃描所獲得的骨折數據可以通過快速成型(Rapid Prototyping,RP)系統(tǒng)完成骨折實體模型的制造過程。利用專用鑄型器械,采用硬質石膏、硅橡膠等材料進行翻模,制作熔模并進行熔模鑄造,制作出與骨折形狀基本一致的實體模型。快速成型雖具有直觀的特點,但其過程比較復雜。由于材料特性與真實的骨骼不一致,不能利用鑄造模型進行力學分析,從而限制了快速成型在骨折復位、固定模擬中的應用。

3.3 個性化數字鋼板設計問題 個性化數字鋼板即針對每1例骨折,選擇對骨折最合適的接骨鋼板,根據骨折情況進行預彎,選擇合適的螺釘等內固定器械。臨床骨科醫(yī)師甚至可以對原有的骨科內固定器械進行改良,乃至設計全新的內固定器械?；诂F代強大的加工技術,在較短的時間內可以加工出最適合于某一特定骨折的內固定器械,顯然這樣的內固定器械不會因為反復折彎影響到內固定器械的力學強度,同時減少對骨膜等軟組織的剝離,減少破壞血液供應,有利于骨折愈合。術前進行個性化數字鋼板設計,可以在一定程度上減少手術時間,降低麻醉風險,減少患者手術費用。

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

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

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