脛骨平臺骨折優(yōu)化內(nèi)固定手術的數(shù)字化設計與臨床研究.pdf

1、背景:
　　脛骨平臺骨折是一種常見的高能量復雜關節(jié)內(nèi)骨折，內(nèi)固定手術難度較大且術后常伴有疼痛、關節(jié)不穩(wěn)及創(chuàng)傷性關節(jié)炎。其內(nèi)固定要求不僅體現(xiàn)在要獲得良好的生物力學性能，還必須實現(xiàn)關節(jié)面的解剖復位以避免術后患者關節(jié)疼痛。復雜類型的骨折在內(nèi)固定植入時需要實現(xiàn)上述兩點要求，那么不僅需要考慮到手術入路、術式選擇、骨折以及骨缺損的具體情況等，也要考慮到內(nèi)固定植入所需的接骨板和螺釘?shù)囊?guī)格、植入位置、螺釘植入方向等因素。因此，更為有效及精確化的“

2、個性化手術”的呼聲越來越高。
　　骨折手術的內(nèi)固定效果很大程度上決定于鋼板的外形匹配程度，鋼板與骨面良好的匹配無疑能夠獲得更好的固定效果及生物力學性能。鎖定加壓鋼板(LCP)是現(xiàn)今比較常用的脛骨平臺內(nèi)固定植入物，由于個體化差異，每一例骨折情況都不相同，而且不同廠家接骨板規(guī)格、型號都不盡相同，常常導致鋼板與骨面不匹配。即使外形匹配的鋼板也會出現(xiàn)釘?shù)婪植疾焕硐氲那闆r。因此，術中常常面臨沒有合適的鋼板可供選擇的窘境，勉強植入效果不理想，

3、導致復雜脛骨平臺骨折內(nèi)固定植入效果參差不齊。因此，詳盡合適的術前手術方案設計顯得尤為重要，但傳統(tǒng)手術方式術前設計主要關注手術入路、術式選擇、骨折以及骨缺損等情況，往往忽視了內(nèi)固定植入所需的接骨板和螺釘?shù)囊?guī)格、植入位置、螺釘植入方向等重要因素。
　　傳統(tǒng)的骨科手術，醫(yī)生在術前主要依靠個人經(jīng)驗制定手術計劃，而且，在我國絕大多數(shù)的基層醫(yī)院還是停留在術前靠人腦空想設計手術方案的狀況，或者只能通過X線、CT、MRI等二維圖像進行術前的手術方

4、案構思，常缺乏骨性病理解剖結構與周圍血管、神經(jīng)等軟組織的關系的描述反映，很難精確的、標準化的設計手術入路、內(nèi)固定方式的方案制定，即很難確定適合具體病例的最優(yōu)化的手術方案，也很難預測手術當中所遇到的問題。手術醫(yī)生往往憑借自己的經(jīng)驗在大腦中勾勒術中的三維場景，其構思和手術經(jīng)驗很難為手術組每一位成員所共享，手術操作更難以達成默契，而且手術效果往往依賴于醫(yī)生個體的外科臨床經(jīng)驗與技能，經(jīng)驗與手術熟練程度決定了手術的成敗。
　　近20多年來，

5、“數(shù)字骨科”技術發(fā)展迅速。利用計算機輔助技術，骨科手術模式由傳統(tǒng)的“開放-觀察-手術”向“觀察-開放-手術”轉變，即利用計算機重建患者個體化的內(nèi)部結構的數(shù)字化三維立體圖像，在手術規(guī)劃軟件上觀察、測量三維模型，對手術部位深入觀察，精確設計手術路徑和范圍，使手術更加精確、微創(chuàng)，提升手術質(zhì)量和可靠性，正是由于上述優(yōu)點，數(shù)字醫(yī)學技術已廣泛應用于創(chuàng)傷、脊柱骨科及關節(jié)外科等領域。數(shù)字化技術可以精確設計手術方案，使手術更加精確，提升手術質(zhì)量和可靠性。

6、但是虛擬的手術方案設計如何指導現(xiàn)實手術實施，如何縮小虛擬與現(xiàn)實之間的差距是數(shù)字化技術應用的重要問題。3D打印技術的發(fā)展，可以將任何形狀的虛擬模型打印成實體模型，而且其成本的降低、打印精度與速度的提高以及打印模型力學強度的增加，都為解決上述難題提供了難得的契機。經(jīng)過完善的計算機輔助術前評估、規(guī)劃和手術方案設計，應用3D打印技術將手術方案精確地付諸于實施，為虛擬設計向現(xiàn)實手術實施架設一座橋梁。
　　目的:
　　1.基于國內(nèi)臨床常

7、用的脛骨平臺骨折內(nèi)固定植入物的CT數(shù)據(jù)，建立脛骨平臺骨折內(nèi)固定植入物三維模型庫;
　　2.調(diào)用內(nèi)固定植入物三維模型庫，進行脛骨平臺骨折內(nèi)固定手術方案的數(shù)字化優(yōu)化設計研究;
　　3.基于優(yōu)化設計的手術方案的基礎上設計導航模板，并結合3D打印技術指導現(xiàn)實內(nèi)固定手術的實施，實現(xiàn)脛骨平臺骨折精確化手術。
　　方法:
　　1.脛骨平臺內(nèi)固定植入物三維模型庫的建立:采用6套國內(nèi)臨床常用的脛骨平臺全規(guī)格鋼板（辛迪斯，捷邁，史塞

8、克，大博，威高，華森）為實驗材料，通過CT掃描的方式獲取原始DICOM數(shù)據(jù)，包括帶釘鋼板與不帶釘鋼板。利用Mimics軟件進行內(nèi)固定器械的初步三維建模，然后把三維模型導入Geomagic軟件進行光順優(yōu)化處理，包括消除CT偽影所產(chǎn)生的影響。帶釘鋼板的三維模型受CT偽影影響較大，需要繪制虛擬釘?shù)来骀i定釘，而且虛擬釘?shù)琅c鎖定釘方向一致。因此，內(nèi)固定植入物三維模型庫的建庫單元為帶虛擬釘?shù)赖匿摪迦S模型，按照不同鋼板廠家、類型、規(guī)格分類建庫。<

9、br>　　2.基于3D打印的脛骨平臺骨折內(nèi)固定手術方案的數(shù)字化優(yōu)化設計:采集臨床脛骨平臺骨折薄層CT掃描數(shù)據(jù)60例，利用Mimics軟件建立脛骨平臺骨折三維模型并且進行虛擬骨折復位。調(diào)用脛骨平臺內(nèi)固定植入物三維模型庫，選取最合適具體病例的鋼板進行虛擬內(nèi)固定植入手術方案的優(yōu)化設計，包括鋼板外形與骨面的匹配，螺釘?shù)闹踩胛恢煤头较蚰茏畲蟪潭鹊墓潭ㄖ饕钦蹓K。在優(yōu)化設計方案的基礎上設計導航模板，并且運用3D打印技術，把骨折模型、鋼板模型以及導航

10、模板模型打印成等比例實體模型，在導航模板的引導下指導實體模型的內(nèi)固定植入手術，并且比較虛擬手術與實體模型手術的效果是否一致，評價數(shù)字化技術結合3D打印技術在精確化手術中應用價值。
　　3.脛骨平臺骨折數(shù)字化優(yōu)化設計手術的尸體實驗驗證:采用正常人膝關節(jié)尸體標本6例，模擬脛骨平臺骨折雙柱及三柱骨折類型進行骨折造模，然后骨折造模標本CT掃描進行三維重建、虛擬骨折復位、內(nèi)固定手術數(shù)字化優(yōu)化設計以及導板的設計和3D打印成型，按照數(shù)字化手術方

11、案在導航模板的引導下實施尸體標本的內(nèi)固定手術。術后再次進行CT掃描以及三維重建，測量及比較分析術前及術后螺釘長度、進釘點坐標、釘?shù)婪较虻囊恢滦裕u價內(nèi)固定植入物三維模型庫與導航模板輔助下的精確化手術的可行性及準確性。
　　4.脛骨平臺骨折數(shù)字化優(yōu)化設計手術的臨床應用:采集臨床脛骨平臺骨折病例，按照尸體標本實驗的實驗方法實施脛骨平臺骨折精確化及優(yōu)化手術，實現(xiàn)虛擬的數(shù)字化優(yōu)化方案向現(xiàn)實手術的轉化，指導臨床手術。
　　結果:

12、>　　1.基于高質(zhì)量的內(nèi)固定植入物的CT薄層掃描數(shù)據(jù)，利用Mimics和Geomagic軟件可以建立起高仿真度的內(nèi)固定植入物三維模型庫。鎖定鋼板與虛擬鎖定釘?shù)赖目煞挚珊系膯卧鳛閮?nèi)固定植入物三維模型庫的標準件模式，是內(nèi)網(wǎng)定植入物三維模型庫的精髓所在。利用虛擬釘?shù)来骀i定鋼板的鎖定釘?shù)?，既可以保留了鎖定釘?shù)姆较蚣拔恢玫恼鎸嵭?，同時又可直接被調(diào)用實施虛擬手術，對內(nèi)固定虛擬手術具有巨大的臨床意義。同時基于脛骨平臺骨折的CT掃描數(shù)據(jù)，利用三維編

13、輯的方式，可以快速建立高仿真的脛骨平臺骨折三維模型，并且進行虛擬骨折復位，內(nèi)固定植入等虛擬手術，對臨床手術術前規(guī)劃及個性化、精確化手術方案的制定具有重大意義。
　　2.基于3D打印模型的基礎實驗結果顯示3D模型模擬手術的手術效果與內(nèi)固定數(shù)字化設計方案的手術效果一致，二者螺釘長度無明顯差異(t=-1.594;V=12; P=0.137)，二者螺釘長度差值為-0.52±1.180mm，二者螺釘長度相關系數(shù)r=0.994。
　　3

14、.尸體標本的內(nèi)固定手術效果與數(shù)字化優(yōu)化手術方案的手術效果高度一致。二者螺釘長度偏差為0.95±2.89mm，P＞0.05;鎖定螺釘進釘點在X，Y和Z軸上的偏差分別為0.25±1.77mm，0.31±3.14mm和0.25±1.38mm，P＞0.05;鎖定螺釘在冠狀面(X-Y)和橫斷面(X-Z)上的投影角偏差分別為0.71±4.46°和1.57±5.13°，P＞0.05。數(shù)字化的理想釘?shù)篮同F(xiàn)實手術的實際釘?shù)涝诼葆旈L度、進釘點位置和釘?shù)劳队?/p>

15、角的比較上無明顯差異。
　　4.臨床脛骨平臺骨折病例內(nèi)固定手術效果與數(shù)字化優(yōu)化手術方案的手術效果高度一致。二者螺釘長度偏差為1.57±5.77mm，P＞0.05;鎖定螺釘進釘點在X，Y和Z軸上的偏差分別為1.59±5.46mm，0.74±4.98mm，和1.76±6.50mm，P＞0.05;鎖定螺釘在冠狀面(X-Y)和橫斷面(X-Z)上的投影角偏差分別為1.59±5.17°和1.25±7.05°，P＞0.05。數(shù)字化的理想釘?shù)篮同F(xiàn)

16、實手術的真實釘?shù)涝诼葆旈L度、進釘點位置和釘?shù)劳队敖堑谋容^上無明顯差異。
　　結論:
　　脛骨平臺骨折精確化及優(yōu)化的內(nèi)固定手術主要體現(xiàn)在術前選擇與骨面高度匹配的鋼板、優(yōu)化的鋼板植入位置以及理想的螺釘釘?shù)馈?nèi)固定植入物三維模型庫是實現(xiàn)虛擬內(nèi)固定手術的前提，對臨床手術術前規(guī)劃及個性化、精確化手術方案的制定具有重大意義。數(shù)字化技術結合內(nèi)固定植入物三維模型庫能夠實現(xiàn)優(yōu)化以及個性化的術前手術方案的制定，通過確定鎖定釘進釘點與方向的方法來

17、確定鎖定鋼板的植入位置，并且輔以3D打印導航模板的來精確引導鎖定釘?shù)闹踩耄軌蛲瓿删_化的脛骨平臺骨折內(nèi)固定植入手術。在內(nèi)固定植入物三維模型庫及手術方案術前數(shù)字化設計的輔助下，實現(xiàn)了精確及優(yōu)化的尸體標本內(nèi)固定手術，獲得了與優(yōu)化設計的數(shù)字化方案一致的鋼板植入位置以及理想釘?shù)?，驗證了3D打印導航模板指導下的精確化手術的可行性。根據(jù)尸體標本內(nèi)固定手術的數(shù)據(jù)及操作經(jīng)驗，通過導航模板的改良設計，實現(xiàn)了在內(nèi)固定植入物三維模型庫以及3D打印導航模板輔