張國(guó)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(xué)中南醫(yī)院康復(fù)醫(yī)學(xué)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(duì)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(guó)內(nèi)外開(kāi)展[1～3],與臨床骨科密切相關(guān)的骨折三維重建、內(nèi)固定[4～7]以及有限元力學(xué)分析均有學(xué)者進(jìn)行了探討[8～10]。上述研究述及內(nèi)固定器械的形狀以及內(nèi)固定方式與實(shí)際手術(shù)情況尚有一定差異,未能解決針對(duì)每 1例特定的骨折進(jìn)行個(gè)性化數(shù)字鋼板設(shè)計(jì)的問(wèn)題。其原因之一為醫(yī)學(xué)三維重建軟件Mimics或者有限元分析軟件Ansys機(jī)械制圖的性能均欠佳,難以制作復(fù)雜的骨科內(nèi)固定器械,更難以針對(duì)不同的骨折情況對(duì)鋼板進(jìn)行預(yù)彎等處理以適應(yīng)骨折情況。機(jī)械制圖軟件SolidWorks可較好地完成骨科內(nèi)固定器械的制作及預(yù)彎,通過(guò)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(fù)位、內(nèi)固定,為現(xiàn)實(shí)手術(shù)提供極具價(jià)值的參考,同時(shí)為骨折內(nèi)固定的有限元分析做形態(tài)學(xué)方面的準(zhǔn)備。作者按照 AO分類標(biāo)準(zhǔn)[11]制作股骨遠(yuǎn)端 A1～ 3、B1～3、C1～ 3骨折模型,以其為例對(duì)骨折數(shù)字鋼板方法學(xué)上的實(shí)踐過(guò)程進(jìn)行初步探討。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 實(shí)驗(yàn)標(biāo)本 新鮮成人尸體膝關(guān)節(jié)標(biāo)本9具,髁支持鋼板、空心螺釘及皮質(zhì)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(nèi)存 -DDR 2800共 4G;圖形加速卡-Nvidia8800GT;硬盤(pán)-Seagate SATA 250G;

1.1.4 CT掃描 武漢大學(xué)人民醫(yī)院 64排 128層容積 CT(V CT)。

1.2 試驗(yàn)方法

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

1.2.2 CT掃描 掃描條件設(shè)置為 120kV,250mA,層距為0.625 mm,掃描時(shí)間 1.5 s,采集像素為 1024×1024的 Dicom格式圖像,以刻錄DVD光盤(pán)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(shè)定閾值(Thresholding):按照 Mimics設(shè)定的 Bone(CT)Scale,即 226～ 3071Hu進(jìn)行設(shè)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(jìn)行,運(yùn)行 Calculate3D即可得到相應(yīng)的三維模型,不同骨折塊可指定任意顏色。對(duì)于骨折線不明確或骨折片重疊的情況需根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行人工判斷。

1.3.3 骨折三維模型復(fù)位 運(yùn)行 Mimics的 Reposition命令,對(duì)各骨折塊進(jìn)行復(fù)位。此操作要點(diǎn)為選擇最大的骨塊作為基準(zhǔn),先對(duì)容易對(duì)位的、較大的骨折塊進(jìn)行復(fù)位,逐一耐心、細(xì)致地進(jìn)行,避免顧此失彼 ,重復(fù)勞動(dòng),保證骨折塊對(duì)應(yīng)的面、邊緣較為滿意地吻合。

1.3.4 合并骨折復(fù)位后三維模型 運(yùn)行Boolean運(yùn)算,將分離出來(lái)的所有骨塊合并成為一個(gè)三維模型。Mimics的3D測(cè)量只能針對(duì)某一個(gè)三維模型進(jìn)行,不能跨越不同三維模型,合并后的模型與分開(kāi)的各個(gè)模型的空間位置相同。

1.3.5 三維測(cè)量 利用 Mimics中 Tools,在合并后的三維模型進(jìn)行2項(xiàng)測(cè)量。首先在進(jìn)行鋼板固定的位置進(jìn)行長(zhǎng)度和角度的測(cè)量,以選擇內(nèi)固定器械及進(jìn)行預(yù)彎;在鋼板進(jìn)行虛擬內(nèi)固定之后,測(cè)量進(jìn)釘孔至對(duì)側(cè)骨面的 3D長(zhǎng)度以選擇螺釘。

1.4 手術(shù)鋼板、螺釘?shù)娜S構(gòu)建 參照手術(shù)鋼板實(shí)物構(gòu)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(shí),將 SolidWorks原點(diǎn)置于草圖中最容易確定位置的部位,以方便進(jìn)行繪制以及預(yù)彎時(shí)進(jìn)行定位。

1.5 鋼板預(yù)彎以及虛擬內(nèi)固定 將制作好的鋼板SolidWorks零件文件以 Stl文件輸入 Mimics,通過(guò)Reposition命令將鋼板移動(dòng)至預(yù)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(jù)三維測(cè)量的數(shù)據(jù)在Solidworks中對(duì)鋼板進(jìn)行折彎和扭曲,再次將鋼板 Stl文件輸入 Mimics,同時(shí)將螺釘 Stl文件輸入至 Mimics,移動(dòng)至鋼板進(jìn)釘孔,調(diào)整螺釘方向使其與預(yù)設(shè)進(jìn)釘位置一致。

2 結(jié) 果

2.1 SolidWorks零件文件 SolidWorks可繪制絕大多數(shù)的手術(shù)器械,其曲面成型功能可對(duì)復(fù)雜的器械進(jìn)行折彎、扭曲以適應(yīng)手術(shù)要求,臨床骨科醫(yī)師可以利用SolidWorks進(jìn)行各種個(gè)性化的手術(shù)鋼板的設(shè)計(jì)。圖1顯示髁支持鋼板、皮質(zhì)骨螺釘及空心螺釘,繪制時(shí)注意原點(diǎn)是鋼板進(jìn)行預(yù)彎的重要定位標(biāo)志,本例原點(diǎn)位置系鋼板上部正中(見(jiàn)圖 1)。

2.2 B3型股骨遠(yuǎn)端骨折 股骨遠(yuǎn)端B3型骨折的三維重建模型對(duì)各骨折塊進(jìn)行分解及虛擬復(fù)位的情況(見(jiàn)圖 2);將各骨折塊通過(guò) Boolean運(yùn)算合并成一個(gè)三維模型后,進(jìn)行 3D長(zhǎng)度測(cè)量的情況 ,對(duì)預(yù)定進(jìn)釘途徑進(jìn)行測(cè)量(見(jiàn)圖3)。本例測(cè)量數(shù)據(jù)為 58.12mm、62.74mm、60.36mm、62.66mm。根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù),在虛擬內(nèi)固定時(shí)選用空心螺釘(直徑 7.5 mm)為長(zhǎng)58 mm和 60 mm各 1根,62 mm共 2根 ,將此 4根螺釘?shù)腟olidWorks零件文件另存為 Stl格式,輸入至 Mimics,通過(guò)Reposition命令移動(dòng)至預(yù)定進(jìn)釘位置 ,具體見(jiàn)圖 3,其虛擬內(nèi)固定效果良好。

2.3 C3型股骨遠(yuǎn)端骨折 C3型股骨遠(yuǎn)端骨折三維模型及復(fù)位情況見(jiàn)圖 4。將各骨折塊通過(guò)Boolean運(yùn)算合并成一個(gè)三維模型后,輸入髁支持鋼板標(biāo)準(zhǔn)件,觀察鋼板與骨面、骨折線的關(guān)系(見(jiàn)圖5),可見(jiàn)必須對(duì)鋼板進(jìn)行折彎方能與骨面良好敷貼。根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù),第1個(gè)折彎選擇在鋼板原點(diǎn)下方100.42 mm處 ,角度為 157.57°;第 2個(gè)折彎在據(jù)鋼板原點(diǎn)下方 125.27 mm處 ,外 19 mm,折彎角度為 144.73°。

根據(jù)上述測(cè)量數(shù)據(jù) ,在 Solidworks中很容易對(duì)鋼板標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行折彎。再次將鋼板輸入到Mimics中(見(jiàn)圖6),可見(jiàn)鋼板與骨面敷貼良好。測(cè)量鋼板各進(jìn)釘孔至對(duì)側(cè)骨面的3D長(zhǎng)度,輸入螺釘至 Mimics,移動(dòng)至預(yù)定鋼板進(jìn)釘孔并觀察效果。本例選用皮質(zhì)骨螺釘(直徑 4.5mm)長(zhǎng)度 30 mm共 2根 ,32mm、34mm、36mm 各 1根 ,空心螺釘 (直徑 7.5 mm)長(zhǎng)度 70 mm、75 mm及 78 mm各 1根,最終虛擬內(nèi)固定效果良好。

3 討 論

影響復(fù)雜類型骨折手術(shù)效果的因素眾多,一般認(rèn)為準(zhǔn)確的復(fù)位、恰當(dāng)和堅(jiān)強(qiáng)的內(nèi)固定、縮短手術(shù)時(shí)間及減少軟組織損傷對(duì)骨折愈合有利。這在一定程度上取決于手術(shù)醫(yī)師對(duì)傷情的準(zhǔn)確判斷以及對(duì)手術(shù)方案的細(xì)致規(guī)劃。作者以股骨遠(yuǎn)端兩種類型骨折為例,闡述了虛擬骨折復(fù)位、內(nèi)固定的方法,據(jù)此在術(shù)前即可完成部分手術(shù)方案的設(shè)計(jì),選擇適當(dāng)鋼板并進(jìn)行準(zhǔn)確折彎、扭曲以適應(yīng)骨折端骨面,并選擇合適的螺釘。通過(guò)上述的術(shù)前準(zhǔn)備,可縮短手術(shù)時(shí)間,避免因手術(shù)中鋼板反復(fù)折彎而降低其強(qiáng)度,還可減少軟組織損傷以改善手術(shù)效果。

迄今數(shù)字鋼板仍無(wú)明確的定義。作者認(rèn)為數(shù)字鋼板應(yīng)該包括形態(tài)和功能兩個(gè)方面,形態(tài)方面即為骨折三維重建、復(fù)位、利用軟件設(shè)計(jì)出鋼板模型、虛擬內(nèi)固定等過(guò)程;功能方面即為力學(xué)性能。我們認(rèn)為不同的內(nèi)固定器械、方法具有不同力學(xué)性能。Mimics可以將包括骨折塊、鋼板、螺釘在內(nèi)的所有模型輸出到有限元分析軟件中,如 Ansys進(jìn)行力學(xué)分析,從性能的角度評(píng)價(jià)內(nèi)固定的優(yōu)劣。本文目的之一是為有限元力學(xué)分析做形態(tài)學(xué)上的準(zhǔn)備。

3.1 骨骼模型實(shí)體化的問(wèn)題 在Mimics以及其他醫(yī)學(xué)三維重建軟件中重建骨骼三維模型,如果將這個(gè)模型以 Iges和點(diǎn)云格式輸出到 CAD軟件,我們可以發(fā)現(xiàn)骨骼由多層曲線構(gòu)成,同時(shí)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(gòu)成。由于存在大量不規(guī)則的曲線,導(dǎo)致不管進(jìn)行何種操作其運(yùn)算量都以幾何級(jí)增加,使得骨骼難以形成可以編輯的實(shí)體或者嚴(yán)重變形,也就是說(shuō)難以對(duì)骨骼進(jìn)行切割、鉆孔、內(nèi)固定等操作。 Mimics中的三維模型實(shí)際上為面格式,將螺釘、內(nèi)固定器械以 Stl文件引進(jìn) Mimics,可對(duì)模型、鋼板進(jìn)行編輯。

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

3.3 個(gè)性化數(shù)字鋼板設(shè)計(jì)問(wèn)題 個(gè)性化數(shù)字鋼板即針對(duì)每1例骨折,選擇對(duì)骨折最合適的接骨鋼板,根據(jù)骨折情況進(jìn)行預(yù)彎,選擇合適的螺釘?shù)葍?nèi)固定器械。臨床骨科醫(yī)師甚至可以對(duì)原有的骨科內(nèi)固定器械進(jìn)行改良,乃至設(shè)計(jì)全新的內(nèi)固定器械。基于現(xiàn)代強(qiáng)大的加工技術(shù),在較短的時(shí)間內(nèi)可以加工出最適合于某一特定骨折的內(nèi)固定器械,顯然這樣的內(nèi)固定器械不會(huì)因?yàn)榉磸?fù)折彎影響到內(nèi)固定器械的力學(xué)強(qiáng)度,同時(shí)減少對(duì)骨膜等軟組織的剝離,減少破壞血液供應(yīng),有利于骨折愈合。術(shù)前進(jìn)行個(gè)性化數(shù)字鋼板設(shè)計(jì),可以在一定程度上減少手術(shù)時(shí)間,降低麻醉風(fēng)險(xiǎn),減少患者手術(shù)費(fèi)用。

3.4 臨床應(yīng)用前景及不足 本試驗(yàn)綜合了CT掃描、Mimics三維重建及 3D測(cè)量、Solidworks鋼板制圖及預(yù)彎等多方面內(nèi)容,目前尚無(wú)一種軟件能全程完成上述全部工作。Mimics及 Solidworks均要求進(jìn)行培訓(xùn),各種操作仍稍顯復(fù)雜。我們期待一種全新軟件可以完成上述全程,同時(shí)可以進(jìn)行有限元力學(xué)分析,以方便臨床骨科醫(yī)師使用。

3.5 軟件環(huán)境及應(yīng)用技巧 a)Mimics是交互式的醫(yī)學(xué)影像控 制 系 統(tǒng) (Materiaise′s interactive medical image control system,Mimics),Mimics可運(yùn)行在 windows環(huán)境下,其豐富的接口使其可以和眾多機(jī)械制圖軟件互通。Solidworks為當(dāng)前應(yīng)用廣泛的機(jī)械制圖軟件,主流個(gè)人電腦完全可以勝任全程工作。b)三維重建中每產(chǎn)生的模型均需要命名,避免遺忘。臨時(shí)產(chǎn)生的模型可不必保留,如 Boolean運(yùn)算過(guò)程中產(chǎn)生的臨時(shí)模型。c)骨折塊的分解是為了復(fù)位,復(fù)位之后進(jìn)行合并是為了3D測(cè)量,3D長(zhǎng)度測(cè)量宜在鋼板上進(jìn)行,而角度的測(cè)量最好在骨面上進(jìn)行,這樣可以保證對(duì)鋼板進(jìn)行折彎。d)原點(diǎn)的概念貫穿數(shù)字鋼板設(shè)計(jì)全程,即從鋼板標(biāo)準(zhǔn)件的繪制開(kāi)始直到預(yù)彎,原點(diǎn)均是重要的定位標(biāo)志 ,3D測(cè)量包括 X、Y、Z軸;e)建立鋼板、螺釘各種規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù),使用的時(shí)候直接調(diào)用(本文圖 1～6見(jiàn)后插頁(yè))。

[1]Taylor W R,Roland E,Ploeg H,et al.Determination of orthotropic bone elastic constants using FEA and modal analysis[J].J Biomech,2002,35(6):767-773.

[2]Blemker SS,Asakawa DS,Gold GE,et al.Imagebased musculoskeletal modeling: applications,advances,and future opportunities[J].J Magn Reson Imaging,2007,25(2):441-451.

[3]張建 ,張偉佳,吳克儉,等.股骨及髖臼縱向撞擊傷的計(jì)算機(jī)模擬生物力學(xué)研究[J].中華創(chuàng)傷骨科雜志,2007,9(3):255-257.

[4]Cimerman M,Kristan A.Preoperative planning in pelvic and acetabular surgery:The value of advanced computerised planning modules[J].Injury,2007,38(4):442-449.

[5]扈延齡,金丹 ,蘇秀云,等.基于三維 CT數(shù)據(jù)的髖臼骨折計(jì)算機(jī)輔助虛擬手術(shù)設(shè)計(jì) [J].中華創(chuàng)傷骨科雜志,2008,10(2):137-137.

[6]Seel M J,Hafez M A,Eckman K.Three-dimensional planning and virtual radiographs in revision total hip arthoplasty for instability[J].Clin Orthop Relat Res,2006,(442):35-38.

[7]Handels H,Ehrhardt J,Plotz W.Three-dimensional planning and simulation ofhip operations and computerassisted construction of endoprostheses in bone tumor surgery[J].Comput Aided Surg,2001,6(2):65-76.

[8]汪光曄,張春才,許碩貴.髖臼記憶內(nèi)固定系統(tǒng)治療髖臼橫斷骨折的三維有限元分析[J].中國(guó)骨傷,2007,20(12):830-832.

[9]馬洪順,周振平,王玉臣,等.模擬股骨頸骨折外固定器固定結(jié)構(gòu)模型三維有限元計(jì)算與應(yīng)力分布實(shí)驗(yàn)研究[J].中國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報(bào),2005,24(1):8-11.

[10]林斌,陳昆,張美超.Ⅱ型齒狀突骨折螺釘固定的三維有限元分析 [J].中國(guó)骨與關(guān)節(jié)損傷雜志,2008,23(2):92-94.

[11]Muller M E,Allgower M,Schneider R.骨折內(nèi)固定[M].榮國(guó)威譯.北京:北京人民衛(wèi)生出版社,1995:102-103.

[12]姜海波,葛世榮.基于 CT掃描人體股骨的有限元分析 [J].工程力學(xué),2007,24(10):156-159.