李 明, 張雁儒, 肖靖煒, 張啟平, 徐 丁, 汪帥伊

髖臼四方區(qū)解剖型自鎖定鋼板的數(shù)字技術(shù)設(shè)計(jì)

李 明1, 張雁儒2,3, 肖靖煒3, 張啟平4, 徐 丁1, 汪帥伊1

（1.寧波市第六醫(yī)院 創(chuàng)傷骨科, 浙江 寧波 315042; 2.河南理工大學(xué) 骨科研究所, 河南 焦作 454001; 3.寧波大學(xué) 醫(yī)學(xué)院, 浙江 寧波 315211; 4.中國科學(xué)院 寧波材料技術(shù)與工程研究所, 浙江 寧波 315201）

為探討使用數(shù)字技術(shù)設(shè)計(jì)新型髖臼四方區(qū)自鎖定解剖型鋼板, 采集寧波市第六醫(yī)院影像科2020年1月至2020年12月, 25～50歲正常男女骨盆CT數(shù)據(jù), 選擇中位數(shù)的骨盆CT作為模型. 將CT數(shù)據(jù)依次導(dǎo)入Mimics軟件和Unigraphics NX軟件, 生成三維骨盆模型. 用CAD軟件畫出鋼板螺釘dwg格式二維圖像后導(dǎo)入U(xiǎn)nigraphics NX軟件, 建立stl格式鋼板螺釘三維模型, 設(shè)計(jì)鋼板厚2.0～3.0mm, 實(shí)心皮質(zhì)骨螺釘Ф3.5/5.5mm. 在三維空間視圖中, 將鋼板螺釘裝配到骨盆模型, 重點(diǎn)觀察三維透視圖、釘?shù)揽v軸切面圖、螺釘與鋼板的鎖定角度, 校對功能固定區(qū)、定位孔、阻擋孔、固定孔、應(yīng)力橋、滑動槽等指標(biāo), 優(yōu)化鋼板形態(tài)和螺釘釘?shù)? 一塊鋼板同時(shí)固定髖臼四方區(qū)、臼頂負(fù)重區(qū)、前后柱、前后壁. stl格式數(shù)據(jù)輸出至打印機(jī), 3D打印鋼板, 裝配到骨盆模型, 校對鋼板與骨盆的匹配度, 確定最優(yōu)化的圖像數(shù)據(jù). 根據(jù)患者骨盆CT導(dǎo)出的數(shù)據(jù), 用Unigraphics NX軟件建立三維骨盆模型, 可靈活設(shè)計(jì)鋼板螺釘, 精度達(dá)到0.2mm, 即刻修改鋼板螺釘形態(tài)數(shù)據(jù), 虛擬內(nèi)固定. 數(shù)字技術(shù)設(shè)計(jì)不再需要手工標(biāo)本測量和CT圖像測量, 可提高新型內(nèi)固定裝置的設(shè)計(jì)效率, 為個(gè)性化骨科內(nèi)植物設(shè)計(jì)、精準(zhǔn)固定手術(shù)提供了新路徑.

髖臼骨折; 髖臼四方區(qū); 骨折固定; 鋼板; 內(nèi)固定

髖臼四方區(qū)(Quadrilateral Plate/Quadrilateral Surface/Quadrilateral Area)亦稱四邊體、方形區(qū), 指髖關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)臨近盆腔的四邊形區(qū)域, 髖臼內(nèi)側(cè)與前后柱融為一體, 即前柱和后柱交會之處, 呈四邊形, 是組成真性骨盆小骨盆的重要結(jié)構(gòu)[1], 其上下前后邊界分別是弓狀線、坐骨棘、閉孔后緣、坐骨大切跡. 該區(qū)域被腹壁肌肉、盆腔臟器和臀部肌肉包裹, 位置深, 解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜. 前方毗鄰腹壁下動靜脈、髂外動靜脈、股動靜脈、股神經(jīng)、閉孔動靜脈、閉孔神經(jīng); 后方毗鄰坐骨神經(jīng)、臀上動靜脈、臀上神經(jīng)、臀下動靜脈等重要結(jié)構(gòu); 內(nèi)側(cè)有膀胱、子宮、卵巢、輸尿管、腸管等盆腔臟器. 手術(shù)顯露范圍和可操作空間狹小, 造成復(fù)位和固定困難, 易誤傷神經(jīng)血管和盆腔內(nèi)臟[2-4]. 在發(fā)生高能量損傷時(shí), 股骨頭撞擊四方區(qū)造成粉碎性骨折, 伴有股骨頭中心性脫位, 甚至股骨頭嵌頓, 游離的骨折碎片可能刺傷盆腔臟器或毗鄰的重要血管[5-6]. 常合并髖臼頂負(fù)重區(qū)、前后柱、前后壁和髂骨粉碎性骨折, 其復(fù)位和固定技術(shù)一直是創(chuàng)傷骨科的難題.

以往骨科內(nèi)固定的鋼板設(shè)計(jì)大多是基于尸體干燥標(biāo)本和CT二維平面影像設(shè)計(jì), 過程繁瑣而且耗時(shí)[7]. 國內(nèi)外學(xué)者設(shè)計(jì)了記憶合金鋼板[8]、四方區(qū)組合鋼板[9]、四方區(qū)解剖型鋼板[10]、骨盆內(nèi)壁斜形組合板[9,11-12]、蝴蝶翼狀鋼板[13-15]、萬向鎖定鋼板[16]以及協(xié)和髖臼解剖板[17]. 上述設(shè)計(jì)較重建鋼板固定有明顯進(jìn)步, 但是都無法實(shí)現(xiàn)一塊鋼板同時(shí)固定髖臼內(nèi)側(cè)四方區(qū)、髖臼頂負(fù)重區(qū)、前柱、前壁、后柱以及后壁. 內(nèi)固定裝置亟待創(chuàng)新才能實(shí)現(xiàn)微創(chuàng)手術(shù).

本研究通過數(shù)字技術(shù)設(shè)計(jì)髖臼四方區(qū)解剖型自鎖定鋼板, 旨在為探索高效、簡單、經(jīng)濟(jì)的新型骨科內(nèi)植物設(shè)計(jì)方法提供新思路. 本研究設(shè)計(jì)的鋼板已獲中國和美國發(fā)明專利[18-19].

1 研究對象和方法

1.1 研究對象

納入標(biāo)準(zhǔn): (1)寧波市第六醫(yī)院影像科2020年1月至2020年12月骨盆髖臼CT存儲庫中數(shù)據(jù); (2)CT機(jī)(SOMATOM Definition AS128, Siemens AG, 德國), 掃描條件為120kV、250mA、層距0.6mm、螺距0.55mm, 掃描圖像以DICOM格式保存; (3) CT掃描范圍為L4至股骨小轉(zhuǎn)子; (4)患者年齡為25～50歲; (5)經(jīng)過醫(yī)院醫(yī)學(xué)倫理委員會批準(zhǔn), 已獲患者知情同意使用其骨盆數(shù)據(jù)的簽字; (6)測量人員為同一人; (7)采用的數(shù)字技術(shù)軟件有交互式醫(yī)學(xué)圖像控制系統(tǒng)Mimics 21.0、建筑繪圖軟件CAD 2020以及工業(yè)模具軟件Unigraphics NX 8.0; (8)3D打印機(jī)(3DSL-600S), 由上海數(shù)造機(jī)電科技股份有限公司生產(chǎn).

排除標(biāo)準(zhǔn): (1)合并骨與軟組織腫瘤; (2)骨骼發(fā)育畸形; (3)新鮮骨盆髖臼骨折; (4)陳舊性骨盆髖臼骨折; (5)脊柱側(cè)凸; (6)骨盆外徑<250mm.

1.2 研究方法

在Mimics軟件中, 用mcs格式的骨盆入口位圖像測量兩側(cè)髂嵴髂結(jié)節(jié)外緣連線骨盆外徑, 為減少誤差, 固定同一人進(jìn)行測量, 以降低測量偏倚. 按照納入和排除標(biāo)準(zhǔn), 共篩選出101個(gè)骨盆外徑數(shù)據(jù), 數(shù)據(jù)范圍250.0～297.1mm. 根據(jù)四分位距(Interquartile Range, IQR)原則, 將數(shù)值由小到大排列, 并分成4等份, 選擇中位數(shù)一位男性45歲的骨盆CT作為骨盆模型. 骨盆入口位視圖的測量指標(biāo)有: 骨盆外徑、弓狀線曲度、髖臼前壁中部寬度、恥骨上支最狹窄部位寬度; 右側(cè)骨盆內(nèi)側(cè)四方區(qū)正位視圖的測量指標(biāo)有: 四方區(qū)的上下前后四邊長度(圖1).

圖1 用Mimics軟件進(jìn)行骨盆測量

1.2.1 骨盆三維模型重建

將骨盆CT的數(shù)字醫(yī)學(xué)影像傳輸協(xié)定(Digital Imaging and Communications in Medicine, DICOM)數(shù)據(jù)輸入到Mimics軟件中, 以重建stl格式的骨盆表面三維模型. 再將文件導(dǎo)入U(xiǎn)nigraphics NX軟件,建立stl格式的三維骨盆模型.

1.2.2 鋼板繪圖及其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

在紙上手繪鋼板形態(tài)結(jié)構(gòu), 初步確定鋼板的尺寸數(shù)據(jù). 繪圖師根據(jù)該手繪圖形在CAD軟件中繪出dwg格式的二維圖形, 導(dǎo)入U(xiǎn)nigraphics NX軟件, 建立鋼板螺釘stl格式的三維圖形. 圍繞髖臼關(guān)節(jié)面, 將鋼板結(jié)構(gòu)分為10個(gè)功能區(qū), 依次為: (1)區(qū)髖臼后柱固定區(qū); (2)區(qū)髖臼后壁固定區(qū); (3)區(qū)髖臼前壁固定區(qū); (4)區(qū)髖臼前柱閉孔溝固定區(qū); (5)區(qū)恥骨上支固定區(qū); (6)區(qū)髖臼后柱復(fù)位孔區(qū); (7)區(qū)髖臼前柱復(fù)位孔區(qū); (8)區(qū)坐骨大切和跡髖臼后緣固定區(qū); (9)區(qū)髖臼前柱前緣固定區(qū); (10)區(qū)髖臼下緣區(qū)固定區(qū). 鋼板的10個(gè)功能區(qū)用應(yīng)力橋(Stress-ribbon Bridge)和滑動槽連接[20]. 鋼板的孔狀結(jié)構(gòu)包括定位孔、阻擋孔、固定孔3個(gè)精準(zhǔn)指標(biāo), 每個(gè)孔道均具有特定的傾斜角度和方向(圖2).

結(jié)構(gòu)形態(tài)特點(diǎn): (1)多孔結(jié)構(gòu)類似蜂巢, 形成穩(wěn)定的三維空間結(jié)構(gòu), 匹配髖臼生理解剖結(jié)構(gòu)和骨骼內(nèi)部生物力學(xué)結(jié)構(gòu)骨小梁, 保障固定后良好的穩(wěn)定性, 降低對骨骼表面的遮擋, 有助于損傷部位重建血液循環(huán), 以最有利于骨折愈合的形態(tài)幫助骨骼生長. (2)螺釘在骨骼內(nèi)部的分布位置、角度和方向以及鋼板的應(yīng)力橋和滑動槽等結(jié)構(gòu), 均遵循骨盆髖臼骨骼的生物力學(xué)要求和內(nèi)固定生物力學(xué)原則, 均勻分布在壓力骨小梁和張力骨小梁的行走路線上, 有效傳遞并分散壓應(yīng)力和張應(yīng)力, 便于骨骼內(nèi)部壓應(yīng)力和張應(yīng)力的平緩過渡, 防止應(yīng)力在某一局部過于集中, 引起鋼板螺釘?shù)乃蓜?、移位、滑脫、斷裂等?nèi)置物失敗的災(zāi)難性并發(fā)癥.

(a)～(c)從不同角度觀察10 個(gè)功能固定區(qū)及其螺釘在骨骼內(nèi)部的角度和方向; (d)四方區(qū)骨折粉碎嚴(yán)重的鋼板設(shè)計(jì)圖; (e)～(f)鎖定螺釘孔有特定的傾斜角度和方向, 植入鎖定套管, 保證釘?shù)腊踩?

1.2.3 鋼板螺釘植入

在Unigraphics NX軟件三維空間視圖中, 鋼板裝配到骨盆模型, 髖臼坐骨支區(qū)(髖臼下緣區(qū))厚度2.0mm, 其他部位厚度3.0mm, 校對鋼板與骨骼的匹配度, 不匹配的位置予以修改, 直至鋼板匹配良好. 鋼板在三維空間內(nèi)彎曲和扭轉(zhuǎn), 與骨盆髖臼骨骼表面形態(tài)貼服. 實(shí)心皮質(zhì)骨螺釘Ф5.5mm植入髖臼后柱, Ф3.5mm植入其余固定孔. 螺釘植入要求: (1)從髖臼前方入路固定髖臼內(nèi)側(cè)四方區(qū)、髖臼頂負(fù)重區(qū)、前柱、前壁、后柱、后壁, 實(shí)現(xiàn)從單一前方切口固定髖臼360°范圍的技術(shù)(圖3). (2)所有螺釘?shù)奈恢谩⒎较?、角度都是避開髖臼關(guān)節(jié)面, 且不會相互碰撞引起斷釘, 防止螺釘侵入關(guān)節(jié)內(nèi)引起災(zāi)難性并發(fā)癥, 保證螺釘置入后的安全性(圖3), 鎖定螺釘孔具有特定的傾斜角度和方向. (3)置入骨量豐厚的部位, 骨量豐厚部位的螺釘把持力牢固; 坐骨大切跡至坐骨棘區(qū)域骨量最豐厚, 該部位植入Ф5.5mm螺釘固定髖臼后柱; 恥骨上支螺釘?shù)闹萌敕较蚴茄刂鴲u骨上支最寬徑置入, 螺釘螺紋可以抓持更多的骨質(zhì), 保證固定的穩(wěn)定性; 髖臼關(guān)節(jié)面邊緣區(qū)域的螺釘, 適當(dāng)傾斜避讓關(guān)節(jié), 螺紋能抓持較多骨質(zhì). (4)螺釘入口和出口避讓重要的血管神經(jīng)而傾斜; 坐骨大切跡固定區(qū)避讓臀上動脈、臀上靜脈、臀上神經(jīng); 恥骨上支區(qū)避讓閉孔動脈、閉孔靜脈、閉孔神經(jīng); 修正螺釘?shù)闹踩虢嵌葦?shù)據(jù), 確定最優(yōu)化的鋼板螺釘圖形文件, 完成設(shè)計(jì).

1.3 主要觀察指標(biāo)

本研究默認(rèn)左右側(cè)的骨盆髖臼是鏡像結(jié)構(gòu), 未考慮左右側(cè)的細(xì)微差異. 在骨盆模型上裝配鋼板至設(shè)計(jì)者滿意的位置, 之后植入符合上述布置要求的螺釘. 通過對虛擬內(nèi)固定后的模型進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、平移、剖割、透明視圖、局部提取放大測量等操作, 從任意角度、任意方向和任意平面觀察鋼板螺釘與髖臼的匹配關(guān)系; 觀察鋼板螺釘?shù)男螒B(tài)、位置, 測量螺釘方向、長度, 了解內(nèi)固定安全性及準(zhǔn)確性. 主要觀察指標(biāo): 三維立體透視圖、螺釘縱軸切面圖、螺釘與鋼板的鎖定角度、螺釘距離髖臼軟骨終板的最短距離>5.0mm、任意2枚相鄰螺釘距離>3.0mm、螺釘尖傳出骨皮質(zhì)2個(gè)螺紋、螺釘在骨量相對豐厚的位置、螺釘入口出口均避讓毗鄰10.0mm范圍內(nèi)的重要血管神經(jīng)結(jié)構(gòu).

(a)為1 區(qū)螺釘剖面透視; (b)為2 區(qū)螺釘剖面透視; (c)為4 區(qū)螺釘剖面透視; (d)為8 區(qū)螺釘剖面透視; (e)為1 區(qū)與2 區(qū)后柱螺釘剖面透視.

1.4 3D打印鋼板驗(yàn)證

stl格式的鋼板文件導(dǎo)入快速成形打印機(jī), 利用光敏樹脂材料通過激光照射逐層固化的光固化成型法制作鋼板, 安裝在骨盆模型上, 檢查與骨盆的匹配度. 螺釘孔植入克氏針, 驗(yàn)證螺釘釘?shù)赖奈恢梅较?、角度是否符合觀察指標(biāo)(圖4).

圖4 骨盆上模型安裝3D打印鋼板

從圖4可以看到, 在第8和第9功能固定區(qū)螺釘孔置入克氏針、螺釘, 入口和出口均安全, 未侵入髖臼關(guān)節(jié), 證明螺釘釘?shù)劳耆诠莾?nèi)安全區(qū).

2 結(jié)果

2.1 受試者數(shù)量

檢索出男59例、女42例, 合計(jì)101例正常骨盆CT數(shù)據(jù), 中途無退出, 無脫失值.

2.2 相關(guān)參數(shù)的測量結(jié)果

在Mimics軟件中, 骨盆入口位視圖測量指標(biāo): 骨盆外徑265.51mm、弓狀線曲度98.33°、恥骨上支最狹窄部位寬度10.11mm、髖臼前壁中部寬度28.27mm; 右側(cè)骨盆內(nèi)側(cè)四方區(qū)正位視圖測量指標(biāo)(髖臼內(nèi)側(cè)四方區(qū)的四邊長度): 頂邊長度70.60mm、底邊長度46.10mm、前邊長度63.50mm、后邊長度72.29mm(圖1).

2.3 鋼板螺釘視圖及虛擬內(nèi)固定

在Unigraphics NX軟件視圖中, 輸入鋼板厚度、長度、弧度、扭轉(zhuǎn)角度等數(shù)據(jù)(誤差0.2mm), 靈活修改鋼板外觀形態(tài). 植入的螺釘包括Ф5.5mm髖臼后柱螺釘60～90mm, Ф3.5mm實(shí)心皮質(zhì)骨螺釘18～50mm. 通過旋轉(zhuǎn)、拖動、平移方式調(diào)整置入螺釘?shù)淖罴盐恢? 完成鋼板螺釘對骨折模型的虛擬固定(圖2). 所有鋼板、螺釘均保存為stl格式文件. 三維立體透視圖可以清晰觀察髖關(guān)節(jié)周圍螺釘分布位置、方向, 是否侵入關(guān)節(jié), 距離關(guān)節(jié)軟骨終板的距離等關(guān)鍵數(shù)據(jù).

3 討論

3.1 既往該領(lǐng)域研究的貢獻(xiàn)和存在的問題

Letournel-Judet分類[21]和OTA/AO分類[22-23]以髖臼柱和壁的損傷為標(biāo)志, 未考慮四方區(qū)骨折. 有多位學(xué)者[24-27]建議根據(jù)四方區(qū)骨折線形態(tài), 加入Letournel-Judet髖臼骨折分類中, 但這個(gè)創(chuàng)新性分類尚未被骨科醫(yī)生普遍接受. 四方區(qū)位于盆腔, 部位很深, 顯露困難, 雖然有Stoppa、Ilioinguinal、Iliofemoral以及Hesselbach Triangle等多種顯露方式[28-34], 但術(shù)中無法直視髖臼關(guān)節(jié)面, 在固定過程中, 螺釘易誤入關(guān)節(jié)內(nèi)或損傷附近重要血管神經(jīng)及臟器組織等, 引起災(zāi)難性并發(fā)癥, 術(shù)中反復(fù)透視會增加手術(shù)時(shí)間和患者出血量. 涉及方形區(qū)的髖臼骨折, 多伴有骨折塊向盆腔內(nèi)移位, 如果不能恢復(fù)髖關(guān)節(jié)的頭臼匹配關(guān)系, 將遺留髖關(guān)節(jié)中心性半脫位、創(chuàng)傷性關(guān)節(jié)炎等, 影響臨床療效[35]. 髖臼骨折內(nèi)固定目的是重建髖臼和股骨頭的同心圓匹配結(jié)構(gòu)、加強(qiáng)固定, 實(shí)現(xiàn)術(shù)后早期功能活動, 復(fù)位的精確程度和有效的固定是恢復(fù)功能的重要因素. 現(xiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道的內(nèi)固定方式主要有: 前路沿弓狀線通過前柱鋼板螺釘固定方形區(qū)[36]、前路通過后柱butress支持鋼板固定四方區(qū)[37]、髖臼方形區(qū)阻擋螺釘[38-41]、鈦網(wǎng)結(jié)合重建鋼板[42]、重建鋼板十字交叉固定[43]、弓狀線下緣支持板[44]、恥骨下butress支持鋼板[45-46]以及跟骨鋼板[47]. 雖然內(nèi)固定方式繁多, 但手術(shù)切口大、創(chuàng)傷大問題仍未根本性解決, 骨折粉碎嚴(yán)重的患者需要植入多塊鋼板. 內(nèi)固定松動或斷裂的高危因素包括: 骨折重度粉碎、嚴(yán)重骨質(zhì)疏松、單獨(dú)應(yīng)用拉力螺釘固定、鋼板沒有充分預(yù)彎及早期無保護(hù)下負(fù)重等. 重建鋼板易于塑形折彎, 靈活性好, 是目前最常用方式. 其弊端是術(shù)中需根據(jù)每位患者的髖臼形態(tài)特點(diǎn)手工塑形, 無法保證塑形的鋼板與骨骼服帖, 術(shù)中置釘依靠手術(shù)醫(yī)生的個(gè)人經(jīng)驗(yàn), 螺釘易誤入關(guān)節(jié)內(nèi). 鋼板反復(fù)塑形折彎, 會在鋼板表面留下刻痕, 使鋼板內(nèi)應(yīng)力集中點(diǎn)增多, 疲勞斷裂的危險(xiǎn)增加. 術(shù)中鋼板塑形, 導(dǎo)致手術(shù)時(shí)間延長、切口暴露時(shí)間延長、麻醉用藥量增加、出血增多、發(fā)生心血管意外和傷口感染的風(fēng)險(xiǎn)增大. 根據(jù)每位患者骨骼形態(tài)個(gè)體化差異, 選用設(shè)計(jì)合適的鋼板可以增加骨折內(nèi)固定手術(shù)的成功率、降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)、提高手術(shù)效率. 低暴力導(dǎo)致的老年髖臼四方區(qū)骨折發(fā)病率逐年增加, 老齡病人骨質(zhì)疏松, 合并有復(fù)雜的內(nèi)科疾病, 手術(shù)耐受性低, 手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)大[48], 要求用盡可能少的手術(shù)時(shí)間和更小的手術(shù)創(chuàng)傷, 在狹小的手術(shù)空間內(nèi)快速、安全、有效地復(fù)位并固定骨折, 保障早期安全的功能鍛煉, 減少臥床時(shí)間, 減少內(nèi)植物失效并發(fā)癥, 實(shí)現(xiàn)快速康復(fù)外科, 達(dá)到更好的臨床療效. 3D打印技術(shù)(快速成形技術(shù))可以根據(jù)不同骨骼形態(tài)特點(diǎn), 制造個(gè)體化的內(nèi)固定鋼板, 但是該技術(shù)需要事先在軟件中繪制鋼板的三維圖[49-50].

3.2 本研究的重要意義

根據(jù)患者骨盆CT導(dǎo)出的數(shù)據(jù), 在Unigraphics NX軟件中建立三維骨盆模型, 可以靈活設(shè)計(jì)多種規(guī)格、形態(tài)的鋼板螺釘, 即刻修改鋼板螺釘形態(tài)數(shù)據(jù), 精度達(dá)到0.2mm. 數(shù)字設(shè)計(jì)不再需要手工測量尸體標(biāo)本和CT圖像測量, 明顯提高了新型內(nèi)固定裝置設(shè)計(jì)的效率, 并進(jìn)行虛擬內(nèi)固定操作. 本研究為個(gè)性化骨科內(nèi)植物治療、精準(zhǔn)固定手術(shù)提供了新的應(yīng)用技術(shù)路徑.

3.3 本研究與已有研究的區(qū)別

傳統(tǒng)游標(biāo)卡尺手工測量骨骼需要較多的尸體標(biāo)本數(shù)量, 而且干燥骨骼的測量數(shù)據(jù)并不準(zhǔn)確. CT冠狀面、矢狀面、橫斷面二維測量的準(zhǔn)確性受患者掃描時(shí)體位偏移的影響也不準(zhǔn)確. 有學(xué)者[6,51-52]應(yīng)用Mimcs、Geomagic Studio圖像軟件對骨盆CT數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建, 在重建圖像上測量髖關(guān)節(jié)在四方區(qū)投影的邊界距離閉孔、弓狀線的長度, 分析置釘角度、安全區(qū)等數(shù)據(jù), 這些需要大量的測量和統(tǒng)計(jì)工作. 在Unigraphics NX軟件中, 避免繁瑣的數(shù)據(jù)測量, 在患者骨盆CT數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化的數(shù)字三維模型上快捷設(shè)計(jì)與骨骼相匹配的鋼板. 根據(jù)手術(shù)需要, 任意修改鋼板的形狀、弧度、扭轉(zhuǎn)角度、厚度、寬度、螺釘孔的安全方向和角度等數(shù)據(jù)指標(biāo), 實(shí)現(xiàn)動態(tài)仿真研究, 靈活快捷尋找置釘?shù)陌踩珔^(qū)域、安全角度和方向, 有效固定長度, 確定最佳的鋼板形態(tài)和置釘位置, 避免螺釘侵入關(guān)節(jié)內(nèi)以及螺釘無效固定. 虛擬內(nèi)固定操作流暢, 一旦確定滿意的鋼板形態(tài)和螺釘布置位置, 軟件中直接提取鋼板螺釘數(shù)據(jù), 3D打印鋼板, 為現(xiàn)實(shí)個(gè)性化精準(zhǔn)內(nèi)固定手術(shù)提供了臨床技術(shù)路徑.

本研究設(shè)計(jì)的髖臼四方區(qū)解剖型自鎖定鋼板有別于其他文獻(xiàn), 主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面: (1)具有應(yīng)力橋、滑動槽、定位孔、阻擋孔、固定孔等特殊結(jié)構(gòu); (2)通過前路一個(gè)切口一塊鋼板固定髖臼四方區(qū)、臼頂負(fù)重區(qū)、前后柱、前后壁骨折; (3)鋼板螺釘形態(tài)結(jié)構(gòu)與骨盆髖臼骨小梁的力學(xué)傳導(dǎo)路線匹配; (4)遵循人體工程學(xué)原理, 在有限的切口暴露空間內(nèi)避免醫(yī)源性損害附近的血管神經(jīng)等, 可實(shí)現(xiàn)安全、方便、高效的手術(shù)操作目的.

3.4 本研究的局限性

本研究鋼板一體化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)最大穩(wěn)定性, 一塊鋼板代替三塊重建鋼板的固定范圍, 但植入鋼板仍需要有較大的手術(shù)切口, 改良方法為組合式裝配結(jié)構(gòu). 由于盆腔臟器、血管神經(jīng)、肌肉組織的遮擋, 實(shí)際鋼板螺釘植入困難, 需要設(shè)計(jì)配套的萬向鉆頭保護(hù)套管、萬向螺釘植入套管, 避讓并保護(hù)置釘操作空間內(nèi)的重要軟組織. 本研究采納101例正常成年人的中位數(shù)骨盆CT數(shù)據(jù)作為模型, 代表70%的男性骨盆數(shù)據(jù), 未考慮性別、左右側(cè)、身高、體形胖瘦等因素影響, 因此對于女性骨盆髖臼不一定完全匹配. 目前的CT影像工作站只能測量直線距離, 無法測量骨盆三維重建后的弓狀線曲度, 在Mimics和Unigraphics NX軟件中只能近似測量弓狀線曲度.

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Digital design of general anatomic self-locking plate for medial acetabulum

LI Ming1, ZHANG Yanru2,3, XIAO Jingwei3, ZHANG Qiping4, XU Ding1, WANG Shuaiyi1

( 1.Department of Traumatic Orthopedics, Ningbo No.6 Hospital, Ningbo 315042, China; 2.Institute of Orthopedics, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454001, China; 3.School of Medicine, Ningbo University, Ningbo 315211, China; 4.Ningbo Institute of Materials Technology & Engineering, CAS, Ningbo 315201, China )

This study investigated the design of a new acetabular quadrilateral self-locking anatomical plate using digital technology. The pelvic CT data of normal men and women aged 25-50 years were collected in the Department of Imaging of Ningbo No.6 Hospital from January 2020 to December 2020. According to the Interquartile Range (IQR) principle, median pelvic CT was selected as the model. CT data were imported into Unigraphics NX software to generate 3D pelvic model. The 2D drawings of the plate and screw were first created in CAD and then imported into Unigraphics NX to establish their corresponding 3D models. In a three-dimensional view, plate and screws wereassembled into the pelvic model. In the three-dimensional perspective view, the longitudinal trajectory of the screw, and the locking angle between the screw and plate were observed. The accuracy indexes of “functional fixed region, positioning hole, buttress hole, fixed hole, stress bridge, sliding groove” were optimized. One single plate simultaneously fixed the medial region, weight-bearing dome, anterior and posterior regions of the acetabular joint. Based on this approach, the 3D pelvic model can be established with data derived from the patient’s pelvic CT by Unigraphics NX. The plate and screws can be flexibly designed with the accuracy up to 0.2 mm. The shape data of the device can be immediately modified and the virtual internal fixation can be achieved. This digital design method does not require manual cadaver specimen measurement and CT image measurement, hence it improves the design efficiency of new internal fixation devices, and provides a new application technology path for personalized implant design and precise fixation surgery.

acetabular fractures; quadrilateral area; fracture fixation; plate; internal fixation

R608

A

1001-5132（2022）01-0018-08

2021?10?27.

寧波大學(xué)學(xué)報(bào)（理工版）網(wǎng)址: http://journallg.nbu.edu.cn/

浙江省醫(yī)藥衛(wèi)生科技計(jì)劃項(xiàng)目（2018PY059）; 寧波市鄞州區(qū)科技計(jì)劃項(xiàng)目（2017YZQ102）.

李明（1971－）, 男, 山東濰坊人, 主任醫(yī)師, 主要研究方向: 骨盆髖臼損傷的微創(chuàng)治療、新型骨科手術(shù)器械研發(fā)等. E-mail: angells6@163.com

（責(zé)任編輯 史小麗）