髋臼杯植入物【基于三维重建髋臼骨折数字化植入物设计】

　　【摘要】目的探讨数字化设计髋臼骨折内固定方法的可行性。方法将18具成人尸体骨盆标本按照AO骨折分类制作髋臼骨折模型，行CT扫描、Mimics三维重建，Solidworks测量、绘制钢板、螺钉，行虚拟复位、内固定术，最后通过在骨盆标本上模拟手术证实该方法的可行性。结果全部标本均得到良好的髋臼骨折三维重建立体模型，可以方便地测量有关的数据；可以进行虚拟手术，在骨盆标本上内固定手术验证，效果满意。结论基于三维重建髋臼骨折数字化植入物设计方法，能为实际的手术操作提供良好的指导作用。
　　【关键词】数字化; 三维重建; 髋臼骨折;手术
　　基金项目：福建省莆田市科技项目计划(项目编号2010S10(3))
　　作者单位：351100莆田学院附属医院骨科进行髋臼骨折内固定时，因髋臼窝位于髂骨深面，从骨表面难以精确判断髋臼位置，经常遇到钢板不易贴合、固定螺钉易进入关节腔等困难［1］。本实验充分将医学三维重建软件与机械制图软件配合运用，完成骨折三维模型重建、虚拟骨折复位、植入物绘制、虚拟内固定及评判内固定效果等一系列步骤，对设计方案进行反复的模拟、改动并多角度验证，完成髋臼骨折数字化内固定植入物设计，制定个性化/最优化的内固定手术方案，期待为临床应用提供理论依据。
　　1材料与方法
　　11材料成人尸体骨盆标本18具、不同规格的植入物(皮质骨螺钉，松质骨螺钉，骨盆重建钢板)及游标卡尺；软件环境：Mimics 1001；Solidworks 2008；硬件设备：联想Thinkpad W700；扫描CT：64排128层高速螺旋CT。
　　12方法
　　121骨折造模按照AO分类标准，随机分为3组，每组各6具，分别用于AO分类标准骨盆骨折A型、B型及C型造模。
　　122CT扫描及数据导入扫描条件设置为120 kv，250 mA，层距0625 mm，扫描时间15 s，采集像素均为512×512之Dicom格式图像。使用Mimics的图像导入(Import Images)功能将患者的CT资料导入软件并组织图像(Organize images)。
　　123三维重建及测量设定阈值并针对Mask文件进行编辑，以Optimal、Shell Reduction 1为参数进行三维重建。轻度的表面光滑处理(Remesh)，使骨骼外形更能适应3 d测量。
　　以Reposition命令对各骨折块进行复位，某一骨折块或最大的骨块作为基准，通过平移或旋转功能，先对较大的骨折块进行复位，后进行小的骨折块复位，同样保证骨折块对应的点、线、面匹配。
　　在预定植入钢板的位置分成若干平面，按照不同平面特点进行3 d长度标记，根据这些标记进行长度及角度的测量，需要注意的是，不同的测量项目都位于不同的平面上。
　　124Solidworks机械制图以游标卡尺测量实体重建钢板、螺钉的几何尺寸数据。在Solidworks中进行绘制，不同规格的零件可以通过修改草图尺寸获得。可对重建钢板进行折弯。
　　125虚拟内固定在Mimics中加载Solidworks导出的STL格式的钢板、螺钉，通过Reposition命令将钢板移动、转动至预定植入部位，测定钉孔至对侧骨面的3 d长度，确定所需螺钉的规格及长度。观察钢板与骨面、骨折情况的贴合程度及螺钉方向、长度，可以多角度移动、观察，直至满意。
　　具体过程见图1。
　　A AO髋臼骨折分类A1型：后壁有骨折块游离;B 三维重建、骨折虚拟复位;C Solidworks绘制钢板零件文件;D虚拟内固定示钢板与骨面贴合
　　图1髋臼骨折建模、三维重建、虚拟复位内固定过程
　　126实体植入物内固定将制作髋臼骨折模型成功的18个尸体骨盆标本一一复位，按数字化3 d测量的数据对实体钢板进行折弯，将折弯后的钢板植入预定位置，并紧固螺钉，观察钢板敷贴效果、螺钉位置，并与虚拟内固定进行比较。
　　2结果
　　全部尸体骨盆标本均得到良好的髋臼骨折三维重建立体模型，能较好地显示骨盆结构的细节，方便地测量有关的数据；可以进行虚拟复位、内固定术，能沿任意轴旋转，便于全面细致的观察。在骨盆标本上内固定手术验证，均达到满意的预期效果，钢板与骨面贴合，螺钉长度、方向准确。
　　3讨论
　　髋臼骨折是创伤骨科领域的一个难题，不仅在于其严重的近、远期并发症，而且治疗上存在重建与活动双重功能的高要求，加上髋臼位置深，显露困难，形态极其不规则，毗邻重要血管神经等因素，所以骨折内固定要求极高。
　　术前仅依靠想象构建的手术规划存在一些难以克服的困难，首先是CT室医师三维重建出来的模型尚未完成复位，对于骨折线的判断以及重建钢板的植入位置、螺钉的选择，也仅只能通过经验进行判断，而无法进行三维空间的判断，由此制定出来的手术方案质量的高低，往往依赖于医生个体的外科临床经验与技能。往往只能粗略选择内固定钢板及螺钉，具体的尺寸和外形只能根据术中情况临时决定，一定程度上延长了手术时间及扩大手术范围；术中为使钢板适应骨折情况而反复折弯，致其力学强度下降而致隐患［2］。所以，每个髋臼骨折患者的复位、内固定方案都有差异，针对特定患者的个体化、数字化术前规划，更有利于手术质量、有利于患者康复［3］。
　　对形态结构复杂的髋臼骨折，三维重建、测量和虚拟手术有着不可取代的优势［4］。随着数字化虚拟技术的飞速发展，影像设备扫描精度的提高以及三维图像软件计算的改进，使三维重建模型在复杂人体结构中的应用研究成为现实。可以借助计算机、有关软件进行手术方案的三维设计，合理、定量地制定出手术计划,这对于选择最佳手术路径、减小手术损伤、提高定位精度、减少对邻近组织损伤、提高手术成功率等具有十分重要的意义，而且信息可供整个手术组成员共享，共享手术计划。虽然，虚拟手术环境与真实手术环境有一定差别，如在真实手术环境中，骨块有软组织附着，影响复位，且手术操作空间有限，螺钉的放置也不能轻易地放置在任何方向上，但有关手术设计、培训的数字化软件不断开发［5］［6］，相信数字化手术设计方法会随着数字化技术的发展而不断前进。
　　参考文献
　　［1］吴刚,王光林钢板螺钉置入内固定治疗髋臼骨折的进展及争议中国组织工程研究与康复,2008,12(39):77297733.
　　［2］Barei D P， O′Mara T J， Taitsman L A， et al Frequency and fracture morphology of the posteromedial fragment in bicondylar tibial plateau fracture patterns J rthop Trauma，2008，22(3):176182.
　　［3］Marvin Tile, David L, Helfet James FKellam骨盆和髋臼骨折主译：邱贵兴, 2006:389431.
　　［4］Fatterpekar GM, Doshi AH, Dugar M, et al Role of 3 d CT in the evaluation of the temporal bone Radiographics, 2006,26: S11732.
　　［5］Aurouer N, Obeid I, Gille O, et al Computerized preoperative planning for correction of sagittal deformity of the spineSurg Radiol Anat, 2009, 31:781792.
　　［6］Klein S, Whyne CM, Rush R, et al CTbased patientspecific simulation software for pedicle screw insertion J Spinal Disord Tech, 2009,22:502506.