胫骨近端骨折三维重建复位及数字钢板设计

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2015.26.026

中国组织工程研究 ›› 2015, Vol. 19 ›› Issue (26): 4235-4241.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2015.26.026

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胫骨近端骨折三维重建复位及数字钢板设计

陈宣煌¹，吴献伟¹，林海滨¹，吴长福¹，郑锋¹，郭庆清²，张国栋¹

福建医科大学教学医院，莆田学院附属医院(南方医科大学附属莆田医院)，¹骨科，²医学影像科，福建省莆田市 351100

收稿日期:2015-04-12 出版日期:2015-06-25 发布日期:2015-06-25
通讯作者: 张国栋，博士后，福建医科大学教学医院，莆田学院附属医院(南方医科大学附属莆田医院)骨科，福建省莆田市 351100
作者简介:陈宣煌，男，1975年生，福建省仙游县人，2007年福建医科大学毕业，硕士，副主任医师，主要从事数字化骨科学研究。
基金资助:
福建省莆田市科技计划课题(2013S03(6))

Three-dimensional reconstruction reduction and design of digital plates for proximal tibia fracture

Chen Xuan-huang¹, Wu Xian-wei¹, Lin Hai-bin¹, Wu Chang-fu¹, Zheng Feng¹, Guo Qing-qing², Zhang Guo-dong¹

¹Department of Orthopedics, Affiliated Hospital of Putian University (Affiliated Putian Hospital of Southern Medical University), Teaching Hospital, Fujian Medical University, Putian 351100, Fujian Province, China; ²Department of Medical Imaging, Affiliated Hospital of Putian University (Affiliated Putian Hospital of Southern Medical University), Teaching Hospital, Fujian Medical University, Putian 351100, Fujian Province, China)

Received:2015-04-12 Online:2015-06-25 Published:2015-06-25
Contact: Zhang Guo-dong, M.D., Department of Orthopedics, Affiliated Hospital of Putian University (Affiliated Putian Hospital of Southern Medical University), Teaching Hospital, Fujian Medical University, Putian 351100, Fujian Province, China
About author:Chen Xuan-huang, Master, Associate chief physician, Department of Orthopedics, Affiliated Hospital of Putian University (Affiliated Putian Hospital of Southern Medical University), Teaching Hospital, Fujian Medical University, Putian 351100, Fujian Province, China
Supported by:
the Putian City Science and Technology Program of Fujian Province, No. 2013S03(6)

摘要/Abstract

摘要：

背景：CT重建骨折三维模型不能进行虚拟复位、内固定，不能制定合理的修复方案，无法完全满足临床骨科医师的需要。
目的：探讨应用软件在胫骨近端骨折中进行三维重建、复位并设计数字钢板的方法。
方法：按照AO分类标准，将9具膝关节标本制作成胫骨近端A1-3、B1-3、C1-3类型骨折模型，进行高速CT薄层扫描，在Mimics中对9种类型的骨折模型进行重建、复位，以Solidworks进行内固定钢板、螺钉的设计，并在骨折复位三维模型上进行虚拟内固定。
结果与结论：9种类型骨折均进行了三维重建、复位，完成内固定钢板及螺钉设计以及虚拟内固定，并以A3、B3、C3类型演示。提示应用Mimics及Solidworks可在个人电脑上设计出胫骨近端骨折数字钢板，可为现实修复手术提供参考。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

关键词: 植入物, 数字化骨科, 胫骨近端, 骨折, 软件, 数字钢板

Abstract:

BACKGROUND: In three-dimensional CT reconstruction model, fracture virtual reduction and internal fixation cannot be achieved, and reasonable operation scheme cannot be formulated. It cannot fully meet the needs of clinical orthopedics physicians.
OBJECTIVE: To explore the methods to perform three-dimensional reconstruction, reduction on proximal tibial fracture and to design digital plate using software.
METHODS: Nine specimens of knee joint were built to be A1-3, B1-3 and C1-3 types of proximal tibial fracture according to the AO standard. All specimens were treated with CT scan. Three-dimensional reconstruction and reduction on nine types of bone fracture models were performed in Mimics. The digital plates and screws were designed in Solidworks. Virtual internal fixation on the reduced three-dimensional models was performed.
RESULTS AND CONCLUSION: All bone fracture models received three-dimensional reconstruction and reduction, and the design for internal fixational plates and screws as well as virtual internal fixation were accomplished. A3, B3 and C3 types were presented. These results suggest that the digital plates for proximal tibial fracture could be designed in Mimics and Solidworks with a personal computer. Our experience could be used in the real operation.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

Key words: Tibial Fractures, Imaging, Three-Dimensional, Internal Fixators, Fracture Fixation

中图分类号:

R318

陈宣煌，吴献伟，林海滨，吴长福，郑锋，郭庆清，张国栋. 胫骨近端骨折三维重建复位及数字钢板设计[J]. 中国组织工程研究, 2015, 19(26): 4235-4241.

Chen Xuan-huang, Wu Xian-wei, Lin Hai-bin, Wu Chang-fu, Zheng Feng, Guo Qing-qing,Zhang Guo-dong. Three-dimensional reconstruction reduction and design of digital plates for proximal tibia fracture[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2015, 19(26): 4235-4241.

图/表（结果） 12

本试验在软件上可进行动态演示，为叙述方便，本文按C3、A3、B3的顺序以截图的形式展示。
2.1 标本C3

2.1.1 骨折三维模型图2为标本C3三维模型多视角截图，在Mimics中可以任意角度旋转、观察，可以进行长度、角度、面积等多种项目测量。

2.1.2 骨折复位三维模型各骨折块可指派不同的颜色以方便辨认。如图3。运行Boolean运算，将各骨折块合并成为1个三维模型，在该模型上可进行3D长度、角度测量，如图4。

2.1.3 手术钢板、螺钉Solidworks零件文件在Solidworks中，可以按照手术的需要设计不同规格的钢板以及置入螺钉，如图5。所有钢板、螺钉均需另存为Stl格式文件。

2.1.4 虚拟内固定过程将钢板以及螺钉的Stl文件输入Mimics，运行Reposition命令，将钢板和螺钉通过旋转、移动方式完成对骨折模型进行虚拟固定。以下以透视图说明虚拟内固定过程，如图6。

2.1.5 钢板折弯以及螺钉选择本例选用4×84 T形钢板1块，4×64动力加压钢板1块，折弯位置、折弯角度及半径如图7所示；松质骨螺钉(Ф6.5 mm)70 mm、60 mm、55 mm各1根；皮质骨螺钉(Ф4.5 mm)45，40，30 mm各1根，35 mm 1根，见图7。

2.2 标本A3 A3类型的骨折、复位、螺钉固定如图8-10。本例选用5×80、4×64动力加压钢板各1块，折弯位置、折弯角度及半径如图10所示；松质骨螺钉(Ф6.5 mm) 55 mm各共2根；皮质骨螺钉(Ф4.5 mm)35 mm 1根， 30 mm共3根，25 mm 1根。

2.3 标本B3 B3类型的骨折、复位、螺钉固定如图11-13。本例选用4×84 L形钢板1块，折弯位置、折弯角度及半径如图13所示；松质骨螺钉(Ф6.5 mm)70 mm共2根；皮质骨螺钉(Ф4.5 mm)45，35，30 mm各1根。

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引言

材料方法

设计：三维有限元分析。
时间及地点：于2013年11月在福建省莆田学院骨科研究所实验室完成。
材料：
实验标本：新鲜成人尸体膝关节标本9具，由解放军南京军区临床解剖学研究中心提供。
软件环境：Windows XP Professional SP2 64bit，Mimics 10.1，Solidworks 2007。
硬件环境：CPU-Intel 酷睿2 E8200，内存- DDR2 800共4 G，图形加速卡-Nvidia 8800GT，硬盘-Seagate SATA 250 G。
CT扫描：莆田学院附属医院64排128层容积CT(VCT)。
方法：
标本制作：将9具膝关节标本肌肉、血管、神经等软组织切除，保留膝关节周围韧带。以骨凿、电钻等器械将9具标本分别制成胫骨近端骨折A1-3型、B1-3型、C1-3型。本文限于篇幅仅演示胫骨近端骨折A3(关节外骨折，干骺端粉碎，复杂骨折)、B3(部分关节内骨折，劈裂-压缩，斜行，累及一侧关节面)、C3(完全关节内骨折，粉碎，外侧加内侧)类型。
CT扫描：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Dicom格式图像分别为A3组337、B3组354、C3组287张，所有图像象素均为1 024× 1 024，以刻录DVD光盘的形式输出。
三维重建及复位：
骨折三维模型重建：输入并组织图像(Import imgaes, Organize images)。输入图像后通过Organize images可删除与骨折关系不大的层面以减少工作量，但本试验保留全部层面；设定阈值(Thresholding)：按照Mimics设定的Bone(CT) Scale，即226-3 071 H进行设定；重建三维模型(Calculate 3D)即可得到骨折的初步三维模型，在重建过程中，可随时对图像进行三维重建以了解进程并定位。所有过程中产生的Mask以及3D模型均须及时命名以免发生错漏，临时产生的Mask以及3D模型可不必保留。
三维编辑(Three dimensional editing)^[2]：利用Mimics的Edit Masks、Boolean Operations、Region Growing、Edit Mask in 3D等菜单操作功能进行。首先对完全游离的骨片以Region Growing命令进行分解成为独立的Mask；运行Edit Masks命令，对未完全游离的骨折块进行切割、离断；运行Boolean Operation命令将骨折块游离，从而得到所有骨折片、骨折块的Masks。运行Calculate 3D即可得相应的三维模型，不同骨折片可指定任意颜色。对于骨折线不明确或多块骨折片堆积重叠的情况需根据经验进行人工判断，要求操作者有一定的CT图像阅读能力。
骨折模型复位[2]：运行Mimics的Reposition命令，对各个骨折片、骨折块进行复位。此操作要点为选择最大的骨块作为基准，先对容易对位的、较大的骨折块进行复位，逐一耐心、细致地进行，避免顾此失彼，重复劳动，保证骨折块对应的面、边缘较为满意地吻合。
钢板、螺钉的三维构建：
参照实物构建接骨钢板、L形钢板、T形钢板、构建松质骨、皮质骨螺钉。如需不同规格，仅需修改草图，颇为方便。
合并骨折复位后三维模型：运行Boolean运算，将分离出来的所有骨块合并成为一个三维模型。Mimics的3D测量只能针对某一个三维模型进行，测量跨越不同三维模型，即跨越不同的骨折块，其测量的位置不能固定，导致三维模型旋转、移动后测量数据改变。合并后的模型与分开的各个模型之间空间位置一致。
多平面三维测量预设钢板位置^[3]：利用Mimics中Tools，在合并后的三维模型中，在预计进行钢板固定的位置进行角度和长度的测量，以方便进行钢板的折弯和进钉位置的选择，可暂时将测量数据留在骨面上，以作为定位和折弯钢板的参考。
钢板折弯、扭曲：在Solidworks中，对钢板进行折弯和扭曲，此步操作的关键是定好折弯、扭曲的位置以及折弯半径。将钢板模板以Stl文件输入Mimics中，运行Reposition命令，将模板移动至骨面，观察模板与骨面的位置关系，定好折弯、扭曲的位置，在Solidworks中对模板进行折弯、扭曲。
钢板、螺钉的虚拟内固定：将在Solidworks中加工好的钢板以Stl文件输入至Mimics中，运行Reposition命令，将钢板固定到预定的位置；以Tools中测量工具可确定钢板进钉孔眼到对侧骨面的距离以及进钉轴线，输入合适长度、口径的螺钉进行固定。至此完成虚拟内固定，如有必要，可运行Boolean Operations，将骨折片与螺钉相交的空间移除，如图1所示。
主要观察指标：通过对虚拟内固定后的模型进行旋转、平移、剖割、透明视图、局部提取等操作，从任意角度、任意方向和任意平面观察各钢板、螺钉、骨折块的相邻关系、形态；在模型上观察钢板、螺钉位置及测量螺钉方向、长度、直径，了解内固定安全性、可靠性及准确性。

讨论

3.1 胫骨近端骨折手术治疗的难点 胫骨近端骨折的患者越来越多，治疗上要求尽量解剖复位，恢复正常的力线[4]。但胫骨近端解剖邻近结构复杂，骨折手术操作失准常导致附近神经、血管等重要结构的严重损伤。内固定物选择不当、术中过多的剥离软组织和固定技术的不成熟等，也可能导致不良的并发症^[5-6]。内固定失败将导致再次手术，甚至不得不进行膝关节融合或膝关节置换，这不仅给患者带来了很大的身心痛苦，也加重他们的经济负担，更造成社会劳动力的丧失^[7]。对于严重的胫骨近端骨折，选择双钢板内固定治疗可较大程度上防止了骨折再次移位和膝关节力线的改变，从而获得良好的临床疗效[8-9]。但该手术较大，术中内固定较繁琐，术后易出现术野皮肤坏死等并发症^[10]。对如何在减少软组织损伤的情况下使关节面骨折块获得稳固的解剖复位，而且达到良好临床预后，胫骨近端骨折的治疗在钢板螺钉内固定物的准确选择、操作精准性要求、手术的微创和个体化等方面有较高的要求。良好的术前规划可以缩短修复时间，减少创伤，是手术成功的关键^[11]。

3.2 有关“数字骨科学”的探讨现代影像技术的发展和个人计算机性能的提升，为虚拟手术提供了契机，“数字骨科学”由此应运而生。随着CT影像技术的发展，可获得患者相关部位的三维断层图像，借助有关医学软件可以进行三维重建、术前方案规划设计、虚拟手术，以此为基础的数字技术为现代骨科手术提供了新途径^[12-13]。

2007年Cimerman等^[14]利用SQ Pelvis软件进行了骨盆骨折三维重建、复位、内固定，取得较好效果。国内学者裴国献对“数字骨科学”进行了有益的探讨^[15]，利用3D Studio Max软件重建髋臼骨折复位、内固定。但迄今为止，对于“数字骨科学”产生的意义仍较模糊。作者认为“数字骨科学”应该包括形态和功能两个方面，形态方面即为骨折三维重建、复位、利用软件设计出数字钢板模型、虚拟内固定等过程；功能方面即为力学性能，利用软件的输出功能可以将包括骨折块、钢板、螺钉在内的所有模型，

输出到有限元分析软件如Ansys进行力学分析，从功能的角度评价内固定的优劣。这两个方面的工作都将极大促进现实条件中骨折内固定手术的规范化，提高对内固定失败风险的防范能力。对复杂类型骨折进行准确的复位，恰当、坚固的内固定，缩短手术时间以减少软组织的损伤对骨折愈合有利，这在一定程度上取决于手术医师对伤情的准确判断以及对手术方案的细致规划^[16]。

传统内固定多在C臂透视下置入，因其具有直观及连续活动图像的优势，仍广为骨科医师所采用，甚至Waschke等^[17]通过分析2 002个椎弓根螺钉置入得到优良率为93.9%的结论。尽管有着较高的优良率，但C臂透视以高出三维导航9.96倍辐射量使骨科医师产生畏惧。目前数字化设计手术在准确、可靠置入内固定物及减少术中透视辐射

方面有许多研究。三维C臂是二维C臂的改进，具有更高的置钉优良率[18]。基于CT扫描数据的导航技术也获得了巨大发展。术中CT结合导航系统的基本原理是将术中扫描的 CT图像数据即时发送到导航系统，通过跟踪装置获得 CT扫描架相对于患者坐标的位置，进行全自动化的配准(Registration)，实现实时导航。以术中CT进行内固定物置入具有很高的优良率和极低的返修率^[19-22]。基于锥形束 CT(Cone-beam CT，CBCT)的影像导航技术(O-ARM)与C臂透视下(C-ARM)比较，具有辐射量少、术时短及精度高等优点^[23]，而且骨皮质穿破率低^[24]，具有极高的置入成功率^[25]。但O-ARM在降低对医师辐射量的同时，增加了患者的辐射量^[23]。医用机器人以及3D立体定向导航同样具有极高的内固定置入优良率^[26-27]。基于数字化设计的术前手术方案进行颈椎、胸椎及腰椎椎弓根螺钉置入导航的报道充分体现了术前优化设计的优势^[28-30]，获得了较高的置入优良率。

作者认为，按照本文方法在术前即可完成部分手术方案的设计，如选择适当规格的钢板并进行准确折弯、扭曲以适应骨折端外形，选择合适的螺钉并设计好进钉位置、角度等，避免术中无的放矢、重复操作。这样可避免剥离过多软组织，避免术中反复操作造成的损伤，减少操作时间，降低手术风险，术中无需反复透视，减少射线伤害，提高了手术的准确性和微创性^[31]。

3.3 软件环境及应用优势 Mimics全称Materiaise's interactive medical image control system(交互式的医学影像控制系统，比利时)。和既往利用小型服务器、图形工作站才能进行重建不同，Mimics运行在windows环境下，其丰富的接口使之可以和众多机械制图软件互通，Mimics为医学三维重建与CAD、有限元分析之间进行沟通的桥梁。

CT扫描所获得的骨折数据可以通过快速成型系统完成骨折实体模型的制造过程。利用专用铸型器械，采用硬质石膏、硅橡胶等材料进行翻模，制作熔模并进行熔模铸造，制作出与骨折形状基本一致的实体模型。快速成型虽具有直观的特点，但其过程比较复杂，由于材料特性与真实的骨骼不一致，不能利用铸造之模型进行力学的分析，从而限制了快速成型在骨折复位、固定模拟中的应用。

而Mimics软件把薄层扫描的原始CT文件导入软件，在计算机屏幕上可以重建手术部位的三维模型，可以多方位观察，直接、立体、深入观察手术部位结构特点，对手术区的结构进行数字化分析，提供了直观、的非常有价值的信息。这样不仅可以提高内固定装置放置的精确度，而且可提高手术的安全性，保证准确、安全置钉^[32]。Mimics不但能完成骨骼三维重建，也能对血管在造影后进行三维重建，对于复杂骨折的病例，可以同时进行骨骼、血管造影三维重建，也可以对部分软组织，如椎间盘、脊髓、膝关节半月板等进行重建。这对于准确理解伤情、制定精确的手术方案、减少手术风险、顺利完成手术具有意义[33]。在Mimics数字模型上，可以模拟复杂骨折块的复位，多方位旋转观察，直接、立体、深入了解手术部位结构特点，根据实际情况获得手术关键技术参数，术前反复调整手术计划。精确设计钉道，准确确定钢板位置及螺钉方向轴、直径及长度，进行虚拟手术训练^[34-35]。Solidworks为目前市场占有率最高的机械设计软件，其曲面设计工具对设计手术钢板非常有利。主流个人电脑完全可以胜任Mimics、Solidworks全程工作。

作者前期试验及本文应用这两种软件^[36-40]，完成术前手术方案细致的规划，准确判断伤情，设计、放置、选择适当位置、规格的钢板和合适的螺钉并设计好进钉长度、直径、位置、角度等，术中明显简化了手术过程。

3.4 软件应用的一些技巧 ①将重建之骨骼三维模型以Iges、点云格式输出到CAD软件，可以发现，模型由多层曲线构成，每一曲线都是由大量规则的或者不规则的自由曲线构成。由于存在大量不规则的曲线导致不管进行何种操作，其运算量都以几何级增加，使得模型难以形成可以编辑的实体或者严重变形，也就是说，难以对骨骼进行切割、钻孔、内固定等操作。本文反之，将螺钉、内固定器械以Stl文件引进Mimics，上述困难迎刃而解。②重建后如发现模型上有较多空洞，可在Mask进行修补，临床工作中因病例骨骼质量好，无此必要。③每产生的模型均需要命名，否则遗忘，临时产生的模型可不必保留，如Boolean运算过程中产生的临时模型。④首先可对游离的骨块以Region Growing命令进行提取；连在一起的模型可以在3D上进行切割，从而分离出骨块；重建骨折复位后模型应通过Boolean运算合成一个独立的模型以方便测量工作。⑤建立钢板、螺钉各种规格的标准件库，使用的时候直接调用。

本试验方法可以为其他复杂类型的骨折参考，随着有关手术设计、培训的数字化软件不断开发，配合有限元力学分析软件，会有更多、更合理的内固定方法、器械出现。中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

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胫骨近端骨折三维重建复位及数字钢板设计

Three-dimensional reconstruction reduction and design of digital plates for proximal tibia fracture

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