【摘要】：研究背景：脛骨平臺骨折是一種常見的高能量復(fù)雜關(guān)節(jié)內(nèi)骨折,內(nèi)固定手術(shù)難度較大且術(shù)后常伴有疼痛、關(guān)節(jié)不穩(wěn)及創(chuàng)傷性關(guān)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(xué)性能,還必須實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)面的解剖復(fù)位以避免術(shù)后患者關(guān)節(jié)疼痛。復(fù)雜類型的骨折在內(nèi)固定植入時需要實(shí)現(xiàn)上述兩點(diǎn)要求,那么不僅需要考慮到手術(shù)入路、術(shù)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“個性化手術(shù)”的呼聲越來越高。骨折手術(shù)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(xué)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(dǎo)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(shù)中常常面臨沒有合適的鋼板可供選擇的窘境,勉強(qiáng)植入效果不理想,導(dǎo)致復(fù)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(shù)前手術(shù)方案設(shè)計(jì)顯得尤為重要,但傳統(tǒng)手術(shù)方式術(shù)前設(shè)計(jì)主要關(guān)注手術(shù)入路、術(shù)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(shù),醫(yī)生在術(shù)前主要依靠個人經(jīng)驗(yàn)制定手術(shù)計(jì)劃,而且,在我國絕大多數(shù)的基層醫(yī)院還是停留在術(shù)前靠人腦空想設(shè)計(jì)手術(shù)方案的狀況,或者只能通過X線、CT、MRI等二維圖像進(jìn)行術(shù)前的手術(shù)方案構(gòu)思,常缺乏骨性病理解剖結(jié)構(gòu)與周圍血管、神經(jīng)等軟組織的關(guān)系的描述反映,很難精確的、標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)手術(shù)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(shù)方案,也很難預(yù)測手術(shù)當(dāng)中所遇到的問題。手術(shù)醫(yī)生往往憑借自己的經(jīng)驗(yàn)在大腦中勾勒術(shù)中的三維場景,其構(gòu)思和手術(shù)經(jīng)驗(yàn)很難為手術(shù)組每一位成員所共享,手術(shù)操作更難以達(dá)成默契,而且手術(shù)效果往往依賴于醫(yī)生個體的外科臨床經(jīng)驗(yàn)與技能,經(jīng)驗(yàn)與手術(shù)熟練程度決定了手術(shù)的成敗。近20多年來,“數(shù)字骨科”技術(shù)發(fā)展迅速。利用計(jì)算機(jī)輔助技術(shù),骨科手術(shù)模式由傳統(tǒng)的“開放-觀察-手術(shù)”向“觀察-開放-手術(shù)”轉(zhuǎn)變,即利用計(jì)算機(jī)重建患者個體化的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的數(shù)字化三維立體圖像,在手術(shù)規(guī)劃軟件上觀察、測量三維模型,對手術(shù)部位深入觀察,精確設(shè)計(jì)手術(shù)路徑和范圍,使手術(shù)更加精確、微創(chuàng),提升手術(shù)質(zhì)量和可靠性,正是由于上述優(yōu)點(diǎn),數(shù)字醫(yī)學(xué)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于創(chuàng)傷、脊柱骨科及關(guān)節(jié)外科等領(lǐng)域。數(shù)字化技術(shù)可以精確設(shè)計(jì)手術(shù)方案,使手術(shù)更加精確,提升手術(shù)質(zhì)量和可靠性。但是虛擬的手術(shù)方案設(shè)計(jì)如何指導(dǎo)現(xiàn)實(shí)手術(shù)實(shí)施,如何縮小虛擬與現(xiàn)實(shí)之間的差距是數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用的重要問題。3D打印技術(shù)的發(fā)展,可以將任何形狀的虛擬模型打印成實(shí)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(xué)強(qiáng)度的增加,都為解決上述難題提供了難得的契機(jī)。經(jīng)過完善的計(jì)算機(jī)輔助術(shù)前評估、規(guī)劃和手術(shù)方案設(shè)計(jì),應(yīng)用3D打印技術(shù)將手術(shù)方案精確地付諸于實(shí)施,為虛擬設(shè)計(jì)向現(xiàn)實(shí)手術(shù)實(shí)施架設(shè)一座橋梁。目的：1.基于國內(nèi)臨床常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(jìn)行脛骨平臺骨折內(nèi)固定手術(shù)方案的數(shù)字化優(yōu)化設(shè)計(jì)研究；3.基于優(yōu)化設(shè)計(jì)的手術(shù)方案的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)導(dǎo)航模板,并結(jié)合3D打印技術(shù)指導(dǎo)現(xiàn)實(shí)內(nèi)固定手術(shù)的實(shí)施,實(shí)現(xiàn)脛骨平臺骨折精確化手術(shù)。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,史塞克,大博,威高,華森)為實(shí)驗(yàn)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(jìn)行內(nèi)固定器械的初步三維建模,然后把三維模型導(dǎo)入Geomagic軟件進(jìn)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。2.基于3D打印的脛骨平臺骨折內(nèi)固定手術(shù)方案的數(shù)字化優(yōu)化設(shè)計(jì)：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(jìn)行虛擬骨折復(fù)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(jìn)行虛擬內(nèi)固定植入手術(shù)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì),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(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)導(dǎo)航模板,并且運(yùn)用3D打印技術(shù),把骨折模型、鋼板模型以及導(dǎo)航模板模型打印成等比例實(shí)體模型,在導(dǎo)航模板的引導(dǎo)下指導(dǎo)實(shí)體模型的內(nèi)固定植入手術(shù),并且比較虛擬手術(shù)與實(shí)體模型手術(shù)的效果是否一致,評價(jià)數(shù)字化技術(shù)結(jié)合3D打印技術(shù)在精確化手術(shù)中應(yīng)用價(jià)值。3.脛骨平臺骨折數(shù)字化優(yōu)化設(shè)計(jì)手術(shù)的尸體實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：采用正常人膝關(guān)節(jié)尸體標(biāo)本6例,模擬脛骨平臺骨折雙柱及三柱骨折類型進(jìn)行骨折造模,然后骨折造模標(biāo)本CT掃描進(jìn)行三維重建、虛擬骨折復(fù)位、內(nèi)固定手術(shù)數(shù)字化優(yōu)化設(shè)計(jì)以及導(dǎo)板的設(shè)計(jì)和3D打印成型,按照數(shù)字化手術(shù)方案在導(dǎo)航模板的引導(dǎo)下實(shí)施尸體標(biāo)本的內(nèi)固定手術(shù)。術(shù)后再次進(jìn)行CT掃描以及三維重建,測量及比較分析術(shù)前及術(shù)后螺釘長度、進(jìn)釘點(diǎn)坐標(biāo)、釘?shù)婪较虻囊恢滦?評價(jià)內(nèi)固定植入物三維模型庫與導(dǎo)航模板輔助下的精確化手術(shù)的可行性及準(zhǔn)確性。4.脛骨平臺骨折數(shù)字化優(yōu)化設(shè)計(jì)手術(shù)的臨床應(yīng)用：采集臨床脛骨平臺骨折病例,按照尸體標(biāo)本實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)方法實(shí)施脛骨平臺骨折精確化及優(yōu)化手術(shù),實(shí)現(xiàn)虛擬的數(shù)字化優(yōu)化方案向現(xiàn)實(shí)手術(shù)的轉(zhuǎn)化,指導(dǎo)臨床手術(shù)。結(jié)果：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(biāo)準(zhǔn)件模式,是內(nèi)固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?shí)性,同時又可直接被調(diào)用實(shí)施虛擬手術(shù),對內(nèi)固定虛擬手術(shù)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(jìn)行虛擬骨折復(fù)位,內(nèi)固定植入等虛擬手術(shù),對臨床手術(shù)術(shù)前規(guī)劃及個性化、精確化手術(shù)方案的制定具有重大意義。2.基于3D打印模型的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示3D模型模擬手術(shù)的手術(shù)效果與內(nèi)固定數(shù)字化設(shè)計(jì)方案的手術(shù)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(guān)系數(shù)r=0.994。3.尸體標(biāo)本的內(nèi)固定手術(shù)效果與數(shù)字化優(yōu)化手術(shù)方案的手術(shù)效果高度一致。二者螺釘長度偏差為0.95±2.89mm, P0.05;鎖定螺釘進(jìn)釘點(diǎn)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,, P0.05;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°,P0.05。數(shù)字化的理想釘?shù)篮同F(xiàn)實(shí)手術(shù)的實(shí)際釘?shù)涝诼葆旈L度、進(jìn)釘點(diǎn)位置和釘?shù)劳队敖堑谋容^上無明顯差異。4.臨床脛骨平臺骨折病例內(nèi)固定手術(shù)效果與數(shù)字化優(yōu)化手術(shù)方案的手術(shù)效果高度一致。二者螺釘長度偏差為1.57±5.77mm, P0.05;鎖定螺釘進(jìn)釘點(diǎn)在XY和Z軸上的偏差分別為1.59±5.46mm,0.74±4.98mm,和1.76±6.50mm,P0.05;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°,P0.05。數(shù)字化的理想釘?shù)篮同F(xiàn)實(shí)手術(shù)的真實(shí)釘?shù)涝诼葆旈L度、進(jìn)釘點(diǎn)位置和釘?shù)劳队敖堑谋容^上無明顯差異。結(jié)論：脛骨平臺骨折精確化及優(yōu)化的內(nèi)固定手術(shù)主要體現(xiàn)在術(shù)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)�。�?nèi)固定植入物三維模型庫是實(shí)現(xiàn)虛擬內(nèi)固定手術(shù)的前提,對臨床手術(shù)術(shù)前規(guī)劃及個性化、精確化手術(shù)方案的制定具有重大意義。數(shù)字化技術(shù)結(jié)合內(nèi)固定植入物三維模型庫能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)化以及個性化的術(shù)前手術(shù)方案的制定,通過確定鎖定釘進(jìn)釘點(diǎn)與方向的方法來確定鎖定鋼板的植入位置,并且輔以3D打印導(dǎo)航模板的來精確引導(dǎo)鎖定釘?shù)闹踩?能夠完成精確化的脛骨平臺骨折內(nèi)固定植入手術(shù)。在內(nèi)固定植入物三維模型庫及手術(shù)方案術(shù)前數(shù)字化設(shè)計(jì)的輔助下,實(shí)現(xiàn)了精確及優(yōu)化的尸體標(biāo)本內(nèi)固定手術(shù),獲得了與優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)字化方案一致的鋼板植入位置以及理想釘?shù)?驗(yàn)證了3D打印導(dǎo)航模板指導(dǎo)下的精確化手術(shù)的可行性。根據(jù)尸體標(biāo)本內(nèi)固定手術(shù)的數(shù)據(jù)及操作經(jīng)驗(yàn),通過導(dǎo)航模板的改良設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了在內(nèi)固定植入物三維模型庫以及3D打印導(dǎo)航模板輔助下的臨床脛骨平臺骨折的精確化內(nèi)固定手術(shù),在現(xiàn)有的技術(shù)條件下提高了內(nèi)固定手術(shù)效果,實(shí)現(xiàn)了初步的個性化內(nèi)固定手術(shù)。
【學(xué)位授予單位】：南方醫(yī)科大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：R687.3
【圖文】：

逡逑近，也不可把鋼板疊加在一起掃描，避免產(chǎn)生過多偽影（圖１－１）。掃描數(shù)據(jù)Ｗ逡逑ＤＩＣＯＭ格式刻錄ＤＶＤ光盤的形式輸出。ＤＩＣＯＭ（Ｄｉｇｉｔａｌ邋ｉｍａｇｉｎｇ邋ａｎｄ逡逑Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ邋Ｍｅｄｉｃｉｎｅ）標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)生成為醫(yī)學(xué)影像信息學(xué)領(lǐng)域的國際通用標(biāo)準(zhǔn)。逡逑ＤＩＣＯＭ標(biāo)準(zhǔn)幾乎包巧了醫(yī)學(xué)數(shù)字圖像的采集、歸檔、通信、顯示及查詢等所有逡逑的信息交換的協(xié)議Ｗ。逡逑？邋裝起ｕ＇ｌＴｒ－站占－ａｓ邐ＩＨ＆逡逑圖１－１鋼板ＣＴ掃描。（Ａ）：鋼板擺化腳：鋼板掃描。逡逑Ｆｉｇ．１－１邋ＣＴ邋ｓｃａｎｎｉｎｇ邋ｏｆ邋ｐｌａｔｅｓ．邋（Ａ）：邋Ｐｌａ化邋ｄｉｓｐｌａｙ；邋（Ｂ）：邋ＣＴ邋ｓｃａｎｎｉｎｇ邋ｏｆ邋ｐｌａ化Ｓ．逡逑Ｌｌ．２．２鋼板模型Ｈ維重建逡逑Ｍｉｍｉｃｓ軟件中分割的結(jié)果保存為Ｍｉｍｉｃｓ的一個對象邐蒙板（ｍａｓｋ）。蒙板逡逑為獨(dú)立于原始斷層圖像的二維圖像，與原始斷層圖像一對一的二值蒙板也組成逡逑一個Ｈ維體數(shù)據(jù)集。Ｍｉｍｉｃｓ軟件對原始圖像的手動分割編輯方式有單層編輯和逡逑利用相鄰蒙板層的相似性進(jìn)行多層編輯，目的是為了獲得感興趣的三維模型的逡逑獨(dú)立ｍａｓｋ文件用于Ｈ維重建。逡逑（１）設(shè)定闊值逡逑菜單操作：設(shè)定閩值Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄｉｎｇ。Ｍｉｍｉｃｓ提供了多種組織的闊值，如成人逡逑及兒童骨骼的密質(zhì)骨（Ｃｏｍｐａｃｔ邋ｂｏｎｅ）、松質(zhì)骨（Ｃａｎｃｅｌｌｏｕｓ邋ｂｏｎｅ）Ｗ及多種軟組織的逡逑闊值，可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)定。在標(biāo)本質(zhì)量較差時，可自定義闊值Ｗ利于圖逡逑１１逡逑

逑像顯示。本研究對象為鋼板，Ｍｉｍｉｃｓ軟件中并沒有提供金屬的闊值，故采用手逡逑動調(diào)節(jié)設(shè)定闊值（Ｔｈｒｅｓｌｉｏｌｄｉｎｇ＞１０００），直到清晰顯示鋼板圖像（圖１－２Ｂ）。逡逑圖１－２數(shù)據(jù)導(dǎo)入及設(shè)定閩值。（Ａ）：詩入原始Ｄｉｃｏｍ格式文件；腳：設(shè)定闊值（１３７９）。逡逑Ｆｉｇ．１－２邋Ｄａｔａ邋ｉｍｐｏｉ＊ｔｉｎｇ邋ａｎｄ邋ｔｈｒｅｓｈｏｌｄｉｎｇ．邋（Ａ）：邋Ｉｎｉｔｉａｌ邋ｄａ化邋ｏｆ邋Ｄｉｃｏｍ邋ｆｏｒｍａｔ邋ｉｍｐｏｒｔｉｎｇ；邋（Ｂ）：逡逑ｔｈｒｅｓｈｏｌｄｉｎｇｙ邋３邋７９）．逡逑口）區(qū)域增長及蒙板編輯逡逑區(qū)域增長Ｒｅｇｉｏｎ邋Ｇｒｏｗｉｎｇ可ｌｉＡ選擇同一闊值范茵且相互連接的一．維層面合并逡逑成一個新的Ｍａ化，不能Ｈ維連接的層面，Ｒｅｇｉｏｎ邋Ｇｒｏｗｉｎｇ不能把它們合并成一逡逑個Ｍａｓｋ文件。假如區(qū)域增長所形成的新的Ｍａｓｋ包含不需要的結(jié)構(gòu)的ｍａｓｋ文逡逑件，可Ｗ通過圖像編輯工具（Ｅｄｉｔ邋Ｍａｓｋｓ）進(jìn)行單層或名？多層編靖的方式手動剔除。逡逑Ｄｒａｗ選擇范困將被加入指定Ｍａ化，成為新Ｍａｓｋ邋—部分；Ｅｒａｓｅ選擇范困將被逡逑從指定Ｍａｓｋ中刪除；Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄｉｎｇ設(shè)定一定闊值，選擇范圍內(nèi)符合該閥值的部逡逑分，將被加入指定Ｍａｓｋ，成為新Ｍａｓｋ文件的一部分，不符合該闊值的部分則逡逑不被加入。本研究由于掃描鋼板時相互隔開，因此所形成的ｍａｓｋ文件都是相互逡逑獨(dú)立的，不需要通過圖像編輯的方式獲得獨(dú)立的ｍａｓｋ，直接生成相互獨(dú)立的ｍａｓｋ逡逑文件（圖１－３Ａ）。逡逑（３）邋Ｈ維模型重建（Ｃａｌｃｕｌａｂ邋犯邋Ｆｒｏｍ邋Ｍａｓｋ）逡逑Ｈ維重建的基本原理是對不同層面的圖像Ｗ疊加的形式

圖１－３吉維重建

本文編號：2805449