基于三维重建技术的股骨远端数字钢板设计

张国栋,陶圣祥,郑和平,张发惠,郑晓晖,廖维靖,鲁植艳

(1.武汉大学中南医院康复医学科,湖北 武汉 430071;2.南京军区福州总医院骨科研究所,福建 福州 350023;3.武警福建总队医院骨科 ,福建 福州 350003)

基于 CT图像的骨骼三维重建、有限元分析已在国内外开展[1～3],与临床骨科密切相关的骨折三维重建、内固定[4～7]以及有限元力学分析均有学者进行了探讨[8～10]。上述研究述及内固定器械的形状以及内固定方式与实际手术情况尚有一定差异,未能解决针对每 1例特定的骨折进行个性化数字钢板设计的问题。其原因之一为医学三维重建软件Mimics或者有限元分析软件Ansys机械制图的性能均欠佳,难以制作复杂的骨科内固定器械,更难以针对不同的骨折情况对钢板进行预弯等处理以适应骨折情况。机械制图软件SolidWorks可较好地完成骨科内固定器械的制作及预弯,通过接口可与 Mimics以及有限元软件 Ansys互通,与 Mimics配合可完成虚拟状态下的骨折复位、内固定,为现实手术提供极具价值的参考,同时为骨折内固定的有限元分析做形态学方面的准备。作者按照 AO分类标准[11]制作股骨远端 A1～ 3、B1～3、C1～ 3骨折模型,以其为例对骨折数字钢板方法学上的实践过程进行初步探讨。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 实验标本 新鲜成人尸体膝关节标本9具,髁支持钢板、空心螺钉及皮质骨螺钉(武汉德骼拜尔公司);

1.1.2 软件环境 Windows X P Professional SP264bit;Mimics10.1;Solidworks2007;

1.1.3 硬件环境 CPU-Intel酷睿 2E8200;内存 -DDR 2800共 4G;图形加速卡-Nvidia8800GT;硬盘-Seagate SATA 250G;

1.1.4 CT扫描 武汉大学人民医院 64排 128层容积 CT(V CT)。

1.2 试验方法

1.2.1 标本制作 将9具膝关节标本肌肉等软组织切除,保留膝关节周围韧带。以骨凿、电钻等器械将9具标本分别制成股骨远端骨折 A1～ 3型、B1～ 3型、C1～3型。

1.2.2 CT扫描 扫描条件设置为 120kV,250mA,层距为0.625 mm,扫描时间 1.5 s,采集像素为 1024×1024的 Dicom格式图像,以刻录DVD光盘的形式输出。

1.3 三维重建

1.3.1 骨折三维模型重建 参考姜海波等[12]的方法,输入并组织图像(Import imgaes,Organize images),设定阈值(Thresholding):按照 Mimics设定的 Bone(CT)Scale,即 226～ 3071Hu进行设定;重建三维模型 (Calculate3D)即可得到骨折的初步三维模型。

1.3.2 骨折块分解 利用 Mimics的 Edit Masks、Boolean Operations、Region Growing等功能进行,运行 Calculate3D即可得到相应的三维模型,不同骨折块可指定任意颜色。对于骨折线不明确或骨折片重叠的情况需根据经验进行人工判断。

1.3.3 骨折三维模型复位 运行 Mimics的 Reposition命令,对各骨折块进行复位。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。

1.3.4 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,不能跨越不同三维模型,合并后的模型与分开的各个模型的空间位置相同。

1.3.5 三维测量 利用 Mimics中 Tools,在合并后的三维模型进行2项测量。首先在进行钢板固定的位置进行长度和角度的测量,以选择内固定器械及进行预弯;在钢板进行虚拟内固定之后,测量进钉孔至对侧骨面的 3D长度以选择螺钉。

1.4 手术钢板、螺钉的三维构建 参照手术钢板实物构建不同种类的钢板、螺钉,修改草图即可获得其他规格。在绘制时,将 SolidWorks原点置于草图中最容易确定位置的部位,以方便进行绘制以及预弯时进行定位。

1.5 钢板预弯以及虚拟内固定 将制作好的钢板SolidWorks零件文件以 Stl文件输入 Mimics,通过Reposition命令将钢板移动至预定位置,观察钢板与骨折线、骨面的位置。如钢板与骨面敷贴效果欠佳,可根据三维测量的数据在Solidworks中对钢板进行折弯和扭曲,再次将钢板 Stl文件输入 Mimics,同时将螺钉 Stl文件输入至 Mimics,移动至钢板进钉孔,调整螺钉方向使其与预设进钉位置一致。

2 结 果

2.1 SolidWorks零件文件 SolidWorks可绘制绝大多数的手术器械,其曲面成型功能可对复杂的器械进行折弯、扭曲以适应手术要求,临床骨科医师可以利用SolidWorks进行各种个性化的手术钢板的设计。图1显示髁支持钢板、皮质骨螺钉及空心螺钉,绘制时注意原点是钢板进行预弯的重要定位标志,本例原点位置系钢板上部正中(见图 1)。

2.2 B3型股骨远端骨折 股骨远端B3型骨折的三维重建模型对各骨折块进行分解及虚拟复位的情况(见图 2);将各骨折块通过 Boolean运算合并成一个三维模型后,进行 3D长度测量的情况 ,对预定进钉途径进行测量(见图3)。本例测量数据为 58.12mm、62.74mm、60.36mm、62.66mm。根据测量数据,在虚拟内固定时选用空心螺钉(直径 7.5 mm)为长58 mm和 60 mm各 1根,62 mm共 2根 ,将此 4根螺钉的SolidWorks零件文件另存为 Stl格式,输入至 Mimics,通过Reposition命令移动至预定进钉位置 ,具体见图 3,其虚拟内固定效果良好。

2.3 C3型股骨远端骨折 C3型股骨远端骨折三维模型及复位情况见图 4。将各骨折块通过Boolean运算合并成一个三维模型后,输入髁支持钢板标准件,观察钢板与骨面、骨折线的关系(见图5),可见必须对钢板进行折弯方能与骨面良好敷贴。根据测量数据,第1个折弯选择在钢板原点下方100.42 mm处 ,角度为 157.57°;第 2个折弯在据钢板原点下方 125.27 mm处 ,外 19 mm,折弯角度为 144.73°。

根据上述测量数据 ,在 Solidworks中很容易对钢板标准件进行折弯。再次将钢板输入到Mimics中(见图6),可见钢板与骨面敷贴良好。测量钢板各进钉孔至对侧骨面的3D长度,输入螺钉至 Mimics,移动至预定钢板进钉孔并观察效果。本例选用皮质骨螺钉(直径 4.5mm)长度 30 mm共 2根 ,32mm、34mm、36mm 各 1根 ,空心螺钉 (直径 7.5 mm)长度 70 mm、75 mm及 78 mm各 1根,最终虚拟内固定效果良好。

3 讨 论

影响复杂类型骨折手术效果的因素众多,一般认为准确的复位、恰当和坚强的内固定、缩短手术时间及减少软组织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。作者以股骨远端两种类型骨折为例,阐述了虚拟骨折复位、内固定的方法,据此在术前即可完成部分手术方案的设计,选择适当钢板并进行准确折弯、扭曲以适应骨折端骨面,并选择合适的螺钉。通过上述的术前准备,可缩短手术时间,避免因手术中钢板反复折弯而降低其强度,还可减少软组织损伤以改善手术效果。

迄今数字钢板仍无明确的定义。作者认为数字钢板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、利用软件设计出钢板模型、虚拟内固定等过程;功能方面即为力学性能。我们认为不同的内固定器械、方法具有不同力学性能。Mimics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中,如 Ansys进行力学分析,从性能的角度评价内固定的优劣。本文目的之一是为有限元力学分析做形态学上的准备。

3.1 骨骼模型实体化的问题 在Mimics以及其他医学三维重建软件中重建骨骼三维模型,如果将这个模型以 Iges和点云格式输出到 CAD软件,我们可以发现骨骼由多层曲线构成,同时每一层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,使得骨骼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。 Mimics中的三维模型实际上为面格式,将螺钉、内固定器械以 Stl文件引进 Mimics,可对模型、钢板进行编辑。

3.2 骨折数字模型与实体模型的比较 CT扫描所获得的骨折数据可以通过快速成型(Rapid Prototyping,RP)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,不能利用铸造模型进行力学分析,从而限制了快速成型在骨折复位、固定模拟中的应用。

3.3 个性化数字钢板设计问题 个性化数字钢板即针对每1例骨折,选择对骨折最合适的接骨钢板,根据骨折情况进行预弯,选择合适的螺钉等内固定器械。临床骨科医师甚至可以对原有的骨科内固定器械进行改良,乃至设计全新的内固定器械。基于现代强大的加工技术,在较短的时间内可以加工出最适合于某一特定骨折的内固定器械,显然这样的内固定器械不会因为反复折弯影响到内固定器械的力学强度,同时减少对骨膜等软组织的剥离,减少破坏血液供应,有利于骨折愈合。术前进行个性化数字钢板设计,可以在一定程度上减少手术时间,降低麻醉风险,减少患者手术费用。

3.4 临床应用前景及不足 本试验综合了CT扫描、Mimics三维重建及 3D测量、Solidworks钢板制图及预弯等多方面内容,目前尚无一种软件能全程完成上述全部工作。Mimics及 Solidworks均要求进行培训,各种操作仍稍显复杂。我们期待一种全新软件可以完成上述全程,同时可以进行有限元力学分析,以方便临床骨科医师使用。

3.5 软件环境及应用技巧 a)Mimics是交互式的医学影像控 制 系 统 (Materiaise′s interactive medical image control system,Mimics),Mimics可运行在 windows环境下,其丰富的接口使其可以和众多机械制图软件互通。Solidworks为当前应用广泛的机械制图软件,主流个人电脑完全可以胜任全程工作。b)三维重建中每产生的模型均需要命名,避免遗忘。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。c)骨折块的分解是为了复位,复位之后进行合并是为了3D测量,3D长度测量宜在钢板上进行,而角度的测量最好在骨面上进行,这样可以保证对钢板进行折弯。d)原点的概念贯穿数字钢板设计全程,即从钢板标准件的绘制开始直到预弯,原点均是重要的定位标志 ,3D测量包括 X、Y、Z轴;e)建立钢板、螺钉各种规格的标准件库,使用的时候直接调用(本文图 1～6见后插页)。

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