应用Solidworks软件对胫骨平台骨折进行术前评估和虚拟手术的初步研究

郑翔，许锦煌，黄建荣

(1.广州市增城区人民医院，广东 广州 510300；2.中山大学孙逸仙纪念医院，广东 广州 510120)

临床研究

应用Solidworks软件对胫骨平台骨折进行术前评估和虚拟手术的初步研究

郑翔1，许锦煌1，黄建荣2*

(1.广州市增城区人民医院，广东 广州 510300；2.中山大学孙逸仙纪念医院，广东 广州 510120)

目的探讨Solidworks软件在胫骨平台骨折术前评估和虚拟手术中的价值。方法将胫骨平台骨折患者的Dicom格式CT扫描图像数据导入MIMICS14.01软件，重建膝关节和胫骨平台骨折三维模型，拟合曲面后将Iges文件导入Solidworks2013软件生成CAD模型。对骨折情况进行立体多角度观察，对胫骨平台骨折平台塌陷程度、膝关节半脱位程度等进行三维数据测量及植骨量测算。在膝关节CAD模型上规划手术入路，充分暴露骨折端，模拟克氏针撬拨等方式行骨折复位，通过开窗打压植骨恢复关节面平整性，将复位成功的骨折模型用钢板螺钉系统进行内固定。结果重建的胫骨平台骨折三维可视化CAD模型可进行立体多角度观察和测量，初步实现了对胫骨平台骨折的术前评估，完成了以规划手术入路、暴露骨折端、模拟骨折复位、开窗植骨、内固定为主要步骤的虚拟手术。结论应用Solidworks软件能够重建胫骨平台骨折CAD模型，对骨折情况进行便捷和精确的术前评估，完成虚拟手术操作，将为临床工作提供可靠依据。

胫骨平台骨折；Solidworks；术前评估；虚拟手术

1 资料与方法

1.1 数据采集 随机抽选我院1例胫骨平台粉碎性骨折病例，所抽取病例为男性，46岁，右侧闭合性胫骨平台粉碎性骨折，受伤机制为车祸，按照Schatzker分型为Ⅳ型。采用Siemens 64排螺旋CT机获得胫骨平台骨折的基本数据(见图1)。扫描参数：扫描层厚为0.33 mm，管电压120 kV，管电流100 mA。

a 横断面

b 冠状断面 c 矢状面

1.2 利用MIMICS软件进行三维可视化模型重建 将Dicom格式CT扫描断层数据输入MIMICS 14.01软件，经定位图像，阈值分割，动态分割，每层图像经选择性编辑和补洞处理，去除冗余数据，平滑处理，经3D计算建立膝关节软组织和胫骨平台骨折三维可视化模型。

1.3 利用Solidworks软件进行术前评估和手术规划 在MIMICS 14.01软件上重建的三维数字模型采用点云文件格式导入Solidworks 2013软件，进行拟合曲面并获得完整的膝关节软组织和胫骨平台骨折CAD模型(亦可采用STL文件格式导入Geomagic Studio软件进行拟合曲面，再以Iges格式或Step格式文件输出至Solidworks 2013软件)。以重建的膝关节和胫骨平台骨折CAD模型为基础进行术前评估，在Solidworks 2013软件中模拟进行立体、多角度观察，对胫骨平台骨折平台塌陷程度、膝关节半脱位程度等三维数据进行测量及测算植骨量。应用Solidworks 2013软件进行虚拟手术，首先在膝关节CAD模型上设计手术入路，暴露骨折端，模拟克氏针撬拨等方式行骨折复位，开窗植骨恢复关节面平整性，将钢板螺钉系统CAD模型导入后与复位成功的骨折模型进行组装模拟内固定手术。钢板螺钉系统CAD模型根据胫骨平台锁定髁钢板、锁定螺钉实物参照，以1︰1比例由Solidworks 2013软件进行绘制。

2 结 果

2.1 应用Mimics 14.01软件重建三维模型 基于CT Dicom格式数据，应用Mimics 14.01软件可完整清晰地重建膝关节软组织和胫骨平台骨折三维可视化模型，清楚地反映膝关节软组织肿胀情况以及骨折粉碎和移位情况(见图2)。

a 双侧膝关节软组织 b 患侧胫骨平台骨折

图2 膝关节软组织和胫骨平台骨折三维可视化模型

a 上视面 b 前视面

a 内外侧平台关节面高度差为4.55 mm，胫骨平台向外侧移位约13.52 mm b 蓝色区域代表植骨处，植骨量约为1 279.20 mm3

图4 对胫骨平台骨折CAD模型进行三维测量

2.2 应用Solidworks 2013软件进行术前评估 将Mimics 14.01软件生成的三维模型导入Solidworks 2013软件生成CAD模型，可多侧面、多角度、多方向、多层次显示骨折细节(见图3)。能对胫骨平台骨折平台塌陷程度、膝关节半脱位程度等三维数据进行测量，对植骨量进行精确测算，如本例测得内外侧平台关节面高度差4.55 mm，胫骨平台向外侧移位约13.52 mm，植骨块体积约1 279.20 mm3(见图4)。

2.3 应用Solidworks 2013软件进行虚拟手术 应用Solidworks 2013软件可便捷和直观地进行虚拟手术，在膝关节CAD模型上设计手术入路，充分暴露骨折端，模拟克氏针撬拨等方式行骨折复位，通过开窗打压植骨恢复关节面平整性，将复位成功的骨折模型用钢板螺钉系统进行内固定(见图5)。

2.4 术后影像学评估 根据上述术前评估及虚拟手术数据进行手术，手术过程顺利术后行膝关节正侧位X线片复查，与术前X线片对比，可见骨折复位良好，关节面平整，胫骨平台高度恢复，内固定牢固、位置合适，基本与术前虚拟规划一致，达到了预期效果(见图6)。

a 设计手术入路 b 暴露骨折断端 c 骨折复位 d 开窗植骨 e 内固定

图5 虚拟手术示意图

图6 手术前后正侧位X线片比较

3 讨 论

胫骨平台骨折是一种高能量复杂关节内骨折，且位于干骺端，多为松质骨，易出现骨质压缩缺损伴软骨面塌陷，常合并膝关节韧带损伤导致关节不稳，或出现髁间嵴骨折及半月板损伤，伤后常常肿胀明显并形成张力性水疱。对于平台骨折关节面塌陷大于2 mm、劈裂移位大于5 mm的骨折常采用手术治疗，如果手术时机或手术切口选择不恰当，或者软组织肿胀、皮肤牵拉过度等均可能出现皮肤缺血坏死、感染、切口愈合不良、骨与内固定物外露等并发症[4-6]。如果骨折复位不理想，或内固定失败术后易出现关节疼痛、不稳及创伤性骨关节炎等并发症[7-8]。为减少上述并发症的发生，需要尽可能达到解剖复位，恢复关节面的平整以及关节的稳定性[9-10]，同时要尽量减少对软组织的损伤。而如果术前对骨折和软组织情况充分进行评估，准确和细致的进行手术规划，将大大缩短修复时间，减少手术时间过长造成的软组织创伤，提高手术的精确性和成功率。

临床上对于复杂骨折的术前评估和手术规划大多来自探讨与分析X线片及CT等影像学资料，但这些资料提供的信息不完整，需要医师结合自己的临床经验，不同医师可能有不同看法，因而具有主观性和差异性，常常不能制定具体的手术方案，更多时候需要根据术中探查情况取得更多的信息进行考量，而术中探查(如打开膝关节囊探查关节面或延长切口)可能加大软组织损伤程度。另一方面，术中探查有时需要预备膝关节镜器械或者准备更多的内固定器械。现在很多医院CT机自带软件可进行三维重建，但重建出来的图像仅仅是外观上的可视化，提供的信息量有限，且易出现伪影，常规重建不能显示胫骨平台关节面，且要在该软件上进行某个骨折块的移动或分析是很难的，如果要求过多会增加放射科医师的工作量。目前在很多科室，如整形外科和口腔颌面外科等科室，使用数字化三维重建和虚拟手术来为修复前进行规划已经成为一种发展趋势[11-13]，在骨科尤其是一些复杂的骨折和矫形手术中常常能获得良好的临床效果[14]。章莹等[15]分析了135例胫骨平台骨折病例，其中73例采用计算机三维仿真技术进行辅助，采用常规手术方法治疗62例，随访6～34个月，平均17个月，计算机辅助组优良率90.4%，常规手术组优良率83.0%。李清泉等[16]分析了60例胫骨平台骨折病例，其中观察组30例术前采用虚拟手术三维重建技术辅助，对照组30例采用常规手术方法治疗，观察组术中出血量明显少于对照组，手术时间及骨折愈合时间明显短于对照组，术后满意度评分明显优于对照组，术后6个月观察组关节活动度改善程度较对照组更优。

MIMICS(Materiaise's interactive medical image control system)是Materialise公司的交互式的医学影像控制系统，是一套高度整合而且易用的3D图像生成及编辑处理软件，它能输入各种扫描的数据(CT、MRI)，建立3D模型进行编辑，然后输出通用的CAD(计算机辅助设计)、FEA(有限元分析)，RP(快速成型)格式，可以在PC机上进行大规模数据的转换处理。MIMICS可以说是一款非常经典的数字骨科学入门级软件，能够快速根据CT、MRI等临床常见影像数据建立三维模型，功能强大。有报道[17-18]利用MIMICS软件进行术前评估和虚拟手术规划，但该软件主要功能是快速3D图像生成及简单的编辑处理，如果需要对模型进行分割组合、绘图等操作则较为困难且繁琐，而如果将模型输出到CAD软件，由于CAD软件的强大绘图和操作功能，则可以较好地完成三维模型的评估测量以及虚拟手术等工作。

法国的SolidWorks软件，是世界上第一个基于Windows开发的三维CAD系统，具有功能强大、易学易用和技术创新三大特点。本研究通过将Mimics软件重建的三维模型导入SolidWorks软件，通过建立胫骨平台骨折CAD三维模型，可以多角度、全方位观察、分析骨折情况，更加准确地按照Schatzker分型或三柱理论进行分型。利用该软件对塌陷型骨折进行骨折塌陷程度等三维数据的测量，进行植骨量的测算，对于伴有膝关节半脱位的骨折进行关节脱位程度的测定。通过设计手术入路、模拟骨折撬拨复位、模拟并挑选合适的内固定器材，为手术操作提供规划和模拟，从而提高手术成功率，减少并发症，降低手术风险。基于SolidWorks软件的强大功能和易操作性，可以预见如果将其引进临床工作一定会有广阔的用途和前景，为广大医务人员提供极大便利。

[1]Dattani R，Slobogean GP，O'Brien PJ，et al.Psychometric analysis of measuring functional outcomes in tibial plateau fractures using the Short Form 36 (SF-36 )，short musculoskeletal function assessment (SMFA) and the western ontario mcMaster osteoarthritis (WOMAC) questionnaires[J].Injury，2013，44(6)：825-829.

[2]Malakasi A，Lallos SN，Christos M，et al.Finite element method in internal and hybrid external fixation of tibial condylar fractures：a comparative application study[J].J Long Term Eff Med Implants，2011，21(4)：261-267.

[3]Chen XZ，Liu CG，Chen Y，et al.Arthroscopy-assisted surgery for tibial plateau fractures[J].Arthroscopy，2015，31(1)：143-153.

[4]Babis GC，Evangelopoulos DS，Kontovazenitis P，et al.High energy tibial plateau fractures treated with hybrid external fixation[J].J Orthop Surg Res，2011，6(1)：1-7.

[5]Taylor J，Langenbach A，Marcellin-Little DJ.Risk factors for fibular fracture after TPLO[J].Vet Surg，2011，40(6)：687-693.

[6]Prat-Fabregat S，Camacho-Carrasco P.Treatment strategy for tibial plateau fractures：an update[J].EFORT Open Rev，2016，1(5)：225-232.

[7]Kumar A，Whittle AP.Treatment of complex (Schatzker TypeVI) fractures of the tibial plateau with circular wire external fixation：retrospective case review[J].J Orthop Trauma，2000，14(5)：339-344.

[8]Papagelopoulos PJ，Partsinevelos AA，Themistocleous GS，et al.Complications after tibia plateau fracture surgery[J].Injury，2006，37(6)：475-484.

[9]Sirkin MS，Bono CM，Reilly MC，et al.Percutaneous methods of tibial plateau fixation[J].Clin Orthop Relat Res，2000(375)：60-68.

[10]Gösling T，Klingler K，Geerling J，et al.Improved intra-operative reduction control using a three-dimensional mobile image intensifier-a proximal tibia cadaver study[J].Knee，2009，16(1)：58-63.

[11]Yuan X，Xuan M，Tian W，et al.Application of digital surgical guides in mandibular resection and reconstruction with fibula flaps[J].Int J Oral Maxillofac Surg，2016，45(11)：1406-1409.

[12]Silva DN，Gerhardt de Oliveira M，Meurer E，et al.Dimensional error in selective laser sintering and 3D-printingof models for craniomaxillary anatomy reconstruction[J].Craniomaxillofac Surg，2008，36(8)：443-449.

[13]Terajima M，Nakasima A，Aoki Y，et al.A 3-dimensional method for analyzing the morphology of patients with maxillofacial deformities[J].Am J Orthod Dentofacial Orthop，2009，136(6)：857-867.

[14]Bagaria V，Deshpande S，Rasalkar DD，et al.Use of rapid prototyping and three-dimensional reconstruction modeling in the management of complex fractures[J].Eur J Radiol，2011，80(3)：814-820.

[15]章莹，夏远军，万磊，等.计算机三维仿真技术与常规手术治疗胫骨平台骨折的疗效对比分析[J].中国骨与关节损伤杂志，2010，24(8)：686-688.

[16]李清泉，邹庆喜.胫骨平台复杂骨折虚拟手术三维重建治疗的临床效果研究[J].临床和实验医学杂志，2014，13(22)：1909-1911.

[17] 陈羽，宋烜，张海兵.三维重建及虚拟手术在复杂胫骨平台骨折治疗中的应用[J].中国组织工程研究，2013，17(39)：6940-6945.

[18]付鑫，马信龙，马剑雄，等.Mimics软件在胫骨平台骨折分类及术前计划的初步应用[J].中国中西医结合外科杂志，2009，15(4)：463-467.

PreoperativeEvaluationandVirtualSurgeryofTibialPlateauFracturewithSolidworksSoftware

Zheng Xiang1，Xu Jinhuang2，Huang Jianrong2，et al

(1.People’s Hospital of Zengcheng District，Guangzhou 510300，China；2.Sun Yat-Sen Memorial Hospital，Sun YatSen University，Guangzhou 510120，China)

ObjectiveTo investigate the value of Solidworks software in preoperative evaluation and virtual surgery of tibial plateau fractures.MethodsThe Dicom format CT image data of tibial plateau fracture patients were inputted into MIMICS14.01 software，and 3D reconstruction of the knee and tibial plateau fractures were imputed into Solidworks 2013 software after fitting surface after the Iges format files.The fractures' CAD models were shown from different perspectives and measured accurately.We designed operative approaches，exposed fracture area，performed virtual reduction and internal fixation with computer.ResultsThe CAD models of tibial plateau fractures showed us the details of fracture from different perspectives include the degree of comminution and displacement.We finished the preoperative evaluation of tibial plateau fractures，performed virtual surgery include designing surgical approaches，exposing the fracture area，simulate fracture reduction，fenestration and bone grafting and internal fixation.ConclusionSolidworks software can reconstruct the CAD models of tibial plateau fractures，achieve the fracture assessment and preoperative virtual surgery.Solidworks software will provide a reliable method and basis for clinical work.

tibial plateau fracture；solidworks；preoperative evaluation；virtual surgery

1008-5572(2017)10-0895-05

R683.42

B

广州市增城区人民医院青年医学人才培育基金(2016QN03)；实用新型专利：一种持骨器(ZL20162032811.2)；

*本文通讯作者：黄建荣

郑翔，许锦煌，黄建荣.应用Solidworks软件对胫骨平台骨折进行术前评估和虚拟手术的初步研究[J].实用骨科杂志，2017，23(10)：895-898；907.

2017-05-31

郑翔(1989- )，男，医师，广州市增城区人民医院，510300。

胫骨平台骨折临床较常见，属关节内骨折，占所有骨折的1.3%[1]，占老年人群骨折的8%[2]。胫骨平台骨折常伴有严重的膝关节韧带、半月板等软组织损伤[3]，临床表现复杂多变给治疗带来很大的难度。得益于医学影像处理与三维建模技术、虚拟仿真与可视化技术、计算机辅助设计等数字骨科技术的发展，我们可以在计算机上运用相关软件术前对胫骨平台骨折进行充分的评估和虚拟手术，真正做到知己知彼、百战不殆。MIMICS软件是最常用和最基础的数字骨科三维建模软件，但测量骨折细节和进行绘图或移动骨折块模拟骨折复位内固定手术时不够精确、简单。本文介绍一种新的方法，利用Solidworks软件生成CAD(计算机辅助设计)模型，可以对骨折情况进行立体、多角度显示，便于骨折分型、精确测量三维数据、估算植骨量、设计手术入路、模拟骨折复位内固定手术，现报告如下。