胫骨平台骨折优化内固定手术的数字化设计与临床研究

发布时间：2020-08-26 17:02

【摘要】：研究背景：胫骨平台骨折是一种常见的高能量复杂关节内骨折,内固定手术难度较大且术后常伴有疼痛、关节不稳及创伤性关节炎。其内固定要求不仅体现在要获得良好的生物力学性能,还必须实现关节面的解剖复位以避免术后患者关节疼痛。复杂类型的骨折在内固定植入时需要实现上述两点要求,那么不仅需要考虑到手术入路、术式选择、骨折以及骨缺损的具体情况等,也要考虑到内固定植入所需的接骨板和螺钉的规格、植入位置、螺钉植入方向等因素。因此,更为有效及精确化的“个性化手术”的呼声越来越高。骨折手术的内固定效果很大程度上决定于钢板的外形匹配程度,钢板与骨面良好的匹配无疑能够获得更好的固定效果及生物力学性能。锁定加压钢板(LCP)是现今比较常用的胫骨平台内固定植入物,由于个体化差异,每一例骨折情况都不相同,而且不同厂家接骨板规格、型号都不尽相同,常常导致钢板与骨面不匹配。即使外形匹配的钢板也会出现钉道分布不理想的情况。因此,术中常常面临没有合适的钢板可供选择的窘境,勉强植入效果不理想,导致复杂胫骨平台骨折内固定植入效果参差不齐。因此,详尽合适的术前手术方案设计显得尤为重要,但传统手术方式术前设计主要关注手术入路、术式选择、骨折以及骨缺损等情况,往往忽视了内固定植入所需的接骨板和螺钉的规格、植入位置、螺钉植入方向等重要因素。传统的骨科手术,医生在术前主要依靠个人经验制定手术计划,而且,在我国绝大多数的基层医院还是停留在术前靠人脑空想设计手术方案的状况,或者只能通过X线、CT、MRI等二维图像进行术前的手术方案构思,常缺乏骨性病理解剖结构与周围血管、神经等软组织的关系的描述反映,很难精确的、标准化的设计手术入路、内固定方式的方案制定,即很难确定适合具体病例的最优化的手术方案,也很难预测手术当中所遇到的问题。手术医生往往凭借自己的经验在大脑中勾勒术中的三维场景,其构思和手术经验很难为手术组每一位成员所共享,手术操作更难以达成默契,而且手术效果往往依赖于医生个体的外科临床经验与技能,经验与手术熟练程度决定了手术的成败。近20多年来,“数字骨科”技术发展迅速。利用计算机辅助技术,骨科手术模式由传统的“开放-观察-手术”向“观察-开放-手术”转变,即利用计算机重建患者个体化的内部结构的数字化三维立体图像,在手术规划软件上观察、测量三维模型,对手术部位深入观察,精确设计手术路径和范围,使手术更加精确、微创,提升手术质量和可靠性,正是由于上述优点,数字医学技术已广泛应用于创伤、脊柱骨科及关节外科等领域。数字化技术可以精确设计手术方案,使手术更加精确,提升手术质量和可靠性。但是虚拟的手术方案设计如何指导现实手术实施,如何缩小虚拟与现实之间的差距是数字化技术应用的重要问题。3D打印技术的发展,可以将任何形状的虚拟模型打印成实体模型,而且其成本的降低、打印精度与速度的提高以及打印模型力学强度的增加,都为解决上述难题提供了难得的契机。经过完善的计算机辅助术前评估、规划和手术方案设计,应用3D打印技术将手术方案精确地付诸于实施,为虚拟设计向现实手术实施架设一座桥梁。目的：1.基于国内临床常用的胫骨平台骨折内固定植入物的CT数据,建立胫骨平台骨折内固定植入物三维模型库：2.调用内固定植入物三维模型库,进行胫骨平台骨折内固定手术方案的数字化优化设计研究；3.基于优化设计的手术方案的基础上设计导航模板,并结合3D打印技术指导现实内固定手术的实施,实现胫骨平台骨折精确化手术。方法：1.胫骨平台内固定植入物三维模型库的建立：采用6套国内临床常用的胫骨平台全规格钢板(辛迪斯,捷迈,史塞克,大博,威高,华森)为实验材料,通过CT扫描的方式获取原始DICOM数据,包括带钉钢板与不带钉钢板。利用Mimics软件进行内固定器械的初步三维建模,然后把三维模型导入Geomagic软件进行光顺优化处理,包括消除CT伪影所产生的影响。带钉钢板的三维模型受CT伪影影响较大,需要绘制虚拟钉道代替锁定钉,而且虚拟钉道与锁定钉方向一致。因此,内固定植入物三维模型库的建库单元为带虚拟钉道的钢板三维模型,按照不同钢板厂家、类型、规格分类建库。2.基于3D打印的胫骨平台骨折内固定手术方案的数字化优化设计：采集临床胫骨平台骨折薄层CT扫描数据60例,利用Mimics软件建立胫骨平台骨折三维模型并且进行虚拟骨折复位。调用胫骨平台内固定植入物三维模型库,选取最合适具体病例的钢板进行虚拟内固定植入手术方案的优化设计,包括钢板外形与骨面的匹配,螺钉的植入位置和方向能最大程度的固定主要骨折块。在优化设计方案的基础上设计导航模板,并且运用3D打印技术,把骨折模型、钢板模型以及导航模板模型打印成等比例实体模型,在导航模板的引导下指导实体模型的内固定植入手术,并且比较虚拟手术与实体模型手术的效果是否一致,评价数字化技术结合3D打印技术在精确化手术中应用价值。3.胫骨平台骨折数字化优化设计手术的尸体实验验证：采用正常人膝关节尸体标本6例,模拟胫骨平台骨折双柱及三柱骨折类型进行骨折造模,然后骨折造模标本CT扫描进行三维重建、虚拟骨折复位、内固定手术数字化优化设计以及导板的设计和3D打印成型,按照数字化手术方案在导航模板的引导下实施尸体标本的内固定手术。术后再次进行CT扫描以及三维重建,测量及比较分析术前及术后螺钉长度、进钉点坐标、钉道方向的一致性,评价内固定植入物三维模型库与导航模板辅助下的精确化手术的可行性及准确性。4.胫骨平台骨折数字化优化设计手术的临床应用：采集临床胫骨平台骨折病例,按照尸体标本实验的实验方法实施胫骨平台骨折精确化及优化手术,实现虚拟的数字化优化方案向现实手术的转化,指导临床手术。结果：1.基于高质量的内固定植入物的CT薄层扫描数据,利用Mimics和Geomagic软件可以建立起高仿真度的内固定植入物三维模型库。锁定钢板与虚拟锁定钉道的可分可合的单元作为内固定植入物三维模型库的标准件模式,是内固定植入物三维模型库的精髓所在。利用虚拟钉道代替锁定钢板的锁定钉道,既可以保留了锁定钉的方向及位置的真实性,同时又可直接被调用实施虚拟手术,对内固定虚拟手术具有巨大的临床意义。同时基于胫骨平台骨折的CT扫描数据,利用三维编辑的方式,可以快速建立高仿真的胫骨平台骨折三维模型,并且进行虚拟骨折复位,内固定植入等虚拟手术,对临床手术术前规划及个性化、精确化手术方案的制定具有重大意义。2.基于3D打印模型的基础实验结果显示3D模型模拟手术的手术效果与内固定数字化设计方案的手术效果一致,二者螺钉长度无明显差异(t=-1.594；v=12；P=0.137),二者螺钉长度差值为-0.52±1.180mm,二者螺钉长度相关系数r=0.994。3.尸体标本的内固定手术效果与数字化优化手术方案的手术效果高度一致。二者螺钉长度偏差为0.95±2.89mm, P0.05;锁定螺钉进钉点在X,Y和Z轴上的偏差分别为0.25±1.77mm,0.31±3.14mm和0.25±1.38mm,, P0.05;锁定螺钉在冠状面(X-Y)和横断面(X-Z)上的投影角偏差分别为0.71±4.46°和1.57±5.13°,P0.05。数字化的理想钉道和现实手术的实际钉道在螺钉长度、进钉点位置和钉道投影角的比较上无明显差异。4.临床胫骨平台骨折病例内固定手术效果与数字化优化手术方案的手术效果高度一致。二者螺钉长度偏差为1.57±5.77mm, P0.05;锁定螺钉进钉点在XY和Z轴上的偏差分别为1.59±5.46mm,0.74±4.98mm,和1.76±6.50mm,P0.05;锁定螺钉在冠状面(X-Y)和横断面(X-Z)上的投影角偏差分别为1.59±5.17°和1.25±7.05°,P0.05。数字化的理想钉道和现实手术的真实钉道在螺钉长度、进钉点位置和钉道投影角的比较上无明显差异。结论：胫骨平台骨折精确化及优化的内固定手术主要体现在术前选择与骨面高度匹配的钢板、优化的钢板植入位置以及理想的螺钉钉道。内固定植入物三维模型库是实现虚拟内固定手术的前提,对临床手术术前规划及个性化、精确化手术方案的制定具有重大意义。数字化技术结合内固定植入物三维模型库能够实现优化以及个性化的术前手术方案的制定,通过确定锁定钉进钉点与方向的方法来确定锁定钢板的植入位置,并且辅以3D打印导航模板的来精确引导锁定钉的植入,能够完成精确化的胫骨平台骨折内固定植入手术。在内固定植入物三维模型库及手术方案术前数字化设计的辅助下,实现了精确及优化的尸体标本内固定手术,获得了与优化设计的数字化方案一致的钢板植入位置以及理想钉道,验证了3D打印导航模板指导下的精确化手术的可行性。根据尸体标本内固定手术的数据及操作经验,通过导航模板的改良设计,实现了在内固定植入物三维模型库以及3D打印导航模板辅助下的临床胫骨平台骨折的精确化内固定手术,在现有的技术条件下提高了内固定手术效果,实现了初步的个性化内固定手术。
【学位授予单位】：南方医科大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R687.3
【图文】：

逡逑近，也不可把钢板叠加在一起扫描，避免产生过多伪影（图１－１）。扫描数据Ｗ逡逑ＤＩＣＯＭ格式刻录ＤＶＤ光盘的形式输出。ＤＩＣＯＭ（Ｄｉｇｉｔａｌ邋ｉｍａｇｉｎｇ邋ａｎｄ逡逑Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ邋Ｍｅｄｉｃｉｎｅ）标准的产生成为医学影像信息学领域的国际通用标准。逡逑ＤＩＣＯＭ标准几乎包巧了医学数字图像的采集、归档、通信、显示及查询等所有逡逑的信息交换的协议Ｗ。逡逑？邋装起ｕ＇ｌＴｒ－站占－ａｓ逦ＩＨ＆逡逑图１－１钢板ＣＴ扫描。（Ａ）：钢板摆化脚：钢板扫描。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钢板模型Ｈ维重建逡逑Ｍｉｍｉｃｓ软件中分割的结果保存为Ｍｉｍｉｃｓ的一个对象逦蒙板（ｍａｓｋ）。蒙板逡逑为独立于原始断层图像的二维图像，与原始断层图像一对一的二值蒙板也组成逡逑一个Ｈ维体数据集。Ｍｉｍｉｃｓ软件对原始图像的手动分割编辑方式有单层编辑和逡逑利用相邻蒙板层的相似性进行多层编辑，目的是为了获得感兴趣的三维模型的逡逑独立ｍａｓｋ文件用于Ｈ维重建。逡逑（１）设定阔值逡逑菜单操作：设定闽值Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄｉｎｇ。Ｍｉｍｉｃｓ提供了多种组织的阔值，如成人逡逑及儿童骨骼的密质骨（Ｃｏｍｐａｃｔ邋ｂｏｎｅ）、松质骨（Ｃａｎｃｅｌｌｏｕｓ邋ｂｏｎｅ）Ｗ及多种软组织的逡逑阔值，可根据实际情况进行设定。在标本质量较差时，可自定义阔值Ｗ利于图逡逑１１逡逑

逑像显示。本研究对象为钢板，Ｍｉｍｉｃｓ软件中并没有提供金属的阔值，故采用手逡逑动调节设定阔值（Ｔｈｒｅｓｌｉｏｌｄｉｎｇ＞１０００），直到清晰显示钢板图像（图１－２Ｂ）。逡逑图１－２数据导入及设定闽值。（Ａ）：诗入原始Ｄｉｃｏｍ格式文件；脚：设定阔值（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）区域增长及蒙板编辑逡逑区域增长Ｒｅｇｉｏｎ邋Ｇｒｏｗｉｎｇ可ｌｉＡ选择同一阔值范茵且相互连接的一．维层面合并逡逑成一个新的Ｍａ化，不能Ｈ维连接的层面，Ｒｅｇｉｏｎ邋Ｇｒｏｗｉｎｇ不能把它们合并成一逡逑个Ｍａｓｋ文件。假如区域增长所形成的新的Ｍａｓｋ包含不需要的结构的ｍａｓｋ文逡逑件，可Ｗ通过图像编辑工具（Ｅｄｉｔ邋Ｍａｓｋｓ）进行单层或名？多层编靖的方式手动剔除。逡逑Ｄｒａｗ选择范困将被加入指定Ｍａ化，成为新Ｍａｓｋ邋—部分；Ｅｒａｓｅ选择范困将被逡逑从指定Ｍａｓｋ中删除；Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄｉｎｇ设定一定阔值，选择范围内符合该阀值的部逡逑分，将被加入指定Ｍａｓｋ，成为新Ｍａｓｋ文件的一部分，不符合该阔值的部分则逡逑不被加入。本研究由于扫描钢板时相互隔开，因此所形成的ｍａｓｋ文件都是相互逡逑独立的，不需要通过图像编辑的方式获得独立的ｍａｓｋ，直接生成相互独立的ｍａｓｋ逡逑文件（图１－３Ａ）。逡逑（３）邋Ｈ维模型重建（Ｃａｌｃｕｌａｂ邋犯邋Ｆｒｏｍ邋Ｍａｓｋ）逡逑Ｈ维重建的基本原理是对不同层面的图像Ｗ叠加的形式

图１－３吉维重建

本文编号：2805449