胫骨近端骨折数字化内固定的临床研究

陈宣煌, 吴献伟, 林海滨, 吴长福, 郑　锋, 郭庆清, 张国栋

(福建医科大学教学医院, 南方医科大学附属莆田医院, 莆田学院附属医院,

1. 骨科; 2. 医学影像科, 福建 莆田, 351100)

胫骨近端骨折数字化内固定的临床研究

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, 南方医科大学附属莆田医院, 莆田学院附属医院,

1. 骨科; 2. 医学影像科, 福建 莆田, 351100)

摘要:目的探讨医用软件Mimics、Solidworks在胫骨近端骨折中三维重建、复位的效果，并设计内固定方案。方法30例胫骨近端骨折患者(数字化组)，进行高速CT薄层扫描，在Mimics中对骨折进行重建、复位，以Solidworks进行内固定钢板、螺钉的选择和设计，并在骨折复位三维模型上进行虚拟内固定。临床据此方案进行手术，观察治疗效果，与按传统经验的30例患者(对照组)进行对比。结果数字化组所有骨折均进行了三维重建、复位，以准确的内固定钢板及螺钉进行了虚拟内固定。临床手术顺利，按术前设计的数字化方案成功完成，疗效满意。在术中出血量、手术时间、术后引流量、住院时间、骨折愈合时间等方面优于对照组。结论应用Mimics及Solidworks可在个人电脑上设计出胫骨近端骨折内固定手术的数字化方案。

关键词:胫骨近端; 骨折; 数字化; 内固定; 医用软件

福建省莆田市科技计划课题[2013S03(6)]

骨折模型的三维重建及复位有助于临床骨科医师了解伤情，虚拟内固定过程有助于选择、处理内固定钢板及螺钉，从而制定更为合理的手术方案、缩短手术进程、提高手术疗效。目前CT重建骨折三维模型在技术上已颇为成熟，但影像医师只能提供固定角度的三维重建图像，对于动态的三维模型只能在CT工作站上观察，不能进行骨折虚拟复位，无法完全满足临床骨科医师的需要。本文借助医学软件Mimics、Solidworks设计胫骨近端骨折内固定手术的数字化方案，指导临床手术，效果良好，报告如下。

1资料与方法

1.1　材料

1.1.1软件环境: Windows XP Professional SP2 64bit；Mimics 14.0；Solidworks 2010。

1.1.2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 250G。

1.1.3CT扫描：莆田学院附属医院64排128层容积CT(VCT)。

1.1.4临床病例资料：2010年6月-2013年6月本院收治的60例胫骨近端骨折患者，分为数字化组和对照组，每组30例。数字化组男19 例，女11例，年龄(43.14±11.76)岁；对照组男17 例，女13例，年龄(44.82±10.28)岁。2组性别、年龄比较无显著差异。2组骨折分型(均按Schatzker[1]分型)、合并伤情况对比无显著差异，具有可比性。见表1、2。

表1　2组患者骨折分型比较

表2　两组合并损伤比较

1.2　方法

1.2.1临床病例术前处理：术前早期发现并处理血管损伤及软组织挫裂伤，并常规予以抬高患肢或跟骨牵引及消肿等处理。患者对手术均知情同意，并签署知情同意书。

1.2.2CT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，所有图像像素均为1024×1024, 以刻录DVD光盘的形式输出。

1.2.3三维重建: ① 骨折三维模型重建：Dicom格式图像输入并组织图像，删除与骨折关系不大的层面；设定阈值：按照Mimics设定的Bone(CT) Scale，即226～3071 H进行设定；重建三维模型即可得到骨折的初步三维模型; ② 骨折碎片分解：利用Mimics的Edit Masks、Boolean Operations、Region Growing等功能进行。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，不同骨折片可指定不同的颜色以方便辨认。

1.2.4骨折模型复位：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。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。在该模型上可进行3D长度、角度测量。

1.2.5手术钢板、螺钉的三维构建: ① 钢板、螺钉模板制作：参照多个厂家不同规格的内固定产品实物测量, Solidworks中构建接骨钢板、螺钉，形成尽量庞大的内固定物“模型库”，所有钢板、螺钉均另存为Stl格式文件，供虚拟手术选用合适的内固定物; ② 钢板、螺钉导入: Solidworks中钢板模板以Stl文件输入Mimics中，运行Reposition命令，将模板移动至模型骨面，观察模板与骨面的位置关系。从Solidworks中输入合适长度、口径的螺钉，在Mimics中进行固定观察，挑选效果满意的关建点是钢板能与骨面良好贴合，螺钉相互间不会触碰并能兼顾固定到关键骨折块。

1.2.6手术钢板、螺钉的虚拟内固定及数据测量：在Mimics中确定钢板预设的位置，导入钢板、螺钉完成虚拟内固定后，如有必要，可运行Boolean Operations，将骨折片与螺钉相交的空间移除。以Tools中测量工具在预计进行钢板固定的位置进行角度和长度的测量，确定钢板进钉孔眼到对侧骨面的距离以及进钉轴线并记录，可暂时将测量数据留在骨面上，以作为定位参考。

1.2.7现实手术实施：所有患者由同一组医生进行手术。依据骨折不同分型选择手术入路，数字化组均采用术前选择的钢板和螺钉规格，按术前设计位置、方向植入，固定。对照组按传统经验进行手术。术中C 型臂X 线机确认关节面平整、钢板位置良好、螺钉长度合理后冲洗切口，切口放置负压引流，缝合切口，术后常规功能锻炼、定期复查。术后患者自我评价疗效依据按MacNab[2]标准。

2结果

数字化组术中钢板和螺钉规格，进钉长度、直径、位置、角度等与术前高度一致。2组患者术中出血量、手术时间、术后引流量、住院时间、骨折愈合时间比较见表3；术后疗效方面，数字化组优15例，良13例，可2例，差0例；对照组优8例，良12例，可7例，差3例，2组比较差异有统计学意义(P=0.05, Mann-WhitneyU法)。

表3　两组患者术中出血量、手术时间、术后引流量、住院时间、骨折愈合时间比较

与对照组比较，*P<0.05，**P<0.01。

3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[3]。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[4-5]。内固定失败将导致再次手术，甚至不得不进行膝关节融合术或膝关节置换术，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[6]。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[7-8]。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[9]。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。

3.2　医用软件促进骨科数字化

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[10-11]。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，可以直接、立体、深入地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[12]。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[13]。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[14-15]。一般认为，Mimics为医学三维重建与CAD、有限元分析之间进行沟通的桥梁。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。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，Mimics和Solidworks的全程结合应用在当前主流个人电脑上完全可以实现。本文应用这两种软件，完成术前手术方案细致的规划，准确判断伤情，选择适当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，术中大大简化了手术过程，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[16]。术后影像学检查提示钢板位置满意，螺钉长度、直径、方向均按预设计方案实现，效果良好，值得推广。

3.3　医用软件应用的一些技巧

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。本文将螺钉、内固定器械在Solidworks软件中绘制后以Stl文件引进Mimics，上述困难迎刃而解。

Mimics中设定阈值可将同属某一灰度值范围的组织提取至操作蒙板(Mask)中，即可能在不影响三维模型外观下降低阈值，阈值过低可致Mask增大，过高则会丢失信息致Mask减小。所有过程中产生的Mask以及3D模型均须及时命名以免遗忘发生错漏，临时产生的Mask以及3D模型可不必保留，如Boolean运算过程中产生的临时模型，重建后如发现模型上有较多空洞，可在Mask进行修补。

虚拟复位时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；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，因此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，合并后的模型与分开的各个模型之间空间位置一致。

参考文献

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Clinical research on digital internal fixation

for proximal tibial fracture

CHEN Xuanhuang1, WU Xianwei1, LIN Haibin1, WU Changfu1,

ZHENG Feng1, GUO Qingqing2, ZHANG Guodong1

(1.DepartmentofOrthopedics; 2.DepartmentofMedicalImaging,TeachingHospitalof

FujianMedicalUniversity,AffiliatedPutianHospitalofSouthernMedicalUniversity,

AffiliatedHospitalofPutianUniversity,Putian,Fujian, 351100)

ABSTRACT:ObjectiveTo explore the effect of Mimics, Solidworks (medical software) in performing three-dimensional reconstruction and reduction on proximal tibial fracture, and to design digital internal fixation plan. MethodsThirty patients with proximal tibial fracture (digital group) were treated with CT scan. Three-dimensional reconstruction and reduction were performed in Mimics. The plates and screws were designed and selected in Solidworks. Virtual internal fixation on the reduction three-dimensional models was performed. The clinical operation was performed on the basis of the scheme, and the curative effect was observed and compared with 30 cases patients treated by the traditional operation (control group). Results All the fractures were performed with three-dimensional reconstruction and reduction in the digital group, and the accurate design for internal fixation plates and screws as well as virtual internal fixation were accomplished. The clinical operations finished successfully according to the digital scheme of the preoperative design. The curative effect was satisfactory. Indexes such as bleeding volume, operation time, postoperative drainage, hospital stay and healing time of fracture in the digital group were better than those in the control group. ConclusionThe digital scheme for internal fixation of proximal tibial fracture can be designed in Mimics and Solidworks with a personal computer.

KEYWORDS:proximal tibia; bone fracture; digitization; internal fixation; medical software

基金项目:福建省卫生计生委卫生系统中青年骨干人才培养项目(2014-ZQN-JC-39);

收稿日期:2014-11-22

中图分类号:R 683

文献标志码:A

文章编号:1672-2353(2015)09-076-04

DOI:10.7619/jcmp.201509022