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目的： 探讨踝关节骨折数字化虚拟手术设计系统建立的方法及其在临床应用中的价值。 方法： 选取6例踝关节骨折患者，行踝关节CT扫描，采用Mimics三维重建软件，在重建出骨折三维数字化模型并进行相关测量的基础上，模拟复位，将三维重建的螺钉、钢板内固定模版与之拟合，明确内固定置入的方向、长度、角度等数据，建立数字化虚拟手术设计系统，初步指导临床应用，并与术后影像学资料进行对比分析。 结果： 重建出踝关节的三维数字化虚拟可视模型，可进行多种长度、角度、体积等数字化测量，与数字化内固定模版拟合良好，可初步用于踝关节骨折的数字化手术模拟及手术治疗方案的选择。 结论： 建立了踝关节骨折数字化虚拟手术设计系统，初步临床应用效果良好。 踝关节骨折多为关节内骨折，准确的复位以及解剖结构的恢复是取得良好疗效的基础，为此，合理的手术计划对治疗而言是非常重要的环节。以往所进行的手术设计多采用二维图像进行，缺乏三维立体结构显示及精准的骨折结构数据，无法进一步与手术器械精确拟合。而近年来，随着数字化虚拟可视技术的飞速发展，使得其在足踝部骨折中的应用成为可能，可望建立数字化虚拟手术设计系统，为踝部骨折的微创化、个性化治疗提供更为精准的参数与依据。本文对此开展初步研究。  1) 踝关节骨折的数字化虚拟可视重建 自2005年8月～2007年3月共选择6例踝关节骨折，男4例，女2例；年龄18～52岁，均为单侧足踝部骨折，伤前均无足踝部疾病、创伤病史。所有患者均行双侧足踝部CT扫描。扫描条件：采用Siemens Somatom Sensation 16排多层螺旋CT，扫描参数为120kV，350mA，准直器宽度0.75mm、厚度0.75mm，层厚0.625mm，螺距为0.75，每层扫描时间200ms，总扫描时间约为10～12 s。利用个人计算机，将CT扫描断层数据以.dicom格式导出，输入Mimics软件，首先进行阀值分割，然后逐张检查分割效果，利用软件提供的交互式编辑工具，擦除过度分割的区域，补充分割不足的区域，编辑修正分割结果。分割完毕后，进行三维重建，并使每一骨折块成为一个独立的三维模型。 2) 足踝部常用内固定器械的数字化三维重建 CT扫描足踝部骨折常用内固定器械，采用基于灰度值的重建方法，利用 Mimics软件重建内固定器械的三维模型。并在此基础上，使用游标卡尺测量内固定器械的数据，采用UG软件设计内固定器械，以.stl格式导出保存，由于虚拟手术与现实手术的要求不同，同时为避免涉及知识产权问题，根据测量参数设计的器械三维模型省略了倒角及螺纹等细节，重点保留了器械的外形尺寸，螺孔直径及位置角度等参数。并对两种方法重建的内固定器械三维模型进行精度分析。 3) 踝关节骨折数字化虚拟手术设计系统的建立与初步临床应用 以重建的骨折数字化模型及内固定器械三维数字化模型为基础，对于简单骨折采用点配准方式进行模拟复位；对于粉碎性骨折，则以对侧踝关节正常骨骼的轮廓来进行配准，首先将其与腓骨骨折近端配准，远端可以作为其他碎骨复位的标志，从而交互式配准复位每个骨折块。测量各个骨折块的长度、直径、体积等多种数据，从内固定器械库中选择内固定器械三维模型跨过骨折线放置，精确测量螺钉的长度以及角度，进一步制定手术治疗策略及手术方式。根据此进行手术操作，腓骨骨折均采用锁定钢板、内踝骨折采用螺钉进行内固定，术后行CT扫描，并与手术计划进行对比分析。 1) 踝关节骨折的数字化虚拟可视重建 利用踝关节骨折患者CT扫描数据可重建出骨折数字化三维模型，可根据需要从任意角度进行观察、清晰显示出各关节面移位情况，并可精确测量各骨折块长度、直径以及体积等数据。 数字化三维重建显示三踝骨折各骨折块情况 2) 足踝部常用内固定器械的数字化三维重建及精度分析 采用CT扫描数据及实际测量数据分别利用Mimics软件及UG软件辅助设计重建出四肢骨折常用内固定器械三维模型。采用geomagic软件进行对比测量，两种方式重建的内固定器械误差在1mm以内。 3) 踝关节骨折数字化虚拟手术设计系统的建立与初步临床应用 采用轮廓配准或点配准的方法可在个人计算机上实现模拟复位，根据每位患者不同骨折情况自内固定器械三维模型库中选取相应内固定物进行手术设计，确定拟采用内固定物的类型。本研究6例均按此进行相应设计，术后再次行CT扫描，并采用随机自带软件进行体重建，对比分析显示虚拟手术对于内固定的设计（钢板长度、放置位置、螺钉数量及长度）与真实手术基本相符 骨折块复位：A基于点配准；B基于轮廓配准 三踝骨折手术复位、内固定植入的数字化虚拟可视模拟 三踝骨折术后CT扫描重建  踝关节骨折是踝关节的重建与多发损伤，随着近年来现代高速交通运输以及高层建筑等行业的迅速发展，其发病率及粉碎复杂程度呈逐渐增加的趋势。其治疗的核心问题在于准确的复位以及解剖结构的恢复。为达此目的，精确的个性化手术计划是确定术中操作、客观评价疗效的首要条件和必要保证。 传统的创伤骨科尤其是足踝部手术设计多采用平面作图的方式进行，多为二维作业，无法得到精准的骨折部位的多种解剖学数据，从而无法将骨折准确地模拟复位，手术器械多参考以往经验进行相应选择，不能将骨折、复位、手术器械三者结合起来进行精确、直观、可视化地模拟、匹配与展示，骨折块在三维空间的移位、复位后的情况、内固定物的选择等仍然需要术者丰富的经验及非常好的三维想象力。 近年来，高速螺旋CT的应用对于提高踝关节骨折的手术设计与治疗效果起到了良好的推动作用，但其本质上用的是图像的渲染技术，重建结果多以影响工作者选取不同角度的照相图像以辅助临床诊断和手术设计，并且仅可在计算机上展示或以二维图像导出，能提供的仅为骨折局部静止的图像，不能满足进一步进行手术测量、虚拟手术设计等个性化手术方案的制定等要求，不能满足临床个性化、微创化治疗的多种需要。 近年来飞速发展的数字化虚拟可视技术，可望为上述问题的解决提供全新的思路和技术方案。尤其是自1989年美国推出“美国可视人计划”并引起巨大反响以来，数字可视人研究得到了迅速的发展，其在骨科学中的应用研究亦方兴未艾，目前我国基于人体正常解剖的数字化重建已开展相关工作，已建立骨盆、髋臼、腰椎以及多种皮瓣的数字化三维可视模型，并且设计出多种导航模版，初步显示出其在临床、教学工作中良好的应用前景。但其在临床实际的应用尤其是在足踝部创伤中的应用尚属起步阶段。 要建立骨折手术的数字化虚拟手术设计系统，首先需要进行骨折部位的数字化三维重建，并且重建出的骨折模型能够进行任意分割、测量，能够用于进一步的虚拟复位及手术内固定选择；其次须建立较为完善的内固定器械三维模型数据库；第三内固定器械与虚拟复位骨折的精确拟合。 对此，本研究首先选取踝关节骨折临床病例进行数字化可视重建，采用两种方式针对不同骨折进行了模拟复位。与现有三维CT重建结果不同的是，采用本研究方法重建出的骨折模型可以从多角度、多平面观察任何细微的可疑骨折线，各重建出的骨折块可以任意旋转、任意组合、任意角度、任意透明度显示，从而更为清楚的显示骨折碎片及相互位置关系，这对于判定骨折的移位方向、损伤程度应具有重要的意义，同时可为进一步进行足踝部骨折的数字化分型提供技术平台；其次，可以测量所有骨折块的多种参数，可利用对侧正常踝关节重建模型进行模拟复位，并且所有操作均可在个人计算机上完成，这对于选择适宜规格的内固定材料、制定个性化的手术计划、快速提高临床医生水平、缩短学习曲线具有积极意义；再者，所得到的数据可用于进一步的虚拟手术演示、导航模版的设计与制作等，更加有利于踝关节骨折的临床治疗。 在上述研究的基础上，本研究针对不同骨折类型采用两种方法进行骨折的模拟复位，由于骨多为不规则刚性三维结构，最少三点即可确定其空间位置，因此对于简单骨折，在解剖标志如骨嵴结构较为清楚的情况下，两骨折块可采用三点复位，即点配准的方式进行模拟复位。而对于粉碎性骨折而言，由于其确定每个骨折块复位后的位置较为困难，可采用统一患者对侧正常骨模型作为正常轮廓，分别将各骨折块与远近进行匹配，从而交互式配准每个骨折块，使骨折模拟复位更为准确。 本研究采用UG软件设计对踝关节骨折常用内固定物进行了三维重建，但内固定物的金属特性在一定程度上影响了图像质量，其显示效果不佳。而采用CAD设计的内固定物三维模型虽然省略了诸如钢板内螺纹等部分细节，但不影响手术设计与应用，其显示效果更佳；不足之处在于重建模型相对困难、繁琐。两者误差在1mm之内，均可满足进一步虚拟手术设计的需要，因此可视临床不同需要进行相应选择。 对6例踝关节骨折进行初步虚拟手术设计与验证的结果表明，采用上述数字化技术能够精确显示与测量骨折块的位置、尺寸，可根据骨折块模拟螺钉、钢板的置入。拟采用的螺钉、钢板长度以及角度均可精确测量，并可进行精确调整，从而制定手术治疗策略及手术方式，进行内固定物及放置部位的选择，明确置钉长度、方向。从术后复查结果来看，其与手术计划的一致性较好，虚拟手术设计与真实手术基本相符。与传统的平面作图方式相比较，由于所采用的图像为三维立体图像和数据，因此更为准确，更能满足骨折治疗的精确化、个性化需求，初步显示了采用数字化技术进行手术虚拟设计的可行性与优势。 本研究初步探讨了踝关节骨折数字化虚拟手术设计系统建立的一般流程和关键问题，但仅为足踝部骨折数字化重建与应用的初步尝试，临床应用病例仍较少，并且虚拟环境与真实环境仍存在一定差异，虚拟环境中骨折块的活动不受任何限制，而真实手术中由于视野所限以及骨块之间软组织的嵌入与附着，均限制了虚拟手术在临床中的进一步应用。如何在此基础上进一步简化应用流程，如何将CT数据与MRI数据结合以显示骨折与软组织的关系等仍需进一步研究。 相关内容请查阅本文来源相关期刊。 来源：中国骨与关节损伤杂志，2009年10月，第24卷第10期 |
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