基于逆向工程脛骨平臺骨折內(nèi)固定植入物標(biāo)準(zhǔn)件庫的建立.pdf

1、脛骨平臺骨折，是臨床常見的關(guān)節(jié)內(nèi)骨折，脛骨平臺作為膝關(guān)節(jié)的負重結(jié)構(gòu)，其處理與預(yù)后將對膝關(guān)節(jié)功能產(chǎn)生很大的影響。非手術(shù)治療方法適用于少數(shù)不完全性骨折、無移位性骨折，及無法進行手術(shù)治療的病人，由于非手術(shù)治療固定時間較長、功能恢復(fù)鍛煉較晚，以及無法達到解剖復(fù)位等因素，可能會導(dǎo)致一系列并發(fā)癥，如關(guān)節(jié)僵硬、畸形愈合以及遠期創(chuàng)傷性關(guān)節(jié)炎。對于大多數(shù)病人，手術(shù)治療是這類骨折的首選，其中，切開復(fù)位內(nèi)固定的治療方式是其主要手段。牢固、合適的內(nèi)固定能維持復(fù)

2、位后關(guān)節(jié)面的完整性，允許病人進行早期、主動地功能鍛煉，有效地改善關(guān)節(jié)肌力和活動度，防治肌萎縮、關(guān)節(jié)僵硬，促進膝關(guān)節(jié)功能的恢復(fù)。
　　在掌握內(nèi)固定治療的共性的基礎(chǔ)上，需綜合考慮患者病情、個體差異及經(jīng)濟情況等，才能設(shè)計出合理的手術(shù)方案。因年齡、性別、種族、職業(yè)等個體性差異，很大程度上決定了現(xiàn)有的內(nèi)固定植入物產(chǎn)品不能完全滿足每一個人的需要，這種差異性在正常骨骼解剖位置發(fā)生變化或者骨質(zhì)丟失的情況下更為突出。所選擇的內(nèi)固定植入物不僅要保證與

3、復(fù)位后骨輪廓的匹配，同時還需確保關(guān)鍵骨折塊的固定，以維持復(fù)位后關(guān)節(jié)面的完整及膝關(guān)節(jié)力線的穩(wěn)定。相比于內(nèi)固定治療手術(shù)入路及術(shù)式的選擇，對于內(nèi)固定植入物應(yīng)用的合理性往往卻被醫(yī)生所忽視。與此同時，國內(nèi)外琳瑯滿目的內(nèi)固定植入物品牌在其多樣性的選擇方面，一定程度上彌補了這種個體差異的需要，但是這種豐富資源卻沒有在診療行業(yè)很好的拓展應(yīng)用，這種現(xiàn)象在地級醫(yī)院更為明顯。受限于患者的經(jīng)濟承擔(dān)能力及醫(yī)療資源的地區(qū)差異，醫(yī)院招標(biāo)的內(nèi)固定植入物往往僅限于幾個，

4、甚至單一的產(chǎn)家，可選擇的空間狹小，常面臨無合適內(nèi)固定植入物可用的窘境，而勉強植入的效果往往不是很理想。
　　隨著數(shù)字骨科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在計算機數(shù)字技術(shù)的輔助下，可進行個性化的內(nèi)固定植入物設(shè)計、術(shù)前虛擬手術(shù)模擬及術(shù)中導(dǎo)航精確定位等，較傳統(tǒng)骨科手術(shù)的經(jīng)驗性治療，其治療的合理性、個體性及精確性更符合骨科治療的現(xiàn)代化發(fā)展趨勢。根據(jù)相關(guān)的臨床實驗研究報道，結(jié)合CAD(Computer Aided Design，計算機輔助技術(shù))軟件個性化的設(shè)

5、計，通過RP技術(shù)（Rapid Prototyping，快速成型）獲得與之病情相適應(yīng)的定制內(nèi)固定植入物，獲得理想外形的同時保證了植入物與受損部位的精確匹配。然而，作為醫(yī)療產(chǎn)品，尤其是外科侵入性器械，其生產(chǎn)成品的安全性及功能的力學(xué)特性需得到確切的證實，以滿足國家醫(yī)療器械所規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。另有文獻報道，通過3D打印出病變部位的骨折塊模型，在原有內(nèi)固定產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，經(jīng)復(fù)位后模擬術(shù)中鋼板折彎過程，同樣達到個性化治療的目的，且節(jié)省了術(shù)中手術(shù)時間，但內(nèi)固定

6、植入物后經(jīng)折彎處理后勢必會影響原先結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性，其影響不可預(yù)知。國內(nèi)學(xué)者早期曾提出數(shù)字化鋼板的概念，提出形態(tài)學(xué)上個性化，功能上通過有限元分析可以對不同的手術(shù)方式的植入效果進行生物力學(xué)比較，對手術(shù)方式的可行性有一定的預(yù)測，但未進一步研究。
　　現(xiàn)階段距離完全意義的個性化內(nèi)固定植入物尚有一定的距離，更為可行的是關(guān)注手上有什么資源及怎樣合理使用，以達到個性化的目的，這種個性化的選擇是建立在內(nèi)固定植入物資源多樣性的基礎(chǔ)之上，涵括有全部或

7、者主流產(chǎn)家的器械以供醫(yī)師來選擇。其次，在數(shù)字骨科技術(shù)實際運用中，內(nèi)固定植入物作為虛擬仿真手術(shù)中的必不可少的重要因素，規(guī)格齊全的內(nèi)固定植入物模型無疑有利于骨折手術(shù)的優(yōu)化數(shù)字化設(shè)計，并能適應(yīng)復(fù)雜骨折個性化手術(shù)的功能評估。
　　目的：
　　建立涵括目前市場主流脛骨近端的接骨板的形態(tài)庫，為數(shù)字骨科仿真手術(shù)的進行提供基礎(chǔ)，在多樣性的資源中提供個性化的選擇;探索基于CT掃描的接骨板有限元模型的通用、快速建模方法，為臨床診療的生物力學(xué)分析

8、提供便利。
　　材料：
　　脛骨近端接骨板共186塊（辛迪斯、捷邁、華森、威高、大博、史塞克）。操作系統(tǒng):Dell T7500（Windows7 Ultimate64bit，Intel至強5600，CPU主頻2.93GHz，顯卡芯片NVIDIA Quadro NVS295）、Dell M6600圖形工作站(Windows7 Ultimate64bit，英特爾第二代酷睿i7四核處理器，CPU主頻2.5GHz，顯卡芯片NVIDI

9、A Quadro NVS4000M）;醫(yī)學(xué)三維重建軟Mimics14.0(Materialise公司，比利時);逆向工程軟件Geomagic12.0（Raindrop Geomagic公司，美國）;有限元分析軟件Ansys13.0（Ansys公司，美國）。
　　本實驗研究內(nèi)容分為兩個部份闡述:1、探索高仿真脛骨近端接骨板形態(tài)庫的構(gòu)建，包括不帶釘和相應(yīng)帶釘?shù)男螒B(tài)模型庫;2、探索脛骨近端接骨板有限元模型快速、高仿真的建模方法。

10、　　方法：
　　1、高仿真脛骨近端接骨板形態(tài)庫的構(gòu)建
　　1.1 薄層CT掃描及三維重建
　　用醫(yī)用膠布將脛骨近端接骨板固定在硬紙板上，制備30*10cm大小的3層掃描單元。同時，制備同一類型中的1塊帶釘接骨板，以其為母版適應(yīng)帶釘接骨板制作。掃描具體參數(shù):掃描螺距0.3mm，掃描電流100mAs，掃描電壓120kv，輸出Dicom格式文件，刻錄成DVD光盤。將其掃描后的數(shù)據(jù)導(dǎo)入三維重建軟件Mimics中，主要步驟包括:

11、設(shè)定閾值(Thresholding)、區(qū)域生長(Region Growing)、三維重建(Calculate3D)。
　　1.2 形態(tài)學(xué)處理
　　將三維重建后獨立的接骨板模型導(dǎo)入逆向工程軟件Geomagic中，在Geomagic進行形態(tài)學(xué)處理，視模型質(zhì)量可采取的操作如:網(wǎng)格醫(yī)生、快速光順、減少噪音、去除特征、砂紙等。
　　1.3 體積恢復(fù)
　　在Mimics中通過“Rescale”模塊，勾選“Keep Origi

12、nals”和“Uniform”將原始模型與Geomagic處理后的體積比值的立方根作為體積恢復(fù)系數(shù)，在“Factor”中輸入，進行體積恢復(fù)，完成不帶釘脛骨近端接骨板形態(tài)庫的構(gòu)建。
　　1.4 帶釘脛骨近端接骨板形態(tài)庫的建立
　　以帶釘接骨板的螺釘為參照，在Mimics中通過“MedCAD”繪制直徑為2.2mm的圓柱體釘?shù)?，模擬現(xiàn)實螺釘方向。然后以帶釘接骨板母版為參照，在Mimics通過“Reposition”進行位置調(diào)整，將

13、同一類型的不帶釘接骨板模型與之配準(zhǔn)。將模擬的釘?shù)琅c不帶釘?shù)慕庸前?，通過“Boolean”中“Union”運算進行結(jié)合，完成帶釘?shù)赖拿劰墙私庸前逍螒B(tài)庫建立。
　　1.5 統(tǒng)計學(xué)分析
　　用spss20.0對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計學(xué)分析，對原始模型、形態(tài)優(yōu)化、體積恢復(fù)三組之間差異采用單因素方差分析。P＜0.05有統(tǒng)計學(xué)意義。
　　2、脛骨近端接骨板接骨板有限元模型快速、高仿真的建模方法
　　2.1 面網(wǎng)格的劃分
　　按

14、上述步驟三維重建、形態(tài)學(xué)優(yōu)化之后，在Geomagic中進行網(wǎng)格優(yōu)化，直接進行“重畫網(wǎng)格”，設(shè)置“Target Edge Length”參數(shù)。軟件會自動分析給出默認值，為了優(yōu)化后續(xù)計算，需探討在形變盡量小的前提下，優(yōu)化計算量的目標(biāo)邊長的設(shè)置。以0.2mm為間隔，設(shè)置0.7mm至2.1mm共8個組，記錄相應(yīng)的三角面片數(shù)、表面積、體積。并在Mimics進行體積恢復(fù)。
　　2.2 體網(wǎng)格的劃分
　　采用Ansys命令流文件完成體網(wǎng)格

15、劃分。具體步驟包括:(1)指定工作目錄:方便操作，使輸出的文件集中在指定文件夾中，文件命名需注意不能出現(xiàn)中文字符及特殊字符;(2)讀入命令流文件;(3)按照提示輸入三維模型AnsysElements格式文件、輸出Lis、Nodes及Element格式文件。這一步驟由Ansys進行校驗網(wǎng)格質(zhì)量是否可以達到有限元分析的最低要求，實踐證明，能順利完成這一步驟均可最終完成有限元建模。
　　2.3 材料屬性賦值
　　在Ansys中可以

16、直接進行材料屬性賦值。在主菜單“Material Props”子目錄下的“Material Models”進行，彈出的致使窗口中依次選擇“Structure”、“Liner”“Elastic”、“Isotropic”，定義彈性模量(EX)及泊松比(PRXY)。到此部完成有限元建模。
　　結(jié)果：
　　1、構(gòu)建了6個產(chǎn)家共186塊脛骨近端接骨板虛擬的形態(tài)庫;
　　2、經(jīng)Geomagic外觀優(yōu)化以及Mimics體積恢復(fù)，可使

17、接骨板三維模型具有較高仿真度。在Geomagic進行形態(tài)學(xué)優(yōu)化處理后，原始模型與處理后模型的體積及表面積的單因素方差分析P＞0.05，提示Geomagic在修復(fù)模型外觀的同時，體積并不發(fā)生顯著變化。原始模型與Geomagic處理后三角面片比較，P＜0.05，表明外觀已獲得修復(fù)。對Mimics中進行體積恢復(fù)后的數(shù)據(jù)比較，表面積比較P＞0.05，表明僅只是體積變化，而外觀并沒有改變，說明體積恢復(fù)不影響標(biāo)準(zhǔn)件仿真程度;
　　3、基于CT

18、掃描的接骨板數(shù)據(jù)能重建出具有高仿真的幾何模型，能夠滿足有限元建模的需要;用Ansys命令流可以快速完成接骨板的有限元建模，簡化了操作流程，提高了有限元建模的效率。
　　結(jié)論：
　　1、基于CT掃描的數(shù)據(jù)，通過逆向工程軟件處理可以實現(xiàn)骨科接骨板形態(tài)標(biāo)準(zhǔn)件庫制備;
　　2、所構(gòu)建的形態(tài)標(biāo)準(zhǔn)件庫，可通過接骨板與釘?shù)肋x擇性的組合，適用于骨折內(nèi)固定植入手術(shù)的數(shù)字化設(shè)計;
　　3、命令流能實現(xiàn)接骨板的快速有限元建模，且高仿真