計算機手術(shù)輔助設(shè)計及快速成型技術(shù)在骨科的臨床應(yīng)用研究.pdf

1、目的: （1.1）探討數(shù)字醫(yī)學(xué)技術(shù)包括醫(yī)學(xué)影像數(shù)字化處理與測量、三維重建與可視化技術(shù)，臨床計算機輔助設(shè)計（Computer Aided Design，CAD）技術(shù)，以及快速原型技術(shù)（rapid prototyping，RP）等技術(shù)在骨科的臨床應(yīng)用價值，促進骨科臨床診療技術(shù)的新發(fā)展。 （1.2）引入計算機輔助下的人體骨骼快速建模技術(shù)和快速成型設(shè)備，研究如何通過新的技術(shù)路線，在患者手術(shù)前由CT圖像實現(xiàn)患者個體化人體骨骼標(biāo)本的

2、虛擬重建與1：1還原，從而達(dá)到對一些復(fù)雜的脊柱外科手術(shù)，關(guān)節(jié)外科、骨腫瘤科和創(chuàng)傷骨科手術(shù)，進行手術(shù)的體外模擬和手術(shù)個體化設(shè)計的目的；并研究如何利用計算機輔助設(shè)計技術(shù)研制出個體化數(shù)字手術(shù)導(dǎo)向模板（digital targeting template，DTT）輔助手術(shù)，使手術(shù)更加精確、安全，效果更理想。 （2）寰樞椎后路經(jīng)椎弓根手術(shù)術(shù)中置釘時存在損傷椎動脈或脊髓的風(fēng)險，本實驗通過計算機三維輔助設(shè)計技術(shù)與快速成型技術(shù)，研究如何在術(shù)前建

3、立病椎的實體模型以及數(shù)字化導(dǎo)向模板，從而實現(xiàn)術(shù)中在DTT引導(dǎo)下置釘，以及研究如何提高寰樞椎后路經(jīng)椎弓根手術(shù)置釘?shù)陌踩院蜏?zhǔn)確性。 （3.1）在非計算機術(shù)中導(dǎo)航條件下，研究如何提高經(jīng)皮經(jīng)椎弓根穿刺入路技術(shù)安全性。 （3.2）上胸椎病變的患者，由于胸椎周圍有肋骨、肩胛骨遮擋致使術(shù)中X線機影像顯示不清，加之胸椎椎弓根周徑較小，這些因素均給上胸椎經(jīng)皮椎弓根穿刺技術(shù)帶來較大困難。在非計算機術(shù)中導(dǎo)航條件下，本研究探討借助計算機手術(shù)輔

4、助設(shè)計及快速成型技術(shù)完成上胸椎經(jīng)皮椎弓根穿刺術(shù)的可行性。 （4）三踝骨折的治療要求嚴(yán)格解剖復(fù)位，本實驗研究如何對患者的手術(shù)方案進行個體化設(shè)計，提高三踝骨折手術(shù)的術(shù)中效率和手術(shù)效果。 （5）跟骨關(guān)節(jié)內(nèi)骨折治療效果不盡如人意，臨床上多以健側(cè)跟骨X線為準(zhǔn)，依據(jù)經(jīng)驗判斷Bohler角（跟骨結(jié)節(jié)關(guān)節(jié)角）應(yīng)恢復(fù)的角度。本實驗研究以健側(cè)跟骨三維圖像為復(fù)原標(biāo)準(zhǔn)的科學(xué)性。以及研究如何利用虛擬鏡像進行撬撥復(fù)位的計算機三維虛擬，設(shè)計出恢復(fù)Bo

5、hler角的手術(shù)方案，個體化精確恢復(fù)Bohler角。 方法: （1.1）選擇患者CT平掃DICOM3.0格式數(shù)據(jù)，掃描層距參數(shù)為0.7mm。在SIMPLEWARE或MIMICS軟件中調(diào)用圖像數(shù)據(jù)序列，建立患者骨骼三維模型。 （1.2）對重建模型進行計算機三維測量并設(shè)計導(dǎo)向管，以骨性突起為模板輔助定位骨性標(biāo)志，建立三維互補組件。建立連接桿與組件連接，使導(dǎo)向管、連接桿與互補組件融合為整體數(shù)字化手術(shù)導(dǎo)向模板。

6、（1.3）骨骼三維模型與手術(shù)輔助模板分別存儲為STL文件格式。經(jīng)AFS激光快速自動成型機，采用選區(qū)激光燒結(jié)（SLS）模式，利用計算機三維立體模型經(jīng)過分層處理給出的路徑，控制激光束逐點、逐線、逐面燒結(jié)固化再層層疊加，快速地制作出患者個體化實物標(biāo)本以及模板。 （1.4）在患者個體化標(biāo)本上模擬手術(shù)，加載手術(shù)導(dǎo)向模板，術(shù)前確定植入物種類型號，減少手術(shù)時間。個體化標(biāo)本以及導(dǎo)向模板可高溫消毒，可用于實際手術(shù)，在此基礎(chǔ)上進行患者個體化手術(shù)。

7、 （2.1）可復(fù)性寰樞椎脫位及寰樞椎不穩(wěn)15例，螺旋CT薄層圖像經(jīng)計算機三維重建建立以包含寰樞椎在內(nèi)的上頸椎三維模型。 （2.2）以寰樞椎椎弓根中心軸為軸心，參考3.5mm椎弓根釘直徑設(shè)計空間三維圓柱管道。觀察空間三維圓柱管道在各橫斷切面上與寰樞椎椎弓根四壁的關(guān)系，確定椎弓根各壁不被切破，此圓柱管道即為寰樞椎椎弓根置釘安全三維釘?shù)?。沿設(shè)計好的椎弓根置釘安全三維釘?shù)婪聪蜓娱L，建立椎弓根置釘導(dǎo)向管。取寰椎后弓與樞椎棘突為模板輔

8、助定位骨性標(biāo)志，建立三維互補組件。在此基礎(chǔ)上組建寰樞椎后路手術(shù)個體化數(shù)字導(dǎo)向模板。 （2.3）在快速成型機上按CAD設(shè)計圖制作相應(yīng)個體化模板實物，完成手術(shù)導(dǎo)向模板輔助寰樞椎后路置釘術(shù)。 （3.1）選擇腰椎腫瘤穿刺活檢病例，采用CT圖像、計算機三維重建和三維設(shè)計模擬技術(shù)，在穿刺術(shù)前建立病椎的三維數(shù)字模型，并對病椎椎弓根的E角和F角進行三維測量。在測量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進行穿刺入路計算機三維虛擬，測算入路皮膚進針點，椎弓根進針點以

9、及進針角度，從而設(shè)計出合理安全的穿刺解剖入路。以此設(shè)計入路為穿刺術(shù)中參考，在CT數(shù)據(jù)處理平臺監(jiān)測下按三維設(shè)計入路方案進針，從而減少手術(shù)時間和患者CT接受掃描的次數(shù)。 （3.2）選擇上胸椎腫瘤椎體成形病例，采用快速成型技術(shù)還原患者骨骼模型。在X光監(jiān)測下根據(jù)模型進行模擬手術(shù)設(shè)計，選擇合適的進釘點及進釘角度等，模擬進行鉆孔操作。控制進針角度和深度。穿刺后將模型置于G臂機獲取X光圖像并比較分析。術(shù)中將模型以及分析結(jié)果帶入手術(shù)室，供術(shù)者參

10、考判斷進針深度，輔助完成手術(shù)。 （4）我院2007-3月至2008-3月三踝骨折病例24例隨機分為兩組，A組快速成型輔助設(shè)計手術(shù)組12例，B組常規(guī)手術(shù)組12例。A組手術(shù)前采取三維重建、計算機模擬、快速成型與個體化標(biāo)本預(yù)手術(shù)。通過與常規(guī)手術(shù)比較，說明計算機快速成型輔助個體化治療三踝骨折的效果。 （5）40例正常雙側(cè)跟骨計算機三維重建后測量Bohler角和Gissane角，24例單側(cè)跟骨骨折患者術(shù)前建立健患側(cè)跟骨的三維數(shù)字模

11、型，對健側(cè)跟骨采取三維模擬鏡像技術(shù)，以虛擬鏡像為標(biāo)準(zhǔn)進行患側(cè)跟骨骨折復(fù)位，對撬撥復(fù)位角度進行個體化三維設(shè)計。 結(jié)果: （1）CAD-RP臨床應(yīng)用共計87例，其中三踝骨折12例，跟骨骨折24例，股骨頸骨折7例，下肢矯形6例，骨腫瘤8例，寰樞椎15例，脊柱側(cè)彎11例，后凸畸形4例?；颊呓?jīng)過CAD-RP技術(shù)指導(dǎo)均能實施個體化精確手術(shù)，均能獲得良好復(fù)位，內(nèi)固定位置滿意。 （2）15例病人手術(shù)順利可行，可復(fù)性寰樞椎脫位及寰

12、樞椎不穩(wěn)均解剖復(fù)位，固定良好。寰樞椎椎弓根螺釘置釘位置準(zhǔn)確，未發(fā)生任何并發(fā)癥。 （3.1）E角和F角的平面線線夾角與空間線面夾角之差，在E角測量中為0.05°，在F角測量中為1.86°。最佳皮膚進針定位點與臨床常用進針定位點距離為1.22mm。在CT平臺監(jiān)測下按三維設(shè)計入路方案可順利進針，使整個穿刺過程在椎弓根內(nèi)及椎體內(nèi)安全完成。 （3.2）根據(jù)上胸椎經(jīng)皮椎弓根穿刺術(shù)X光定位分析結(jié)果，可進行患者個體化經(jīng)皮胸椎椎弓根穿刺椎

13、體成形術(shù)。術(shù)前可利用模型向病人及家屬加強術(shù)前宣教。術(shù)中將模型帶入手術(shù)室，直接在手術(shù)臺旁供術(shù)者參考。胸椎弓根穿刺針深度與X線位置分析結(jié)果可輔助術(shù)中判斷進針深度。術(shù)前X光定位圖像可打印，術(shù)中與G臂監(jiān)測圖像進行對比，輔助順利完成上胸椎椎弓根椎體成形術(shù)。 （4）三踝骨折患者術(shù)后隨訪8-15個月。A組手術(shù)復(fù)位與固定時間（45.43±9.38）min，低于B組（58.61±12.32）min（t=-2.948，P=0.007），差異有統(tǒng)計學(xué)

14、意義；A組手術(shù)療效優(yōu)秀率為83.3%，B組手術(shù)療效優(yōu)秀率為66.7%。 （5）正常跟骨Bohler角左側(cè)為34.27±5.14°，右側(cè)為33.08±6.05°，兩者無統(tǒng)計學(xué)差異（t=0.864，P=0.393），正常跟骨Gissane角左側(cè)為57.69±6.91°，右側(cè)為55.81±5.23°，兩者無統(tǒng)計學(xué)差異（t=1.285，P=0.207）。當(dāng)撬撥旋轉(zhuǎn)角度為28.84±6.51°，Bohler角恢復(fù)至32.86±1.72°，

15、C臂機監(jiān)測下按此角度可精確恢復(fù)Bohler角。 結(jié)論: （1）CAD-RP技術(shù)可在骨科臨床廣泛應(yīng)用，可以通過計算機進行個體化精確測量，在計算機輔助設(shè)計與數(shù)字化導(dǎo)向模板輔助下施行高精度的手術(shù)。 （2.1）設(shè)計出寰樞椎后路手術(shù)個體化數(shù)字導(dǎo)向模板，為寰樞椎椎弓根內(nèi)固定置釘術(shù)提供新的研究路線和手術(shù)方案。 （2.2）寰樞椎后路椎弓根內(nèi)固定數(shù)字化導(dǎo)向模板引導(dǎo)下置釘，實現(xiàn)了寰樞椎椎弓根內(nèi)固定置釘?shù)陌踩院蜏?zhǔn)確性。

16、 （3.1）以立體幾何學(xué)為基礎(chǔ)，通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)邏輯推理，發(fā)現(xiàn)并證實了E角和F角的平面線線夾角與空間線面夾角的差異；從實踐上重新測量E角和F角空間線面夾角的準(zhǔn)確數(shù)值，解決了E角和F角的平面線線夾角的誤差，為數(shù)字醫(yī)學(xué)新時代對解剖的數(shù)據(jù)測量提供了更精準(zhǔn)的技術(shù)路線；在三維數(shù)字影像技術(shù)的支持下，對經(jīng)皮椎弓根穿刺角度進行個體化三維設(shè)計和監(jiān)測，解決了個體差異帶來的影響。 （3.2）計算機手術(shù)輔助設(shè)計及快速成型技術(shù)為上胸椎經(jīng)皮椎弓根穿刺技術(shù)提