數(shù)字化接骨板的研制與應(yīng)用

任紹東 虎群盛 劉智 溫干軍 屠永剛 江帝欽 馬邦興

數(shù)字化接骨板的研制與應(yīng)用

任紹東①虎群盛①劉智②溫干軍①屠永剛①江帝欽①馬邦興①

目的：針對(duì)骨折患者，探討適合患者骨骼解剖形態(tài)和骨折病理形態(tài)特點(diǎn)的數(shù)字化接骨板的定制過(guò)程和方法，通過(guò)數(shù)字技術(shù)使接骨板完全個(gè)體化、特異化。方法：由CT薄斷層掃描及三維成像獲取骨折部位及對(duì)應(yīng)健側(cè)骨骼的原始數(shù)據(jù)，經(jīng)電腦處理生成快速成型所需的數(shù)據(jù)。通過(guò)快速成型技術(shù)制作患者具體骨折的模型，模擬骨折復(fù)位，經(jīng)電腦分析、處理，設(shè)計(jì)適合該患者骨折部位的接骨板及設(shè)計(jì)好預(yù)留固定的螺釘孔、接骨板形態(tài)。通過(guò)數(shù)字化程控技術(shù)生產(chǎn)出適合骨折患者的個(gè)性化數(shù)字接骨板。結(jié)果：成功定制了首例應(yīng)用于股骨近端骨折的的數(shù)字化接骨板。結(jié)論：該方法是通過(guò)結(jié)合螺旋CT三維成像、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)制造、數(shù)控仿真加工技術(shù)為創(chuàng)傷骨科患者成功定制出完全數(shù)字化、個(gè)體化的接骨板，對(duì)創(chuàng)傷骨科骨折患者來(lái)說(shuō)，不失為一種較理想的內(nèi)固定植入物，有很大的發(fā)展和應(yīng)用前景。

創(chuàng)傷骨科； 數(shù)字化接骨板； 內(nèi)固定鋼板； 個(gè)體化

隨著骨科手術(shù)的發(fā)展，創(chuàng)傷骨折患者的內(nèi)固定植入物器材的變化也很大。骨科廣泛使用的內(nèi)固定接骨板是醫(yī)療器械廠批量的通用型接骨板，而人類骨骼的形態(tài)、大小卻存在差異，并且骨折的類型更是千差萬(wàn)別，批量生產(chǎn)的通用型接骨板不能精確的適合具體骨折部位的形態(tài)、力學(xué)等方面的要求。由于個(gè)體差異，使術(shù)中鋼板塑型不良，或者植入物不能完全匹配患肢的骨骼解剖結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致部分患者發(fā)生骨折愈合延遲，畸形愈合或骨不連，甚至內(nèi)植入物斷裂，取出困難等問(wèn)題[1]。利用螺旋CT三維重建成像技術(shù)和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、制造(簡(jiǎn)稱：CAD/CAM)技術(shù)及數(shù)控仿真加工(CNC)技術(shù)，筆者已經(jīng)快速定制出按照不同患者、不同部位、不同骨折特點(diǎn)的骨骼匹配度極高的股骨近端數(shù)字化接骨板，使患者的內(nèi)固定鋼板完全個(gè)體化，現(xiàn)報(bào)道如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料 患者，女，11歲，高處摔傷致左股骨近端粉碎性骨折。利用本院螺旋CT機(jī)，1 mm間距，螺距10 mm螺旋掃描患側(cè)和健側(cè)兩側(cè)股骨近端，采集數(shù)據(jù)。利用求反軟件Mimics 8.1三維重建生產(chǎn)圖像(圖1)，并把圖像切割，并轉(zhuǎn)換成Iges文件。利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件Unigraphics NX 5.0，可以精確繪制出患者正常股骨上段，由此先設(shè)計(jì)出健側(cè)股骨上端相貼合的鋼板。結(jié)合患側(cè)左側(cè)股骨骨碎片大小以及骨折線長(zhǎng)短，再設(shè)計(jì)出螺釘孔的位置。根據(jù)人體骨骼對(duì)稱性，把得到股骨圖像鏡像處理，選定鋼板寬度、長(zhǎng)度及相應(yīng)螺釘孔位置，得到左側(cè)股骨近端定制鋼板的圖像，保存為Igs文件。

1.2 數(shù)控中心加工 把Igs文件導(dǎo)入到數(shù)控中心Pro/Engineer Wildfire 5.0，采用0.1 mm刀具加工，直接切削加工外形、內(nèi)圓弧表面成型制成骨折模型(圖2)。

圖1 CT三維重建骨折圖片

圖2 骨折模型

2 結(jié)果

通過(guò)CT掃描和三維重建，并經(jīng)求反軟件和UGNX、Pro/E數(shù)控加工技術(shù)，定制出完全個(gè)體化的內(nèi)固定鋼板(圖3)。理論上，該內(nèi)固定鋼板跟患者的骨骼的匹配度可以達(dá)到±0.2 mm。定制的數(shù)字化接骨板比目前常用的股骨近端鋼板，更符合患者的股骨近端骨骼特征(圖4)。實(shí)際證明，筆者把這塊數(shù)字化接骨板未經(jīng)塑形直接植入固定，與患側(cè)股骨的匹配度相當(dāng)滿意(圖5)。

圖3 數(shù)字化鋼板

圖4 數(shù)字化鋼板與骨折模型匹配圖

圖5 術(shù)后鎖定鋼板X線表現(xiàn)

3 討論

由于患者個(gè)體在骨骼形態(tài)上存在的差異性和骨折類型的不同，即個(gè)性化差異，即使接骨板制造商將其規(guī)格型號(hào)分得足夠細(xì)，其接骨板與骨骼表面的吻合性與螺釘?shù)奈恢玫炔⒉焕硐?，術(shù)前必須準(zhǔn)備足夠的、可能用到的接骨板型號(hào)和規(guī)格，即便如此仍不可避免手術(shù)時(shí)醫(yī)生臨時(shí)性的再塑形，除非犧牲復(fù)位的正確性而遷就接骨板的形狀。不僅增加了手術(shù)的隨意性和操作難度，接骨板與骨表面的吻合性、內(nèi)固定的穩(wěn)定性和復(fù)位的正確性都難以保證。對(duì)于醫(yī)用不銹鋼、鈦及鈦合金材料而言，這種冷變形理論上是被禁止的，因?yàn)槔湔蹚潓⒏淖儾牧蟽?nèi)部的金相結(jié)構(gòu)，降低它的強(qiáng)度及耐腐蝕性能[2]。手術(shù)中接骨板的再塑形可能是導(dǎo)致內(nèi)固定失敗的原因之一。另外接骨板上螺釘孔的位置，有時(shí)不能滿足固定所有骨折塊的要求，有時(shí)螺釘孔正好在骨折線上，影響內(nèi)固定的強(qiáng)度和效果。上述情況都可能是造成內(nèi)固定失敗的原因[3-4]。

近年來(lái)，數(shù)字醫(yī)學(xué)技術(shù)與骨科臨床醫(yī)學(xué)緊密結(jié)合，極大地促進(jìn)了骨科臨床診療技術(shù)的發(fā)展。今天的數(shù)字骨科學(xué)[5]，充分利用了醫(yī)學(xué)領(lǐng)域多維圖像數(shù)據(jù)，在計(jì)算機(jī)輔助下，顯示和定位人體骨骼的解剖結(jié)構(gòu)，術(shù)前模擬手術(shù)，在適當(dāng)?shù)膱D像監(jiān)視和立體定位系統(tǒng)下，利用一定的導(dǎo)引系統(tǒng)，輔助醫(yī)生完成手術(shù)，極大的提高了手術(shù)治療的準(zhǔn)確性和安全性。CT掃描技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、快速成型技術(shù)及數(shù)控加工技術(shù)的快速進(jìn)步和發(fā)展，使臨床上在短時(shí)間內(nèi)制造數(shù)字化接骨板成文可能。以三維重建為基礎(chǔ)，成功實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換與統(tǒng)一，實(shí)現(xiàn)快速設(shè)計(jì)制造，可以改變目前手術(shù)醫(yī)生根據(jù)目測(cè)和經(jīng)驗(yàn)塑型鋼板的現(xiàn)狀，不但省去塑型這個(gè)步驟，而且減少手術(shù)創(chuàng)傷，縮短手術(shù)時(shí)間，減少骨折畸形愈合骨不連等并發(fā)癥發(fā)生，完全符合現(xiàn)代骨科內(nèi)固定微創(chuàng)BO[6]。筆者在手術(shù)中顯露骨折端，復(fù)位骨折后，該數(shù)字化接骨板未經(jīng)任何塑型直接植入，骨折端復(fù)位固定的相當(dāng)服帖，術(shù)后攝片也證實(shí)該鋼板與患者股骨匹配度相當(dāng)滿意。

數(shù)字化接骨板是針對(duì)某個(gè)個(gè)體而專門設(shè)計(jì)加工的，因此，具有十分優(yōu)異的吻合性和螺釘孔特殊的位置。術(shù)者無(wú)需再進(jìn)行選型和塑型，只需按事先確定的固定方案安裝即可。操作方便，穩(wěn)定性好，手術(shù)質(zhì)量高。本例患者為兒童股骨近端粉碎性骨折，臨床上成人鋼板無(wú)法運(yùn)用于此部位，并且螺釘孔無(wú)法滿足骨折復(fù)位及固定的要求，如選用髓內(nèi)釘又存在損傷骨骺，造成骨骼發(fā)育畸形的風(fēng)險(xiǎn)，因此，設(shè)計(jì)并使用數(shù)字化接骨板成為必然。本例數(shù)值化接骨板的設(shè)計(jì)及制作過(guò)程在短期內(nèi)完成，滿足了臨床限期手術(shù)要求，手術(shù)過(guò)程短。數(shù)字化接骨板因其更符合生物力學(xué)特性，有利于患肢功能的恢復(fù)，將會(huì)被越來(lái)越多的骨折患者所接受。該例數(shù)字化接骨板的成功應(yīng)用，極大地鼓舞著醫(yī)務(wù)人員進(jìn)一步研究，使完全個(gè)體化鋼板的制造技術(shù)和工藝趨于更加完美。

[1] Woo S Y.Lee rigid internal tixation plate:Histeological perspectivers and new concepts[J].J Orthop Res，1984，110(15): 413-419.

[2] 陳振華.鈦與鈦合金[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005:22-23.

[3] 任龍韜.鋼板斷裂的原因及其預(yù)防[J].實(shí)用骨科雜志，2005，11(6):522-523.

[4] 張利獻(xiàn)，張麗萍，席學(xué)義.股骨干骨折術(shù)后內(nèi)固定物斷裂6例原因分析[J].中國(guó)醫(yī)藥創(chuàng)新雜志，2010，30(7)：69-70.

[5] 裴國(guó)獻(xiàn)，張?jiān)?數(shù)字骨科學(xué):一門骨科學(xué)新分支的萌生[J].中華創(chuàng)傷骨科雜志，2007，9(15):601-604.

[6] 王亦璁.BO與AO的不同之處[J].骨與關(guān)節(jié)損傷雜志，2002，17(1):3-5.

The Manufacture and Clinical Application of Individual Digitized Plate

/REN Shao-dong，HU Qun-sheng，LIU Zhi，et al.

Objective： Aiming at the fracture patients， to explore suitable in patients with skeletal anatomy and morphology of fracture and pathologic features of digital plate in the customization process and method， through digital technology makes the plate completely individualized. Method：Obtained the raw data of the fracture site and the corresponding contralateral bone by CT thin tomography and three-dimensional imaging technology. With the assistance of rapid prototyping of data generated by the computer processe，used rapid prototyping technology to produce specific fracture model. used computer to simulate fractures， analysis and design plate with a fixed screw holes.Result：Success in customization the first individual internal fixation with femoral plate for the treatment of femoral fracture. Conclusion：The new method of individual internal fixation with steel plate customization according to 3D reconstruction of CT images and machining technique is a good news for patients of orthopedic trauma. We are fully confident of the future development of the method of individual internal fixation with steel plate customization.

Department of orthopedic trauma； Digitized plate； Internal fixation with steel plate； Individual

Dongguan ChangPing Hospital，Dongguan 523573，China

// Medical Innovation of China，2012，9(22):075-076

10.3969/j.issn.1674-4985.2012.22.045

①?gòu)V東省東莞市常平醫(yī)院 廣東 東莞 523573

②北京軍區(qū)總醫(yī)院

虎群盛

2012-03-21) (本文編輯：李嫚)