3D數(shù)字骨科學(xué)在個(gè)性化骨折臨床治療的應(yīng)用與進(jìn)展

鐘 浩，李釗偉，唐保明，李澤清

（青海大學(xué)附屬醫(yī)院，青海 西寧 810000）

3D數(shù)字骨科學(xué)在個(gè)性化骨折臨床治療的應(yīng)用與進(jìn)展

鐘 浩，李釗偉*，唐保明，李澤清

（青海大學(xué)附屬醫(yī)院，青海 西寧 810000）

數(shù)字醫(yī)學(xué)；3D模擬；手術(shù)指導(dǎo)

隨著人類社會(huì)進(jìn)入21世紀(jì)后的科技爆發(fā)與第三次工業(yè)革命，數(shù)字化已經(jīng)進(jìn)入到人類生活的方方面面。數(shù)字化醫(yī)學(xué)已經(jīng)是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)發(fā)展的熱門與核心方向，尤其是在骨科領(lǐng)域的應(yīng)用。數(shù)字骨科學(xué)以計(jì)算機(jī)科學(xué)與骨科學(xué)相結(jié)合的新興交叉學(xué)科，其涉及到數(shù)學(xué)、電子信息學(xué)、生物工程學(xué)、解剖學(xué)、計(jì)算機(jī)軟件學(xué)、機(jī)械工程學(xué)等領(lǐng)域的交叉學(xué)科[1-2]?，F(xiàn)代數(shù)字化技術(shù)的飛速前進(jìn)為醫(yī)學(xué)的發(fā)展尤其是骨科學(xué)的發(fā)展與研究提供新的動(dòng)力及方向，數(shù)字科學(xué)與骨科學(xué)在臨床領(lǐng)域相互指導(dǎo)，在個(gè)性化骨折治療方面相互融合，在與傳統(tǒng)骨科學(xué)方面相互影響，現(xiàn)代數(shù)字骨科學(xué)在相互促進(jìn)中應(yīng)運(yùn)而生。數(shù)字骨科學(xué)主要包括醫(yī)學(xué)影像處理技術(shù)與計(jì)算機(jī)三維模擬技術(shù)、三維虛擬仿真與可視化技術(shù)、臨床計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)/計(jì)算機(jī)輔助制造（Computer assisted design/computer assisted manufacturing，CAD/CAM）技術(shù)、生物力學(xué)仿真技術(shù)、機(jī)器人輔助導(dǎo)航技術(shù)、三維有限元分析技術(shù)等[3]。在精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)指導(dǎo)下個(gè)性化骨折的治療已成為數(shù)字化骨科學(xué)的發(fā)展目標(biāo)。3D打印技術(shù)即快速成型技術(shù)通常是采用數(shù)字技術(shù)材料打印機(jī)來實(shí)現(xiàn)的，廣泛應(yīng)用于材料學(xué)、設(shè)計(jì)學(xué)工程學(xué)及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。3D打印技術(shù)與數(shù)字骨科學(xué)的完美融合為臨床中個(gè)性化骨折的治療提供了保障與方案。

1 數(shù)字化醫(yī)學(xué)影像處理技術(shù)與計(jì)算機(jī)三維模擬技術(shù)

數(shù)字化醫(yī)學(xué)影像學(xué)處理即是手術(shù)前通過Mimics軟件系統(tǒng)，利用醫(yī)學(xué)影像學(xué)數(shù)據(jù)（多數(shù)為CT或MRI）在計(jì)算機(jī)中建立相應(yīng)的骨關(guān)節(jié)3D模型。在傳統(tǒng)骨科的診療中，通常是以術(shù)前X線片、CT、MRI資料及術(shù)中透視結(jié)果為骨折復(fù)位與固定的依據(jù)，這些結(jié)果大多是在間接及二維的水平上對(duì)患者的病情進(jìn)行了解，缺乏直觀的三維表現(xiàn)，主要依靠經(jīng)驗(yàn)判斷。但對(duì)于一些復(fù)雜、粉碎性或一般平片難以發(fā)現(xiàn)的骨折而言，通常會(huì)通過CT三維重建來幫助術(shù)者及診療者對(duì)骨折、尤其是復(fù)雜或一般平片難以發(fā)現(xiàn)的骨折形成一個(gè)立體概念，但骨關(guān)節(jié)CT三維重建大多數(shù)情況下只能單一的讀取，通常只能在設(shè)定好的方向及角度上進(jìn)行閱讀，不能夠進(jìn)行術(shù)前手術(shù)模擬與內(nèi)固定材料的術(shù)前個(gè)性化匹配，更不能使術(shù)者得到類似術(shù)中的骨折整體認(rèn)識(shí)并做出準(zhǔn)確判斷；通過Mimics軟件系統(tǒng)三維重建技術(shù)能夠?yàn)樾g(shù)者在術(shù)前骨折治療方案的選擇提供清晰可靠的依據(jù)，從而使術(shù)者在進(jìn)行手術(shù)設(shè)計(jì)時(shí)更大限度地提高復(fù)位和固定效果，保護(hù)骨折斷端的血運(yùn)，改善預(yù)后；同時(shí)還便于向患者及其家屬交代病情及手術(shù)方案，緩解醫(yī)患矛盾。對(duì)于嚴(yán)重的不穩(wěn)定性骨折，三維重建技術(shù)可以正確的指導(dǎo)診斷分型及確定治療方案及手術(shù)方案，Brown等[4]將三維重建技術(shù)應(yīng)用于117例復(fù)雜骨科手術(shù)，術(shù)前在三維重建技術(shù)的幫助下建立1:1模型全面了解患者骨折情況，并設(shè)計(jì)個(gè)性化的手術(shù)方案。李濤等[5]通過計(jì)算機(jī)三維模擬軟件，重建了3例復(fù)雜的髖臼骨折患者的CT影像資料，重建后的3D模型能夠讓術(shù)者術(shù)前判斷手術(shù)難度，了解骨折特點(diǎn)，設(shè)計(jì)手術(shù)方案，縮短手術(shù)時(shí)間。計(jì)算機(jī)三維模擬技術(shù)與3D打印技術(shù)相結(jié)合能夠直觀地展示骨折的實(shí)際情況，為復(fù)雜骨折的診斷分型和個(gè)性化治療提供了參考依據(jù)與保障。對(duì)復(fù)雜骨折而言，計(jì)算機(jī)三維模擬技術(shù)的建立無疑為術(shù)者全面和清晰的了解骨折部位的解剖結(jié)構(gòu)、骨折類型、分型提供了直觀的資料。也為患者個(gè)性化手術(shù)治療提供了最直接的依據(jù)。

2 數(shù)字骨科學(xué)對(duì)骨折分類及個(gè)性化手術(shù)指導(dǎo)

骨折分類的明確對(duì)術(shù)前治療方法的選擇起著決定性作用，對(duì)術(shù)者實(shí)施手術(shù)也起著重要的作用，所以明確骨折病人的骨折類型及分類對(duì)患者的治療尤為重要[1]。Mimics軟件系統(tǒng)建立數(shù)字化3D模型在骨關(guān)節(jié)創(chuàng)傷的診斷中起到非常重要的作用，Mimics軟件系統(tǒng)易于操作，利用CT平掃數(shù)據(jù)即可生成3D立體模型，能夠多層次、多角度的顯示骨折的特點(diǎn)及空間位置關(guān)系，可為臨床醫(yī)生明確骨折的分型、選擇個(gè)性化治療方案、決定合適的手術(shù)入路及方案提供可靠的依據(jù)[6-8]。張?jiān)堑萚9]利用Mimics軟件系統(tǒng)三維技術(shù)重建了骨折的三維可視模型，準(zhǔn)確反映出骨折的解剖學(xué)特點(diǎn)，骨折移位的方向和程度，并可在Mimics軟件系統(tǒng)中進(jìn)行任意旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)、轉(zhuǎn)換視角、添加及減去軟組織、剖切等觀察和操作，明確了骨折的分型并計(jì)算機(jī)三維模擬手術(shù)并設(shè)計(jì)個(gè)性化內(nèi)固定物，再通過3D打印技術(shù)驗(yàn)證手術(shù)及內(nèi)固定物的設(shè)計(jì)。萬永鮮等[10]同樣利用三維重建模型對(duì)42例四肢復(fù)雜骨折患者進(jìn)行骨折分型及制定了個(gè)性化的手術(shù)治療方案，并進(jìn)行術(shù)前手術(shù)模擬，其手術(shù)操作簡便、創(chuàng)傷小、并發(fā)癥少、療效確切等明顯優(yōu)于對(duì)照組。在皮瓣移植手術(shù)過程中，切取皮瓣的重點(diǎn)是能夠分離解剖出皮瓣血供的軸型血管，由于個(gè)人血管的差異性，即便術(shù)者對(duì)皮瓣區(qū)的局部解剖非常了解，也很難預(yù)先了解每個(gè)患者皮瓣區(qū)血管的具體位置及情況。鑒于皮瓣血供的不確定性，倘若術(shù)前可以了解皮瓣軸型血管走行以及其與周圍解剖關(guān)系，便于進(jìn)行個(gè)性化、精準(zhǔn)化的術(shù)前設(shè)計(jì)，減少手術(shù)醫(yī)生手術(shù)過程中的失誤，就顯得尤為重要。任義軍[11]等通過CTA或MRA資料，利用Mimics軟件系統(tǒng)三維重建技術(shù)模擬出個(gè)性化的皮瓣軸型血管的解剖特點(diǎn)，清晰顯示血管解剖三維關(guān)系，再通過3D打印技術(shù)1:1制作出模型，更直觀的指導(dǎo)術(shù)中的個(gè)性化皮瓣的設(shè)計(jì)與切取。對(duì)于復(fù)雜的髖臼骨折，其多屬于高能量暴力損傷，位置的特殊性以及解剖特點(diǎn)的復(fù)雜性往往導(dǎo)致臨床診斷分型困難，普通的骨盆平片由于提供的信息有限，故臨床漏診及誤診時(shí)有發(fā)生。通常采用三維CT來判斷臼壁的骨折情況，石玲玲等[12]通過計(jì)算機(jī)三維模擬技術(shù)對(duì)10例復(fù)雜髖臼骨折的CT數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建，通過3D打印技術(shù)制造出1:1髖臼模型，并依據(jù)Letournel 分類[13]，使術(shù)者對(duì)患者的骨折分型一目了然，根據(jù)骨折特點(diǎn)其個(gè)性化的手術(shù)方案也應(yīng)運(yùn)而生。并用super image orthopedics edition軟件進(jìn)行術(shù)前模擬，幫助術(shù)者直觀地了解髖臼骨折解剖學(xué)特征，指導(dǎo)手術(shù)方案，通過3D模型預(yù)彎鋼板，術(shù)中精確的復(fù)位及內(nèi)固定，術(shù)后治療效果明顯。計(jì)算機(jī)三維模擬技術(shù)術(shù)前模擬骨折復(fù)位，明確骨折分型對(duì)個(gè)性化手術(shù)起到指導(dǎo)作用。

3 Mimics軟件系統(tǒng)應(yīng)用及注意事項(xiàng)

在Mimics軟件系統(tǒng)中，將CT數(shù)據(jù)建立的3D模型利用CT Bone Segmentation功能鍵實(shí)現(xiàn)對(duì)骨折塊的三維操作，即為Object，術(shù)前手術(shù)模擬中重要的骨折塊尤其是涉及到關(guān)節(jié)面的骨折塊均應(yīng)建立Object，稱之為建立單元（簡稱建元），亦可通過Region Growing將骨折塊區(qū)分出來。在骨折的診斷與治療中，關(guān)節(jié)面骨折的處理尤為重要，若涉及關(guān)節(jié)面的骨折在手術(shù)過程中處理不當(dāng)，日后一定會(huì)影響到患者的關(guān)節(jié)功能運(yùn)動(dòng)，造成創(chuàng)傷性關(guān)節(jié)炎的可能極大，所以通常只要涉及關(guān)節(jié)面且面積＞0.5 cm2的骨折塊都應(yīng)進(jìn)行處理，建立單獨(dú)的Object單元。因此，對(duì)骨折的三維重建必須熟悉Mimics軟件系統(tǒng)的使用，三維重建過程中應(yīng)先整體觀察骨折的類型，再將重要的細(xì)小骨折塊區(qū)分出來，不要將重要的骨塊尤其是涉及到關(guān)節(jié)面的骨折塊遺漏。具體到涉及膝關(guān)節(jié)完整性的骨折，損傷因素多為高能量暴力損傷所致，造成關(guān)節(jié)面的多處骨折，關(guān)節(jié)面失去完整性，手術(shù)目的是重新恢復(fù)關(guān)節(jié)面的平整及關(guān)節(jié)功能[14-16]。對(duì)以上骨折進(jìn)行三維建元時(shí)，必須對(duì)涉及到關(guān)節(jié)面的骨折塊單獨(dú)建立Object，以便在術(shù)前手術(shù)模擬中盡可能恢復(fù)關(guān)節(jié)面平整以便于術(shù)中關(guān)節(jié)的重新恢復(fù)。對(duì)于踝關(guān)節(jié)骨折，傳統(tǒng)觀念認(rèn)為，若后踝負(fù)重面＜25%，則骨折對(duì)脛距關(guān)節(jié)的生物力學(xué)特性影響較小，可以不予手術(shù)治療[17]。近年來有學(xué)者經(jīng)長期隨訪得出結(jié)論，若后踝骨折塊涉及脛骨遠(yuǎn)端關(guān)節(jié)面的10%時(shí)，需手術(shù)治療，恢復(fù)關(guān)節(jié)穩(wěn)定性及關(guān)節(jié)內(nèi)原有的接觸應(yīng)力，減少創(chuàng)傷性關(guān)節(jié)炎的發(fā)生[18-19]。因此術(shù)前對(duì)此類骨折進(jìn)行術(shù)前三維重建時(shí)，對(duì)后踝骨折塊應(yīng)單獨(dú)建元并模擬恢復(fù)關(guān)節(jié)平整。大多數(shù)踝關(guān)節(jié)骨折常合并下脛腓的損傷及分離[20]，常需要手術(shù)來恢復(fù)下脛腓的穩(wěn)定，術(shù)前三維模擬中脛骨及腓骨都應(yīng)該單獨(dú)建立Object。跟骨為不規(guī)則松質(zhì)骨，跟骨骨折除伴有松質(zhì)骨的壓縮外還會(huì)形成粉碎性的小骨塊，術(shù)前三維重建難度高，操作要求高。而對(duì)跟骨進(jìn)行術(shù)前三維重建時(shí)，應(yīng)對(duì)健側(cè)跟骨進(jìn)行三維重建并單獨(dú)建立Object，以健側(cè)跟骨作為鏡像來對(duì)患側(cè)跟骨進(jìn)行涂抹及建元以協(xié)助術(shù)前手術(shù)[21-23]，以幫助不規(guī)則骨骨折的術(shù)前三維手術(shù)模擬。

4 個(gè)性化內(nèi)植物及截骨導(dǎo)板的設(shè)計(jì)

目前使用的關(guān)節(jié)假體及截骨導(dǎo)板大多采用廠商提供的系列產(chǎn)品，多根據(jù)西方人的骨骼解剖特點(diǎn)設(shè)計(jì)，而對(duì)于發(fā)育異常、畸形、大面積骨缺損和骨腫瘤患者，術(shù)中常出現(xiàn)假體與截骨導(dǎo)板不能完美配合的狀況。目前關(guān)節(jié)假體的植入及截骨導(dǎo)板的應(yīng)用早已趨向于個(gè)體化、精準(zhǔn)化的方向，采用Mimics軟件系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）和計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）技術(shù)已被運(yùn)用于個(gè)性化假體置換手術(shù)中[24]。付軍等[25]通過3D打印截骨導(dǎo)板，并將其成功運(yùn)用于31例骨腫瘤的患者，通過術(shù)后的隨訪證實(shí)了3D打印手術(shù)導(dǎo)板能夠很好的為骨腫瘤患者提供個(gè)性化的手術(shù)解決方案，并能夠在術(shù)中及術(shù)后實(shí)現(xiàn)術(shù)前的手術(shù)設(shè)計(jì)。王仁和等[26]同樣利用術(shù)前CT數(shù)據(jù)，通過Mimics軟件系統(tǒng)進(jìn)行3D建模，將個(gè)性化的3D手術(shù)截骨導(dǎo)板成功的運(yùn)用于30例膝關(guān)節(jié)置換的病人，其術(shù)后的療效評(píng)估及手術(shù)時(shí)間及出血情況明顯優(yōu)于對(duì)照組。綜上表明，3D數(shù)字骨科為個(gè)性化的內(nèi)置物的設(shè)計(jì)及截骨導(dǎo)板的臨床應(yīng)用提供了可靠的解決方案，并能夠在一定程度上避免傳統(tǒng)手術(shù)所帶來弊端[27]。3D數(shù)字化技術(shù)運(yùn)用于內(nèi)植物及截骨導(dǎo)板的設(shè)計(jì)，不僅為患者提供了個(gè)性化、精準(zhǔn)化的手術(shù)方案，對(duì)臨床診療發(fā)展及個(gè)體化、精準(zhǔn)化的手術(shù)產(chǎn)生了巨大的推動(dòng)作用。

5 3D數(shù)字骨科學(xué)的展望

醫(yī)學(xué)發(fā)展已經(jīng)朝著精確化、個(gè)性化、微創(chuàng)化與多元化的方向發(fā)展。現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的發(fā)展必將朝向數(shù)字醫(yī)學(xué)的方向發(fā)展，骨科學(xué)也將朝著3D數(shù)字骨科學(xué)方向發(fā)展，當(dāng)下數(shù)字骨科學(xué)的基礎(chǔ)研究和臨床應(yīng)用仍為飛速發(fā)展的數(shù)字科學(xué)的起始階段，隨著骨科學(xué)不斷前進(jìn)與創(chuàng)新，最終形成理論與實(shí)踐完整的學(xué)科體系，并成功運(yùn)用于臨床。3D數(shù)字骨科是傳統(tǒng)骨科學(xué)與3D數(shù)字技術(shù)全面結(jié)合的學(xué)科，在臨床中已廣泛應(yīng)用，也將會(huì)成為骨科學(xué)熱門的研究方向。隨著對(duì)其深入的研究與日后更強(qiáng)大功能的計(jì)算機(jī)的運(yùn)用及多元化軟件的幫助下，通過更加智能、精度更高、更加易于普及的3D打印機(jī)及其設(shè)備，能夠直接將個(gè)性化的植入材料快速三維成型，并根據(jù)術(shù)前手術(shù)設(shè)計(jì)直接運(yùn)用于患者。通過患者影像學(xué)及個(gè)人資料，個(gè)性化的設(shè)計(jì)手術(shù)方案，并與手術(shù)機(jī)器人及遠(yuǎn)程協(xié)助系統(tǒng)相結(jié)合，在最大程度的利用醫(yī)療資源的情況下為患者解決治療問題。自動(dòng)化的有限元分析對(duì)每個(gè)個(gè)體及其使用的假體進(jìn)行預(yù)測(cè)得出最合適內(nèi)植物的力學(xué)分析，為個(gè)性化、精準(zhǔn)化的手術(shù)方案提供支持，實(shí)現(xiàn)術(shù)前實(shí)物模擬并精確定量手術(shù)操作。目前已經(jīng)是數(shù)字醫(yī)學(xué)與精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)的時(shí)代，3D數(shù)字骨科學(xué)的基礎(chǔ)研究與臨床應(yīng)用正處于一個(gè)持續(xù)發(fā)展與創(chuàng)新的階段，其普及與運(yùn)用仍須一段時(shí)間，尤其是在基層醫(yī)療機(jī)構(gòu)，需要每一位醫(yī)務(wù)工作者的努力，相信隨著不斷創(chuàng)新與進(jìn)步，數(shù)字骨科學(xué)將最終形成其自身完整的臨床體系與學(xué)科理論，不斷推動(dòng)骨科學(xué)的發(fā)展。目前3D數(shù)字化的骨科技術(shù)已在骨科臨床診療與治療方案的選擇上取得了傲人的成績，必將會(huì)成為推動(dòng)骨科臨床發(fā)展的重要?jiǎng)恿Α?D數(shù)字化骨科學(xué)一定會(huì)在個(gè)性化骨折的治療中發(fā)揮重大的作用。為個(gè)性化骨折的治療提供依據(jù)及新的方向，為社會(huì)主義醫(yī)學(xué)發(fā)展帶來全新的生命力。

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本文編輯：吳玲麗

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ISSN.2095-8242.2017.02.1185.03

李釗偉