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)特點的數(shù)字化接骨板的定制過程和方法，通過數(shù)字技術(shù)使接骨板完全個體化、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)計適合該患者骨折部位的接骨板及設(shè)計好預(yù)留固定的螺釘孔、接骨板形態(tài)。通過數(shù)字化程控技術(shù)生產(chǎn)出適合骨折患者的個性化數(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：該方法是通過結(jié)合螺旋CT三維成像、計算機輔助設(shè)計制造、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、個體化的接骨板，對創(chuàng)傷骨科骨折患者來說，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，取出困難等問題[1]。利用螺旋CT三維重建成像技術(shù)和計算機輔助設(shè)計、制造(簡稱：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)固定鋼板完全個體化，現(xiàn)報道如下。

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，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。利用計算機輔助設(shè)計軟件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短，再設(shè)計出螺釘孔的位置。根據(jù)人體骨骼對稱性，把得到股骨圖像鏡像處理，選定鋼板寬度、長度及相應(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

由于患者個體在骨骼形態(tài)上存在的差異性和骨折類型的不同，即個性化差異，即使接骨板制造商將其規(guī)格型號分得足夠細，其接骨板與骨骼表面的吻合性與螺釘?shù)奈恢玫炔⒉焕硐耄g(shù)前必須準備足夠的、可能用到的接骨板型號和規(guī)格，即便如此仍不可避免手術(shù)時醫(yī)生臨時性的再塑形，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，因為冷折彎將改變材料內(nèi)部的金相結(jié)構(gòu)，降低它的強度及耐腐蝕性能[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，有時不能滿足固定所有骨折塊的要求，有時螺釘孔正好在骨折線上，影響內(nèi)固定的強度和效果。上述情況都可能是造成內(nèi)固定失敗的原因[3-4]。

近年來，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)，在計算機輔助下，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)治療的準確性和安全性。CT掃描技術(shù)、計算機輔助設(shè)計、快速成型技術(shù)及數(shù)控加工技術(shù)的快速進步和發(fā)展，使臨床上在短時間內(nèi)制造數(shù)字化接骨板成文可能。以三維重建為基礎(chǔ)，成功實現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換與統(tǒng)一，實現(xiàn)快速設(shè)計制造，可以改變目前手術(shù)醫(yī)生根據(jù)目測和經(jīng)驗塑型鋼板的現(xiàn)狀，不但省去塑型這個步驟，而且減少手術(shù)創(chuàng)傷，縮短手術(shù)時間，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)字化接骨板是針對某個個體而專門設(shè)計加工的，因此，具有十分優(yōu)異的吻合性和螺釘孔特殊的位置。術(shù)者無需再進行選型和塑型，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，臨床上成人鋼板無法運用于此部位，并且螺釘孔無法滿足骨折復(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，因此，設(shè)計并使用數(shù)字化接骨板成為必然。本例數(shù)值化接骨板的設(shè)計及制作過程在短期內(nèi)完成，滿足了臨床限期手術(shù)要求，手術(shù)過程短。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)，將會被越來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)人員進一步研究，使完全個體化鋼板的制造技術(shù)和工藝趨于更加完美。

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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廣東省東莞市常平醫(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)