3D數字骨科學在個性化骨折臨床治療的應用與進展

鐘 浩，李釗偉，唐保明，李澤清

（青海大學附屬醫院，青海 西寧 810000）

3D數字骨科學在個性化骨折臨床治療的應用與進展

鐘 浩，李釗偉*，唐保明，李澤清

（青海大學附屬醫院，青海 西寧 810000）

數字醫學；3D模擬；手術指導

隨著人類社會進入21世紀后的科技爆發與第三次工業革命，數字化已經進入到人類生活的方方面面。數字化醫學已經是現代醫學發展的熱門與核心方向，尤其是在骨科領域的應用。數字骨科學以計算機科學與骨科學相結合的新興交叉學科，其涉及到數學、電子信息學、生物工程學、解剖學、計算機軟件學、機械工程學等領域的交叉學科[1-2]?，F代數字化技術的飛速前進為醫學的發展尤其是骨科學的發展與研究提供新的動力及方向，數字科學與骨科學在臨床領域相互指導，在個性化骨折治療方面相互融合，在與傳統骨科學方面相互影響，現代數字骨科學在相互促進中應運而生。數字骨科學主要包括醫學影像處理技術與計算機三維模擬技術、三維虛擬仿真與可視化技術、臨床計算機輔助設計/計算機輔助制造（Computer assisted design/computer assisted manufacturing，CAD/CAM）技術、生物力學仿真技術、機器人輔助導航技術、三維有限元分析技術等[3]。在精準醫學指導下個性化骨折的治療已成為數字化骨科學的發展目標。3D打印技術即快速成型技術通常是采用數字技術材料打印機來實現的，廣泛應用于材料學、設計學工程學及醫學領域。3D打印技術與數字骨科學的完美融合為臨床中個性化骨折的治療提供了保障與方案。

1 數字化醫學影像處理技術與計算機三維模擬技術

數字化醫學影像學處理即是手術前通過Mimics軟件系統，利用醫學影像學數據（多數為CT或MRI）在計算機中建立相應的骨關節3D模型。在傳統骨科的診療中，通常是以術前X線片、CT、MRI資料及術中透視結果為骨折復位與固定的依據，這些結果大多是在間接及二維的水平上對患者的病情進行了解，缺乏直觀的三維表現，主要依靠經驗判斷。但對于一些復雜、粉碎性或一般平片難以發現的骨折而言，通常會通過CT三維重建來幫助術者及診療者對骨折、尤其是復雜或一般平片難以發現的骨折形成一個立體概念，但骨關節CT三維重建大多數情況下只能單一的讀取，通常只能在設定好的方向及角度上進行閱讀，不能夠進行術前手術模擬與內固定材料的術前個性化匹配，更不能使術者得到類似術中的骨折整體認識并做出準確判斷；通過Mimics軟件系統三維重建技術能夠為術者在術前骨折治療方案的選擇提供清晰可靠的依據，從而使術者在進行手術設計時更大限度地提高復位和固定效果，保護骨折斷端的血運，改善預后；同時還便于向患者及其家屬交代病情及手術方案，緩解醫患矛盾。對于嚴重的不穩定性骨折，三維重建技術可以正確的指導診斷分型及確定治療方案及手術方案，Brown等[4]將三維重建技術應用于117例復雜骨科手術，術前在三維重建技術的幫助下建立1:1模型全面了解患者骨折情況，并設計個性化的手術方案。李濤等[5]通過計算機三維模擬軟件，重建了3例復雜的髖臼骨折患者的CT影像資料，重建后的3D模型能夠讓術者術前判斷手術難度，了解骨折特點，設計手術方案，縮短手術時間。計算機三維模擬技術與3D打印技術相結合能夠直觀地展示骨折的實際情況，為復雜骨折的診斷分型和個性化治療提供了參考依據與保障。對復雜骨折而言，計算機三維模擬技術的建立無疑為術者全面和清晰的了解骨折部位的解剖結構、骨折類型、分型提供了直觀的資料。也為患者個性化手術治療提供了最直接的依據。

2 數字骨科學對骨折分類及個性化手術指導

骨折分類的明確對術前治療方法的選擇起著決定性作用，對術者實施手術也起著重要的作用，所以明確骨折病人的骨折類型及分類對患者的治療尤為重要[1]。Mimics軟件系統建立數字化3D模型在骨關節創傷的診斷中起到非常重要的作用，Mimics軟件系統易于操作，利用CT平掃數據即可生成3D立體模型，能夠多層次、多角度的顯示骨折的特點及空間位置關系，可為臨床醫生明確骨折的分型、選擇個性化治療方案、決定合適的手術入路及方案提供可靠的依據[6-8]。張元智等[9]利用Mimics軟件系統三維技術重建了骨折的三維可視模型，準確反映出骨折的解剖學特點，骨折移位的方向和程度，并可在Mimics軟件系統中進行任意旋轉、移動、轉換視角、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算機三維模擬手術并設計個性化內固定物，再通過3D打印技術驗證手術及內固定物的設計。萬永鮮等[10]同樣利用三維重建模型對42例四肢復雜骨折患者進行骨折分型及制定了個性化的手術治療方案，并進行術前手術模擬，其手術操作簡便、創傷小、并發癥少、療效確切等明顯優于對照組。在皮瓣移植手術過程中，切取皮瓣的重點是能夠分離解剖出皮瓣血供的軸型血管，由于個人血管的差異性，即便術者對皮瓣區的局部解剖非常了解，也很難預先了解每個患者皮瓣區血管的具體位置及情況。鑒于皮瓣血供的不確定性，倘若術前可以了解皮瓣軸型血管走行以及其與周圍解剖關系，便于進行個性化、精準化的術前設計，減少手術醫生手術過程中的失誤，就顯得尤為重要。任義軍[11]等通過CTA或MRA資料，利用Mimics軟件系統三維重建技術模擬出個性化的皮瓣軸型血管的解剖特點，清晰顯示血管解剖三維關系，再通過3D打印技術1:1制作出模型，更直觀的指導術中的個性化皮瓣的設計與切取。對于復雜的髖臼骨折，其多屬于高能量暴力損傷，位置的特殊性以及解剖特點的復雜性往往導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有發生。通常采用三維CT來判斷臼壁的骨折情況，石玲玲等[12]通過計算機三維模擬技術對10例復雜髖臼骨折的CT數據進行三維重建，通過3D打印技術制造出1:1髖臼模型，并依據Letournel 分類[13]，使術者對患者的骨折分型一目了然，根據骨折特點其個性化的手術方案也應運而生。并用super image orthopedics edition軟件進行術前模擬，幫助術者直觀地了解髖臼骨折解剖學特征，指導手術方案，通過3D模型預彎鋼板，術中精確的復位及內固定，術后治療效果明顯。計算機三維模擬技術術前模擬骨折復位，明確骨折分型對個性化手術起到指導作用。

3 Mimics軟件系統應用及注意事項

在Mimics軟件系統中，將CT數據建立的3D模型利用CT Bone Segmentation功能鍵實現對骨折塊的三維操作，即為Object，術前手術模擬中重要的骨折塊尤其是涉及到關節面的骨折塊均應建立Object，稱之為建立單元（簡稱建元），亦可通過Region Growing將骨折塊區分出來。在骨折的診斷與治療中，關節面骨折的處理尤為重要，若涉及關節面的骨折在手術過程中處理不當，日后一定會影響到患者的關節功能運動，造成創傷性關節炎的可能極大，所以通常只要涉及關節面且面積＞0.5 cm2的骨折塊都應進行處理，建立單獨的Object單元。因此，對骨折的三維重建必須熟悉Mimics軟件系統的使用，三維重建過程中應先整體觀察骨折的類型，再將重要的細小骨折塊區分出來，不要將重要的骨塊尤其是涉及到關節面的骨折塊遺漏。具體到涉及膝關節完整性的骨折，損傷因素多為高能量暴力損傷所致，造成關節面的多處骨折，關節面失去完整性，手術目的是重新恢復關節面的平整及關節功能[14-16]。對以上骨折進行三維建元時，必須對涉及到關節面的骨折塊單獨建立Object，以便在術前手術模擬中盡可能恢復關節面平整以便于術中關節的重新恢復。對于踝關節骨折，傳統觀念認為，若后踝負重面＜25%，則骨折對脛距關節的生物力學特性影響較小，可以不予手術治療[17]。近年來有學者經長期隨訪得出結論，若后踝骨折塊涉及脛骨遠端關節面的10%時，需手術治療，恢復關節穩定性及關節內原有的接觸應力，減少創傷性關節炎的發生[18-19]。因此術前對此類骨折進行術前三維重建時，對后踝骨折塊應單獨建元并模擬恢復關節平整。大多數踝關節骨折常合并下脛腓的損傷及分離[20]，常需要手術來恢復下脛腓的穩定，術前三維模擬中脛骨及腓骨都應該單獨建立Object。跟骨為不規則松質骨，跟骨骨折除伴有松質骨的壓縮外還會形成粉碎性的小骨塊，術前三維重建難度高，操作要求高。而對跟骨進行術前三維重建時，應對健側跟骨進行三維重建并單獨建立Object，以健側跟骨作為鏡像來對患側跟骨進行涂抹及建元以協助術前手術[21-23]，以幫助不規則骨骨折的術前三維手術模擬。

4 個性化內植物及截骨導板的設計

目前使用的關節假體及截骨導板大多采用廠商提供的系列產品，多根據西方人的骨骼解剖特點設計，而對于發育異常、畸形、大面積骨缺損和骨腫瘤患者，術中常出現假體與截骨導板不能完美配合的狀況。目前關節假體的植入及截骨導板的應用早已趨向于個體化、精準化的方向，采用Mimics軟件系統、計算機輔助設計（CAD）和計算機輔助制造（CAM）技術已被運用于個性化假體置換手術中[24]。付軍等[25]通過3D打印截骨導板，并將其成功運用于31例骨腫瘤的患者，通過術后的隨訪證實了3D打印手術導板能夠很好的為骨腫瘤患者提供個性化的手術解決方案，并能夠在術中及術后實現術前的手術設計。王仁和等[26]同樣利用術前CT數據，通過Mimics軟件系統進行3D建模，將個性化的3D手術截骨導板成功的運用于30例膝關節置換的病人，其術后的療效評估及手術時間及出血情況明顯優于對照組。綜上表明，3D數字骨科為個性化的內置物的設計及截骨導板的臨床應用提供了可靠的解決方案，并能夠在一定程度上避免傳統手術所帶來弊端[27]。3D數字化技術運用于內植物及截骨導板的設計，不僅為患者提供了個性化、精準化的手術方案，對臨床診療發展及個體化、精準化的手術產生了巨大的推動作用。

5 3D數字骨科學的展望

醫學發展已經朝著精確化、個性化、微創化與多元化的方向發展。現代醫學的發展必將朝向數字醫學的方向發展，骨科學也將朝著3D數字骨科學方向發展，當下數字骨科學的基礎研究和臨床應用仍為飛速發展的數字科學的起始階段，隨著骨科學不斷前進與創新，最終形成理論與實踐完整的學科體系，并成功運用于臨床。3D數字骨科是傳統骨科學與3D數字技術全面結合的學科，在臨床中已廣泛應用，也將會成為骨科學熱門的研究方向。隨著對其深入的研究與日后更強大功能的計算機的運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打印機及其設備，能夠直接將個性化的植入材料快速三維成型，并根據術前手術設計直接運用于患者。通過患者影像學及個人資料，個性化的設計手術方案，并與手術機器人及遠程協助系統相結合，在最大程度的利用醫療資源的情況下為患者解決治療問題。自動化的有限元分析對每個個體及其使用的假體進行預測得出最合適內植物的力學分析，為個性化、精準化的手術方案提供支持，實現術前實物模擬并精確定量手術操作。目前已經是數字醫學與精準醫學的時代，3D數字骨科學的基礎研究與臨床應用正處于一個持續發展與創新的階段，其普及與運用仍須一段時間，尤其是在基層醫療機構，需要每一位醫務工作者的努力，相信隨著不斷創新與進步，數字骨科學將最終形成其自身完整的臨床體系與學科理論，不斷推動骨科學的發展。目前3D數字化的骨科技術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，必將會成為推動骨科臨床發展的重要動力。3D數字化骨科學一定會在個性化骨折的治療中發揮重大的作用。為個性化骨折的治療提供依據及新的方向，為社會主義醫學發展帶來全新的生命力。

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本文編輯：吳玲麗

R473.73

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李釗偉