脛骨平臺復雜骨折三維實體模型的建立及應用

[摘要] 目的 研究在個人計算機上對脛骨平臺復雜骨折CT數據進行三維實體模型建立的可行性及其意義。方法 將5例脛骨平臺復雜骨折CT掃描原始數據導入Mimics軟件中，對脛骨平臺復雜骨折進行三維實體模型建立。結果 5例脛骨平臺復雜骨折均成功建立三維實體模型。結論 三維實體模型的建立對脛骨平臺復雜骨折的診療及進一步研究具有較大的價值。

[關鍵詞] 三維重建;數字化技術;脛骨平臺;骨折

[中圖分類號] R683[文獻標識碼] A [文章編號] 1673-9701(2010)06-42-02

Establishment and Application of a Three-Dimensional Solid Model of Complex Tibial Plateau Fracture

ZHANG Yunpeng1REN Longtao2

1.Department of Orthopaedics，the Second Hospital，Shanxi Medical University，Taiyuan 030001，China; 2. Department of Orthopaedics，Taiyuan Municipal Central Hospital，Taiyuan 030001，China

[Abstract] Objective To explore the feasibility and significance in the establishment of a three-dimensional solid model of complex tibial plateau fracture based on CT scanning data by using PC. Methods A three-dimensional solid model was established for complex tibial plateau fracture. The CT scanning data of complex tibial plateau fracture were input into Mimics software for the establishment of a three-dimensional solid model. Results The successful establishment of three-dimensional solid models was performed in 5 cases of complex tibial plateau fracture. Conclusion The establishment of a three-dimensional solid model of complex tibial plateau fracture is feasible and of great clinical significance.

[Key words] Three-dimensional reconstruction;Digitalization;Tibial plateau;Fracture

脛骨平臺骨折是一種常見的下肢骨折類型，約占所有骨折的1%[1]。但其復雜骨折的診斷和治療方法的選擇有時卻具有一定的困難。基于上述問題，本研究探索出了一條新的路線，即利用個人計算機及現有各種商業軟件，使用CT原始數據建立三維實體模型，指導臨床診療工作的進行，并為進一步的研究做前期準備。

1材料與方法

1.1材料

1.1.1實驗數據脛骨平臺骨折選定區域行CT掃描(掃描條件:Toshiba aquilion 64排螺旋CT薄層掃描，電壓120kV，電流120mA，層厚0.5mm，掃描時間1.5s)。得到的原始數據(Dicom格式)5例，均為脛骨平臺復雜骨折;男性，年齡40～60歲。

1.1.2軟件要求Mimics10.01;Windows XP;Professional SP2 64bit。

1.1.3硬件最低要求個人計算機，CPU:Intel 酷睿2雙核T5470(1.6GHz);內存:1G;顯卡:384M;硬盤:120G。

1.2實驗方法

1.2.1脛骨平臺骨折三維模型重建輸入選取的CT原始圖像數據(Dicom格式)，設定閾值(Thresholding);選定軟件中設定的Bone(CT)Scale，然后運行(Calculate 3D)重建三維實體模型，即可得到脛骨平臺骨折的初步三維模型。然后進行編輯，運用相應工具功能去除多余的噪點，可將非常細小碎骨片去除，以便減小后期處理運算量及得到較好效果。

1.2.2選擇目標區域與去除干擾區域首先選擇脛骨平臺骨折目標區域，即對診斷治療有價值的或準備進一步研究的區域。將影響目標區域的干擾部分骨骼去除，如正常的股骨下段、髕骨及腓骨上段，其中相互獨立部分用分離命令進行操作，重疊連接部分用切割命令進行操作。

1.2.3測量運用mimics中的測量工具，對目標區域中各種參數(如長度、角度等)進行測量。

2結果

本實驗中應用CT掃描原始數據(DICOM格式)直接導入醫學圖像建模軟件Mimics中所建立的5例脛骨平臺復雜骨折三維實體模型(圖1)，外形逼真，操作過程科學嚴謹，結果真實可信。可用于輔助臨床診療工作，為進一步研究做前期準備。

3討論

3.1脛骨平臺復雜骨折三維建模的診療價值

脛骨平臺骨折可導致不同程度的關節面壓縮和移位。因損傷程度不同，為了獲得最佳的治療，必須掌握損傷的個體特點，仔細進行體格檢查和相關的影像學研究，并且熟悉治療這種復雜骨折的各種技術。一個困擾主治醫生的問題是如何采用個性化的治療方案，若采取手術治療，由于骨折復雜，手術風險及難度均較大，存在如何增強術中操作針對性及目的性，避免盲目的手術操作，減少周圍組織血運破壞的問題，同時還有如何選擇合理的內固定器材，防止因反復折彎影響內固定物的力學特性的問題。這些問題均可通過術前建立骨折三維模型輔助診療來解決。

3.2實驗數據和硬件配置方面的要求

本研究所采用的數據均為CT原始數據，為Dicom格式，此種數據格式包含了所采集影像資料的全部信息。本研究所用的數據為64排螺旋CT薄層掃描得到，層厚為0.5mm。但是對于普通或螺旋CT，只要將掃描層厚設置到一定范圍也可達到要求，層厚越小將來三維重建的效果也越好，一般不應大于1mm。本研究所要求的硬件條件也很低，即為普通的個人計算機，達到上述要求的配置即可勝任工作，進入軟件處理即可獲得良好效果的脛骨平臺骨折三維實體重建模型。

3.3三維建模傳統方法與本課題研究方法的對比

傳統的三維建模方法主要有幾何建模法和三維坐標儀建模法。幾何建模是通過物體的尺寸和形狀來構建[2]。這種方法簡單、快捷，對于形狀較規整的物體較適合采用此法。三維坐標儀建模是通過三維坐標儀采集標本的空間坐標后輸入計算機建模。這種方法所獲得的數據比較精確，但對于結構不規則的物體效果不佳[3]。另外，該儀器也非常昂貴。而本研究所采用的是圖像建模法，它是通過CT或其他手段獲取物體的圖像資料，通過相應軟件標定目標物體的邊緣空間坐標，以此建立三維模型。此方法適合于對不規則物體的建模。由于CT等技術的發展，現在多數相關研究均是通過此法建模，它不僅具有傳統方法造模快捷、精確等優點，而且克服了傳統方法效果差、造價昂貴等缺點。而此方法與現在應用廣泛的CT工作站三維重建也是不同的。現有CT工作站三維重建雖對復雜骨折的診療大有改進，但最終呈現給醫生的只是幾幅特定角度的三維重建后圖片，要想查看可旋轉的三維圖像必須在醫學影像工作站計算機上進行，操作復雜、不便。另外醫學影像工作站建立的三維重建圖像并不是實體模型，不能以DXF、IGES、STL或點云等格式導入相關軟件進行編輯處理，因此不能滿足進一步研究的需要。而本研究直接將CT原始數據導入到相關軟件進行三維實體模型重建，通過簡單操作即可觀察所需各個不同角度的二、三維圖像，并為進一步的有限元分析和個性化內植物設計研究做了準備，拓展了CT原始數據的應用價值。

3.4三維實體重建模型在臨床各領域的診療及拓展應用

在頜面整形外科領域，Hassfeld等[4]建立了頜面骨三維實體模型并用于模擬各種整復手術。在腦外科領域，夏德林[5]進行了顱骨缺損修復方面的實驗及臨床應用研究。在骨科領域，Heegaard等[6]建立膝關節三維實體模型并用于模擬全膝關節置換中。三維重建模型不僅在臨床各領域有較多診療應用，而且還有進一步的拓展應用。自從1972年Brekelmans等[7]首次將有限元法用于骨骼的應力分析，有限元法在骨科領域得到了廣泛的應用。蘇佳燦等[8]進行肱骨三維模型重建后采用有限元分析軟件建立肱骨三維有限元模型。而曾文等[9]則通過建立三維模型輔助個性化外耳支架的設計與制造。但上述研究多是基于正常骨數據來模擬各種骨折情況，目前直接利用骨折CT數據建立三維實體模型用于診療的報道還較少，而利用建立的骨折三維實體模型進行進一步的有限元分析及個性化內植物設計的報道則更少。

3.5本研究的意義與不足

本研究結果表明，通過CT原始數據在個人計算機上應用各種軟件進行三維實體模型重建，可以讓醫師更加全面地了解每位患者的具體骨折情況，為患者提供個體化的治療方案，并為后期的進一步研究做必要的前期準備。它還可作為醫患溝通的橋梁，讓患者更真實的了解病情。也可以看到，本研究所建立的脛骨平臺骨折三維實體模型在外形上非常逼真，但與實際骨折情況仍有細微的差距，而且現有軟件中的各項操作仍比較復雜，后期的一些處理也比較困難。我們認為三維實體模型的建立對脛骨平臺復雜骨折的診療提供了幫助，為進一步研究提供了前提條件，展示出它的應用價值。

[參考文獻]

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[3] Beckner MA，Heggeness MH， Doherty BJ. Abiomechanical study of Jefferson fractures[J]. Spine，1998，23(17):1832-1836.

[4] Hassfeld S，Muhling J. Computer assisted oral and maxillofacial surgery-a review and an assessment of technology[J]. Int J Oral Maxillofac Surg，2001，30(1):2-13.

[5] 夏德林. 基于CT數據、快速成型技術個體化鈦合金顱骨缺損修補術的實驗與臨床應用研究[D]. 中國協和醫科大學，2004.

[6] Heegaard JH，Leyvraz PF，Hovey CB. A computer model to simulate patellar biomechanics following total knee replacement: the effects of femoral component alignment[J]. Clin Biomech(Bristol，Avon)，2001，16(5): 415-423.

[7] Brekelmans WAM， Rybicki EF， Burdeaux BD. A new methods analysis mechanical behavior of skeletal parts[J]. Acta Ortho Scand，1972，43(5):301-305.

[8] 蘇佳燦，張春才，禹寶慶，等. 肱骨三維模型的建立及其生物力學意義[J]. 中國臨床康復，2005，9(10):244-245.

[9] 曾文，葛夏文，顏永年，等. 個性化外耳支架的設計與制造[J]. 中國組織工程研究與臨床康復，2007，11(1):124-126.

(收稿日期:2009-12-04)