数字及逆向工程技术在复杂骨科应用进展.pdf

中国组织工程研究 第16卷 第39期 2012 09 23 出版 Chinese Journal of Tissue Engineering Research September 23 2012 Vol 16 No 39 doi 10 3969 j issn 2095 4344 2012 39 030 http www crter org crter 2012 qikanquanwen html 曹振华 闫金玉 银和平 张元智 李树文 白明 杜志才 孟格栋 数字及逆向工程技术在复杂骨科应用进展 J 中国组织工程研究 2012 16 39 7370 7374 P O Box 1200 Shenyang 110004 www CRTER org 7370 1 内蒙古医学院第 二附属医院骨科 内蒙古自治区呼 和浩特市 010030 2内蒙古 医学院 内蒙古自 治区呼和浩特市 010059 3内蒙古 医学院附属医院 骨科 内蒙古自治 区呼和浩特市 010059 曹振华 男 1981 年生 内蒙 自治区呼和浩特 市人 汉族 2012 内蒙古医科大学 毕业 硕士 主治 医师 主要从事微 创脊柱外科及骨 科康复的研究 caozh1980 通讯作者 闫金 玉 硕士 主任医 师 教授 主任 内蒙古医学院第 二附属医院骨科 内蒙古自治区呼 和浩特市 010030 pangzil jf 中图分类号 R318 文献标识码 B 文章编号 2095 4344 2012 39 07370 05 收稿日期 2012 02 16 修回日期 2012 04 21 20111216007 D C 数字及逆向工程技术在复杂骨科应用进展 曹振华1 2 闫金玉1 银和平1 张元智3 李树文1 白 明1 杜志才1 孟格栋2 文章亮点 总结通过有限元方法可以建立骨折三维模型对相关参数进行精准的三维测设计方案 利用以上结果通 过逆向工程 快速成型技术可以生成三维模型与导航模板 任意改变患者的体位 克服了导航在体位变化时对于 准确性的缺点 证明三维重建及逆向工程技术在骨科尤其是在复杂骨科病例的临床应用中具有广阔的发展前景 关键词 个性化导航模板 逆向工程技术 快速成型技术 数字有限元 螺钉内固定 摘要 背景 医学数据可视化技术的快速发展及不断对医学领域地渗透 尤其使脊柱外科在诊断和治疗上发生了根本性地改 变 朝着 精确化 个性化 微创化 方向发展 已成为临床骨科治疗中不可或缺的重要手段 目的 通过对数字技术在复杂骨科应用进展 明确研究突破口 方法 由第一作者在 PubMed 数据库 万方数据库 维普数据 中国知网库检索 时间范围为 1990 2011 检索词 为 个性化的定位导航模板 数字解剖模型 螺钉内固定术 逆向工程技术 快速成型技术 纳入标准为导航模板 制备工艺及技术的研究 有限元相关理论的研究 实验及临床应用 排除标准为与此文目的无关 较陈旧的文献和重 复同类研究 结果与结论 利用数字化技术重建的导航模板为骨科螺钉内固定的定位 定向固定提供了一种新的方法 通过数字化 重建技术可以制作个体化导航模板 将模板紧密贴合于相应的解剖结构上进行导航穿刺 即可完成对术区的准确定位 和定向 对复杂骨科手术 尤其是解剖结构畸形变的患者有着不可替代的意义 为临床手术设计奠定良好的基础 提 高准确性和安全性 Application of digital technology and reverse engineering technology in complex orthopaedic surgery Cao Zhen hua1 2 Yan Jin yu1 Yin He ping1 Zhang Yuan zhi3 Li Shu wen1 Bai Ming1 Du Zhi cai1 Meng Ge dong2 Abstract BACKGROUND The rapid development of medical data visualization technology and constantly permeate to the medical field make a fundamental change in diagnosis and treatment of orthopedics The changes are developing toward the precision individuality and minimally invasive and the medical data visualization technology has become an important means in the clinical orthopaedic surgery OBJECTIVE To determine the breakthrough of research by analyzing the application of digital technology in complex orthopaedic surgery METHODS The PubMed database Wanfang database VIP database and CNKI database from 1990 to 2011 were searched by the first author with the key words of personalized navigation template digital anatomical models screw internal fixation reverse engineering technology rapid prototyping technology The literatures were related to the research on the navigation template preparation process and technology the study of finite element theory and the experimental and clinical applications The old and repetitive literatures were excluded as well as the literatures have nothing to do with this article RESULTS AND CONCLUSION The navigation template reconstructed by digital technology provides a new method for orientation and directional fixation of orthopaedics bolts internal fixation The individual navigation templates can be made by the digital reconstruction technique and closely stick to the corresponding anatomical structure for the navigation puncture then the accurate positioning and orientation are completed which has a irreplaceable significance for the complex orthopaedic surgery especially the anatomical structure deformity patients It lays a good foundation for clinical surgery design and improves accuracy and safety of the surgery 曹振华 等 数字及逆向工程技术在复杂骨科应用进展 ISSN 2095 4344 CN 21 1581 R CODEN ZLKHAH 7371 www CRTER org 1Department of Orthopedics Second Affiliated Hospital of Inner Mongolia Medical College Hohhot 010030 Inner Mongolia Autonomous Region China 2Inner Mongolia Medical College Hohhot 010059 Inner Mongolia Autonomous Region China 3Department of Orthopedics Affiliated Hospital of Inner Mongolia Medical College Hohhot 010059 Inner Mongolia Autonomous Region China Cao Zhen hua Master Attending physician Department of Orthopedics Second Affiliated Hospital of Inner Mongolia Medical College Hohhot 010030 Inner Mongolia Autonomous Region China Inner Mongolia Medical College Hohhot 010059 Inner Mongolia Autonomous Region China caozh1980 Corresponding author Yan Jin yu Master Chief physician Professor Department of Orthopedics Second Affiliated Hospital of Inner Mongolia Medical College Hohhot 010030 Inner Mongolia Autonomous Region China pangzil jf Received 2012 02 16 Accepted 2012 04 21 Cao ZH Yan JY Yin HP Zhang YZ Li SW Bai M Du ZC Meng GD Application of digital technology and reverse engineering technology in complex orthopaedic surgery Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu 2012 16 39 7370 7374 0 引言 螺钉内固定虽然具有明显生物力学优 势 但因为骨科结构解剖变异较大 比邻结 构复杂 置入操作对术者的技术及经验要求 较高 短节段椎弓根内固定治疗胸腰椎爆裂 骨折的失败率较高 1 为提高置钉准确率及手 术安全性 数字化个体导航模板在骨科中的 应用研究逐渐增多 导航模板的制作过程中有几个环节可能 影响其精确性 包括在建立胸椎三维模型的 过程中可能出现的误差 CT 扫描的层厚 层 间距 螺距及轮廓的勾勒等 在快速成型过 程中 STL 格式的转化精度 快速成型机的成 型精度和快速成型材料的变形控制等 2 由于 相邻胸椎间存在一定的活动度 模板设计时 不要超过单个椎体所在区间 否则术中相邻 胸椎间的相对移动有可能影响进钉通道准备 的准确性 另外模板和相应椎体的接触面积 大小要合适 接触面积太小有可能造成模板 应用时的不稳定 同样会影响进钉通道准备 的准确性 3 在通过导航模板进行置钉通道准 备时 最好采用磨钻或电钻 尽量不使用手 摇钻 这样可减少钻孔时的晃动 尽可能的 完全顺着定位导向孔方向准备进钉通道 力 求达到模板设计时的定位 定向效果 否则 有可能引起定位 定向偏差 导致螺钉置入 位置错误 4 作者将这方面的应用研究进展情 况综述如下 1 资料和方法 1 1 资料来源 由第一作者在 2011 年 12 月 进行检索 检索数据库 PubMed 数据库 网址 http www ncbi nlm gov PubMed 万方 数据库 网址 维普数据库 网址 yixue index asp 中国知网数据库 网址 英文资料的检索时间范 围为 1990 2011 中文资料的检索时间范围 为 1990 2011 英文检索词为 Personalized navigation plate Finite Element Analysis Screw internal fixation template design Reverse Engineering Rapid Prototyping 中文检索词为 个性化的定位导航模板 有 限元分析 螺钉内固定术 逆向工程技术 快速成型技术 1 2 入选标准 纳入标准 导航模板制备 工艺及技术的研究 有限元相关理论的研 究 实验及临床应用 排除标准 与此 文目的无关 较陈旧的文献 重复同类 研究 1 3 质量评估 基础研究和实验研究原著 126 篇 综述 45 篇 述评 1 篇 临床研究 16 篇 2 结果 2 1 纳入文献基本情况 初检得到 219 篇文 献 中文 165 篇 英文 54 篇 阅读标题和 摘要进行初筛 排除因研究目的与此文无关 10 篇 内容重复性的研究 21 篇 共保存 28 篇中英文文献做进一步分析 2 2 结果分析 2 2 1 导航模板置钉法优点 Izatt 等 5 认为 实物模型对术前交流 规划 术中手术实施 增加手术安全性 减少操作时间十分有用 对脊柱实物模型在复杂脊柱外科中的临床应 用价值进行了定量化研究 11 的病例中只 有在脊柱实物模型上才能获得手术所需要的 解剖学信息 其他医学影像资料无法提供 65 的病例中通过脊柱实物模型能够获得比 CT MRI X 射线平片等医学影像资料更加 详细的解剖学信息 在 52 病例因脊柱实物 模型中导致螺钉置入决策的改变 74 的病 例导致螺钉置入部位的改变 脊柱实物模型 的应用能减少脊柱肿瘤手术操作时间的 8 减少脊柱畸形手术操作时间的 22 手术证实 58 的脊柱实物模型解剖和术中 解剖几乎完全相同 39 的脊柱实物模型解 剖和术中解剖完全相同 只有 1 例 3 脊柱 曹振华 等 数字及逆向工程技术在复杂骨科应用进展 P O Box 1200 Shenyang 110004 www CRTER org 7372 www CRTER org 实物模型和术中解剖稍有差异 6 大多文献认为其优 点有 置钉准确率 及手术安全性高 导航模板置 钉通过对置钉手术模拟 对术区宽度与置钉通道长度 的三维计算机辅助下测量结合逆向工程 快速成型技 术 很好地解决了螺钉准确置入 真正体现了螺钉 置入个体化原则 手术中导航模板应用简单 只要 将模板紧密贴合于相应的解剖结构上 即可完成对术 区的准确定位和定向 无特别的经验要求 医生学习 曲线短 术中无需注册 节约了手术时间 置钉完 毕后仅需正侧位透视 1 次 和其它方法相比明显减少 了透视次数 可完全避免手术人员的 X 射线暴露损 害 减少了患者术中 X 射线的暴露时间及感染概率 导航模板不会因术中体位的变化 相邻椎体间的相 对移动而导致定位失败 术中可以任意改变患者的体 位 避免了导航在体位变化时对于准确性的影响 对骨性结构有畸形 退变 增生的患者 解剖标志点 定位有困难者 有更为重要的意义 不需要计算机 辅助导航系统等特殊的设备 不占用特别的手术室空 间 2 2 2 个体化导航模板的制作 逆向工程 个体化导航模板的制作主要通过逆向 工程结合快速成型技术获得 逆向工程与传统的 产 品概念设计 产品 CAD 模型 产品 物理模型 的正 向工程相反 它是利用各种数字化设备对现有的实物 进行扫描和测量 获得密集的空间点资料 然后通过 计算机技术处理得到实物的数字模型并结合快速成 型技术制造出三维实体产品的过程 7 目前 已有较 多的逆向工程软件开始应用在医学领域 如美国EDS 公司的 UG Imageware 比利时 Materialise 公司的 MIMICS 美国 Raindrop 公司的 Geomagic Studio 其中 UG Imageware 和 MIMICS 是目前医学临床研 究中应用最为广泛的两种软件 快速成型技术 快速成型技术于 20 世纪 80 年代 起源于机械工程领域 快速成型技术是在计算机的辅 助下 根据物体的计算机辅助设计 CAD 模型或 CT 等数据 通过材料的精确堆积 制造原型的一种基于 离散 堆积成型原理的新的数字化成型技术 8 其突 出特点是分层叠加 善于制造复杂实体且具有较高的 精确度 其中 光固化立体造型是快速成型技术的典 型技术之一 也是医学领域中最为常用的快速成型技 术 它以光敏树脂为原料 通过计算机分层控制紫外 激光在树脂表面逐点扫描 扫描区的树脂产生光聚合 反应而固化形成一个薄层 然后工作台下降一个层厚 的距离 使固化好的树脂表面再敷上一层新液体树脂 后进行下一层的扫描加工 如此重复直到获得一个三 维实体原型 9 三维实物模型的制作流程 首先对要建模的骨性结 构进行 CT 连续扫描 将获得的 CT 扫描数据导入三 维重建软件 用计算机辅助设计生成三维重建数字模 型并转换成快速成形机可接受的数据格式 然后利用 快速成型技术精确成形三维实物模型 10 2 2 3 个体化导航模板在骨科中的应用 在脊柱中的应用 脊柱实物模型能够清晰显示胸腰 椎体的形态 尤其是脊柱畸形中异常生长的终板 脊 柱裂等 Kapakin 等 11 测量从 T1 S1可用于置入螺钉空间 的长度和直径 对 CT 扫描后建立的 20 例脊柱三维模 型进行椎弓根形态学分析 结果示T1 T12长25 30 mm 直径 8 11 mm L1 S1长度为 26 34 mm 直径为 6 0 7 0 mm 为选择合适的椎弓根螺钉提供了数据 李龙付等 12 对需行胸腰椎椎弓根内固定的患者进 行腰椎的三维重建 并在 PACS 医生工作站上测量椎 弓根相关数据 根据测量的个性化的数据进行螺钉置 入 大幅降低了切出率 殷海东等 13 在 CT 工作站设计个体化的胸椎椎弓 根理想进钉通道 在椎弓表面确定理想的进钉点用于 指导手术 提高了脊柱侧凸患者胸椎置钉的准确率 减少了术中进钉点选择失误所致的并发症 这些研究 为个体化导航模板的临床应用提供了一定基础 但并 未与徒手组对比 无法看出其优势 陈玉兵等 14 利用胸椎个体化导航模板 观察其对 椎弓根定位定向的准确性 导航模板组和徒手组置钉 准确率分别为 93 4 和 65 椎弓根壁穿破率分别 为 6 6 和 35 均具有统计学意义 P 0 05 认为 胸椎导航模板置钉法椎弓根壁穿破率低 置钉准确性 和安全性高 研究认为导航模板能够使操作简单化 学习曲线不明显 李严兵等 15 通过腰骶部的三维数字模型确定最 大螺钉通道在椎板的定位区 进钉轴范围 最佳中心 轴 最大螺钉通道半径大小及长度 该三维模型为临 床应用确定最佳进钉方向及选择合适长度 直径的螺 钉提供了参考 于海龙等 16 在 40 例腰椎 CT 三维重建图像上应 用人字嵴顶点法 Magerl 法及 Roy Camille 法模拟 置钉 比较三种方法在腰椎各节段安全性的差异 结 果显示在 L5 Magerl 法是理想置钉方法 在 L1 L4 曹振华 等 数字及逆向工程技术在复杂骨科应用进展 ISSN 2095 4344 CN 21 1581 R CODEN ZLKHAH 7373 www CRTER org 人字嵴顶点法 是理想置钉方法 随后越来越多的医生将其应用于临床 van Dijk 等 17 报告通过对 1 例复杂胸腰椎脊柱后凸畸形及 1 例L4 5椎体前移滑脱导致的腰椎前凸患者的脊柱实物 模型进行术前规划及模拟手术 成功实施了骨切除 截骨矫形及内固定置入手术 王征等 18 术前通过脊柱实物模型指导手术对 6 例复杂脊柱侧后凸畸形患者进行椎弓根螺钉等内固 定器械的置入 结果 6 例患者均椎弓根螺钉位置正 确 矫形和内固定满意 张强等 19 术前通过脊柱模型进行了手术规划及 模拟手术 对 8 例严重先天性脊柱侧凸患者分成应用 模型组和传统两组对照研究 结果应用脊柱模型组平 均手术时间短 术中失血少 桑宏勋等 20 通过 34 例重度先天性脊柱畸形患者 应用实物模型结果术中所见与术前三维重建和脊柱 模 型 显 示 结 果 完 全 一 致 侧 凸 畸 形 矫 正 率 为 80 98 后凸畸形矫正率为 100 生理曲度恢 复正常 以上越来越多的临床应用证实了个体化导航 模板的可行性 先进性 有效性 微创性 颈椎椎弓根置入中的应用 颈椎解剖变异较大 比 邻结构复杂 椎弓根细小 现有的操作方法容易造成 椎弓根螺钉穿透率高 周围神经血管损伤的风险 大 21 可根据手术需要 术前定制最合适的内固定装 置 用于术中内固定 李严兵等 22 利用 Mimics 8 11 软件重建健康成人颈椎数字解剖模型 再导入 Imageware 10 0 可以精确定位任意方向一定直径螺 钉经椎弓根三维空间通道在椎板表面的最大投影边 界 安全区及其最佳中心轴入点位置 Murakami 等 23 利用三维模型研究发现 C1 螺钉置入时向内侧 10 成角可以避免损伤颈内动脉 陆声等 24 利用导航模板在快速成形制作的 C3单 关节交锁伴关节突骨折模型进行置钉模拟 采用逆向 工程原理直接在脊柱三维重建数字模型上寻找椎弓 根的最佳进钉通道 并提取椎板的表面解剖学形态 建立与椎体后部解剖形态学一致的模板 将模板和椎 弓根的最佳进钉通道拟合为一体形成椎弓根定位导 航模板 采用快速成型技术同时将脊柱实物模型和椎 弓根定位导航模板直接生产出来 术前在体外将脊柱 实物模型和椎弓根定位导航模板进行贴合 进行椎弓 根螺钉进钉模拟 通过脊柱实物模型观察通过椎弓根 定位导航模板置钉的准确性 术中将消毒后的椎弓根 定位导航模板贴附于相应椎体后部 直接指导椎弓根 螺钉的置入 他们报道初步应用该法在 3 例外伤后颈 椎脱位患者中置入颈椎椎弓根螺钉 12 枚 所有椎弓 根螺钉置入顺利 术中仅需手术完成后透视 1 次 经 术后X射线及CT检查证实所有椎弓根螺钉进钉部位 和方向准确 长度和直径选择合适 具有较好的准确 性 Mizutani 等 25 对 15 例患有颈椎风湿病需做颈椎 关节融合的患者在术前制作了枕部及颈椎实物模型 术后所有患者均未采用 Halto Vest 外固定 颈部位置 舒适 均无吞咽困难 椎弓根螺钉置入准确 李鉴轶 等 26 利用逆向工程开展枕颈段标本三维稳定性测试 通过与 KOHZU 精密测试平台的比较 发现利用三维 扫描仪 逆向工程技术可以实现三维稳定性测试 在创伤修复中的应用 创伤科的绝大多数手术仍然 需要螺钉的准确置入 金丹等 27 采用数字化三维重建 及逆向工程技术 对下胫腓联合分离进行数字化重 建 初步临床应用结果亦表明其能够提高下胫腓联合 螺钉置入的准确性 张伟等 28 还将数字技术应用到移 位髋臼骨折 合并不稳定型骨盆后环损伤及踝关节畸 形术后 术中所见与术前三维重建和快速成型畸形模 型显示结果一致 术后随访手术效果满意 3 小结 该技术所用的设备及材料昂贵 数据处理系统较 为专业 制作模型过程复杂 一般医疗研究单位无法 承受 在快速成型技术中数据与模型转换过程复杂而 且耗时 可能会丧失其精确度 通过快速成型技术形 成的模型表面是通过人为构建轮廓曲线的方法实现 的 所得到的曲面光滑 这在一定程度上可能会失去 骨表面的解剖标志不是真正意义上的仿真 另外 快 速成型技术对软组织重建亦存在不足之处 相信随着 科学技术的发展 骨科三维实物模型的精确度会不断 获得提高 制作时间会越来越短 费用也会越来越低 由于骨科实物模型具有直观性 可触摸性 常常能显 示出一些骨科所必须的 但 CT MRI 及 X 射线平片 等医学影像资料又无法显示的隐藏信息 可使骨科医 师对复杂的骨科解剖和病理改变有一个清晰的立体 认知 据此进行术前和术中规划 优化手术方案 定 制置入假体和内固定装置 并在计算机上及实物模型 上进行手术模拟 确保手术能够安全 高质量的完成 缩短手术时间 提高手术成功率 三维重建及逆向工 程技术在骨科尤其是在复杂骨科病例的临床应用中 具有广阔的发展前景 曹振华 等 数字及逆向工程技术在复杂骨科应用进展 P O Box 1200 Shenyang 110004 www CRTER org 7374 www CRTER org 4 参考文献 1 周功 张井泉 椎弓根内固定术治疗胸腰椎骨折32例分析 J 中 华全科医学 2010 12 8 1513 1566 2 Pan J Li L Qian L et al C1 lateral mass screw insertion with protection of C1 C2 venous sinus technical note and review of the literature Spine Phila Pa 1976 2010 35 21 E1133 1136 3 Kretzer RM Sciubba DM Bagley CA et al Translaminar screw fixation in the upper thoracic spine J Neurosurg Spine 2006 5 6 527 533 4 Marchesi DG Reviewer s comment concerning Anterior cervical pedicle screw and plate fixation using fluoroscope assisted pedicle axis view imaging a preliminary report of a new cervical 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术前CT测量对胸腰椎椎弓根置钉准 确性的影响 J 中国脊柱脊髓杂志 2008 18 12 949 950 13 殷海东 黄明光 黄东生 等 个体化选择脊柱侧凸患者胸椎椎弓根 螺钉进钉点的研究 J 中国脊柱脊髓杂志 2009 19 3 193 197 14 陈玉兵 陆声 数字化导航模板辅助胸椎椎弓根螺钉置钉实验研 究 J 中国骨科临床与基础研究杂志 2010 06 2 125 129 15 李严兵 张元智 王平山 等 数字技术在椎弓根通道设计中的应用 J 中国现代医学杂志 2007 l7 l0 1208 1212 16 于海龙 雷伟 朱锦宇 等 三维CT重建模拟三种腰椎椎弓根螺钉 置入方法的安全性分析 J 中国脊柱脊髓杂志 2005 15 10 606 608 17 van Dijk M Smit TH Jiya TU et al Polyurethane real size models used in planning complex spinal surgery Spine Phila Pa 1976 2001 26 17 1920 1926 18 王征 王岩 毛克亚 等 脊柱数字化重建与快速成型对复杂脊柱畸 形矫治的意义 J 中国脊柱脊髓杂志 2006 16 3 212 214 19 张强 邹德威 马华松 等 快速成型脊柱模型在脊柱外科的初步应 用 J 颈腰痛杂志 2007 28 6 451