應用Solidworks軟件對脛骨平臺骨折進行術前評估和虛擬手術的初步研究

鄭翔，許錦煌，黃建榮

(1.廣州市增城區人民醫院，廣東 廣州 510300；2.中山大學孫逸仙紀念醫院，廣東 廣州 510120)

臨床研究

應用Solidworks軟件對脛骨平臺骨折進行術前評估和虛擬手術的初步研究

鄭翔1，許錦煌1，黃建榮2*

(1.廣州市增城區人民醫院，廣東 廣州 510300；2.中山大學孫逸仙紀念醫院，廣東 廣州 510120)

目的探討Solidworks軟件在脛骨平臺骨折術前評估和虛擬手術中的價值。方法將脛骨平臺骨折患者的Dicom格式CT掃描圖像數據導入MIMICS14.01軟件，重建膝關節和脛骨平臺骨折三維模型，擬合曲面后將Iges文件導入Solidworks2013軟件生成CAD模型。對骨折情況進行立體多角度觀察，對脛骨平臺骨折平臺塌陷程度、膝關節半脫位程度等進行三維數據測量及植骨量測算。在膝關節CAD模型上規劃手術入路，充分暴露骨折端，模擬克氏針撬撥等方式行骨折復位，通過開窗打壓植骨恢復關節面平整性，將復位成功的骨折模型用鋼板螺釘系統進行內固定。結果重建的脛骨平臺骨折三維可視化CAD模型可進行立體多角度觀察和測量，初步實現了對脛骨平臺骨折的術前評估，完成了以規劃手術入路、暴露骨折端、模擬骨折復位、開窗植骨、內固定為主要步驟的虛擬手術。結論應用Solidworks軟件能夠重建脛骨平臺骨折CAD模型，對骨折情況進行便捷和精確的術前評估，完成虛擬手術操作，將為臨床工作提供可靠依據。

脛骨平臺骨折；Solidworks；術前評估；虛擬手術

1 資料與方法

1.1 數據采集 隨機抽選我院1例脛骨平臺粉碎性骨折病例，所抽取病例為男性，46歲，右側閉合性脛骨平臺粉碎性骨折，受傷機制為車禍，按照Schatzker分型為Ⅳ型。采用Siemens 64排螺旋CT機獲得脛骨平臺骨折的基本數據(見圖1)。掃描參數：掃描層厚為0.33 mm，管電壓120 kV，管電流100 mA。

a 橫斷面

b 冠狀斷面 c 矢狀面

1.2 利用MIMICS軟件進行三維可視化模型重建 將Dicom格式CT掃描斷層數據輸入MIMICS 14.01軟件，經定位圖像，閾值分割，動態分割，每層圖像經選擇性編輯和補洞處理，去除冗余數據，平滑處理，經3D計算建立膝關節軟組織和脛骨平臺骨折三維可視化模型。

1.3 利用Solidworks軟件進行術前評估和手術規劃 在MIMICS 14.01軟件上重建的三維數字模型采用點云文件格式導入Solidworks 2013軟件，進行擬合曲面并獲得完整的膝關節軟組織和脛骨平臺骨折CAD模型(亦可采用STL文件格式導入Geomagic Studio軟件進行擬合曲面，再以Iges格式或Step格式文件輸出至Solidworks 2013軟件)。以重建的膝關節和脛骨平臺骨折CAD模型為基礎進行術前評估，在Solidworks 2013軟件中模擬進行立體、多角度觀察，對脛骨平臺骨折平臺塌陷程度、膝關節半脫位程度等三維數據進行測量及測算植骨量。應用Solidworks 2013軟件進行虛擬手術，首先在膝關節CAD模型上設計手術入路，暴露骨折端，模擬克氏針撬撥等方式行骨折復位，開窗植骨恢復關節面平整性，將鋼板螺釘系統CAD模型導入后與復位成功的骨折模型進行組裝模擬內固定手術。鋼板螺釘系統CAD模型根據脛骨平臺鎖定髁鋼板、鎖定螺釘實物參照，以1︰1比例由Solidworks 2013軟件進行繪制。

2 結 果

2.1 應用Mimics 14.01軟件重建三維模型 基于CT Dicom格式數據，應用Mimics 14.01軟件可完整清晰地重建膝關節軟組織和脛骨平臺骨折三維可視化模型，清楚地反映膝關節軟組織腫脹情況以及骨折粉碎和移位情況(見圖2)。

a 雙側膝關節軟組織 b 患側脛骨平臺骨折

圖2 膝關節軟組織和脛骨平臺骨折三維可視化模型

a 上視面 b 前視面

a 內外側平臺關節面高度差為4.55 mm，脛骨平臺向外側移位約13.52 mm b 藍色區域代表植骨處，植骨量約為1 279.20 mm3

圖4 對脛骨平臺骨折CAD模型進行三維測量

2.2 應用Solidworks 2013軟件進行術前評估 將Mimics 14.01軟件生成的三維模型導入Solidworks 2013軟件生成CAD模型，可多側面、多角度、多方向、多層次顯示骨折細節(見圖3)。能對脛骨平臺骨折平臺塌陷程度、膝關節半脫位程度等三維數據進行測量，對植骨量進行精確測算，如本例測得內外側平臺關節面高度差4.55 mm，脛骨平臺向外側移位約13.52 mm，植骨塊體積約1 279.20 mm3(見圖4)。

2.3 應用Solidworks 2013軟件進行虛擬手術 應用Solidworks 2013軟件可便捷和直觀地進行虛擬手術，在膝關節CAD模型上設計手術入路，充分暴露骨折端，模擬克氏針撬撥等方式行骨折復位，通過開窗打壓植骨恢復關節面平整性，將復位成功的骨折模型用鋼板螺釘系統進行內固定(見圖5)。

2.4 術后影像學評估 根據上述術前評估及虛擬手術數據進行手術，手術過程順利術后行膝關節正側位X線片復查，與術前X線片對比，可見骨折復位良好，關節面平整，脛骨平臺高度恢復，內固定牢固、位置合適，基本與術前虛擬規劃一致，達到了預期效果(見圖6)。

a 設計手術入路 b 暴露骨折斷端 c 骨折復位 d 開窗植骨 e 內固定

圖5 虛擬手術示意圖

圖6 手術前后正側位X線片比較

3 討 論

脛骨平臺骨折是一種高能量復雜關節內骨折，且位于干骺端，多為松質骨，易出現骨質壓縮缺損伴軟骨面塌陷，常合并膝關節韌帶損傷導致關節不穩，或出現髁間嵴骨折及半月板損傷，傷后常常腫脹明顯并形成張力性水皰。對于平臺骨折關節面塌陷大于2 mm、劈裂移位大于5 mm的骨折常采用手術治療，如果手術時機或手術切口選擇不恰當，或者軟組織腫脹、皮膚牽拉過度等均可能出現皮膚缺血壞死、感染、切口愈合不良、骨與內固定物外露等并發癥[4-6]。如果骨折復位不理想，或內固定失敗術后易出現關節疼痛、不穩及創傷性骨關節炎等并發癥[7-8]。為減少上述并發癥的發生，需要盡可能達到解剖復位，恢復關節面的平整以及關節的穩定性[9-10]，同時要盡量減少對軟組織的損傷。而如果術前對骨折和軟組織情況充分進行評估，準確和細致的進行手術規劃，將大大縮短修復時間，減少手術時間過長造成的軟組織創傷，提高手術的精確性和成功率。

臨床上對于復雜骨折的術前評估和手術規劃大多來自探討與分析X線片及CT等影像學資料，但這些資料提供的信息不完整，需要醫師結合自己的臨床經驗，不同醫師可能有不同看法，因而具有主觀性和差異性，常常不能制定具體的手術方案，更多時候需要根據術中探查情況取得更多的信息進行考量，而術中探查(如打開膝關節囊探查關節面或延長切口)可能加大軟組織損傷程度。另一方面，術中探查有時需要預備膝關節鏡器械或者準備更多的內固定器械。現在很多醫院CT機自帶軟件可進行三維重建，但重建出來的圖像僅僅是外觀上的可視化，提供的信息量有限，且易出現偽影，常規重建不能顯示脛骨平臺關節面，且要在該軟件上進行某個骨折塊的移動或分析是很難的，如果要求過多會增加放射科醫師的工作量。目前在很多科室，如整形外科和口腔頜面外科等科室，使用數字化三維重建和虛擬手術來為修復前進行規劃已經成為一種發展趨勢[11-13]，在骨科尤其是一些復雜的骨折和矯形手術中常常能獲得良好的臨床效果[14]。章瑩等[15]分析了135例脛骨平臺骨折病例，其中73例采用計算機三維仿真技術進行輔助，采用常規手術方法治療62例，隨訪6～34個月，平均17個月，計算機輔助組優良率90.4%，常規手術組優良率83.0%。李清泉等[16]分析了60例脛骨平臺骨折病例，其中觀察組30例術前采用虛擬手術三維重建技術輔助，對照組30例采用常規手術方法治療，觀察組術中出血量明顯少于對照組，手術時間及骨折愈合時間明顯短于對照組，術后滿意度評分明顯優于對照組，術后6個月觀察組關節活動度改善程度較對照組更優。

MIMICS(Materiaise's interactive medical image control system)是Materialise公司的交互式的醫學影像控制系統，是一套高度整合而且易用的3D圖像生成及編輯處理軟件，它能輸入各種掃描的數據(CT、MRI)，建立3D模型進行編輯，然后輸出通用的CAD(計算機輔助設計)、FEA(有限元分析)，RP(快速成型)格式，可以在PC機上進行大規模數據的轉換處理。MIMICS可以說是一款非常經典的數字骨科學入門級軟件，能夠快速根據CT、MRI等臨床常見影像數據建立三維模型，功能強大。有報道[17-18]利用MIMICS軟件進行術前評估和虛擬手術規劃，但該軟件主要功能是快速3D圖像生成及簡單的編輯處理，如果需要對模型進行分割組合、繪圖等操作則較為困難且繁瑣，而如果將模型輸出到CAD軟件，由于CAD軟件的強大繪圖和操作功能，則可以較好地完成三維模型的評估測量以及虛擬手術等工作。

法國的SolidWorks軟件，是世界上第一個基于Windows開發的三維CAD系統，具有功能強大、易學易用和技術創新三大特點。本研究通過將Mimics軟件重建的三維模型導入SolidWorks軟件，通過建立脛骨平臺骨折CAD三維模型，可以多角度、全方位觀察、分析骨折情況，更加準確地按照Schatzker分型或三柱理論進行分型。利用該軟件對塌陷型骨折進行骨折塌陷程度等三維數據的測量，進行植骨量的測算，對于伴有膝關節半脫位的骨折進行關節脫位程度的測定。通過設計手術入路、模擬骨折撬撥復位、模擬并挑選合適的內固定器材，為手術操作提供規劃和模擬，從而提高手術成功率，減少并發癥，降低手術風險。基于SolidWorks軟件的強大功能和易操作性，可以預見如果將其引進臨床工作一定會有廣闊的用途和前景，為廣大醫務人員提供極大便利。

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PreoperativeEvaluationandVirtualSurgeryofTibialPlateauFracturewithSolidworksSoftware

Zheng Xiang1，Xu Jinhuang2，Huang Jianrong2，et al

(1.People’s Hospital of Zengcheng District，Guangzhou 510300，China；2.Sun Yat-Sen Memorial Hospital，Sun YatSen University，Guangzhou 510120，China)

ObjectiveTo investigate the value of Solidworks software in preoperative evaluation and virtual surgery of tibial plateau fractures.MethodsThe Dicom format CT image data of tibial plateau fracture patients were inputted into MIMICS14.01 software，and 3D reconstruction of the knee and tibial plateau fractures were imputed into Solidworks 2013 software after fitting surface after the Iges format files.The fractures' CAD models were shown from different perspectives and measured accurately.We designed operative approaches，exposed fracture area，performed virtual reduction and internal fixation with computer.ResultsThe CAD models of tibial plateau fractures showed us the details of fracture from different perspectives include the degree of comminution and displacement.We finished the preoperative evaluation of tibial plateau fractures，performed virtual surgery include designing surgical approaches，exposing the fracture area，simulate fracture reduction，fenestration and bone grafting and internal fixation.ConclusionSolidworks software can reconstruct the CAD models of tibial plateau fractures，achieve the fracture assessment and preoperative virtual surgery.Solidworks software will provide a reliable method and basis for clinical work.

tibial plateau fracture；solidworks；preoperative evaluation；virtual surgery

1008-5572(2017)10-0895-05

R683.42

B

廣州市增城區人民醫院青年醫學人才培育基金(2016QN03)；實用新型專利：一種持骨器(ZL20162032811.2)；

*本文通訊作者：黃建榮

鄭翔，許錦煌，黃建榮.應用Solidworks軟件對脛骨平臺骨折進行術前評估和虛擬手術的初步研究[J].實用骨科雜志，2017，23(10)：895-898；907.

2017-05-31

鄭翔(1989- )，男，醫師，廣州市增城區人民醫院，510300。

脛骨平臺骨折臨床較常見，屬關節內骨折，占所有骨折的1.3%[1]，占老年人群骨折的8%[2]。脛骨平臺骨折常伴有嚴重的膝關節韌帶、半月板等軟組織損傷[3]，臨床表現復雜多變給治療帶來很大的難度。得益于醫學影像處理與三維建模技術、虛擬仿真與可視化技術、計算機輔助設計等數字骨科技術的發展，我們可以在計算機上運用相關軟件術前對脛骨平臺骨折進行充分的評估和虛擬手術，真正做到知己知彼、百戰不殆。MIMICS軟件是最常用和最基礎的數字骨科三維建模軟件，但測量骨折細節和進行繪圖或移動骨折塊模擬骨折復位內固定手術時不夠精確、簡單。本文介紹一種新的方法，利用Solidworks軟件生成CAD(計算機輔助設計)模型，可以對骨折情況進行立體、多角度顯示，便于骨折分型、精確測量三維數據、估算植骨量、設計手術入路、模擬骨折復位內固定手術，現報告如下。