基于三维重建胫骨平台后侧骨折数字化内固定植入物的初步设计
福建医科大学
硕士学位论文
基于三维重建胫骨平台后侧骨折数字化内固定植入物的初步设
计
姓名：陈国立
申请学位级别：硕士
专业：外科学（骨外）
指导教师：徐杰
2011-06
基于三维重建胫骨平台后侧骨折数字化内固定植入物的初步设计
中文摘要
目的：运用医学三维重建软件Mimics结合机械制图软件Solidworks，探讨胫骨平台后侧骨折的数字化内固定植入物的设计方法。
方法：采用17侧成人尸体下肢标本为实验材料，主要实验步骤包括标本制作、高速薄层CT扫描、三维重建、预定植入钢板部位的三维数据测量、Solidworks零件文件的绘制、虚拟骨折复位、虚拟钢板内固定及观察效果。
下肢标本经胫骨平台后内侧及后外侧手术入路暴露造模部位，以骨钻、克氏针、骨刀及骨锤等器械实施胫骨平台后内侧及后外侧Khan骨折造模各2侧，骨折片以凝胶固定，余13侧下肢标本以铁丝编号标记，进行高速薄层CT扫描，扫描层距0.625mm，扫描数据以光盘输出至Mimics 11.0，设定阈值并针对Mask文件进行编辑，以Optimal、Shell Reduction 1为参数进行三维重建，针对初步重建的三维模型进行一定的表面光滑处理以适应三维测量。在胫骨平台后侧预定植入钢板的位置按照骨性标记划分成不同的平面，以Mimics的3D测量工具对这些平面进行3D长度的标记，根据这些标记进行三维角度的测量。在Solidworks 2008 SPO中根据测量数据进行内固定钢板以及螺钉的绘制。在Mimics中，以Reposition命令，针对骨折块的三维模型进行3D的移动及转动，完成虚拟骨折复位。在Mimics中加载钢板及螺钉的Stl格式文件，以Reposition命令将钢板及螺钉移动至预定植入位置，完成虚拟内固定，观察内固定效果，如有必要，对钢板的Solidworks零件文件进行修改。
结果：所有标本及2种骨折模型均进行了CT扫描；三维重建、虚拟骨折复位；根据钢板设计及植入要求，实施三维模型3D的长度及角度测量；根据3D测量数据，完成内固定钢板及螺钉的Solidworks零件文件的绘制；在Mimics中，均完成标本、钢板及螺钉的虚拟内固定；显示虚拟内固定解剖复位，效果良好。
结论：1 运用个人电脑、医学三维重建软件Mimics结合机械制图软件Solidworks，可以进行数字化内固定植入物的设计；
2 本课题为数字骨科学内固定器械设计提供一定参考。
关键词胫骨平台后侧骨折三维重建数字化机械制图骨折复位
Preliminary Digital Design for Fixation Implant by Three-dimensional Reconstruction in
Dorsal Tibial Plateau Fractures
Abstract
Objective: To investigate the procedures of digital design for fixation implant in dorsal tibial plateau fractures by medical 3-D reconstruction software Mimics and mechanical drafting program Solidworks.
Methods: Lower extremities of 17 Adult corpses were selected for experimental materials, main steps include specimen making, high-speed thin layer CT scans, three-dimensional reconstruction, 3-D data measurement, drafting of Solidworks section, theoretical reduction of the fracture, internal fixation with steel plate and consequence analysis. Molding section of lower extremities were exposed by approaching to posteromedial or dorsolateral tibial plateau, apparatus include bone drill,Kirschner wire, osteotome and bone mallet were used to make mold of tibial plateau fractures, specimen were classified into 2 categories by Khan classification--posteromedial and dorsolateral side. Fragments were fixed by adhesive gel, the rest of 13 lower extremities were identified by steel wire. High-speed thin layer CT scans carried out consequently with scanning layer 0.625mm, all data were collected to Mimics 11.0 via disc, files of mask were compiled after threshold value set up, and three-dimensional reconstruction was through by parameters of optimal, shell reduction 1. Preliminary 3-D moldings were polished for further measurement. Various sections were noted by osseous markers on the rear site of tibial plateau where steel plate are scheduled to be implanted. Mimics was applied to measure the 3-D length and 3-D angle on the scale in those sections. Steel plates and screws were drafted by Solidworks 2008 SPO in accordance with previous data. Theoretical reduction of the fracture achieved by shifting or moving 3-D model under Reposition instruction in Mimics program, then digital internal fixation was accomplished through moving steel plate and screw to the scheduled site under Reposition instruction after stl files uploaded in Mimics program, consequence analysis was done as followed, Solidworks section will be amended when necessary according to the consequence analysis.
Result：CT scans, three-dimensional reconstruction, theoretical reduction of the fracture have been carried out smoothly in all cases and 2 kinds of fracture molds. And the measurement of length or angle in 3-D mold was done in accordance with the design and implantation of steel plate. The drafting of Solidworks sections and internal fixation was achieved by 3-D measurement data.
Mimics. The consequence analysis shows anatomical reduction and excellent internal fixation. Conclusion：1. The design of digital implantation fixation can be carried out by using PC, medical three-dimensional reconstruction software Mimics and Solidwork. 2. Our project may provide relevant evidence for orthopedic instruments development.
Key words: Dorsal tibial plateau fractures; Three-dimensional reconstruction; Digitization; Mechanical drafting; Reduction of fracture; Internal fixation
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前言
随着建筑和交通运输业的发展，胫骨平台骨折的患者越来越多，胫骨平台后侧骨折被认为是一种特殊的胫骨平台骨折，按照 AO 分类，胫骨平台后侧骨折属 41-B3型，但很难将其归入Schatzker 分类的Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ型中的任何一种[1- 2]。Khan等[3]综合了以往的分类、膝关节正侧位 X 线片及膝关节CT 横断面中有关胫骨平台骨折的冠状位、矢状位和水平位的大部分信息，对胫骨平台骨折作出了比较全面的分型，将累及胫骨平台后侧的骨折按照形态学分布划归单独一型，即 P 型平台后侧骨折，并进一步将其细分为 P1 平台后内侧骨折和 P2平台后外侧骨折两种亚型。
胫骨平台后侧骨折属关节内骨折，要求尽量解剖复位关节面，恢复正常的力线，进行坚强的固定，以便早期就能进行功能锻炼。如果诊断不及时、不明确或内固定失败，将导致术后骨折移位，失去关节面解剖结构和关节稳定性下降，造成骨折块的吸收或继发创伤性关节炎，出现膝关节功能障碍，需要再次手术，甚至导致行膝关节融合术或膝关节置换术，不仅给患者带来了很大的身体和精神上的痛苦，也加重他们的经济负担，更造成社会劳动力的丧失。在内固定物的选择上，由于平台后方的解剖轮廓欠规则，干髓端移行区弯度较大，又没有相关的解剖学形态描述，临床上尚无符合该解剖特点的内固定物。内固定物具体的尺寸和外形常常根据术中情况临时决定，一定程度延长了手术时间，术中为使钢板适应骨折情况而反复折弯，致使力学强度下降，常常给术后患者康复埋下隐患[4]。即使通过术中塑形，也难以与骨折端精确贴附，从而影响手术疗效[2] [5]。因此，如何进一步改进和优化，研制适用于胫骨平台后侧骨折的内固定物值得研究。
数字骨科学的出现和软件技术的发展为骨科的应用基础研究提供了一种全新的思路和方法。影像设备扫描精度的提高以及三维图像等电脑软件的改进，使数字化内固定物在三维重建模型中的设计成为可能，数字化技术特有的可反复操作的特性，可以对设计方案进行反复的模拟、改动，从而达到设计最合理的、个性化的内固定物。
本课题利用数字骨科学的理论基础，充分运用医学三维重建软件Mimics及机械制图软件Solidworks，对胫骨平台后侧骨折内固定物进行设计研究，与传统的尸体解剖学研究相比，具有精度高、一致性好、可重复性强、非破坏性以及节约尸体标本数量之医学研究资源等优点；同时，内固定物长度、角度等数据由重建软件自动生成的三维点坐标计算获得，减小了尸体标本研究时手工测量存在的系统误差，提高了研究结果的准确性、可靠性和实用性。本课题为数字骨科学内固定器械设计提供一定参考，并可为胫骨平台后侧骨折手术治疗的标准化、个体化的术前规划提供方法及理论依据。
材料与方法
1 材料
1.1 实验标本
采用17侧成人尸体下肢标本，标本来源由南京军区福州总医院骨科研究所临床解剖研究中心提供，其临床应用解剖学实验室具有约1000平米实验室，提供标本制作所需条件。
1.2 软件环境
Windows XP Professional SP2 64bit；Mimics 10.01；Solidworks 2008(由福建中医学院骨伤系生物力学研究中心提供)。
1.3 硬件环境
CPU-Intel 酷睿2 E9600；内存- DDR3 1366共4G；图形加速卡-Nvidia 9800GT；硬盘-Seagate SATA 1TB；显示器-DELL U 2711。
1.4 扫描环境
PRATICO64排螺旋CT（德国西门子公司）：福建省立医院医学影像中心。
2 方法
2.1 标本制作
采用17侧成人下肢尸体标本为实验标本，其中4侧下肢标本用于经胫骨平台后内侧及后外侧手术入路造模，以骨钻、克氏针、骨刀及骨锤等器械将标本骨骼按Khan骨折分类方法，制作胫骨平台后内侧骨折模型2侧，胫骨平台后外侧骨折模型2侧，骨折片以凝胶暂时固定，使之不移位。如图1A-D、2A-D。余13侧下肢标本以铁丝编号标记。如图3A-C。
图1 胫骨平台后内侧骨折造模
A 暴露术野；
B 骨钻钻孔；
C 骨凿分离；
D 完成造模
1 股骨髁；
2 胫骨平台后内侧髁；
3 腘动、静脉及分支；
4 骨折块
A 暴露术野；B- C 骨钻钻孔；D 完成造模
图3 标本9、10及11
A 标本9；
B 标本9；
C 标本11
2.2 CT扫描
将制作好的各种标本进行高速薄层CT扫描，扫描条件设置为120Kv，250mA，层距0.625mm，扫描时间1.5s，采集像素为512×512的Dicom格式图像，以刻录DVD光盘的形式输出。
2.3 标本Mimics三维重建
参考张国栋[6]、姜海波[7]的方法，将扫描获得的二维CT图像以dicom格式文件数据输入Mimics软件中，并组织图像(Import imgaes， Organize images)，设定阈值(Thresholding)：按照Mimics软件中设定的CT的骨窗，即设定226~3071Hu，根据标本实验选定需要的二维图像，设定选择范围内符合该阈值的部分，成为新Mask一部分，如果需要将相邻的骨骼分开，通过Erase切断二者之间的联系，再通过Region Growing，达到将骨骼完整分开的目的，得到实验所需的部分，存入新的Mask文件。通过Calculate Polylines，计算轮廓线，由软件自动填补空洞，通过参数设定：Shell Reduction 1。利用对不同层面的图像以叠加的形式的基本原理，即可得到正常及骨折的初步三维重建模型，初步三维重建的模型外观仍然有很多细小
的突起，影响测量及观察，为此需进行一定的Remesh（表面光滑处理）操作，最终得到理想
的三维重建模型。
其具体主要步骤及截图如下：
2.3.1导入Dicom格式文件
Mimics菜单操作：File…import images
A B
C D
图4 图像输入及设置
A 读入Dicom格式图像；
B 传送数据； C- D 方向及定位
2.3.2 设定阈值
(1) 菜单操作：Thresholding（Bone CT）。Mimics提供了多种组织的阈值，如成人及儿童骨骼的密质骨（Compact bone）、松质骨（Cancellous bone）以及多种软组织的阈值，可根据实际情况进行设定。在标本质量较差时，可自定义阈值方便操作。
(2) 操作界面：水平面、冠状面及矢状面。如图5A-C。
(3) 区域增长Region Growing。如图5D。
A B
C D
图5设置平面及区域增长
A 矢状面；
B 水平面及设定阈值；
C 冠状面；
D Region Growing
2.3.3 编辑
菜单操作：Edit Masks
（1）Draw
选择范围将被加入指定Mask，成为新Mask一部分。如图6A-B。
（2）Erase
选择范围将被从指定Mask中删除。如图6C-D。
图6 Draw 与Erase 操作
A- B 某一层面Dicom 格式图像的Draw 操作；C-D 某一层面Dicom 格式图像的Erase 操作
(3) Threshold
设定一定阈值，选择范围内符合该阈值的部分，将被加入指定Mask ，成为新Mask 一部分，不符合该阈值的部分则不被加入。该命令在轮廓不清时常用。 (4) Cut
菜单操作：Edit…Erase…Region Growing
Mask 在相邻骨骼之间直接沟通，如果需要将相邻的骨骼分开，可以通过Erase 切断二者之间的联系，再通过Region Growing ，将指定的Mask 转移至新的Mask 文件，从而达到将骨骼完整分开的目的。在不同操作界面上对指定Mask 进行切割操作有助于提高效率，如图7A-B 。
(5) Calculate Polylines
菜单操作：Calculate Polylines…Cavity Fill From Polylines
Mask 文件中可见大量的空洞存在，而这些空洞并不是真实的存在，只是因为扫描精度、
轮廓线，通过轮廓线由软件自动填补则大大减少工作量。如图7C-D 。
图7 相连切割及空洞填补 A-B Cut 操作；C-D 空洞的填补
2.3.4 Calculate 3D from mask
参数设定：Shell Reduction 1。
三维重建的基本原理是对不同层面的图像以叠加的形式，形成三维模型。Mimics 提供了不同形式的三维重建，分别是low 、medium 、high 、optimal 和custom 。一般来说，低质量的三维重建应用于Edit 的定位及进程，往往在观察完毕后删除，高质量及优化的三维重建可予重命名后保留，应用于有限元分析及数字钢板设计等。如图8A-D 、9A-D 。
A B
C D
A B
C D
图8胫腓骨三维模型
A- C 胫腓骨三维模型各视角截图；D胫骨平台后侧及上胫腓关节
A B C D
图9 胫骨平台后内侧及后外侧骨折三维模型
2.3.5 Remesh
菜单操作：Remesh
初步三维重建的模型外观仍然有很多细小的突起，影响测量及观察，为此需进行一定的Remesh （表面光滑处理）操作，但与进行有限元分析而进行的Remesh 不同，此处仅需要进行较为简单的Remesh 即可，注意切勿进行深度的Remesh 操作，导致三维模型外观出现重大的改变，以至于影响测量精度。如图10A-D 。
图10 Remesh （表面光滑处理）
A Remesh 前； B-C Remesh 设定； D Remesh 后
2.4 骨折模型的复位 2.4.1 骨折块分解
利用Mimics 三维重建功能得到的三维重建模型，将骨折块指定为不同的颜色，尽量使骨折部位及骨折块凸示出来，使其一目了然。对于骨折线不明确或骨折片重叠的情况需根据经验进行人工判断。如图11A-D 。
A
B
C
D
图11 骨折块分解
A- D 胫骨、腓骨及骨折块的三维模型
2.4.2 三维重建模型骨折复位
运行Mimics 的Reposition 功能，可对各骨折块进行复位，操作的要领是：选择最大的骨块作为基准，先复位容易，较大的骨折块，后进行小的骨折块复位，通过平移或旋转功能键，认真耐心、细致地进行，保证骨折块对应的线、面满意地吻合，达到解剖复位。当骨折块解剖复位后，要及时保存复位结果。如图12A-D 。
A C B
D
图12 三维重建模型骨折复位
A 移动；
B 转动；
C 解剖复位后视图；
D 解剖复位左视图
2.4.3 骨折复位后三维模型合并
Mimics 软件中进行3D 测量只能针对某一个三维实体模型进行，而不能跨越不同的三维实体模型中进行测量，故可通过运行布尔逻辑运算功能键（Boolean ），将分离出来的骨块通过联合功能键（Unite ）合成一个三维重建模型三维模型。合并后的3D 模型与分开的各个3D 模型的空间位置相同，保证测量的顺利进行及准确度。 2.5 三维重建模型的测量
2.5.1 胫骨平台后内侧数字化内固定植入物设计的测量
胫骨平台后内侧较规则，观察骨骼结构，根据骨折特点、骨性解剖标志，如图13所示，根据不同角度、长度及解剖位置，设置以下各点，各点连接线轮廓所示，形如T 型，预设计钢板基本形状为T 型。上端见一横弧骨棘，称“后内侧髁上棘”，下端也见一横弧骨棘，称“后内侧髁下棘”。内侧翼约止于后内侧髁上下棘往内侧移行至形状开始改变点（L 、N ），外侧翼止于是胫骨上段后内侧纵形骨棘与后内侧髁上下棘的交点（K 、M ）。LN 、 K M 之间的距离为侧翼宽度的参考值，根据骨块大小，骨骼结构，预设钢板主干宽度为1㎝，在内侧髁上下棘设置E 、J 、D 、I ，使EJ ≈ DI ≈1㎝，KE ≈JL ≈MD ≈IN ，在ED 、JI 向远端的骨面作延长线，取C 、B 、
A
B
C
D
A 、H 、G 、F 点，C 、H 为干骺端斜坡急降点，
B 、G 为干骺端斜坡的最低点，A 、F 为CB 、GF 延长线骨面上随意一点，使AF ≈BG ≈CH ≈DH ≈EJ ≈DI ≈1㎝。为绘制钢板需要，共设置以下数据：AB 、B
C 、C
D 、D
E 、FG 、GH 、 HI 、IJ 、KE 、EJ 、JL 、MD 、DI 、IN 、KM 、LN 、 ∠ABC 、∠BCD 、∠CDE 、∠MDI 、∠DIN 、∠KEJ 、∠EJL 。利用Mimics 中Tools 功能，在合并后的三维模型进行3D 长度及角度测量，为减少误差，每个标本共测量6次，测量时间间隔3- 7天，以消除记忆效应。测量数据取平均值，参与总标本量统计，获得全部标本测量项目的平均值（结果见数据汇总表所示），作为绘制钢板的重要指标。
图13 胫骨平台后内侧三维模型测量标记
2.5.2 胫骨平台后外侧数字化内固定植入物设计的测量
胫骨平台后外侧较不规则，常规的骨骼标记测量难以达到钢板绘制的需要，作者以逆推的形式，根据骨折特点、解剖骨性标志，先假设钢板已经覆盖在骨骼上，结合欲植入的钢板外形，如图14所示，设置以下各点，各点连接线轮廓所示，形如L 型，预设计钢板基本形状为不规则L 型，观察预设钢板外型，可以简略地分成5个不同的平面。各点、线、面分述如下：K 点为腓骨尖在胫骨关节面上的点，I 点为腓骨头关节面内侧缘最远点，L 点为腓骨头关节面外侧缘最远点，J 点为KI 之间角度变化点，B 点、H 点为干骺端移行至骨干的转角点，并设置钢板主干宽度BH ≈1㎝，C 点为后外侧髁上棘开始斜坡下降点，D 点、E 点、F 点分别为经J 点、K 点、L 点与后外侧髁上棘垂直交点。A 点为CB 连线的延长线在胫骨干上的一点。G 点为经H
A
C
D
E B F
G
H
I
J
M K
N
L
点与AB 的平行线上的点，并使AG ≈BH ≈1㎝，5个不同的平面的夹角为：∠1：面ABGH 与BCHI 的交角； ∠2：面BCHI 与CDIJ 的交角； ∠3：面CDIJ 与DEJK 的交角； ∠4：面DEJK 与EFKL 交角。根据以上点，为绘制钢板需要，共设置以下数据：AB 、BC 、CD 、DE 、EF 、GH 、HI 、IJ 、JK 、KL 、BH 、CI 、EK 、FL 、∠1、∠2、∠3、∠4、∠ABH 、∠BHG 、∠CBH 、 ∠IHB 、∠DCI 、∠CIJ 、∠EDJ 、∠DJK 、∠FEK 、∠EKL 。利用Mimics 中Tools 功能键，在合并后的三维模型进行3D 长度及角度测量 ，其测量这5个区域的直线的长度以及夹角，测量5个平面之间的角度，是为成功绘制复杂外观钢板的最重要条件。5个面之间的交角∠1、∠2、∠3、∠4测量方法：∠1，即面ABGH 与BCHI 的交角，在Mimics 中面BCHI 远端向BH 引一垂线，垂线与BH 的交点向面ABGH 远端引线，该引线与BH 垂直，两根垂线的角度即为面ABGH 与BCHI 的交角，同法可测出∠2，即面BCHI 与CDIJ 的交角； ∠3，即面CDIJ 与DEJK 的交角； ∠4，即面DEJK 与EFKL 交角。测量次数及统计方法基本同胫骨平台后内侧。
图14 胫骨平台后外侧三维模型测量标记
A 后视图；
B 右视图
2.6 数字化钢板、螺钉的三维绘制
Solidworks 绘制钢板的方法很多，绘制的原则是：简明、易懂、规格可变及避免几何错误。其主要要领如下：1、设置原点：原点是一个非常重要的定位标志，用于钢板折弯时定位，一般设置在钢板的上部或者下部的正中，利用原点，可以对钢板的任何位置进行定义，同时与骨骼三维模型位置进行匹配； 2、草图绘制需要标记尺寸，如果需要不同规格，可以修改草图获得，简便易行；3、绘制过程不管如何复杂，其总的方法是：在现有的面上绘制，如果现有的面不能满足绘制的需要，那么就要设置一定的参考平面以达到绘制的要求。
胫骨平台后内侧T 型钢板及胫骨平台后外侧不规则L 型钢板的Solidworks 零件文件绘制的A
B
G
H
C I
D J
K
L
E
F
A
G
B H
C
I
D
J
E K F
L
B
A
2.6.1 胫骨平台后内侧T型钢板的Solidworks零件文件绘制的简要过程
(1) 从原点开始绘制草图，整个T型钢板可以简化为3段，根据测量数据，自下而上分别长40、30、14mm，所形成的2个角度根据测量数据分别设置为148°和155°；草图中段以及转角处以3点圆弧代替；基体拉伸形成T型钢板主干。如图15 A-D。
A B C D
图15 草图绘制
A 草图绘制；B拉伸； C 绘制弧线； D 拉伸钢板主干
(2) 钢板侧翼的绘制：∠A以及∠B根据测量数据设置为155°，双侧侧翼长7.5mm；
侧翼直线以弧线代替，完成草图绘制，拉伸基体。如图16。