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基于三维编辑的四肢骨折快速虚拟复位
2015年11月18日    评论:    分享:
    来源:第三维度
    作者:郑晓晖,张国栋,黄华军,吴章林,
        陈宣煌,陆俭军,黄文华
    单位:武警福建总队医院骨科
        南方医科大学人体解剖学教研室
        福建莆田学院附属医院骨科
        广西医科大学附属第八医院骨科

   【摘要】 目的 探讨四肢骨折快速的虚拟复位方法。方法 采集临床四肢骨折薄层 CT 扫描数据计 437 例,数据输入 Mimics 14.0,以 Edit Mask In 3D 的 Lasso 功能将骨折块分离为各个独立的Mask,三维重建后以 Reposition 将骨折块进行虚拟复位,过程合称为三维编辑。以 Stopwatch 软件进行操作计时。结果 437 例骨折均完成虚拟骨折复位,平均骨折块数量为 5.68±3.11 个,平均复位时间为(1 173.71±790.85)s,单个骨折块复位时间为(194.16±49.26)s。结论 通过三维编辑的方式,可以实现四肢骨折的快速高仿真虚拟复位。

    四肢骨折尤其是涉及关节面骨折在手术时需要进行良好的复位,恢复骨折块正常的解剖位置和关系,这是恢复肢体正常功能状态的基础,也是临床医生手术中追求的目标。当前,基于薄层 CT 扫描的骨折三维重建已在临床上广泛应用,这种在CT室工作站中实现的三维重建为骨科临床提供了重要的诊断参考价值。然而,CT 软件并不具备虚拟骨折复位功能,影像医学科医师也无法提供用于制定骨折内固定植入方案设计的骨折复位三维模型。

    随着医学三维图像可视化技术的迅速发展,利用计算机辅助技术,复杂骨折的治疗模式逐渐由“切开后再设计”的传统粗犷模式向“先设计再切开”的数字化精确模式转变[1-2],即利用计算机重建患者个体化的骨折三维立体图像,在手术规划软件上进行骨折虚拟复位、三维测量等操作,对手术部位深入观察,精确设计手术路径和范围,模拟手术操作,并能通过图像展示与治疗团队共同商讨治疗方案,完成术前虚拟手术设计,使现实手术更加精确、微创、迅速,提升了手术质量和可靠性[3-4]。在上述骨折治疗数字化设计过程中,虚拟复位是启动环节,也直接影响后续治疗的精确性;尤其是如何实现虚拟复位的快速性决定了数字化技术的推广和实用价值,有鉴于此,本文提出了基于三维编辑方式的四肢骨折虚拟复位方法,现报道如下。

    资料与方法

    一、临床数据

    共采集临床四肢骨折薄层 CT 扫描的 Dicom 格式数据 437 例,包括胫骨平台 206 例、胫骨远端 63例、股骨近端 46 例、股骨远端 85 例及桡骨远端 37例。CT 机型涵括西门子、飞利浦、GE 及东芝等品牌的多个型号。CT 扫描螺距 0.5~1 mm,扫描电流35~264 mAs,扫描电压 80~120 kV,扫描数据以刻录光盘的形式输出。共计有 4 位骨科医师、2 位博士后、4 位在读博士、6 名在读硕士参与本课题实验。

    二、软件硬件

    1. 软件环境:操作系统 Windows 7 Ultimate 64bit;医学三维重建软件 Mimics 14.0(由南方医科大学基础医学院人体解剖与组织胚胎学教研室提供);计时软件 Stopwatch(免费软件)。

    2. 硬件设备:Dell T7500、Dell M6600 图形工作站。

    三、三维重建

    主要步骤参考张国栋等[5-6]的方法。将阈值设定(thresholding)的低值逐级下调以使得所选得的Mask 获得更多更准确的骨折块信息,同时应注意避免非骨折信息纳入,高值无需改变。不需要进行空洞填充(fill cavity)以免影响骨折块边缘的判断。

    四、三维编辑

    骨折块的虚拟复位主要包括骨折块分离以及复位 2 个主要步骤,以胫骨平台骨折为例说明实验过程。

    五、骨折块分离

    本步骤将连接在一起的骨折三维模型分离为各个独立的骨折块。菜单操作 Segmentation\Edit Mask In 3D。菜单操作包括 Select、Deselect、Hide、Show、Invert、Grow、Separate 及 Remove 等。操作步骤:

    (1)在合适的视角以套索方式(lasso)三维选择(select)目标骨折块。沿着骨折线进行骨折块的分割,此时所选择的范围将以另一种颜色逐层显示,转动模型,于其他合适的视角擦除(deselect)误选范围,此时擦除范围将恢复到原来的颜色。这种颜色的变化指示着所选择的范围,非常直观;

    (2)用 Hide 命令隐藏已选择部分,再进行目标骨折块进行 Select 以及 Deselect 细化编辑,完成编辑后用 Show 命令显示所选择的全部范围;

    (3)用 Separate 将所选择范围转为一个独立的 Mask;

    (4)区域增长操作(grow),亦即三维意义上的,可用于减少与目标三维模型不相连的微小碎骨块。分离过程可归纳为“先选择,再修正”,获得准确的目标骨折块。通过上述步骤,可将骨折模型分离为独立 Mask,实施三维重建(Calculate 3D)。见图 1。


图1 骨折块分离

    六、虚拟复位

    菜单操作 Simulation\Reposition。交替使用Move with Mouse 和 Rotate with Mouse 功能将骨块逐一复位。本步骤操作要点:

    (1)首先确定用作基准的骨折块:如关节面的巨大骨折块及与其他骨骼相连的骨折块,如与腓骨相连的胫骨平台骨折的骨折块,因与腓骨相邻的骨折块位置在虚拟骨折复位过程中不变,那么可用作基准引导其他骨折块进行复位。

    (2)遵循现实手术骨折复位原则进行虚拟复位:优先复位关节面骨折至解剖复位;与现实手术关系不大的骨折块可以不复位;注意保持肢体的长度、防止旋转、关节面解剖复位等。

    (3)依次复位:熟悉骨折部位骨骼表面解剖特征,一次操作针对一个骨折块进行复位,暂时关系不明朗的可搁置先进行下一个骨折块复位。

    (4)移动(move with mouse)与旋转(rotate with mouse)配合的关键技巧:确定相邻 2 个骨折块之间能准确对应的点,并将此 2 点通过移动方式重合,然后将旋转点移动至此重合的点,进行各个方向的旋转,即可实现快速复位。见图 2。


图2 胫骨平台骨折虚拟骨折复位

    七、虚拟骨折复位操作计时

    采用计时软件 Stopwatch 进行计时。从打开未经任何编辑的骨折 Mcs 文件开始计时,直至完成虚拟骨折复位为止。记录内容包括:虚拟骨折复位时间及骨折块个数,并由此获得单个骨折块虚拟骨折复位所需时间。

    结 果

    1. 复位效果:图 3 为复位效果演示。


图3 长骨骨折虚拟骨折复位

    2. 虚拟骨折复位操作计时:见表 1。


表 1 虚拟骨折复位操作计时及复位效果

    讨 论

    骨折复位是实现良好内固定植入的基础,公认骨折复位效果与术后康复直接相关[7-8]。数字化手术方案的设计不仅决定了后续的接骨板选择、内固定植入位置优化及螺钉植入等步骤,而且为手术入路的选择及调整提供了依据,因而,虚拟骨折复位对于数字化设计而言是启动环节,不可或缺。复习文献,迄今仍无骨折快速高仿真虚拟复位的方法报道,也因此大大限制了数字化设计在骨折手术中的应用,如在 AO 建议的术前手术方案设计也仅是采取了手工绘制的方式[9]。有鉴于此,以四肢骨折为例,本课题进行了大样本量的各种类型骨折的虚拟复位研究,实践表明,三维编辑是一种具有通用性意义的虚拟骨折复位方法。

    一、虚拟骨折复位的简单回顾

    复杂骨折进行薄层 CT 扫描获得的三维模型中很多骨折块都连接在一起,从而无法复位,而要进行骨折的数字化设计,必须完成虚拟骨折复位。

    国内外学者就骨折数字化设计中的虚拟复位进行了一定探讨。现有骨折手术数字化设计多在医学三维重建软件中逐层进行二维图像分割实现虚拟骨折复位[10-11],显然这是一个极为繁琐的工作,尤其在复杂骨折这种逐层分割的难度及耗时将倍增。利用快速成型技术进行骨折复位模拟及手术设计[12-13]也有报道,此项技术有着直观的显著优势,但仅从设计角度需要制作较多骨折块,成本及时间消耗也是极为明显,除此之外,从手术设计的角度,实体模型并不比虚拟手术设计更具优势,因而单纯从骨折复位模拟来说,技术上及成本上略显不足。

    国外学者编写的专用软件及器械可以在术前进行骨折复位的模拟[14-16],以增加手术医师对于骨折病情的了解,这种系统有着非常显著的教学价值,然而成本及时间消耗也会增加,而且这对于手术方案的优化设计,并无有效方案。

    张国栋等[17]所提出的三维切割( cut with polyplane,cut with curve)的方法虽然可以实现简单骨折块的快速分离,但很难分离不规则的复杂骨折块,虚拟复位的仿真程度低,故而不适于制订准确的手术方案。见图 4。


图4 三维切割不适于复制骨折块的分离

    本课题方法是张氏等方法的进一步改进,由于具有快速及高仿真的显著特性,因而具备了通往临床实践的“入场券”。

    二、快速高仿真的虚拟骨折复位的临床意义

    当前骨折薄层 CT 扫描三维重建已经成为一种常规术前检查,为全面了解骨折病情提供了更直观的可靠依据。然而这种检查方式的重要价值往往只体现在诊断上,尚未完成骨折虚拟复位的三维模型并不能用于非常细致的内固定植入方案设计,对于骨折治疗的参考价值并非十分明显。同时,CT 室提供给骨科临床医师的仅是有限的数幅各个视角的三维骨折模型的二维截图,显然无法依据这些有限的条件设计精确的手术方案。依靠医师的丰富想象完成的骨折复位计划,在一些关键的和位置不容易显露的骨折块可能出现判断偏差,直接影响术前规划和术中处理。

    临床骨科医师希望能为每一例骨折患者实现最适合于其病情的固定,包括优化的手术入路选择、最适合于骨折的接骨板以及良好固定关键骨折块等。显然,从手术设计的角度,也希望能实现对现实手术的仿真及优化,从而制定合理的手术设计。快速的高仿真的虚拟骨折复位在手术设计中处于关键的启动环节,可以说没有复位就无法设计。

    基于三维编辑的虚拟骨折复位正是解决上述问题的有益尝试,具有快速以及高仿真等显著优势,有利于制订个性化的手术方案,如可以了解复位要达到的目标、手术的关键点、手术入路的选择,甚至接骨板的优化选择。虚拟骨折复位的三维界面可为治疗组全体成员共享,并据此展开讨论或进行讲解,优化手术方案,最大限度规避医疗风险,有助于低年资医师迅速提高理论及操作水平。

    本课题以虚拟骨折复位为基础,实施了一系列骨折个性化的手术方案设计及实施,实践效果良好。图 5 为 1 例胫骨平台骨折、中上段粉碎性骨折的内固定植入方案设计及术后 X 线,虚拟骨折复位在手术方案设计及实施中具有实用价值。


图5 虚拟骨折复位辅助下的内固定植入方案设计及手术效果

    三、三维编辑是实现快速高仿真虚拟骨折复位的关键技术

    可将骨折块分离和复位这两个连贯的过程统一命名为三维编辑(three dimensional editing),意即对骨折块的形状以及空间位置按照预定目的进行编辑,据此实现快速及高仿真的虚拟骨折复位。

    从三维的任意视角,针对不规则的骨折线以 Edit mask in 3D 的 Lasso 方式进行选择/擦除骨折块,即可实现精确分离,此即快速骨折块分离的基本原理及优势所在。

    基于三维编辑的虚拟骨折复位具有快速的显著优势。实验全部 437 例骨折,计(5.68±3.11)个骨折块/例,每例骨折虚拟复位用时(1 173.71±790.85)s,约 20~30 min 即可完成,每个骨折块虚拟复位约用时(194.16±49.26)s。从计时数据看来,并不需要消耗临床骨科医师太多时间进行手术设计,从本课题实践经验来看,如果仅是为了制订手术方案而进行的虚拟复位,其中很多与手术设计关系不大的碎骨块并不需要复位,那么,显然这样的虚拟复位时间尚可减少。

    本课题认为,影响虚拟骨折复位效果的主要原因为:(1)薄层 CT 扫描质量。(2)模型大小:模型越大,三维编辑所需要的显示时间越多,如骨盆和髋臼。(3)不同部位骨折:可用于判断位置的骨骼标志越多,那么越容易实现虚拟复位,这点与现实骨折复位是一致的。(4)骨折块数量越多,就越难复位。(5)与手术设计精确度直接相关:如关节面需要解剖复位,其虚拟骨折复位精度要求较高。

    与手术设计无关的虚拟骨折复位可予忽略,如图 4。

    四、注意事项

    (1)硬件条件:主流独立显卡的台式机及笔记本电脑均可流畅完成本文所有实验;

    (2)高版本的Mimics 文件需另存为 Mimics 11.0 文件后,才能在分离骨折块时所选择的骨折块变成其他颜色,否则不能据此判断所选择的范围;

    (3)在一个 Mcs 文件中,Mask 上限仅为 30 个,如骨折块数量超过 30个,可以不处理无助于制定手术方案的骨折块。

    五、展望

    除了四肢骨折之外,涉及全身各部位骨折的虚拟骨折复位方法的研究正在进行中,快速及高仿真是虚拟骨折复位的基本要求,这也需要不断从临床案例中提供更有益的方法学上的改进。三维编辑不仅可用于骨折虚拟复位,还可以用于畸形纠正、肿瘤切除假体设计及人工关节等多个方面,通过对三维编辑的扩大研究,使之成为一种具有通用性意义的骨骼的编辑方式。

    参考文献

    [1] 张元智, 陆声, 赵建民, 等. 数字化技术在骨科的临床应用[J]. 中华创伤骨科杂志, 2011, 13(12): 1161-1165.

    [2] Fürnstahl P, Székely G, Gerber C, et al. Computer assisted reconstruction of complex proximal humerus fractures for preoperative planning[J]. Medical Image Analysis, 2012, 16(9):704-720.

    [3] Hu YL, Li HY, Qiao GX, et al. Computer-assisted virtual surgical procedure for acetabular fractures based on real CT data[J]. Injury,2011, 42(10): 1121-1124.

    [4] 王丹, 谢叻, 裴国献, 等. 股骨转子间骨折三维虚拟手术研究[J].南方医科大学学报, 2010, 30(5): 1165-1168.

    [5] 张国栋, 陶圣祥, 郑和平, 等. 基于三维重建技术的股骨远端骨折数字钢板设计[J]. 实用骨科杂志, 2010, 16(1): 35-37.

    [6] 张国栋, 林海滨, 陈宣煌, 等. 基于多平面三维测量的髋臼骨折数字化内固定植入方案[J/CD]. 中华临床医师杂志: 电子版, 2012, 6(8):2010- 2015.

    [7] Mayo KA. Open reduction and internal fixation of fractures of the acetabulum. Results in 163 fractures[J]. Clin Orthop Relat Res,1994(305): 31-37.

    [8] Moed BR, Carr SE, Gruson KI, et al. Computed tomographic assessment of fractures of the posterior wall of the acetabulum after operative treatment[J]. J Bone Joint Surg Am, 2003, 85-A (3):512-522.

    [9] 鲁迪, 巴克利, 莫兰, 著. 危杰, 刘璠, 吴新宝, 等, 译. 骨折治疗的 AO 原则[M]. 2 版. 上海: 上海科学技术出版社, 2010: 127-128.

    [10] 汪光晔, 张春才, 许硕贵, 等. 基于真实 CT 数据骨科虚拟手术计划在髋臼骨折手术中的运用[J]. 中国组织工程研究与临床康复,2011, 15(43): 7987-7990.

    [11] 王丹, 姜晓锐, 谢叻, 等. 基于 Unigraphics NX 和 Mimics 软件的股骨远端骨折三维虚拟手术研究[J]. 中华创伤骨科杂志, 2010,12(1): 53-56.

    [12] Li P, Tang W, Li J, et al. Preliminary application of virtual simulation and reposition template for zygomatico-orbitomaxillary complex fracture[J]. J Craniofac Surg, 2012, 23(5): 1436-1439.

    [13] 章莹, 万磊, 尹庆水, 等. 计算机快速成型辅助个体化三踝骨折的手术治疗[J]. 中华创伤骨科杂志, 2009, 11(6): 509-511.

    [14] Citak M, Gardner MJ, Kendoff D, et al. Virtual 3D planning of acetabular fracture reduction[J]. J Orthop Res, 2008, 26(4): 547-552.

    [15] Oka K, Moritomo H, Goto A, et al. Corrective osteotomy for malunited intra-articular fracture of the distal radius using a custom-made surgical guide based on three-dimensional computer simulation: case report[J]. J Hand Surg Am, 2008, 33(6): 835-840.

    [16] Pettersson J, Palmerius KL, Knutsson H, et al. Simulation of patient specific cervical hip fracture surgery with a volume haptic interface[J]. IEEE Trans Biomed Eng, 2008, 55(4): 1255-1265.

    [17] 张国栋, 廖维靖, 陶圣祥, 等. 基于 CT 值及三维切割的腰椎密度值快速求解[J]. 中华实验外科杂志, 2011, 28(11): 1978- 1980. 

标签:四肢骨折医疗三维重建
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