利用CT三维重建和Ugnx、Pro/E数控加工定制完全个体化锁骨骨折内固定钢板的研究

陆忠辉，童松林，徐仲棉

1 浙江省慈溪市人民医院骨科，浙江省，慈溪市，315300

2 浙江省广慈医疗器械有限公司，浙江省，慈溪市，315300

随着骨科手术的发展，创伤骨折病人的内固定植入物器材的变化也很大，由简单的克氏针[1]及链条式接骨钢板发展到锁定钢板和LISS钢板[2]，由三棱形髓内钉发展到交锁髓内钉[3]等。由于个体差异，且内植入物没有做到完全个体化，使术中钢板塑型不良，或者植入物不能完全匹配患肢的骨骼解剖结构，导致部分病人发生骨折愈合延迟，畸形愈合或骨不连，甚至内植入物断裂，取出困难等等问题[4]。利用螺旋CT三维重建成像技术和计算机辅助设计、制造（简称：CAD/CAM）技术及数控仿真加工（CNC）技术，我们已经快速定制出按照不同病人、不同部位、不同骨折特点的骨骼匹配度极高的锁骨异性内固定钢板，使患者的内固定钢板完全个体化，现报道如下。

图1 右侧锁骨（骨折侧）CT图像Fig.1 Across-sectional CT image of the right clavicle(injured side)

图2 左锁骨（健侧）CT图像Fig.2 Across-sectional CT image of the left clavicle(uninjured side)

1 数据处理

1.1 数据采集

利用本院16排螺旋C T机，型号为美国G E lightspeed16 ，1.25 mm 间距，螺距10 mm螺旋扫描，患侧和健侧两侧锁骨各扫描64张，dicom格式图像，图1和图2为螺旋CT扫描获得的两幅图像。

1.2 三维重建和图像切割

利用求反软件mimics8.1三维重建(图3、图4),并把图像切割，并转换成iges文件（图5、图6）。

图3 右侧（患侧）锁骨粉碎性骨折三维图Fig.3 3D image of the right clavicle (injured side)

图4 左侧（健侧）锁骨三维图Fig.4 3D image of the left clavicle (uninjured side)

图5 右锁骨骨折三维图转换成igs文件Fig.5 The .igs file from the 3D right clavicle image(injured side)

图6 左锁骨由三维图转换成igs文件Fig.6 The .igs file from the 3D left clavicle image(unjured side)

1.3 数据处理及钢板设计

利用计算机辅助设计软件Unigraphics NX 5.0，可以精确绘制出患者正常锁骨的侧面弧度（图7）和上面观（图8）两个面的弧度，由此先设计出健侧锁骨相贴合的钢板。结合患侧右侧锁骨骨碎片大小以及骨折线长短（图9），再设计出螺钉孔的间距（图10）。根据人体骨骼对称性，把得到锁骨图像镜像处理，得到右侧锁骨定制钢板的图像（图11），保存为igs文件。

图7 根据左侧锁骨的冠状面的弧度设计定制钢板的侧面弧度Fig.7 The individualized plate’s arc of the side view from the arc of the left clavicle’s cronal section

图8 根据左锁骨的上面观 定制锁骨钢板的正面弧度Fig.8 The individualized plate’s arc of the anterior view from the arc of the left clavicle’s verticle view

图9 测量出右侧锁骨骨碎片大小以及骨折线长短Fig.9 Take the measurements of the bonechips and fractue lines

图10 根据骨折线调整定制钢板的锁骨螺钉孔的间距Fig.10 The spacing adjustment of the individual plate’s screw hole according the fracure

图11 由左侧（健侧）定制的钢板作镜像，得到右侧锁骨定制钢板Fig.11 The right clavicle individual plate’s image according the left(uninjured side)

2 数控中心加工

把igs文件导入到数控中心Pro/Engineer Wildfire 5.0，采用0.10mm刀具加工，直接切削加工外形、内圆弧表面成型(图12)。

图12 完全个体化定制的右锁骨钢板Fig.12 The end product of the right calvicle individual steel plate

3 结果

通过CT扫描和三维重建，并经求反软件和UG NX、Pro/E数控加工技术，定制出完全个体化的内固定钢板。理论上，该内固定钢板跟病人的骨骼的匹配度可以达到±0.2 mm。定制的锁骨钢板比目前常用的普通S形锁骨异形钢板，更符合正常人的锁骨骨骼特征，不但有上面观的S形，而且还有前面观的弯曲弧度（图13）。实际证明，作者把这块个体化钢板未经塑形直接植入固定，与患侧锁骨的匹配度相当满意（图14）。

图13 定制的锁骨钢板（下）与普通S形锁骨异型钢板（上）的对比Fig.13 Comparison of the individual plate(down) and common “S” special-shaped plate (up)

图14 内固定术后图片Fig.14 The X photograph of post operation

4 讨论

基于CT三维重建和求反软件、计算机辅助设计及CNC数控仿真的完全数字化的个体化锁骨钩钢板制作研究，以三维重建为基础，成功实现数据的转换与统一，实现快速设计制造，可以改变目前手术医生根据目测和经验塑型钢板的现状，不但省去塑型这个步骤，而且减少手术创伤，缩短手术时间，减少骨折畸形愈合骨不连等并发症发生，完全符合现代骨科内固定微创BO5的理念。作者在手术中显露骨折端后，该个体化锁骨钩钢板未经任何塑型直接植入，骨折端复位固定的相当服帖，术后摄片也证实该钢板与患者锁骨匹配度相当满意。首例完全数字个体化钢板的成功应用，极大地鼓舞着我们进一步研究，让我们手术医生与钢板设计的工程师和医疗器械公司能更多交流沟通，使完全个体化钢板的制造技术和工艺趋于更加完美。

[1]Fransen P,Bourgeois S,Rommens J.Kirsehner wire migration causing spinal cord injury one year after internal fixation of a clavicle fracure[J].Acta Orthop Belg, 2007, 73(3):390-392.

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[3]刘世敬.长骨骨折髓内钉扩髓或不扩髓内固定的研究进展[J].中华创伤杂志, 2002, 18(5): 318-320.

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[5]王亦璁.BO与AO的不同之处[J].骨与关节损伤杂志，2002, 17(1):3-5.