数字化骨科手术新方法的建立及其临床广泛应用

丁焕文，涂 强，王迎军，张迪辉，王 虹，曾锁林，刘 宝，陈晓峰，尹庆水

在一代又一代外科医师的不懈努力下，人体生理功能和外科手术技能已经发挥到了极致，传统的外科手术遇到了前所未有的瓶颈和挑战。因此，如何借助现代科学技术手段以突破和延伸人类生理功能极限，逐渐成为现代外科领域关注的热点问题和发展方向。我们在广泛调研反求工程（reverse engineering，RE）、医学影像技术、计算机辅助设计（computer-aided design，CAD）、计算机辅助制造（computor-aided manufacturing，CAM）和快速成型（rapid prototyping，RP）技术等领域研究进展的基础上，建立独特的数字化骨科手术新方法，并将其广泛应用于骨科临床，大大提高了骨科手术的精确性和安全性。

1 资料与方法

1.1 一般资料

本组123例患者，男81例，女42例。年龄6～67岁。术式包括：（1）计算机辅助骨关节畸形精确数字化矫形：膝内外翻畸形18例，肘内外翻畸形5例，腕关节畸形4例，肱骨近端畸形4例；（2）计算机辅助设计个性化假体：骨盆肿瘤切除、个性化半骨盆假体置换重建6例，股骨肿瘤切除、个性化假体置换重建3例；（3）计算机辅助前、后交叉韧带等长重建：前交叉韧带重建10例，后交叉韧带重建2例，前后交叉韧带同时重建5例；（4）计算机辅助特殊疑难假体置换：发育不良性髋脱位假体置换及翻修手术7例，髋臼发育不良并骨性关节炎全髋置换手术5例；（5）计算机辅助特殊疑难骨折、关节内骨折以及陈旧性骨折的复位固定：骨盆骨折11例，关节内骨折15例，复杂骨干骨折5例；（6）数字化脊柱侧弯矫形4例；（7）计算机辅助脊柱后凸畸形矫正2例；（8）计算机辅助个性化肿瘤切除和重建8例；（9）寰枢椎骨折后路复位内固定的计算机模拟与精确置钉5例；（10）计算机模拟齿状突骨折复位内固定4例。所有患者均进行CT扫描、三维重建、计算机辅助分析、骨关节原型的RP制作、计算机辅助手术设计和预演、手术模板CAD设计和制作，运用数字化手段确保了精确外科手术的实施。

1.2 方法

1.2.1 骨关节三维重建 选择合适的骨关节损伤病例，采用Elscint CT-Twin flash双螺旋扫描机和64排PET-CT进行扫描，层厚0.5～1 mm，层距0.5～1 mm，一般选择骨窗图像进行后续处理。所有二维平面图像以DICOM或BMP格式下载至移动硬盘，在计算机上用Mimics 10.0进行处理，建立骨关节解剖原型，按STL格式输出，以供下一步进行CAD设计；亦可在Mimics 10.0中三维重建感兴趣的区域（region of interest，ROI）并建立骨关节表面，将其外形轮廓按IGES格式输出备用。

1.2.2 骨关节解剖建模并对骨关节损伤情况进行计算机辅助分析 将点云图像资料输入建模软件，由点云拟合出曲线，由曲线拟合出曲面，形成了ROI骨关节的外形轮廓，以IGES格式输出片体结构，此即为ROI骨骼的解剖模型。在计算机上进行骨关节解剖模型分析，通过与正常骨关节解剖模型和健侧骨关节解剖模型的比较、测量和点云分析等，详细了解骨关节损伤情况。

1.2.3 RP技术制作骨关节原型并分析骨关节损伤情况 将骨关节解剖模型以STL格式输出，采用RP技术制作骨关节原型。通过对骨关节原型的实物观察及与健侧骨关节镜像的比较，准确分析骨关节损伤情况。

1.2.4 计算机辅助骨关节外科手术设计和预演 将骨关节解剖模型输入CAD软件，在计算机上进行外科手术过程设计和仿真模拟，虚拟骨折复位、截骨矫形、骨折固定、设计个体化外科手术模板、个性化假体、个体化外科植入物、个体化内固定物等手术过程，明确手术设计是否能够得以实现；之后在骨关节RP原型上实物操演外科手术步骤，进一步验证手术设计方案的可行性。

1.2.5 计算机辅助骨关节外科手术的实施 按计算机设计、模拟的手术方案，在CAD设计制作的外科手术模板辅助下实施精确外科手术。

2 结果

123例患者中，采用计算机辅助和RP技术对骨关节疾患进行详细分析和研究，通过三维图象和实物原型分析对病情有了更深入的了解和掌握。所有患者按计算机设计精确实施外科手术，取得良好的手术效果。

典型病例：患者，男性，60岁。右髋部酸痛不适半年余。X线片及MRI检查示右髋臼良性占位性病变伴动脉瘤样骨囊肿。CT引导下穿刺活检结果：动脉瘤样骨囊肿。在硬膜外麻醉下行右髋病变刮切、瘤腔灭活、植骨术，术后病理检查结果：右髋臼血管肉瘤。进一步行PET-CT扫描提示局部复发，未见全身转移病灶。治疗方案：化疗+再次手术（肿瘤根治性切除、半骨盆置换）+术后化疗。

主要步骤：（1）患者于术前拍摄X线片（图1A）、行骨盆及双大腿部位MRI扫描以了解肿瘤侵润范围。（2）计算机辅助建立骨盆、双髋和股骨三维重建模型（图1B），精确界定肿瘤骨性破坏范围（图1C），然后按照PET-CT扫描界定的肿瘤侵润范围，切除周围5 cm区域的正常骨组织（图1D，1E）。（3）按照肿瘤切除范围制作CAD设计辅助手术模板（图1F，1G），订购异体半骨盆，CT扫描构建其三维模型，按照残留骨缺损区三维外形，利用CAD设计异体骨辅助修剪模板，并修剪异体骨，使其大小、形状与受区骨缺损相匹配（图1H～1J）。RP工艺制作辅助手术模板包括肿瘤精确切除辅助模板和异体骨盆辅助修剪模板。（4）根据患者的解剖模型，基于肿瘤切除后骨缺损情况利用CAD设计个性化骨盆假体（图1K），由上海交通大学定制假体基地进行机械加工和制作（图1L）。（5）精确实施外科手术：患者全麻，左侧卧位，采用右髋部“Y”形切口，在模板辅助下精确切除肿瘤（图1M），切除骨盆肿瘤的范围与CAD设计完全一致，将异体骨盆修剪出与骨缺损相匹配的三维外形，将个性化半骨盆假体与异体骨盆连接、固定（图1N）。将个性化骨盆假体与异体骨盆置入体内修复骨盆骨缺损（图1O）。骨盆假体内安装聚乙烯髋臼，采用骨水泥固定，股骨近端截骨，安装股骨柄假体。（6）术后处理：常规行抗炎治疗防止切口感染，短期使用激素防止异体排斥反应。术后X线片证实骨盆重建效果好，自体残留骨组织与异体骨盆外形匹配、恢复良好，假体位置正常（图1P）。

3 讨论

随着现代科学技术尤其是计算机技术和先进制造技术的迅猛发展，现代外科手术进入了一个崭新的时代，呈现出数字化、个性化、显微化、精确化和人工智能化的发展趋势。例如，计算机辅助导航技术已从神经外科领域逐步扩展至辅助人工关节选择和假体植入引导、辅助口腔颌面部畸形矫正等其它外科领域[1-3]。近年来，我们亦采用计算机技术和RP技术开展了骨关节三维重建、骨关节伤病分析、骨关节手术设计和预演、CAD-RP制作解剖外形的植入物等获得成功[4,5]；此外，我们运用计算机辅助技术和RP技术建立了解剖模型和制作原型，既可对骨科疾患进行辅助分析，又实现了骨科手术的术前数字化仿真和模拟。

骨关节解剖模型建立的整个过程是基于逆向

工程的原理加以实现的，虽然患者的体内信息无法通过三维坐标测量和激光抄数等实体轮廓测量方法获取，但CT/MRI扫描能够很好地解决患者体内组织器官形态信息的采集问题。CT扫描具有精确度高、可在不破坏组织结构的前提下获取实体内外表面的优点，但存在电离辐射的副作用；MRI检查不会产生电离辐射，且可以显示软组织解剖结构的细微差别，其各种工艺参数亦非常成熟，因此目前临床应用广泛。CT三维重建是将一系列连续的二维横切面图像叠合而形成实体的立体图象的过程[6]。在骨骼三维重建方面，CT优于MRI，但MRI在显示软组织病理结构尤其是在神经、骨骼肌肉、血管疾病等方面具有较大的临床价值[7]。

图1 右髋臼血管肉瘤患者的肿瘤精确切除以及骨盆个性化假体置换和重建

RP技术是20世纪80年代末诞生的先进制造技术，是制造技术领域出现的一次重大突破，其对制造业的影响完全可以与数控技术相媲美。它综合应用了机械工程、CAD、CAM、数控技术、激光技术和材料学研究领域的最新技术，能够直接、精确地将设计思想物化为具有一定功能的原型，甚至可以直接制造零部件[8]。RP技术是基于离散堆积的原理而发明的新技术，是与以往传统的去除成型（如车、削、刨、磨）、拼合成型（如焊接）或受迫成型（如锻、粉末冶金）等迥然不同的崭新加工工艺。在电脑控制下按CAD模型分层制作、逐层累积，最终形成三维外形的产品。现已发明了多种RP工艺，主要包括SLA（sterelithography aparatus）、SLS（selective laser sintering）、FDM（fused deposition modeling）、叠层实体制造（laminated object manufacturing，LOM）、三维打印（three-dimensional printing，3DP）和喷墨印刷（ink-jet printing）等[9]。

通过对123例患者的临床应用，我们认为数字化骨科手术新方法具有以下优点：（1）使复杂的解剖结构可视化，在手术前通过模型了解个体特异性解剖结构，对患者手术部位的解剖形态做到心中有数。（2）术前演练可以发现手术设计中存在的缺陷以及不完善之处，及时改进手术方案；了解和掌握术中可能会遇到的问题，预先拟定解决方法，以便在术中从容应对，及时处理；帮助选择最佳的手术途径和植入物，有助于减少手术并发症、节省手术时间和降低成本[10,11]。（3）计算机建模在手术中通过提供手术区域的宽广视图辅助手术器械导航；与机器人的结合可以引导外科手术器械，防止其进入危险区域，从而使外科手术的精准度得到最大限度的提高。（4）为缺少经验的外科医师提供操作经验，促进学术交流，提高学习效率；同时有利于对患者的健康教育。（5）术后通过模型可以更好地对患者进行预后评估。（6）随访期间的建模比较可以为机体畸形的动态变化提供系统详细的对比分析。（7）在较大骨肿瘤手术中，模型可以界定精确的手术切除范围，使手术更加准确、有效。

从本研究的结果来看，借助数字化骨科手术新方法，骨关节畸形的精确矫形，全膝关节、全髋关节、半骨盆的个性化设计和制作，前、后交叉韧带的解剖重建，发育不良性髋脱位的精确髋关节置换，复杂骨折和关节内骨折的解剖复位，骨肿瘤的个性化切除和重建，脊柱侧弯和脊柱后凸的个性化截骨和精确矫形，脊柱椎弓根钉置钉的精确性和安全性等外科手段和技术（尤其是针对疑难、复杂、特殊病例）均能得以实施，既提高了手术效率，又保证了手术安全。但我们所建立的数字化骨科手术新方法仍然存在以下不足之处：（1）软件和硬件要求过高。（2）术者既要有一定的手术经验，又需熟练掌握三维重建和CAD技术；CAD技术学习周期较长，因此阻碍了此项技术的开展。（3）手术模板需与骨面紧密贴附才能减少误差，故术中需要仔细剥离软组织，以避免对正常组织造成损伤。

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5 丁焕文,唐春雷,赵中岳,等.个体化组织工程支架CAD设计与RP制作的方法的研究[J].生物骨科材料与临床研究,2005,2(1):1-4.

6 Mankovich NJ,Robertson DR,Cheeseman AM.Threedimensional image display in medicine[J].J Digit Imaging,1990,3(2):69-80.

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