基于TKA术前准备的CAD关节重建与假体建模＊

.广州医科大学附属第一医院广州骨科研究所.广州医科大学附属第一医院急诊科 (广东 广州 500)彭鳒侨 张占磊 董亚贤黄伟青

基于TKA术前准备的CAD关节重建与假体建模＊

1.广州医科大学附属第一医院广州骨科研究所
2.广州医科大学附属第一医院急诊科 (广东 广州 510120)
彭鳒侨1张占磊1董亚贤2黄伟青2

目的 通过计算机设计来辅助膝关节重建与假体模型制作，为全膝关节置换虚拟手术提供相关的配备。方法 把经CT/MR扫描的原始数据输入到Mimics重建三维模型,同时把经LPX激光扫描的关节假体输入到逆向软件Roland 配置的Dr.PICZA来重建假体实物模型，再经分割修补、除噪光顺等后处理，这些成型的3D关节、3D假体将成为供后阶段虚拟TKA(Total Knee Arthroplasty) 手术调用的“配件”。结果 分别生成清晰的三维骨关节及其网格优化影像，分离出韧带等软组织附件，拟合出可供编辑的CAD (Computer Aided Design) 模型。结论成功获得的重建关节与假体模型为下一阶段的模拟手术或有限元分析创造了充裕的条件，进一步完善后可推广于临床。

关节置换；三维建模；激光扫描；模拟手术

自上个世纪60年代开展全膝关节置换术(Total Knee Arthroplasty，TKA)以来，这种手术被证明是解决膝关节疼痛与畸形的有效的方法[1]。随着接受TKA手术患者数目的不断增加，术后出现的各种并发症越来越引起人们的关注，期望通过完善假体设计、改进手术操作以获得更为可靠的结果。人工TKA术首先要保证立体空间上准确的定位截骨与假体植入，其次要维持伸屈膝间隙等同以及软组织平衡稳定[2]。由于现在大部分的定位器械都是以国外人体骨骼测量参数所设计，再加上个体差异性和特殊畸形病例，传统的手工髓内外定位截骨法的假体植入位置、下肢力线恢复、韧带平衡等重要参数仅凭肉眼X线片和主刀的手感来判断，手术的精确度常受诸多不确定因素影响，TKA术前准备和术前规划的必要性日显突出。随着医学影像技术的迅速发展，TKA术前完全可以通过扫描、重建、分割、融合等步骤来更加形象和真实地再现关节及周围各组织的空间结构[3]，通过实验，本文总结出一套简易实用的满足TKA术所需的关节重建与假体模型制作方案。

1 方 法

1.1 研究对象 选择2012年期间入住广州医科大学第一附属医院骨科准备施行全膝关节置换术(Total Knee Arthroplasty，TKA)的病人若干例。采用由医疗器械有限公司提供的全膝关节固定平台假体，假体型号根据手术需要选取。

1.2 仪器设备 荷兰Phill产牌，型号Intera1.5T Nova，切层厚度＜1mm的MR扫描机；日本Toshiba产牌，型号AquilionTSX-101A，切层厚度0.5mm，配备高压注射器的16排计算机体层CT扫描机；Roland公司产牌LPX-60三维激光扫描仪[4]，比利时Materialise产牌的Mimics-13医学成像仪[4]。

图1-2 CT影像重建；图3-4 MR影像重建；图5-6 韧带三维重建；图8-9激光扫描过程；图7 关节假体原图；图10-11 激光扫描结果；图13后处理假体。图12 网格优化；

1.3 研究方法

1.3.1 数据采集

1.3.1.1 CT扫描：取仰卧、膝关节呈髌骨向上的放松直立位，下肢全长(从髂前上棘至足跟)范围垂直于下肢轴线扫描，分别获得冠状、矢状、横断等断层图像序列1746张。扫描参数为：电压=120kV，电流=100mA，FOV=50mm，螺旋1.675mm，螺旋层厚3.75mm，层间隙3.27mm。

1.3.1.2 MR扫描：体位同上，扫描范围为膝关节上下各10cm，共获断层图像48张。扫描参数为：T1加权成像，SE序列，重复时间(TR)为500ms，回波时间(TE)为17ms，视场(FOV)=200cm，矩阵256～256[Matrix scan 256，reconstruction 256]，信号采集均值次数(NEX)为2[NSA=2]，Flip angle=90，层厚6mm，无间隙容积扫描。

1.3.1.3 激光扫描：LPX-60激光扫描仪可对被测实体进行设定的360o平面智能扫描，提供最大直径203mm、空间高度304.8mm、单幅测量范围250×100mm、单幅测量点数100万、测量精度0.2mm、测量噪音0.005mm、单幅测量时问3s等实物表面数据[5]。附带的Dr.PICZA软件协助输出不同格式的精确图形资料。

1.3.2 三维重建

1.3.2.1 关节建模

(1)CT影像重建：将以上CT信息经Import(导入)MIMICS，生成Mask(蒙板)，再经Threshold(阈值分割)、Region Growing(区域增长)、Editing-Masks(蒙板编辑)、Calculate-3D(模型运算)建立下肢全长，股骨、胫骨三维雏型[6]，并以ASCII STL格式导出作为下一波TKA术前储备。

(2)MR影像重建：基本步骤同上，但侧重于Editing Masks，以便手工分割出灰度值相差不大的膝关节内外侧韧带[7]，可供下一波CT+MR融合出软硬组织兼备的全膝高清图[8]，并以STL格式导出作为TKA前储备。

(3)图像优化处理：将CT、MR三维图导入MIMICS的3-Magic模块Remesh(网格优化)，存储为TKA后续分析之用。

1.3.2.2 假体建模：①在膝关节假体表面喷涂显像剂以减少假体表面的光学反射，提高扫描精度，降低噪音；②启动LPX激光扫描仪围绕假体360o扫描。③利用配套的Dr.PICZA软件，自由选择平面、控制扫描角度，在原有扫面基础上对缺损部分加行平面扫描，以获得更完整的假体数据信息，并保存为STL文档为TKA作最后准备。

2 结 果

计算机辅助下的CT影像：Threshold阈值设置为标准的成人骨质范围226～1778HU[9]；Region Growing对初步阈值分割蒙板上彼此不相连接的分割区域进一步细分亚组，提取出股骨、胫骨部分；Editing Masks对蒙板分割修补、去除干扰、修补漏洞。之后的Calculate结果高亮显示骨骼与周围组织界限清晰如图1-2。

计算机辅佐下的MR影像：因各种组织灰度值相差不大，尤其是韧带自动分割图像困难，Editing masks[10]手工分割成为首选，结果分辨出膝关节诸如内外侧韧带等附件[11]的2D影像如图3-4的伪彩染色带，分离、放大后的3D内侧副韧带、外侧副韧带如图5-6。

逆向软件辅佐下的假体重建：关节假体原型(如图7)在Roland三维激光仪内扫描的过程如图8-9，然后在逆向工程软件塑造出来的膝关节假体[12]的3D几何模型如图10-11。

逆向工程辅佐下的假体3D后处理：胫、股骨影像经Mimics中的3-magic可将不规则三角片转化为趋于等边的三角片[13](如图12所示)，以提高模型的质量和处理速度,为后续有限元处理降低计算时间和存储容量；图10-11的关节假体带有庞大点云数据的膝关节假体影像，在LPX配备的逆向软件Piciform Droll里快速运算出多边形曲面[14]，经除噪、过滤、光顺、抛光、网格化等处理，膝关节假体最后被拟合成为表面光滑的可供编辑的高质量CAD模型如图13。

3 讨 论

3.1 技术回顾 传统手术方法的精确度问题一直困扰着临床手术医生，为了突破传统术式的局限性，众多学者进行了各种尝试，其中较成功的是计算机导航膝关节置换手术系统，但因存在临床医生术中配准耗时、操作习惯不易改变等负面因素，加上机器费用昂贵、器械操作复杂，影响了计算机辅助人工TKA手术的临床推广应用。个性化、精确化、微创化是未来医学发展的方向，术前获得手术部位的准确信息是手术成功的重要保证，基于TKA术前准备的CAD关节重建与假体建模就是为满足以上临床需要而作出的尝试。

3.2 实验体会 本实验利用CT、MR扫描数据输入到医模软件Mimics，根据设定条件自动分割提取出感兴趣的组织轮廓，这种建模不仅速度快而且精度高。模型的精度主要取决于扫描层面之间的间离，间隔越小越精确。由于CT对骨性结构显示清楚，但对软组织显示受限；MR扫描软组织成像清晰，清楚显示关节软骨、半月板、韧带等结构,所以本实验分别以CT扫描膝关节骨组织、以MR扫取软组织数据。虽然CT和MR扫描针对同一个体，但两机不可能同时同层面扫描，获得的扫描参数(层厚、分辨率及空间坐标等)不一样，因此,本研究计划参照我们的前期研究成果”9点3面方案”配准原理[15]，在MR重建的韧带模型选择明显的标志点,以便利用这些标志点进行配准融合到CT重建的骨骼模型中[16]，继而建立包含股骨、胫骨和髌骨以及两侧韧带的膝关节个性化生物模型。把(CT、MR)扫描2D断层数据输入到Mimics后，经过图像分割得到需要分析的组织，并对快速重建起来的3D模型进行不同角度观察、测量和处理之后,这些3D模型可以通过接口输出以供计算机辅助设计(CAD)、快速成型机(RP)、有限元分析(FEA)、TKA虚拟术等后续研究。

对于假体模型的制作，以往有人采用根据物体几何形状、尺寸构建模型的所谓几何建模，虽然简单快捷，但因膝关节假体外形复杂、曲面较多，所建立的假体模型与实物相差较大、可靠性降低，以致最终实验结果受影响而未被本研究所采纳。本研究选择实物建模中的三维坐标仪法，通过非接触式激光扫描法采集假体的空间坐标，输入计算机经逆向软件运作，取得膝关节假体的3D几何模型。逆向工程也称反求工程，它根据已存在的零件原型构造出零件的三维模型，并利用生成的3D模型检测、剖析或改进原有的实物模型，其原理是通过特定的设备和方法获取物体表面离散点的几何坐标数据，使实体的几何外形数字化，然后通过计算机处理取得的几何外形和空间位置与原实物一模一样。所有这些几何形状、空间坐标为下一阶段的TKA模拟手术提供了准确的数据。

3.3 临床意义 本次实验成功获得的关节重建与假体模型，为下一阶段的模拟手术及有限元分析创造了充裕的条件。同时，它作为TKA术前规划的一部分,可望为置换手术中的矫形截骨、假体植入等操作提供前瞻性指导，以减少术中失误、降低术后并发症，进一步完善后可在临床推广应用。

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(本文编辑: 汪兵)

The Processing of CAD Joint Rebuilt & Prosthesis Model Made Based on Preparation of TKA Surgery Preoperatively*

PENG Jian-qiao1, ZHANG Zhan-lei1, DONG Ya-xian2, HUANG Wei-qing2. 1Orthopedic Institute of Guangzhou City; 2 Department of Emergency, 1st Affiliated Hospital of Guangzhou Medical University, Guangzhou 510120

Objective To process joint rebuilt & prosthesis-model by computer aided design (CAD) so as to prepare relative parts for emulative operation of Total Knee Arthroplasty (TKA).Methods Original data of CT/MR were imported onto Mimics to build 3D model, simultaneously, scanned images of prosthesis joint by Laser instrument LPX were imported onto Reverse Engineering Software called Dr. PICZA installed in Roland in order to rebuild 3D object model, after post-process of segmentation, reparation, denoising & spline-curve, those rebuilt 3D joint and 3D prosthesis will be components available for selection of TKA simulative operation next step.Results Clear image of 3D bone joint were created and meshed in optimization, articular appendage such as ligaments and soft tissues were separated, and editable CAD models were mended. Conclusion These successful rebuilt-joint and prosthesis model will provide good condition for Simulative Operation or Finite Element Analysis next step, and will be popularly practiced in clinic.

Joint Replacement; 3D Modeling; Laser Scan;Simulative Operation

R322.7+2

A

广州市科技局对外合作项目(医药卫生#12S0920200 83)“基于三维热场的热学仿真妇科手术模型”;广东省高教学会高等教育“十二五”项目(#11GJB125081) "基于虚拟手术训练的外科仿真教学内涵及其质量评价标准"

10.3969/j.issn.1672-5131.2014.06.31

2014-07-25

黄伟青