胫骨平台复杂骨折三维实体模型的建立及应用

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[摘要] 目的 研究在个人计算机上对胫骨平台复杂骨折CT数据进行三维实体模型建立的可行性及其意义。方法 将5例胫骨平台复杂骨折CT扫描原始数据导入Mimics软件中,对胫骨平台复杂骨折进行三维实体模型建立。结果 5例胫骨平台复杂骨折均成功建立三维实体模型。结论 三维实体模型的建立对胫骨平台复杂骨折的诊疗及进一步研究具有较大的价值。

[关键词] 三维重建;数字化技术;胫骨平台;骨折

[中图分类号] R683[文献标识码] A [文章编号] 1673-9701(2010)06-42-02

Establishment and Application of a Three-Dimensional Solid Model of Complex Tibial Plateau Fracture

ZHANG Yunpeng1REN Longtao2

1.Department of Orthopaedics,the Second Hospital,Shanxi Medical University,Taiyuan 030001,China; 2. Department of Orthopaedics,Taiyuan Municipal Central Hospital,Taiyuan 030001,China

[Abstract] Objective To explore the feasibility and significance in the establishment of a three-dimensional solid model of complex tibial plateau fracture based on CT scanning data by using PC. Methods A three-dimensional solid model was established for complex tibial plateau fracture. The CT scanning data of complex tibial plateau fracture were input into Mimics software for the establishment of a three-dimensional solid model. Results The successful establishment of three-dimensional solid models was performed in 5 cases of complex tibial plateau fracture. Conclusion The establishment of a three-dimensional solid model of complex tibial plateau fracture is feasible and of great clinical significance.

[Key words] Three-dimensional reconstruction;Digitalization;Tibial plateau;Fracture

胫骨平台骨折是一种常见的下肢骨折类型,约占所有骨折的1%[1]。但其复杂骨折的诊断和治疗方法的选择有时却具有一定的困难。基于上述问题,本研究探索出了一条新的路线,即利用个人计算机及现有各种商业软件,使用CT原始数据建立三维实体模型,指导临床诊疗工作的进行,并为进一步的研究做前期准备。

1材料与方法

1.1材料

1.1.1实验数据胫骨平台骨折选定区域行CT扫描(扫描条件:Toshiba aquilion 64排螺旋CT薄层扫描,电压120kV,电流120mA,层厚0.5mm,扫描时间1.5s)。得到的原始数据(Dicom格式)5例,均为胫骨平台复杂骨折;男性,年龄40～60岁。

1.1.2软件要求Mimics10.01;Windows XP;Professional SP2 64bit。

1.1.3硬件最低要求个人计算机,CPU:Intel 酷睿2双核T5470(1.6GHz);内存:1G;显卡:384M;硬盘:120G。

1.2实验方法

1.2.1胫骨平台骨折三维模型重建输入选取的CT原始图像数据(Dicom格式),设定阈值(Thresholding);选定软件中设定的Bone(CT)Scale,然后运行(Calculate 3D)重建三维实体模型,即可得到胫骨平台骨折的初步三维模型。然后进行编辑,运用相应工具功能去除多余的噪点,可将非常细小碎骨片去除,以便减小后期处理运算量及得到较好效果。

1.2.2选择目标区域与去除干扰区域首先选择胫骨平台骨折目标区域,即对诊断治疗有价值的或准备进一步研究的区域。将影响目标区域的干扰部分骨骼去除,如正常的股骨下段、髌骨及腓骨上段,其中相互独立部分用分离命令进行操作,重叠连接部分用切割命令进行操作。

1.2.3测量运用mimics中的测量工具,对目标区域中各种参数(如长度、角度等)进行测量。

2结果

本实验中应用CT扫描原始数据(DICOM格式)直接导入医学图像建模软件Mimics中所建立的5例胫骨平台复杂骨折三维实体模型(图1),外形逼真,操作过程科学严谨,结果真实可信。可用于辅助临床诊疗工作,为进一步研究做前期准备。

3讨论

3.1胫骨平台复杂骨折三维建模的诊疗价值

胫骨平台骨折可导致不同程度的关节面压缩和移位。因损伤程度不同,为了获得最佳的治疗,必须掌握损伤的个体特点,仔细进行体格检查和相关的影像学研究,并且熟悉治疗这种复杂骨折的各种技术。一个困扰主治医生的问题是如何采用个性化的治疗方案,若采取手术治疗,由于骨折复杂,手术风险及难度均较大,存在如何增强术中操作针对性及目的性,避免盲目的手术操作,减少周围组织血运破坏的问题,同时还有如何选择合理的内固定器材,防止因反复折弯影响内固定物的力学特性的问题。这些问题均可通过术前建立骨折三维模型辅助诊疗来解决。

3.2实验数据和硬件配置方面的要求

本研究所采用的数据均为CT原始数据,为Dicom格式,此种数据格式包含了所采集影像资料的全部信息。本研究所用的数据为64排螺旋CT薄层扫描得到,层厚为0.5mm。但是对于普通或螺旋CT,只要将扫描层厚设置到一定范围也可达到要求,层厚越小将来三维重建的效果也越好,一般不应大于1mm。本研究所要求的硬件条件也很低,即为普通的个人计算机,达到上述要求的配置即可胜任工作,进入软件处理即可获得良好效果的胫骨平台骨折三维实体重建模型。

3.3三维建模传统方法与本课题研究方法的对比

传统的三维建模方法主要有几何建模法和三维坐标仪建模法。几何建模是通过物体的尺寸和形状来构建[2]。这种方法简单、快捷,对于形状较规整的物体较适合采用此法。三维坐标仪建模是通过三维坐标仪采集标本的空间坐标后输入计算机建模。这种方法所获得的数据比较精确,但对于结构不规则的物体效果不佳[3]。另外,该仪器也非常昂贵。而本研究所采用的是图像建模法,它是通过CT或其他手段获取物体的图像资料,通过相应软件标定目标物体的边缘空间坐标,以此建立三维模型。此方法适合于对不规则物体的建模。由于CT等技术的发展,现在多数相关研究均是通过此法建模,它不仅具有传统方法造模快捷、精确等优点,而且克服了传统方法效果差、造价昂贵等缺点。而此方法与现在应用广泛的CT工作站三维重建也是不同的。现有CT工作站三维重建虽对复杂骨折的诊疗大有改进,但最终呈现给医生的只是几幅特定角度的三维重建后图片,要想查看可旋转的三维图像必须在医学影像工作站计算机上进行,操作复杂、不便。另外医学影像工作站建立的三维重建图像并不是实体模型,不能以DXF、IGES、STL或点云等格式导入相关软件进行编辑处理,因此不能满足进一步研究的需要。而本研究直接将CT原始数据导入到相关软件进行三维实体模型重建,通过简单操作即可观察所需各个不同角度的二、三维图像,并为进一步的有限元分析和个性化内植物设计研究做了准备,拓展了CT原始数据的应用价值。

3.4三维实体重建模型在临床各领域的诊疗及拓展应用

在颌面整形外科领域,Hassfeld等[4]建立了颌面骨三维实体模型并用于模拟各种整复手术。在脑外科领域,夏德林[5]进行了颅骨缺损修复方面的实验及临床应用研究。在骨科领域,Heegaard等[6]建立膝关节三维实体模型并用于模拟全膝关节置换中。三维重建模型不仅在临床各领域有较多诊疗应用,而且还有进一步的拓展应用。自从1972年Brekelmans等[7]首次将有限元法用于骨骼的应力分析,有限元法在骨科领域得到了广泛的应用。苏佳灿等[8]进行肱骨三维模型重建后采用有限元分析软件建立肱骨三维有限元模型。而曾文等[9]则通过建立三维模型辅助个性化外耳支架的设计与制造。但上述研究多是基于正常骨数据来模拟各种骨折情况,目前直接利用骨折CT数据建立三维实体模型用于诊疗的报道还较少,而利用建立的骨折三维实体模型进行进一步的有限元分析及个性化内植物设计的报道则更少。

3.5本研究的意义与不足

本研究结果表明,通过CT原始数据在个人计算机上应用各种软件进行三维实体模型重建,可以让医师更加全面地了解每位患者的具体骨折情况,为患者提供个体化的治疗方案,并为后期的进一步研究做必要的前期准备。它还可作为医患沟通的桥梁,让患者更真实的了解病情。也可以看到,本研究所建立的胫骨平台骨折三维实体模型在外形上非常逼真,但与实际骨折情况仍有细微的差距,而且现有软件中的各项操作仍比较复杂,后期的一些处理也比较困难。我们认为三维实体模型的建立对胫骨平台复杂骨折的诊疗提供了帮助,为进一步研究提供了前提条件,展示出它的应用价值。

[参考文献]

[1] 荣国威,王承武. 骨折[M]. 北京:人民卫生出版社,2004:1019-1020.

[2] 李雪迎,王春明,殷秀珍,等. 颈椎牵引过程的三维有限元分析[J]. 中华理疗杂志,1999,22(6):350-353.

[3] Beckner MA,Heggeness MH, Doherty BJ. Abiomechanical study of Jefferson fractures[J]. Spine,1998,23(17):1832-1836.

[4] Hassfeld S,Muhling J. Computer assisted oral and maxillofacial surgery-a review and an assessment of technology[J]. Int J Oral Maxillofac Surg,2001,30(1):2-13.

[5] 夏德林. 基于CT数据、快速成型技术个体化钛合金颅骨缺损修补术的实验与临床应用研究[D]. 中国协和医科大学,2004.

[6] Heegaard JH,Leyvraz PF,Hovey CB. A computer model to simulate patellar biomechanics following total knee replacement: the effects of femoral component alignment[J]. Clin Biomech(Bristol,Avon),2001,16(5): 415-423.

[7] Brekelmans WAM, Rybicki EF, Burdeaux BD. A new methods analysis mechanical behavior of skeletal parts[J]. Acta Ortho Scand,1972,43(5):301-305.

[8] 苏佳灿,张春才,禹宝庆,等. 肱骨三维模型的建立及其生物力学意义[J]. 中国临床康复,2005,9(10):244-245.

[9] 曾文,葛夏文,颜永年,等. 个性化外耳支架的设计与制造[J]. 中国组织工程研究与临床康复,2007,11(1):124-126.

(收稿日期:2009-12-04)