丁煥文，涂 強(qiáng)，王迎軍，張迪輝，王 虹，曾鎖林，劉 寶，陳曉峰，尹慶水

在一代又一代外科醫(yī)師的不懈努力下，人體生理功能和外科手術(shù)技能已經(jīng)發(fā)揮到了極致，傳統(tǒng)的外科手術(shù)遇到了前所未有的瓶頸和挑戰(zhàn)。因此，如何借助現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)手段以突破和延伸人類生理功能極限，逐漸成為現(xiàn)代外科領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)問題和發(fā)展方向。我們?cè)趶V泛調(diào)研反求工程（reverse engineering，RE）、醫(yī)學(xué)影像技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（computer-aided design，CAD）、計(jì)算機(jī)輔助制造（computor-aided manufacturing，CAM）和快速成型（rapid prototyping，RP）技術(shù)等領(lǐng)域研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上，建立獨(dú)特的數(shù)字化骨科手術(shù)新方法，并將其廣泛應(yīng)用于骨科臨床，大大提高了骨科手術(shù)的精確性和安全性。

1 資料與方法

1.1 一般資料

本組123例患者，男81例，女42例。年齡6～67歲。術(shù)式包括：（1）計(jì)算機(jī)輔助骨關(guān)節(jié)畸形精確數(shù)字化矯形：膝內(nèi)外翻畸形18例，肘內(nèi)外翻畸形5例，腕關(guān)節(jié)畸形4例，肱骨近端畸形4例；（2）計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)個(gè)性化假體：骨盆腫瘤切除、個(gè)性化半骨盆假體置換重建6例，股骨腫瘤切除、個(gè)性化假體置換重建3例；（3）計(jì)算機(jī)輔助前、后交叉韌帶等長(zhǎng)重建：前交叉韌帶重建10例，后交叉韌帶重建2例，前后交叉韌帶同時(shí)重建5例；（4）計(jì)算機(jī)輔助特殊疑難假體置換：發(fā)育不良性髖脫位假體置換及翻修手術(shù)7例，髖臼發(fā)育不良并骨性關(guān)節(jié)炎全髖置換手術(shù)5例；（5）計(jì)算機(jī)輔助特殊疑難骨折、關(guān)節(jié)內(nèi)骨折以及陳舊性骨折的復(fù)位固定：骨盆骨折11例，關(guān)節(jié)內(nèi)骨折15例，復(fù)雜骨干骨折5例；（6）數(shù)字化脊柱側(cè)彎矯形4例；（7）計(jì)算機(jī)輔助脊柱后凸畸形矯正2例；（8）計(jì)算機(jī)輔助個(gè)性化腫瘤切除和重建8例；（9）寰樞椎骨折后路復(fù)位內(nèi)固定的計(jì)算機(jī)模擬與精確置釘5例；（10）計(jì)算機(jī)模擬齒狀突骨折復(fù)位內(nèi)固定4例。所有患者均進(jìn)行CT掃描、三維重建、計(jì)算機(jī)輔助分析、骨關(guān)節(jié)原型的RP制作、計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)設(shè)計(jì)和預(yù)演、手術(shù)模板CAD設(shè)計(jì)和制作，運(yùn)用數(shù)字化手段確保了精確外科手術(shù)的實(shí)施。

1.2 方法

1.2.1 骨關(guān)節(jié)三維重建 選擇合適的骨關(guān)節(jié)損傷病例，采用Elscint CT-Twin flash雙螺旋掃描機(jī)和64排PET-CT進(jìn)行掃描，層厚0.5～1 mm，層距0.5～1 mm，一般選擇骨窗圖像進(jìn)行后續(xù)處理。所有二維平面圖像以DICOM或BMP格式下載至移動(dòng)硬盤，在計(jì)算機(jī)上用Mimics 10.0進(jìn)行處理，建立骨關(guān)節(jié)解剖原型，按STL格式輸出，以供下一步進(jìn)行CAD設(shè)計(jì)；亦可在Mimics 10.0中三維重建感興趣的區(qū)域（region of interest，ROI）并建立骨關(guān)節(jié)表面，將其外形輪廓按IGES格式輸出備用。

1.2.2 骨關(guān)節(jié)解剖建模并對(duì)骨關(guān)節(jié)損傷情況進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助分析 將點(diǎn)云圖像資料輸入建模軟件，由點(diǎn)云擬合出曲線，由曲線擬合出曲面，形成了ROI骨關(guān)節(jié)的外形輪廓，以IGES格式輸出片體結(jié)構(gòu)，此即為ROI骨骼的解剖模型。在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行骨關(guān)節(jié)解剖模型分析，通過與正常骨關(guān)節(jié)解剖模型和健側(cè)骨關(guān)節(jié)解剖模型的比較、測(cè)量和點(diǎn)云分析等，詳細(xì)了解骨關(guān)節(jié)損傷情況。

1.2.3 RP技術(shù)制作骨關(guān)節(jié)原型并分析骨關(guān)節(jié)損傷情況 將骨關(guān)節(jié)解剖模型以STL格式輸出，采用RP技術(shù)制作骨關(guān)節(jié)原型。通過對(duì)骨關(guān)節(jié)原型的實(shí)物觀察及與健側(cè)骨關(guān)節(jié)鏡像的比較，準(zhǔn)確分析骨關(guān)節(jié)損傷情況。

1.2.4 計(jì)算機(jī)輔助骨關(guān)節(jié)外科手術(shù)設(shè)計(jì)和預(yù)演 將骨關(guān)節(jié)解剖模型輸入CAD軟件，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行外科手術(shù)過程設(shè)計(jì)和仿真模擬，虛擬骨折復(fù)位、截骨矯形、骨折固定、設(shè)計(jì)個(gè)體化外科手術(shù)模板、個(gè)性化假體、個(gè)體化外科植入物、個(gè)體化內(nèi)固定物等手術(shù)過程，明確手術(shù)設(shè)計(jì)是否能夠得以實(shí)現(xiàn)；之后在骨關(guān)節(jié)RP原型上實(shí)物操演外科手術(shù)步驟，進(jìn)一步驗(yàn)證手術(shù)設(shè)計(jì)方案的可行性。

1.2.5 計(jì)算機(jī)輔助骨關(guān)節(jié)外科手術(shù)的實(shí)施 按計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)、模擬的手術(shù)方案，在CAD設(shè)計(jì)制作的外科手術(shù)模板輔助下實(shí)施精確外科手術(shù)。

2 結(jié)果

123例患者中，采用計(jì)算機(jī)輔助和RP技術(shù)對(duì)骨關(guān)節(jié)疾患進(jìn)行詳細(xì)分析和研究，通過三維圖象和實(shí)物原型分析對(duì)病情有了更深入的了解和掌握。所有患者按計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)精確實(shí)施外科手術(shù)，取得良好的手術(shù)效果。

典型病例：患者，男性，60歲。右髖部酸痛不適半年余。X線片及MRI檢查示右髖臼良性占位性病變伴動(dòng)脈瘤樣骨囊腫。CT引導(dǎo)下穿刺活檢結(jié)果：動(dòng)脈瘤樣骨囊腫。在硬膜外麻醉下行右髖病變刮切、瘤腔滅活、植骨術(shù)，術(shù)后病理檢查結(jié)果：右髖臼血管肉瘤。進(jìn)一步行PET-CT掃描提示局部復(fù)發(fā)，未見全身轉(zhuǎn)移病灶。治療方案：化療+再次手術(shù)（腫瘤根治性切除、半骨盆置換）+術(shù)后化療。

主要步驟：（1）患者于術(shù)前拍攝X線片（圖1A）、行骨盆及雙大腿部位MRI掃描以了解腫瘤侵潤(rùn)范圍。（2）計(jì)算機(jī)輔助建立骨盆、雙髖和股骨三維重建模型（圖1B），精確界定腫瘤骨性破壞范圍（圖1C），然后按照PET-CT掃描界定的腫瘤侵潤(rùn)范圍，切除周圍5 cm區(qū)域的正常骨組織（圖1D，1E）。（3）按照腫瘤切除范圍制作CAD設(shè)計(jì)輔助手術(shù)模板（圖1F，1G），訂購(gòu)異體半骨盆，CT掃描構(gòu)建其三維模型，按照殘留骨缺損區(qū)三維外形，利用CAD設(shè)計(jì)異體骨輔助修剪模板，并修剪異體骨，使其大小、形狀與受區(qū)骨缺損相匹配（圖1H～1J）。RP工藝制作輔助手術(shù)模板包括腫瘤精確切除輔助模板和異體骨盆輔助修剪模板。（4）根據(jù)患者的解剖模型，基于腫瘤切除后骨缺損情況利用CAD設(shè)計(jì)個(gè)性化骨盆假體（圖1K），由上海交通大學(xué)定制假體基地進(jìn)行機(jī)械加工和制作（圖1L）。（5）精確實(shí)施外科手術(shù)：患者全麻，左側(cè)臥位，采用右髖部“Y”形切口，在模板輔助下精確切除腫瘤（圖1M），切除骨盆腫瘤的范圍與CAD設(shè)計(jì)完全一致，將異體骨盆修剪出與骨缺損相匹配的三維外形，將個(gè)性化半骨盆假體與異體骨盆連接、固定（圖1N）。將個(gè)性化骨盆假體與異體骨盆置入體內(nèi)修復(fù)骨盆骨缺損（圖1O）。骨盆假體內(nèi)安裝聚乙烯髖臼，采用骨水泥固定，股骨近端截骨，安裝股骨柄假體。（6）術(shù)后處理：常規(guī)行抗炎治療防止切口感染，短期使用激素防止異體排斥反應(yīng)。術(shù)后X線片證實(shí)骨盆重建效果好，自體殘留骨組織與異體骨盆外形匹配、恢復(fù)良好，假體位置正常（圖1P）。

3 討論

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)尤其是計(jì)算機(jī)技術(shù)和先進(jìn)制造技術(shù)的迅猛發(fā)展，現(xiàn)代外科手術(shù)進(jìn)入了一個(gè)嶄新的時(shí)代，呈現(xiàn)出數(shù)字化、個(gè)性化、顯微化、精確化和人工智能化的發(fā)展趨勢(shì)。例如，計(jì)算機(jī)輔助導(dǎo)航技術(shù)已從神經(jīng)外科領(lǐng)域逐步擴(kuò)展至輔助人工關(guān)節(jié)選擇和假體植入引導(dǎo)、輔助口腔頜面部畸形矯正等其它外科領(lǐng)域[1-3]。近年來，我們亦采用計(jì)算機(jī)技術(shù)和RP技術(shù)開展了骨關(guān)節(jié)三維重建、骨關(guān)節(jié)傷病分析、骨關(guān)節(jié)手術(shù)設(shè)計(jì)和預(yù)演、CAD-RP制作解剖外形的植入物等獲得成功[4,5]；此外，我們運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)和RP技術(shù)建立了解剖模型和制作原型，既可對(duì)骨科疾患進(jìn)行輔助分析，又實(shí)現(xiàn)了骨科手術(shù)的術(shù)前數(shù)字化仿真和模擬。

骨關(guān)節(jié)解剖模型建立的整個(gè)過程是基于逆向

工程的原理加以實(shí)現(xiàn)的，雖然患者的體內(nèi)信息無(wú)法通過三維坐標(biāo)測(cè)量和激光抄數(shù)等實(shí)體輪廓測(cè)量方法獲取，但CT/MRI掃描能夠很好地解決患者體內(nèi)組織器官形態(tài)信息的采集問題。CT掃描具有精確度高、可在不破壞組織結(jié)構(gòu)的前提下獲取實(shí)體內(nèi)外表面的優(yōu)點(diǎn)，但存在電離輻射的副作用；MRI檢查不會(huì)產(chǎn)生電離輻射，且可以顯示軟組織解剖結(jié)構(gòu)的細(xì)微差別，其各種工藝參數(shù)亦非常成熟，因此目前臨床應(yīng)用廣泛。CT三維重建是將一系列連續(xù)的二維橫切面圖像疊合而形成實(shí)體的立體圖象的過程[6]。在骨骼三維重建方面，CT優(yōu)于MRI，但MRI在顯示軟組織病理結(jié)構(gòu)尤其是在神經(jīng)、骨骼肌肉、血管疾病等方面具有較大的臨床價(jià)值[7]。

圖1 右髖臼血管肉瘤患者的腫瘤精確切除以及骨盆個(gè)性化假體置換和重建

RP技術(shù)是20世紀(jì)80年代末誕生的先進(jìn)制造技術(shù)，是制造技術(shù)領(lǐng)域出現(xiàn)的一次重大突破，其對(duì)制造業(yè)的影響完全可以與數(shù)控技術(shù)相媲美。它綜合應(yīng)用了機(jī)械工程、CAD、CAM、數(shù)控技術(shù)、激光技術(shù)和材料學(xué)研究領(lǐng)域的最新技術(shù)，能夠直接、精確地將設(shè)計(jì)思想物化為具有一定功能的原型，甚至可以直接制造零部件[8]。RP技術(shù)是基于離散堆積的原理而發(fā)明的新技術(shù)，是與以往傳統(tǒng)的去除成型（如車、削、刨、磨）、拼合成型（如焊接）或受迫成型（如鍛、粉末冶金）等迥然不同的嶄新加工工藝。在電腦控制下按CAD模型分層制作、逐層累積，最終形成三維外形的產(chǎn)品。現(xiàn)已發(fā)明了多種RP工藝，主要包括SLA（sterelithography aparatus）、SLS（selective laser sintering）、FDM（fused deposition modeling）、疊層實(shí)體制造（laminated object manufacturing，LOM）、三維打?。╰hree-dimensional printing，3DP）和噴墨印刷（ink-jet printing）等[9]。

通過對(duì)123例患者的臨床應(yīng)用，我們認(rèn)為數(shù)字化骨科手術(shù)新方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）使復(fù)雜的解剖結(jié)構(gòu)可視化，在手術(shù)前通過模型了解個(gè)體特異性解剖結(jié)構(gòu)，對(duì)患者手術(shù)部位的解剖形態(tài)做到心中有數(shù)。（2）術(shù)前演練可以發(fā)現(xiàn)手術(shù)設(shè)計(jì)中存在的缺陷以及不完善之處，及時(shí)改進(jìn)手術(shù)方案；了解和掌握術(shù)中可能會(huì)遇到的問題，預(yù)先擬定解決方法，以便在術(shù)中從容應(yīng)對(duì)，及時(shí)處理；幫助選擇最佳的手術(shù)途徑和植入物，有助于減少手術(shù)并發(fā)癥、節(jié)省手術(shù)時(shí)間和降低成本[10,11]。（3）計(jì)算機(jī)建模在手術(shù)中通過提供手術(shù)區(qū)域的寬廣視圖輔助手術(shù)器械導(dǎo)航；與機(jī)器人的結(jié)合可以引導(dǎo)外科手術(shù)器械，防止其進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域，從而使外科手術(shù)的精準(zhǔn)度得到最大限度的提高。（4）為缺少經(jīng)驗(yàn)的外科醫(yī)師提供操作經(jīng)驗(yàn)，促進(jìn)學(xué)術(shù)交流，提高學(xué)習(xí)效率；同時(shí)有利于對(duì)患者的健康教育。（5）術(shù)后通過模型可以更好地對(duì)患者進(jìn)行預(yù)后評(píng)估。（6）隨訪期間的建模比較可以為機(jī)體畸形的動(dòng)態(tài)變化提供系統(tǒng)詳細(xì)的對(duì)比分析。（7）在較大骨腫瘤手術(shù)中，模型可以界定精確的手術(shù)切除范圍，使手術(shù)更加準(zhǔn)確、有效。

從本研究的結(jié)果來看，借助數(shù)字化骨科手術(shù)新方法，骨關(guān)節(jié)畸形的精確矯形，全膝關(guān)節(jié)、全髖關(guān)節(jié)、半骨盆的個(gè)性化設(shè)計(jì)和制作，前、后交叉韌帶的解剖重建，發(fā)育不良性髖脫位的精確髖關(guān)節(jié)置換，復(fù)雜骨折和關(guān)節(jié)內(nèi)骨折的解剖復(fù)位，骨腫瘤的個(gè)性化切除和重建，脊柱側(cè)彎和脊柱后凸的個(gè)性化截骨和精確矯形，脊柱椎弓根釘置釘?shù)木_性和安全性等外科手段和技術(shù)（尤其是針對(duì)疑難、復(fù)雜、特殊病例）均能得以實(shí)施，既提高了手術(shù)效率，又保證了手術(shù)安全。但我們所建立的數(shù)字化骨科手術(shù)新方法仍然存在以下不足之處：（1）軟件和硬件要求過高。（2）術(shù)者既要有一定的手術(shù)經(jīng)驗(yàn)，又需熟練掌握三維重建和CAD技術(shù)；CAD技術(shù)學(xué)習(xí)周期較長(zhǎng)，因此阻礙了此項(xiàng)技術(shù)的開展。（3）手術(shù)模板需與骨面緊密貼附才能減少誤差，故術(shù)中需要仔細(xì)剝離軟組織，以避免對(duì)正常組織造成損傷。

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