钟 浩，李钊伟，唐保明，李泽清

（青海大学附属医院，青海 西宁 810000）

3D数字骨科学在个性化骨折临床治疗的应用与进展

钟 浩，李钊伟*，唐保明，李泽清

（青海大学附属医院，青海 西宁 810000）

数字医学；3D模拟；手术指导

随着人类社会进入21世纪后的科技爆发与第三次工业革命，数字化已经进入到人类生活的方方面面。数字化医学已经是现代医学发展的热门与核心方向，尤其是在骨科领域的应用。数字骨科学以计算机科学与骨科学相结合的新兴交叉学科，其涉及到数学、电子信息学、生物工程学、解剖学、计算机软件学、机械工程学等领域的交叉学科[1-2]。现代数字化技术的飞速前进为医学的发展尤其是骨科学的发展与研究提供新的动力及方向，数字科学与骨科学在临床领域相互指导，在个性化骨折治疗方面相互融合，在与传统骨科学方面相互影响，现代数字骨科学在相互促进中应运而生。数字骨科学主要包括医学影像处理技术与计算机三维模拟技术、三维虚拟仿真与可视化技术、临床计算机辅助设计/计算机辅助制造（Computer assisted design/computer assisted manufacturing，CAD/CAM）技术、生物力学仿真技术、机器人辅助导航技术、三维有限元分析技术等[3]。在精准医学指导下个性化骨折的治疗已成为数字化骨科学的发展目标。3D打印技术即快速成型技术通常是采用数字技术材料打印机来实现的，广泛应用于材料学、设计学工程学及医学领域。3D打印技术与数字骨科学的完美融合为临床中个性化骨折的治疗提供了保障与方案。

1 数字化医学影像处理技术与计算机三维模拟技术

数字化医学影像学处理即是手术前通过Mimics软件系统，利用医学影像学数据（多数为CT或MRI）在计算机中建立相应的骨关节3D模型。在传统骨科的诊疗中，通常是以术前X线片、CT、MRI资料及术中透视结果为骨折复位与固定的依据，这些结果大多是在间接及二维的水平上对患者的病情进行了解，缺乏直观的三维表现，主要依靠经验判断。但对于一些复杂、粉碎性或一般平片难以发现的骨折而言，通常会通过CT三维重建来帮助术者及诊疗者对骨折、尤其是复杂或一般平片难以发现的骨折形成一个立体概念，但骨关节CT三维重建大多数情况下只能单一的读取，通常只能在设定好的方向及角度上进行阅读，不能够进行术前手术模拟与内固定材料的术前个性化匹配，更不能使术者得到类似术中的骨折整体认识并做出准确判断；通过Mimics软件系统三维重建技术能够为术者在术前骨折治疗方案的选择提供清晰可靠的依据，从而使术者在进行手术设计时更大限度地提高复位和固定效果，保护骨折断端的血运，改善预后；同时还便于向患者及其家属交代病情及手术方案，缓解医患矛盾。对于严重的不稳定性骨折，三维重建技术可以正确的指导诊断分型及确定治疗方案及手术方案，Brown等[4]将三维重建技术应用于117例复杂骨科手术，术前在三维重建技术的帮助下建立1:1模型全面了解患者骨折情况，并设计个性化的手术方案。李涛等[5]通过计算机三维模拟软件，重建了3例复杂的髋臼骨折患者的CT影像资料，重建后的3D模型能够让术者术前判断手术难度，了解骨折特点，设计手术方案，缩短手术时间。计算机三维模拟技术与3D打印技术相结合能够直观地展示骨折的实际情况，为复杂骨折的诊断分型和个性化治疗提供了参考依据与保障。对复杂骨折而言，计算机三维模拟技术的建立无疑为术者全面和清晰的了解骨折部位的解剖结构、骨折类型、分型提供了直观的资料。也为患者个性化手术治疗提供了最直接的依据。

2 数字骨科学对骨折分类及个性化手术指导

骨折分类的明确对术前治疗方法的选择起着决定性作用，对术者实施手术也起着重要的作用，所以明确骨折病人的骨折类型及分类对患者的治疗尤为重要[1]。Mimics软件系统建立数字化3D模型在骨关节创伤的诊断中起到非常重要的作用，Mimics软件系统易于操作，利用CT平扫数据即可生成3D立体模型，能够多层次、多角度的显示骨折的特点及空间位置关系，可为临床医生明确骨折的分型、选择个性化治疗方案、决定合适的手术入路及方案提供可靠的依据[6-8]。张元智等[9]利用Mimics软件系统三维技术重建了骨折的三维可视模型，准确反映出骨折的解剖学特点，骨折移位的方向和程度，并可在Mimics软件系统中进行任意旋转、移动、转换视角、添加及减去软组织、剖切等观察和操作，明确了骨折的分型并计算机三维模拟手术并设计个性化内固定物，再通过3D打印技术验证手术及内固定物的设计。万永鲜等[10]同样利用三维重建模型对42例四肢复杂骨折患者进行骨折分型及制定了个性化的手术治疗方案，并进行术前手术模拟，其手术操作简便、创伤小、并发症少、疗效确切等明显优于对照组。在皮瓣移植手术过程中，切取皮瓣的重点是能够分离解剖出皮瓣血供的轴型血管，由于个人血管的差异性，即便术者对皮瓣区的局部解剖非常了解，也很难预先了解每个患者皮瓣区血管的具体位置及情况。鉴于皮瓣血供的不确定性，倘若术前可以了解皮瓣轴型血管走行以及其与周围解剖关系，便于进行个性化、精准化的术前设计，减少手术医生手术过程中的失误，就显得尤为重要。任义军[11]等通过CTA或MRA资料，利用Mimics软件系统三维重建技术模拟出个性化的皮瓣轴型血管的解剖特点，清晰显示血管解剖三维关系，再通过3D打印技术1:1制作出模型，更直观的指导术中的个性化皮瓣的设计与切取。对于复杂的髋臼骨折，其多属于高能量暴力损伤，位置的特殊性以及解剖特点的复杂性往往导致临床诊断分型困难，普通的骨盆平片由于提供的信息有限，故临床漏诊及误诊时有发生。通常采用三维CT来判断臼壁的骨折情况，石玲玲等[12]通过计算机三维模拟技术对10例复杂髋臼骨折的CT数据进行三维重建，通过3D打印技术制造出1:1髋臼模型，并依据Letournel 分类[13]，使术者对患者的骨折分型一目了然，根据骨折特点其个性化的手术方案也应运而生。并用super image orthopedics edition软件进行术前模拟，帮助术者直观地了解髋臼骨折解剖学特征，指导手术方案，通过3D模型预弯钢板，术中精确的复位及内固定，术后治疗效果明显。计算机三维模拟技术术前模拟骨折复位，明确骨折分型对个性化手术起到指导作用。

3 Mimics软件系统应用及注意事项

在Mimics软件系统中，将CT数据建立的3D模型利用CT Bone Segmentation功能键实现对骨折块的三维操作，即为Object，术前手术模拟中重要的骨折块尤其是涉及到关节面的骨折块均应建立Object，称之为建立单元（简称建元），亦可通过Region Growing将骨折块区分出来。在骨折的诊断与治疗中，关节面骨折的处理尤为重要，若涉及关节面的骨折在手术过程中处理不当，日后一定会影响到患者的关节功能运动，造成创伤性关节炎的可能极大，所以通常只要涉及关节面且面积＞0.5 cm2的骨折块都应进行处理，建立单独的Object单元。因此，对骨折的三维重建必须熟悉Mimics软件系统的使用，三维重建过程中应先整体观察骨折的类型，再将重要的细小骨折块区分出来，不要将重要的骨块尤其是涉及到关节面的骨折块遗漏。具体到涉及膝关节完整性的骨折，损伤因素多为高能量暴力损伤所致，造成关节面的多处骨折，关节面失去完整性，手术目的是重新恢复关节面的平整及关节功能[14-16]。对以上骨折进行三维建元时，必须对涉及到关节面的骨折块单独建立Object，以便在术前手术模拟中尽可能恢复关节面平整以便于术中关节的重新恢复。对于踝关节骨折，传统观念认为，若后踝负重面＜25%，则骨折对胫距关节的生物力学特性影响较小，可以不予手术治疗[17]。近年来有学者经长期随访得出结论，若后踝骨折块涉及胫骨远端关节面的10%时，需手术治疗，恢复关节稳定性及关节内原有的接触应力，减少创伤性关节炎的发生[18-19]。因此术前对此类骨折进行术前三维重建时，对后踝骨折块应单独建元并模拟恢复关节平整。大多数踝关节骨折常合并下胫腓的损伤及分离[20]，常需要手术来恢复下胫腓的稳定，术前三维模拟中胫骨及腓骨都应该单独建立Object。跟骨为不规则松质骨，跟骨骨折除伴有松质骨的压缩外还会形成粉碎性的小骨块，术前三维重建难度高，操作要求高。而对跟骨进行术前三维重建时，应对健侧跟骨进行三维重建并单独建立Object，以健侧跟骨作为镜像来对患侧跟骨进行涂抹及建元以协助术前手术[21-23]，以帮助不规则骨骨折的术前三维手术模拟。

4 个性化内植物及截骨导板的设计

目前使用的关节假体及截骨导板大多采用厂商提供的系列产品，多根据西方人的骨骼解剖特点设计，而对于发育异常、畸形、大面积骨缺损和骨肿瘤患者，术中常出现假体与截骨导板不能完美配合的状况。目前关节假体的植入及截骨导板的应用早已趋向于个体化、精准化的方向，采用Mimics软件系统、计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助制造（CAM）技术已被运用于个性化假体置换手术中[24]。付军等[25]通过3D打印截骨导板，并将其成功运用于31例骨肿瘤的患者，通过术后的随访证实了3D打印手术导板能够很好的为骨肿瘤患者提供个性化的手术解决方案，并能够在术中及术后实现术前的手术设计。王仁和等[26]同样利用术前CT数据，通过Mimics软件系统进行3D建模，将个性化的3D手术截骨导板成功的运用于30例膝关节置换的病人，其术后的疗效评估及手术时间及出血情况明显优于对照组。综上表明，3D数字骨科为个性化的内置物的设计及截骨导板的临床应用提供了可靠的解决方案，并能够在一定程度上避免传统手术所带来弊端[27]。3D数字化技术运用于内植物及截骨导板的设计，不仅为患者提供了个性化、精准化的手术方案，对临床诊疗发展及个体化、精准化的手术产生了巨大的推动作用。

5 3D数字骨科学的展望

医学发展已经朝着精确化、个性化、微创化与多元化的方向发展。现代医学的发展必将朝向数字医学的方向发展，骨科学也将朝着3D数字骨科学方向发展，当下数字骨科学的基础研究和临床应用仍为飞速发展的数字科学的起始阶段，随着骨科学不断前进与创新，最终形成理论与实践完整的学科体系，并成功运用于临床。3D数字骨科是传统骨科学与3D数字技术全面结合的学科，在临床中已广泛应用，也将会成为骨科学热门的研究方向。随着对其深入的研究与日后更强大功能的计算机的运用及多元化软件的帮助下，通过更加智能、精度更高、更加易于普及的3D打印机及其设备，能够直接将个性化的植入材料快速三维成型，并根据术前手术设计直接运用于患者。通过患者影像学及个人资料，个性化的设计手术方案，并与手术机器人及远程协助系统相结合，在最大程度的利用医疗资源的情况下为患者解决治疗问题。自动化的有限元分析对每个个体及其使用的假体进行预测得出最合适内植物的力学分析，为个性化、精准化的手术方案提供支持，实现术前实物模拟并精确定量手术操作。目前已经是数字医学与精准医学的时代，3D数字骨科学的基础研究与临床应用正处于一个持续发展与创新的阶段，其普及与运用仍须一段时间，尤其是在基层医疗机构，需要每一位医务工作者的努力，相信随着不断创新与进步，数字骨科学将最终形成其自身完整的临床体系与学科理论，不断推动骨科学的发展。目前3D数字化的骨科技术已在骨科临床诊疗与治疗方案的选择上取得了傲人的成绩，必将会成为推动骨科临床发展的重要动力。3D数字化骨科学一定会在个性化骨折的治疗中发挥重大的作用。为个性化骨折的治疗提供依据及新的方向，为社会主义医学发展带来全新的生命力。

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本文编辑：吴玲丽

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