虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在全髖表面置換術(shù)中的應(yīng)用.pdf

1、股骨頭缺血性壞死、先天性髖關(guān)節(jié)發(fā)育不良、股骨頭骨骺滑脫、強(qiáng)直性脊柱炎等常見(jiàn)疾病其晚期結(jié)果是導(dǎo)致髖關(guān)節(jié)疼痛和嚴(yán)重的功能障礙,對(duì)于這類髖關(guān)節(jié)疾病晚期,較好的治療方法是進(jìn)行人工全髖關(guān)節(jié)置換。對(duì)于預(yù)期壽命長(zhǎng),骨質(zhì)條件較好,活動(dòng)量大,將來(lái)面臨多次翻修的患者來(lái)說(shuō),選擇全髖關(guān)節(jié)表面置換(hip resurfacing arthroplasty,HRA)更具以下特點(diǎn):1.HRA可更精確地重建股骨近端解剖結(jié)構(gòu),使應(yīng)力分布更符合生理要求；2.髖關(guān)節(jié)表面置換

2、術(shù)可最大限度地保留原有骨質(zhì)和生理結(jié)構(gòu),使患者術(shù)后關(guān)節(jié)活動(dòng)度的恢復(fù)更接近于正常水平；3.保留較多骨質(zhì),增加關(guān)節(jié)穩(wěn)定性:4.未破壞骨髓腔,為二次翻修提供便利,無(wú)碎屑誘發(fā)的骨溶解,假體不會(huì)發(fā)生無(wú)菌性松動(dòng)。相關(guān)臨床資料報(bào)告關(guān)節(jié)優(yōu)良率為94.4-99.7％。但是全髖關(guān)節(jié)表面置換的并發(fā)癥也不容忽視,常見(jiàn)的并發(fā)癥包括股骨頸骨折,股骨頸狹窄,血清鉻鈷金屬離子的上升,下肢短縮跛行,腹股溝區(qū)持續(xù)疼痛及腫塊的形成。
　　 據(jù)相關(guān)研究資料表明,股骨頭缺

3、血性壞死在全部髖關(guān)節(jié)置換術(shù)的患者中所占的比例是5％～12％。選擇適合患者、正確放置假體、合理使用骨水泥、術(shù)中導(dǎo)航技術(shù)及術(shù)前模擬手術(shù)等,可明顯降低術(shù)后并發(fā)癥的發(fā)生率或減少并發(fā)癥的危害。當(dāng)前認(rèn)為全髖關(guān)節(jié)表面置換術(shù)最佳的適應(yīng)癥為:骨質(zhì)良好、股骨頭直徑與股骨頸直徑的比值大于1.2、下肢縮短長(zhǎng)度小于1cm、年齡小于55歲的、體重小于82千克的非感染和毀損性髖關(guān)節(jié)疾病患者；傳統(tǒng)全髖關(guān)節(jié)表面置換的術(shù)前影像學(xué)準(zhǔn)備為術(shù)前常規(guī)拍攝骨盆正位片及雙髖關(guān)節(jié)螺旋C

4、T掃描,主要從二維平面評(píng)估骨質(zhì)破壞情況、頭頸比率、確定假體的大小、及初步評(píng)價(jià)股骨頭塌陷對(duì)于髖關(guān)節(jié)表面置換術(shù)后的可能影響。但二維結(jié)構(gòu)很難完全反應(yīng)病變的真實(shí)形態(tài),特別是股骨頭塌陷的范圍,囊性變和硬化帶的量化及術(shù)后截骨后骨質(zhì)保留之間的相互關(guān)系未能給予一量化的評(píng)估；應(yīng)用非影像的計(jì)算機(jī)導(dǎo)航技術(shù)可以縮短初學(xué)者的學(xué)習(xí)曲線,術(shù)中及時(shí)反饋,從而使股骨假體置于最佳位置。但也有其缺點(diǎn):1.手術(shù)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)；2.紅外線參考架術(shù)中應(yīng)該避免碰撞移動(dòng),否則需要重新注

5、冊(cè)。3.解剖標(biāo)志點(diǎn)選擇要準(zhǔn)確,否則影響圖像匹配精確性。當(dāng)前國(guó)內(nèi)引進(jìn)非影像導(dǎo)航系統(tǒng)的醫(yī)院還少,目前在國(guó)內(nèi)才處于臨床摸索階段,缺乏大樣本的系統(tǒng)的臨床應(yīng)用研究,因此很有必要進(jìn)行相關(guān)的技術(shù)培訓(xùn)和理論研究,接受這一新的外科輔助理念。
　　 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(virtual reality VR)在醫(yī)學(xué)上發(fā)揮著重要的作用。在臨床上,為了避免直接使用人為制定的手術(shù)策略進(jìn)行手術(shù)所帶來(lái)的巨大風(fēng)險(xiǎn),目前采取的最好解決方法就是建

6、立一套虛擬仿真系統(tǒng)。虛擬仿真系統(tǒng)基于三維醫(yī)療可視化立體模型。對(duì)外科手術(shù)進(jìn)行規(guī)劃和虛擬操作。開(kāi)展這方面的研究將在精確手術(shù)定位、縮短手術(shù)時(shí)間、提高手術(shù)質(zhì)量等方面帶來(lái)一系列的技術(shù)變革。目前,對(duì)于醫(yī)療仿真的研究多數(shù)集中利用患者的醫(yī)學(xué)影像資料(CT/MRI圖像)或數(shù)字人(Virtual Human VH)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行人體組織器官的建模,應(yīng)用數(shù)字化三維醫(yī)學(xué)影像交互式控制系統(tǒng)mimics(Materialise’s interactive medica

7、l image control system)或3dsmax等軟件系統(tǒng)進(jìn)行手術(shù)模擬演練、手術(shù)計(jì)劃制定、手術(shù)教學(xué)、技能訓(xùn)練、術(shù)中引導(dǎo)手術(shù)、術(shù)后康復(fù)等工作。目前虛擬手術(shù)模擬系統(tǒng)主要涉及耳鼻頜面外科、矯形外科、神經(jīng)外科、虛擬內(nèi)窺鏡等方面,臨床醫(yī)生將醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)輸入到系統(tǒng)中,將原始圖像格式轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)方便處理的格式,并對(duì)圖像進(jìn)行減噪、提高信噪比和消除圖像的偽影,通過(guò)分割提取感興趣區(qū)域或待手術(shù)部位,對(duì)同一部位不同模態(tài)圖像進(jìn)行配準(zhǔn)和融合,然后可視化

8、立體結(jié)構(gòu)得到直觀的三維立體模型顯示。最后調(diào)用交互操作程序,對(duì)可視化三維立體模型再進(jìn)行一系列的交互操作(旋轉(zhuǎn)、縮放、平移、切割、測(cè)量、組合、以及虛擬假體置入等來(lái)實(shí)現(xiàn)手術(shù)模擬)。目前可視化虛擬手術(shù)主要應(yīng)用于脊柱椎弓根螺釘內(nèi)固定系統(tǒng)定位、復(fù)雜骨折復(fù)位及選擇個(gè)體化內(nèi)固定器械、全髖全膝關(guān)節(jié)置換截骨平面的選擇等相關(guān)研究。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于客觀評(píng)估髖關(guān)節(jié)病變情況及設(shè)計(jì)個(gè)性化的虛擬手術(shù)鮮有報(bào)道。
　　 本研究利用Mimics在數(shù)字

9、仿真與三維建模方面的優(yōu)勢(shì),將飛利浦Brilliance64排螺旋CT薄層掃描得到的Dicom原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics軟件中進(jìn)行三維骨盆重建,對(duì)三維骨盆結(jié)構(gòu)(股骨頭囊性變,硬化帶,及髖臼骨質(zhì))進(jìn)行準(zhǔn)確而完整的術(shù)前數(shù)字化評(píng)價(jià)；在Geomagic studo 8.0及3dsmax軟件中對(duì)三維模型進(jìn)行可視化虛擬操作,明確股骨頸中心定位,截骨平面,假體大小及放置,最大程度的實(shí)現(xiàn)手術(shù)效果的最優(yōu)化。
　　 第一章 基于CT斷層圖像重建股骨頭缺

10、血性壞死三維結(jié)構(gòu)
　　 目的:1.快捷、精確的基于CT斷層圖像重建股骨頭缺血性壞死髖關(guān)節(jié)三維立體結(jié)構(gòu)；2.客觀評(píng)價(jià)病變組織。
　　 方法:利用Philips/Brilliance 64排螺旋CT各向同性分辨率0.625mm的薄層掃描技術(shù),基于0.5mm層厚286張股骨頭缺血壞死性壞死患者髖關(guān)節(jié)的連續(xù)斷層圖像,Mimics 10.01軟件直讀入Dicom格式原始圖像,根據(jù)閾值設(shè)置不同產(chǎn)生不同的蒙罩,每層圖像經(jīng)邊緣分割,選擇

11、性編輯及補(bǔ)洞處理,去除冗余數(shù)據(jù),分別建立髖臼,近端股骨,股骨頸及股骨頭病變組織的三維立體結(jié)構(gòu)。將重建好的各部分結(jié)構(gòu)以STL格式導(dǎo)入Geomagic studo 8.0軟件進(jìn)行光滑及配準(zhǔn)處理。
　　 結(jié)果:三維重建的髖關(guān)節(jié)(包括病變組織)與術(shù)前影像學(xué)資料,術(shù)中所見(jiàn)完全吻合。三維立體結(jié)構(gòu)外型逼真,能夠任意角度的旋轉(zhuǎn)及縮放觀察,多彩色、透明或任意組合顯示,視覺(jué)效果較佳,整體清晰、實(shí)體感強(qiáng)。通過(guò)不同平面的切面可以觀察各組件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)關(guān)系

12、。并且能對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆分,分離病變組織(囊性變及硬化帶),進(jìn)一步對(duì)病變組織進(jìn)行體積的評(píng)估。各組件以STL格式文件導(dǎo)入Geomagic studo和3dsmax軟件系統(tǒng)中可進(jìn)行虛擬仿真操作。
　　 結(jié)論:Mimics軟件根據(jù)CT掃描所得的Dicom原始數(shù)據(jù)能準(zhǔn)確重建股骨頭缺血性壞死髖關(guān)節(jié)的三維立體結(jié)構(gòu),計(jì)算病變體積,為患髖術(shù)前骨質(zhì)的客觀評(píng)價(jià)提供了依據(jù)。
　　 第二章 可視化虛擬手術(shù)在全髖表面置換術(shù)中的應(yīng)用
　　

13、目的:1.術(shù)前選擇合適的假體型號(hào)(股骨和髖臼假體)；2.術(shù)中精確的股骨頸中心定位,準(zhǔn)確的截骨及最佳位置放置假體,根據(jù)全髖關(guān)節(jié)表面置換的術(shù)前數(shù)字化評(píng)價(jià)為髖關(guān)節(jié)表面置換術(shù)中假體位置的放置和手術(shù)技術(shù)的改進(jìn)提供技術(shù)支持。
　　 方法:假體大小測(cè)量:在3dsmax軟件中導(dǎo)入以STL格式保存的三維重建圖像。分別于股骨頭頸交界處取前后、內(nèi)外側(cè)的最大直徑。前后直徑約為44mm,內(nèi)外側(cè)直徑約為40mm(測(cè)量過(guò)程在Geomagic studo 8.

14、0完成)。因此本虛擬手術(shù)選擇股骨假體直徑為44mm,髖臼假體直徑為50mm的假體。
　　 股骨頸中心定位:由于股骨頸并非標(biāo)準(zhǔn)的圓柱形或者橢圓柱形,骨頭的中心并非股骨頸的中性,本研究取過(guò)股骨頸中心且平行于股骨頸的直線與股骨頭的交點(diǎn)作為虛擬導(dǎo)針的初步進(jìn)針點(diǎn),由于患髖股骨頭前外側(cè)明顯塌陷,并且積聚大量的囊性變區(qū)域,而后內(nèi)側(cè)骨皮質(zhì)骨質(zhì)較好,為了去除更多的囊性變和保留更多的完整骨質(zhì),因此進(jìn)針點(diǎn)向后方平移了3mm。
　　 近端股骨虛

15、擬打磨:(1)沿著進(jìn)針點(diǎn)插入一粗導(dǎo)桿,虛擬平臺(tái)銼(平行于股骨頸)去除股骨頸近端骨質(zhì)部分約6mm厚。(2)沿導(dǎo)桿方向用一與股骨頸直徑相同(都為44mm)的虛擬桶狀銼磨削股骨頭至頭頸交界處。注意觀察股骨頸皮質(zhì)處是否有切跡的形成,以及計(jì)算殘余囊性變區(qū)域的體積。(3)套上虛擬錐形銼磨削股骨頭使股骨頭形成一斜角圓柱形,使其外徑與股骨頭假體內(nèi)徑相匹配。
　　 結(jié)果:在3ds max v7.0軟件系統(tǒng)中,運(yùn)用布爾邏輯運(yùn)算系統(tǒng),模擬全髖表面置換

16、整個(gè)手術(shù)過(guò)程,效果生動(dòng)、逼真、基本和實(shí)際手術(shù)操作過(guò)程相同(見(jiàn)下圖所示)。并且經(jīng)過(guò)虛擬桶狀銼磨削股骨頭至頭頸交界處,可以從前后內(nèi)外側(cè)清晰可見(jiàn)股骨頸邊緣無(wú)多余骨贅及切跡形成,形成一有效的股骨截骨面。并可進(jìn)而觀察股骨頸部剩余骨囊腫的區(qū)域及計(jì)算保留的股骨頸部骨量。
　　 結(jié)論:可以在3ds max v7.0的三維坐標(biāo)儀中建立起不同的虛擬手術(shù)器械(虛擬平臺(tái)銼,虛擬桶狀銼,虛擬錐形銼),通過(guò)布爾邏輯運(yùn)算系統(tǒng)形成有效的虛擬近端股骨打磨。在整個(gè)