骶髂關(guān)節(jié)骨折的臨床解剖學數(shù)字化仿真平臺的建立與應用.pdf

1、骶髂關(guān)節(jié)損傷是嚴重骨盆創(chuàng)傷中最為常見的嚴重損傷，隨著現(xiàn)代交通運輸、煤礦采掘、高層建筑等行業(yè)迅速發(fā)展，骶髂關(guān)節(jié)骨折在骨盆嚴重創(chuàng)傷中所占的比例亦呈現(xiàn)逐年上升的趨勢。由于受傷原因多樣且解剖位置復雜，嚴重的骶髂關(guān)節(jié)部位的損傷，常伴有多處嚴重的合并傷，如大出血，盆腔臟器的損傷等，死亡率較高。沒有嚴重合并癥的骨盆骨折，尤其是骨盆的前環(huán)骨折，既往多采用非手術(shù)的保守療法，但患者的愈后往往因為各種不同原因而較差。但對于復雜骨盆骨折，尤其是伴隨有骶髂關(guān)節(jié)損

2、傷的骨盆后環(huán)骨折，得出的診斷則具有一定的局限性。CT技術(shù)的不斷提高和更新使骨盆骨折的診斷和分型更為確切，并有助于擬定詳細的早期治療計劃。但對于嚴重復雜的骨盆骨折，由于骨塊互相重疊，X線片和二維CT掃描則很難全面客觀地顯示骨折和移位的程度。CT是檢查明顯骨盆損傷的一種重要診斷方法，特別是對于有后部復合損傷(骶髂關(guān)節(jié)損傷)的骨折效果極佳，其可檢查普通X線片上顯示不清楚的骨盆環(huán)后部，包括骶骨骨折，骶髂關(guān)節(jié)骨折脫位、髂骨翼及髂骨后嵴骨折等等。螺

3、旋CT三維重建已廣泛應用于臨床，特別是三維重建以其立體、直觀、準確的圖像顯示優(yōu)點更為廣泛地應用于骨骼系統(tǒng)。通過三位重建技術(shù)，采用旋轉(zhuǎn)切割技術(shù)，可從各方向立體地觀察骨折線，對骨折斷端移位情況顯示得立體直觀。而且根據(jù)臨床需要，可選擇進行冠狀位或矢狀位重建，彌補二維CT每個單一體位掃描存在的不足，為骨折的診斷、分類及治療方案的制定提供了極大的幫助?？焖俪尚图夹g(shù)，簡稱RP或RPM技術(shù)，是80年代后期首先從美國發(fā)展起來的一門新興制造技術(shù)，它基于材

4、料累加概念和疊層制造方法，在計算機的控制下，根據(jù)物體的cAD模型或CT/MRI等數(shù)據(jù)，不借助其他設(shè)備，通過材料的精確堆積，制造原型的一種基于離散、堆積成型原鯉的新的數(shù)字化成型技術(shù)，集機械工程、CAD、激光加工、數(shù)控和新材料等技術(shù)成果于一身，可自動而迅速地將設(shè)計思想轉(zhuǎn)化為物理試驗模型或直接制造零件。該零件是CAD模型的物理體現(xiàn)，分層堆積原理的實質(zhì)就是通過離散把三維制造轉(zhuǎn)化為一系列二維制造疊加，是一個分解——綜合的過程。將所得STL數(shù)據(jù)輸入

5、快速成型機。制作出與實體1:1大小的模型。RP技術(shù)自動化程度高，從數(shù)字模型(cAD模型)到物理模型(原型和零件)的轉(zhuǎn)化，都是計算機控制下的自動完成而無需人工干預?？芍圃旄叨葟碗s的零件，特別對形狀復雜的人體組織器官很有用處?？焖俪尚图夹g(shù)原則上可以制造出任意形狀的模型。人體組織器官經(jīng)CT、MRI或激光等獲取圖像數(shù)據(jù)輸入計算機，經(jīng)圖形處理軟件處理，重建三維模型，經(jīng)快速成型系統(tǒng)就能制造出人體局部組織或器官的模型，并用于臨床輔助診斷、復雜手術(shù)方案

6、的確定、制作個性化的假體，也可用于醫(yī)學教學。歐洲已經(jīng)把醫(yī)學作為快速成型技術(shù)應用的主要研究方面之一。運用RP技術(shù)，技師根據(jù)患者的CT或MRI數(shù)據(jù)體外制造出模擬患者具體情況的解剖模型，醫(yī)師可以通過模型進行術(shù)前規(guī)劃，指導手術(shù)。將三維重建技術(shù)與RP技術(shù)有效的結(jié)合起來，即將CT檢查所獲得的詳盡患者病情資料，經(jīng)過有效的轉(zhuǎn)換為STL格式的文件，在計算機的控制下，不借助其他設(shè)備，通過材料的精確堆積，迅速的制造出仿真的創(chuàng)傷模型。術(shù)者可以根據(jù)骶髂關(guān)節(jié)損傷模

7、型明確損傷的類型。根據(jù)模型所反映的情況選擇最佳的手術(shù)方式、入路以及內(nèi)固定器材，根據(jù)其制定治療方法(手術(shù)或非手術(shù))、選擇手術(shù)入路切口，并在模型上模擬合適的內(nèi)固定類型和安裝方法(預彎鋼板、選擇合適長度的螺絲釘)。甚至可以有效的判斷患者的預后，這種高科技結(jié)合的方式具有廣闊的臨床應用前景。但是，RP技術(shù)用于指導臨床亦存在相應的問題：如創(chuàng)傷模型不能迅速展現(xiàn)在臨床醫(yī)師的面前，利用RP技術(shù)來建立創(chuàng)傷模型往往需要幾十個小時、甚至幾天，才能噴制出和患者傷

8、情相同的模型，且花費較大，無形中增加了患者的經(jīng)濟負擔；快速成形機需要數(shù)十萬元的成本，醫(yī)院投資成本大；術(shù)中需要利用CT或床邊透視機來進行引導，臨床醫(yī)師及患者所受放射輻射量較大；且在創(chuàng)傷模型上進行臨床解剖學研究及手術(shù)模擬只能是一次性的，在模型上進行模擬手術(shù)會破壞模型的完整性，不能進行反復的手術(shù)模擬試驗。仿真是以相似原理、信息技術(shù)、系統(tǒng)技術(shù)及其應用領(lǐng)域有關(guān)的專業(yè)技術(shù)為基礎(chǔ)，以計算機和各種物理效應設(shè)備為工具，利用系統(tǒng)模型對實際的或設(shè)想的系統(tǒng)進行

9、試驗研究的一門綜合性技術(shù)。又稱模擬。它綜合集成了計算機、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、圖形圖像技術(shù)、多媒體、軟件工程、信息處理、自動控制等多個高新技術(shù)領(lǐng)域的知識。它是一種描述性技術(shù)，是一種定量分析方法。通過建立某一過程和某一系統(tǒng)的模式，來描述該過程或該系統(tǒng)，然后用一系列有目的、有條件的計算機仿真實驗來刻畫系統(tǒng)的特征，從而得出數(shù)量指標，為決策者提供有關(guān)這一過程或系統(tǒng)得定量分析結(jié)果，作為決策的理論依據(jù)。許多的工程與科學技術(shù)都可以通過仿真技術(shù)求得解決。工程上的設(shè)

10、計方案及規(guī)劃，都可以通過仿真技術(shù)和試驗來驗證規(guī)劃方案能否達到預期的目的和方向。如果達不到預期的目標，可以及時發(fā)現(xiàn)問題，對于方案或規(guī)劃進行及時的修改，這樣即省時又安全。從方案規(guī)劃的論證開始，到元部件的選擇，系統(tǒng)及工程的初步設(shè)計，詳細設(shè)計和樣品生產(chǎn)等各個階段，都可以運用仿真技術(shù)通過進行仿真試驗達到相應的目的。運用計算機仿真技術(shù)，技師或臨床醫(yī)師可根據(jù)患者的CT或MRI數(shù)據(jù)在計算機上制造出模擬患者具體情況的符合患者本人傷情的個性化數(shù)字化仿真解剖

11、模型，醫(yī)師可以通過該模型對患者的傷情進行符合個體化的詳細診斷，并可與其他診斷方法相比較，彌補其他診斷方法本身存在的不足，避免漏診，誤診的情況出現(xiàn)。并可根據(jù)此模型平臺對患者的后期的臨床治療來進行完善的術(shù)前規(guī)劃，并可用于進行術(shù)前的手術(shù)模擬，用以指導臨床手術(shù)。近年來的醫(yī)療觀點認為，對于不穩(wěn)定的骨盆骨折，保守治療難以達到和維持解剖復位，為促進患者早日康復，降低死亡率和傷殘率，大多數(shù)學者和臨床醫(yī)生主張積極切開復位內(nèi)固定治療。由于骨盆解剖結(jié)構(gòu)復雜，

12、明確的影像學檢查，準確的診斷及術(shù)前的手術(shù)模擬，在骶髂關(guān)節(jié)骨折的診斷及治療中具有重要價值。本研究在成功建立個性化骶髂關(guān)節(jié)骨折的臨床解剖學數(shù)字化仿真模型平臺的基礎(chǔ)上對骶髂關(guān)節(jié)骨折的診斷及治療方法加以探討。 第一部分：骶髂關(guān)節(jié)的臨床解剖學研究及其損傷的治療方案。 研究目的：1．充分了解骶髂關(guān)節(jié)的臨床解剖學特點。2．對骶髂關(guān)節(jié)損傷的臨床治療方法分析；比較不同的治療方法對骶髂關(guān)節(jié)損傷的治療效果和愈后影響；進行標本的骶髂關(guān)節(jié)手術(shù)模擬

13、。 研究方法：選擇防腐成年骨盆標本15具，身高160～179 cm，年齡32～78歲，平均54歲，無畸形、腫瘤及骨折等骨質(zhì)病變。所有標本常規(guī)行骨盆X片及螺旋CT檢查及掃描后圖像重建，根據(jù)針對骶髂關(guān)節(jié)損傷的不同治療方法，評價不同治療方法之間的治療效果和愈后影響的差異；進行標本的骶髂關(guān)節(jié)手術(shù)模擬，制定更為精確及完善的手術(shù)治療方案。 研究結(jié)果：在標本上按照不同的定位方法分別來進行骶髂關(guān)節(jié)損傷的手術(shù)模擬，并根據(jù)所得到的模擬標本進

14、行臨床解剖學研究，使手術(shù)治療骶髂關(guān)節(jié)損傷得到了最直觀、最全面的了解。并可依據(jù)實驗結(jié)果的比較來制定手術(shù)方案，包括手術(shù)入路、顯露范圍、內(nèi)固定的選擇等。 第二部分：個性化骶髂關(guān)節(jié)損傷數(shù)字化仿真模型平臺的建立及相關(guān)研究。 研究目的：建立完善的個性化骶髂關(guān)節(jié)損傷的數(shù)字化仿真模型平臺；利用數(shù)字化仿真平臺對個性化病例數(shù)據(jù)進行分析；比較不同的診斷方法對骶髂關(guān)節(jié)骨折的診斷符合率的高低；進行手術(shù)治療前的個性化臨床手術(shù)設(shè)計；并在平臺上進行數(shù)字

15、化手術(shù)模擬，為臨床診斷治療提供參考。 研究方法：1．選擇防腐成年骨盆標本1具、成年女性患者1名。無畸形、腫瘤、嚴重骨質(zhì)疏松及骨折等骨質(zhì)病變；2．根據(jù)個性化數(shù)字化仿真模型平臺的建立，評價不同診斷方法的診斷符合率的差異；根據(jù)不同的數(shù)據(jù)在計算機上來進行術(shù)前手術(shù)模擬，制定更為精確及完善的手術(shù)治療方案。 研究結(jié)果：個性化骶髂關(guān)節(jié)骨折的數(shù)字化仿真模型平臺用于術(shù)前診斷及進行手術(shù)模擬，取得滿意效果。研究結(jié)論：也可為臨床醫(yī)師對于手術(shù)治療骶

16、髂關(guān)資料經(jīng)過有效的軟件轉(zhuǎn)換為可辨識的計算機仿真模型，在計算機的控制下，不借助其他設(shè)備，通過智能化、集成化的仿真系統(tǒng)和仿真環(huán)境，迅速的制造出仿真的創(chuàng)傷模型。通過該模型對患者的傷情進行符合個體化的詳細診斷，并可與其他診斷方法相比較，彌補其他診斷方法本身存在的不足，避免漏診，誤診的情況出現(xiàn)。術(shù)者也可根據(jù)模型所反映的情況選擇最佳的手術(shù)方式、入路以及內(nèi)固定器材，甚至可以有效的判斷患者的預后，在對患者實施手術(shù)前，臨床醫(yī)師可先在病人虛擬骨盆上進行手術(shù)

17、操作練習和研究。通過對虛擬人體的解剖，對損傷部位的傷情進行多方位觀察(前、后、左、右、上、下)，并可根據(jù)需要自行調(diào)整角度及方位?？筛鶕?jù)要求消隱影響觀察的組織，如需要對骨組織進行觀察，則可消除掉模擬的皮膚及內(nèi)固定等，亦可單獨觀察內(nèi)固定的角度并進行調(diào)整及選擇、和CT片上的測量數(shù)據(jù)相互驗證，通過對患者個性化傷情的測量、研究得出完全符合患者本人的最佳內(nèi)固定通路、直徑、數(shù)量、進釘點、進釘方向等，制定出完全符合患者本人的個性化的手術(shù)方案，且可在平臺

18、上進行臨床手術(shù)治療中無法完成的三維測量，以求得更加符合個體化患者的臨床數(shù)據(jù)。使臨床的診斷、治療效果達到完全符合患者的個性化傷情且可作患者愈后效果的預測。對病人進行病理分析和探索最佳的完全符合患者本人的個性化的手術(shù)方案。通過對計算機仿真技術(shù)的研究與應用，將使計算機仿真技術(shù)在醫(yī)院和高等醫(yī)學院校的教學和訓練中逐漸得到越來越多的推廣和應用，并向更多更復雜的典型外科手術(shù)和其他領(lǐng)域擴展；如遠程醫(yī)療等。該項技術(shù)具有廣闊的發(fā)展和應用前景，并將為提高我國