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摘要目的: （1.1）探讨数字医学技术包括医学影像数字化处理与测量、三维重建与可视化技术，临床计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）技术，以及快速原型技术（rapid prototyping，RP）等技术在骨科的临床应用价值，促进骨科临床诊疗技术的新发展。 （1.2）引入计算机辅助下的人体骨骼快速建模技术和快速成型设备，研究如何通过新的技术路线，在患者手术前由CT图像实现患者个体化人体骨骼标本的虚拟重建与1：1还原，从而达到对一些复杂的脊柱外科手术，关节外科、骨肿瘤科和创伤骨科手术，进行手术的体外模拟和手术个体化设计的目的；并研究如何利用计算机辅助设计技术研制出个体化数字手术导向模板（digital targeting template，DTT）辅助手术，使手术更加精确、安全，效果更理想。 （2）寰枢椎后路经椎弓根手术术中置钉时存在损伤椎动脉或脊髓的风险，本实验通过计算机三维辅助设计技术与快速成型技术，研究如何在术前建立病椎的实体模型以及数字化导向模板，从而实现术中在DTT引导下置钉，以及研究如何提高寰枢椎后路经椎弓根手术置钉的安全性和准确性。 （3.1）在非计算机术中导航条件下，研究如何提高经皮经椎弓根穿刺入路技术安全性。 （3.2）上胸椎病变的患者，由于胸椎周围有肋骨、肩胛骨遮挡致使术中X线机影像显示不清，加之胸椎椎弓根周径较小，这些因素均给上胸椎经皮椎弓根穿刺技术带来较大困难。在非计算机术中导航条件下，本研究探讨借助计算机手术辅助设计及快速成型技术完成上胸椎经皮椎弓根穿刺术的可行性。 （4）三踝骨折的治疗要求严格解剖复位，本实验研究如何对患者的手术方案进行个体化设计，提高三踝骨折手术的术中效率和手术效果。 （5）跟骨关节内骨折治疗效果不尽如人意，临床上多以健侧跟骨X线为准，依据经验判断Bohler角（跟骨结节关节角）应恢复的角度。本实验研究以健侧跟骨三维图像为复原标准的科学性。以及研究如何利用虚拟镜像进行撬拨复位的计算机三维虚拟，设计出恢复Bohler角的手术方案，个体化精确恢复Bohler角。 方法: （1.1）选择患者CT平扫DICOM3.0格式数据，扫描层距参数为0.7mm。在SIMPLEWARE或MIMICS软件中调用图像数据序列，建立患者骨骼三维模型。 （1.2）对重建模型进行计算机三维测量并设计导向管，以骨性突起为模板辅助定位骨性标志，建立三维互补组件。建立连接杆与组件连接，使导向管、连接杆与互补组件融合为整体数字化手术导向模板。 （1.3）骨骼三维模型与手术辅助模板分别存储为STL文件格式。经AFS激光快速自动成型机，采用选区激光烧结（SLS）模式，利用计算机三维立体模型经过分层处理给出的路径，控制激光束逐点、逐线、逐面烧结固化再层层叠加，快速地制作出患者个体化实物标本以及模板。 （1.4）在患者个体化标本上模拟手术，加载手术导向模板，术前确定植入物种类型号，减少手术时间。个体化标本以及导向模板可高温消毒，可用于实际手术，在此基础上进行患者个体化手术。 （2.1）可复性寰枢椎脱位及寰枢椎不稳15例，螺旋CT薄层图像经计算机三维重建建立以包含寰枢椎在内的上颈椎三维模型。 （2.2）以寰枢椎椎弓根中心轴为轴心，参考3.5mm椎弓根钉直径设计空间三维圆柱管道。观察空间三维圆柱管道在各横断切面上与寰枢椎椎弓根四壁的关系，确定椎弓根各壁不被切破，此圆柱管道即为寰枢椎椎弓根置钉安全三维钉道。沿设计好的椎弓根置钉安全三维钉道反向延长，建立椎弓根置钉导向管。取寰椎后弓与枢椎棘突为模板辅助定位骨性标志，建立三维互补组件。在此基础上组建寰枢椎后路手术个体化数字导向模板。 （2.3）在快速成型机上按CAD设计图制作相应个体化模板实物，完成手术导向模板辅助寰枢椎后路置钉术。 （3.1）选择腰椎肿瘤穿刺活检病例，采用CT图像、计算机三维重建和三维设计模拟技术，在穿刺术前建立病椎的三维数字模型，并对病椎椎弓根的E角和F角进行三维测量。在测量数据的基础上进行穿刺入路计算机三维虚拟，测算入路皮肤进针点，椎弓根进针点以及进针角度，从而设计出合理安全的穿刺解剖入路。以此设计入路为穿刺术中参考，在CT数据处理平台监测下按三维设计入路方案进针，从而减少手术时间和患者CT接受扫描的次数。 （3.2）选择上胸椎肿瘤椎体成形病例，采用快速成型技术还原患者骨骼模型。在X光监测下根据模型进行模拟手术设计，选择合适的进钉点及进钉角度等，模拟进行钻孔操作。控制进针角度和深度。穿刺后将模型置于G臂机获取X光图像并比较分析。术中将模型以及分析结果带入手术室，供术者参考判断进针深度，辅助完成手术。 （4）我院2007-3月至2008-3月三踝骨折病例24例随机分为两组，A组快速成型辅助设计手术组12例，B组常规手术组12例。A组手术前采取三维重建、计算机模拟、快速成型与个体化标本预手术。通过与常规手术比较，说明计算机快速成型辅助个体化治疗三踝骨折的效果。 （5）40例正常双侧跟骨计算机三维重建后测量Bohler角和Gissane角，24例单侧跟骨骨折患者术前建立健患侧跟骨的三维数字模型，对健侧跟骨采取三维模拟镜像技术，以虚拟镜像为标准进行患侧跟骨骨折复位，对撬拨复位角度进行个体化三维设计。 结果: （1）CAD-RP临床应用共计87例，其中三踝骨折12例，跟骨骨折24例，股骨颈骨折7例，下肢矫形6例，骨肿瘤8例，寰枢椎15例，脊柱侧弯11例，后凸畸形4例。患者经过CAD-RP技术指导均能实施个体化精确手术，均能获得良好复位，内固定位置满意。 （2）15例病人手术顺利可行，可复性寰枢椎脱位及寰枢椎不稳均解剖复位，固定良好。寰枢椎椎弓根螺钉置钉位置准确，未发生任何并发症。 （3.1）E角和F角的平面线线夹角与空间线面夹角之差，在E角测量中为0.05°，在F角测量中为1.86°。最佳皮肤进针定位点与临床常用进针定位点距离为1.22mm。在CT平台监测下按三维设计入路方案可顺利进针，使整个穿刺过程在椎弓根内及椎体内安全完成。 （3.2）根据上胸椎经皮椎弓根穿刺术X光定位分析结果，可进行患者个体化经皮胸椎椎弓根穿刺椎体成形术。术前可利用模型向病人及家属加强术前宣教。术中将模型带入手术室，直接在手术台旁供术者参考。胸椎弓根穿刺针深度与X线位置分析结果可辅助术中判断进针深度。术前X光定位图像可打印，术中与G臂监测图像进行对比，辅助顺利完成上胸椎椎弓根椎体成形术。 （4）三踝骨折患者术后随访8-15个月。A组手术复位与固定时间（45.43±9.38）min，低于B组（58.61±12.32）min（t=-2.948，P=0.007），差异有统计学意义；A组手术疗效优秀率为83.3%，B组手术疗效优秀率为66.7%。 （5）正常跟骨Bohler角左侧为34.27±5.14°，右侧为33.08±6.05°，两者无统计学差异（t=0.864，P=0.393），正常跟骨Gissane角左侧为57.69±6.91°，右侧为55.81±5.23°，两者无统计学差异（t=1.285，P=0.207）。当撬拨旋转角度为28.84±6.51°，Bohler角恢复至32.86±1.72°，C臂机监测下按此角度可精确恢复Bohler角。 结论: （1）CAD-RP技术可在骨科临床广泛应用，可以通过计算机进行个体化精确测量，在计算机辅助设计与数字化导向模板辅助下施行高精度的手术。 （2.1）设计出寰枢椎后路手术个体化数字导向模板，为寰枢椎椎弓根内固定置钉术提供新的研究路线和手术方案。 （2.2）寰枢椎后路椎弓根内固定数字化导向模板引导下置钉，实现了寰枢椎椎弓根内固定置钉的安全性和准确性。 （3.1）以立体几何学为基础，通过严谨的数学逻辑推理，发现并证实了E角和F角的平面线线夹角与空间线面夹角的差异；从实践上重新测量E角和F角空间线面夹角的准确数值，解决了E角和F角的平面线线夹角的误差，为数字医学新时代对解剖的数据测量提供了更精准的技术路线；在三维数字影像技术的支持下，对经皮椎弓根穿刺角度进行个体化三维设计和监测，解决了个体差异带来的影响。 （3.2）计算机手术辅助设计及快速成型技术为上胸椎经皮椎弓根穿刺技术提供新的手术可行性方案以及研究路线。 （4）计算机快速成型辅助个体化技术可提高三踝骨折手术效率与精确度。 （5）健侧跟骨镜像可视为患侧骨折前跟骨的虚拟原像，可以健侧跟骨虚拟镜像为标准恢复Bohler角。计算机三维技术辅助撬拨复位设计是恢复Bohler角的新一代个体化手术辅助方案。