1、目的: （1.1）探討數字醫(yī)學技術包括醫(yī)學影像數字化處理與測量、三維重建與可視化技術，臨床計算機輔助設計（Computer Aided Design，CAD）技術，以及快速原型技術（rapid prototyping，RP）等技術在骨科的臨床應用價值，促進骨科臨床診療技術的新發(fā)展。 （1.2）引入計算機輔助下的人體骨骼快速建模技術和快速成型設備，研究如何通過新的技術路線，在患者手術前由CT圖像實現患者個體化人體骨骼標本的

2、虛擬重建與1：1還原，從而達到對一些復雜的脊柱外科手術，關節(jié)外科、骨腫瘤科和創(chuàng)傷骨科手術，進行手術的體外模擬和手術個體化設計的目的；并研究如何利用計算機輔助設計技術研制出個體化數字手術導向模板（digital targeting template，DTT）輔助手術，使手術更加精確、安全，效果更理想。 （2）寰樞椎后路經椎弓根手術術中置釘時存在損傷椎動脈或脊髓的風險，本實驗通過計算機三維輔助設計技術與快速成型技術，研究如何在術前建

3、立病椎的實體模型以及數字化導向模板，從而實現術中在DTT引導下置釘，以及研究如何提高寰樞椎后路經椎弓根手術置釘的安全性和準確性。 （3.1）在非計算機術中導航條件下，研究如何提高經皮經椎弓根穿刺入路技術安全性。 （3.2）上胸椎病變的患者，由于胸椎周圍有肋骨、肩胛骨遮擋致使術中X線機影像顯示不清，加之胸椎椎弓根周徑較小，這些因素均給上胸椎經皮椎弓根穿刺技術帶來較大困難。在非計算機術中導航條件下，本研究探討借助計算機手術輔

4、助設計及快速成型技術完成上胸椎經皮椎弓根穿刺術的可行性。 （4）三踝骨折的治療要求嚴格解剖復位，本實驗研究如何對患者的手術方案進行個體化設計，提高三踝骨折手術的術中效率和手術效果。 （5）跟骨關節(jié)內骨折治療效果不盡如人意，臨床上多以健側跟骨X線為準，依據經驗判斷Bohler角（跟骨結節(jié)關節(jié)角）應恢復的角度。本實驗研究以健側跟骨三維圖像為復原標準的科學性。以及研究如何利用虛擬鏡像進行撬撥復位的計算機三維虛擬，設計出恢復Bo

5、hler角的手術方案，個體化精確恢復Bohler角。 方法: （1.1）選擇患者CT平掃DICOM3.0格式數據，掃描層距參數為0.7mm。在SIMPLEWARE或MIMICS軟件中調用圖像數據序列，建立患者骨骼三維模型。 （1.2）對重建模型進行計算機三維測量并設計導向管，以骨性突起為模板輔助定位骨性標志，建立三維互補組件。建立連接桿與組件連接，使導向管、連接桿與互補組件融合為整體數字化手術導向模板。

6、（1.3）骨骼三維模型與手術輔助模板分別存儲為STL文件格式。經AFS激光快速自動成型機，采用選區(qū)激光燒結（SLS）模式，利用計算機三維立體模型經過分層處理給出的路徑，控制激光束逐點、逐線、逐面燒結固化再層層疊加，快速地制作出患者個體化實物標本以及模板。 （1.4）在患者個體化標本上模擬手術，加載手術導向模板，術前確定植入物種類型號，減少手術時間。個體化標本以及導向模板可高溫消毒，可用于實際手術，在此基礎上進行患者個體化手術。

7、 （2.1）可復性寰樞椎脫位及寰樞椎不穩(wěn)15例，螺旋CT薄層圖像經計算機三維重建建立以包含寰樞椎在內的上頸椎三維模型。 （2.2）以寰樞椎椎弓根中心軸為軸心，參考3.5mm椎弓根釘直徑設計空間三維圓柱管道。觀察空間三維圓柱管道在各橫斷切面上與寰樞椎椎弓根四壁的關系，確定椎弓根各壁不被切破，此圓柱管道即為寰樞椎椎弓根置釘安全三維釘道。沿設計好的椎弓根置釘安全三維釘道反向延長，建立椎弓根置釘導向管。取寰椎后弓與樞椎棘突為模板輔

8、助定位骨性標志，建立三維互補組件。在此基礎上組建寰樞椎后路手術個體化數字導向模板。 （2.3）在快速成型機上按CAD設計圖制作相應個體化模板實物，完成手術導向模板輔助寰樞椎后路置釘術。 （3.1）選擇腰椎腫瘤穿刺活檢病例，采用CT圖像、計算機三維重建和三維設計模擬技術，在穿刺術前建立病椎的三維數字模型，并對病椎椎弓根的E角和F角進行三維測量。在測量數據的基礎上進行穿刺入路計算機三維虛擬，測算入路皮膚進針點，椎弓根進針點以

9、及進針角度，從而設計出合理安全的穿刺解剖入路。以此設計入路為穿刺術中參考，在CT數據處理平臺監(jiān)測下按三維設計入路方案進針，從而減少手術時間和患者CT接受掃描的次數。 （3.2）選擇上胸椎腫瘤椎體成形病例，采用快速成型技術還原患者骨骼模型。在X光監(jiān)測下根據模型進行模擬手術設計，選擇合適的進釘點及進釘角度等，模擬進行鉆孔操作?？刂七M針角度和深度。穿刺后將模型置于G臂機獲取X光圖像并比較分析。術中將模型以及分析結果帶入手術室，供術者參

10、考判斷進針深度，輔助完成手術。 （4）我院2007-3月至2008-3月三踝骨折病例24例隨機分為兩組，A組快速成型輔助設計手術組12例，B組常規(guī)手術組12例。A組手術前采取三維重建、計算機模擬、快速成型與個體化標本預手術。通過與常規(guī)手術比較，說明計算機快速成型輔助個體化治療三踝骨折的效果。 （5）40例正常雙側跟骨計算機三維重建后測量Bohler角和Gissane角，24例單側跟骨骨折患者術前建立健患側跟骨的三維數字模

11、型，對健側跟骨采取三維模擬鏡像技術，以虛擬鏡像為標準進行患側跟骨骨折復位，對撬撥復位角度進行個體化三維設計。 結果: （1）CAD-RP臨床應用共計87例，其中三踝骨折12例，跟骨骨折24例，股骨頸骨折7例，下肢矯形6例，骨腫瘤8例，寰樞椎15例，脊柱側彎11例，后凸畸形4例。患者經過CAD-RP技術指導均能實施個體化精確手術，均能獲得良好復位，內固定位置滿意。 （2）15例病人手術順利可行，可復性寰樞椎脫位及寰

12、樞椎不穩(wěn)均解剖復位，固定良好。寰樞椎椎弓根螺釘置釘位置準確，未發(fā)生任何并發(fā)癥。 （3.1）E角和F角的平面線線夾角與空間線面夾角之差，在E角測量中為0.05°，在F角測量中為1.86°。最佳皮膚進針定位點與臨床常用進針定位點距離為1.22mm。在CT平臺監(jiān)測下按三維設計入路方案可順利進針，使整個穿刺過程在椎弓根內及椎體內安全完成。 （3.2）根據上胸椎經皮椎弓根穿刺術X光定位分析結果，可進行患者個體化經皮胸椎椎弓根穿刺椎

13、體成形術。術前可利用模型向病人及家屬加強術前宣教。術中將模型帶入手術室，直接在手術臺旁供術者參考。胸椎弓根穿刺針深度與X線位置分析結果可輔助術中判斷進針深度。術前X光定位圖像可打印，術中與G臂監(jiān)測圖像進行對比，輔助順利完成上胸椎椎弓根椎體成形術。 （4）三踝骨折患者術后隨訪8-15個月。A組手術復位與固定時間（45.43±9.38）min，低于B組（58.61±12.32）min（t=-2.948，P=0.007），差異有統(tǒng)計學

14、意義；A組手術療效優(yōu)秀率為83.3%，B組手術療效優(yōu)秀率為66.7%。 （5）正常跟骨Bohler角左側為34.27±5.14°，右側為33.08±6.05°，兩者無統(tǒng)計學差異（t=0.864，P=0.393），正常跟骨Gissane角左側為57.69±6.91°，右側為55.81±5.23°，兩者無統(tǒng)計學差異（t=1.285，P=0.207）。當撬撥旋轉角度為28.84±6.51°，Bohler角恢復至32.86±1.72°，

15、C臂機監(jiān)測下按此角度可精確恢復Bohler角。 結論: （1）CAD-RP技術可在骨科臨床廣泛應用，可以通過計算機進行個體化精確測量，在計算機輔助設計與數字化導向模板輔助下施行高精度的手術。 （2.1）設計出寰樞椎后路手術個體化數字導向模板，為寰樞椎椎弓根內固定置釘術提供新的研究路線和手術方案。 （2.2）寰樞椎后路椎弓根內固定數字化導向模板引導下置釘，實現了寰樞椎椎弓根內固定置釘的安全性和準確性。

16、 （3.1）以立體幾何學為基礎，通過嚴謹的數學邏輯推理，發(fā)現并證實了E角和F角的平面線線夾角與空間線面夾角的差異；從實踐上重新測量E角和F角空間線面夾角的準確數值，解決了E角和F角的平面線線夾角的誤差，為數字醫(yī)學新時代對解剖的數據測量提供了更精準的技術路線；在三維數字影像技術的支持下，對經皮椎弓根穿刺角度進行個體化三維設計和監(jiān)測，解決了個體差異帶來的影響。 （3.2）計算機手術輔助設計及快速成型技術為上胸椎經皮椎弓根穿刺技術提