研究背景分类是人们认识自然规律的基本逻辑方法之一。一个优秀的骨折分类系统能够准确地描述骨折特征,使大量繁杂的各种骨折资料条理化、系统化,指导治疗或干预治疗方法的选择,预测治疗效果,成为教育和培训的工具。传统的骨折分类依据的是X线片,参照骨折分类的文字叙述和平面骨折图谱。然而骨折本身是三维立体的,而X线片、骨折图谱是二维平面的,需读片者具有一定的空间思维能力。在把二维的骨折影像资料和平面图谱还原为三维的立体图像时,可能会出现偏差。目前获得三维的影像资料已经比较容易,然而骨折分类的参考工具——骨折图谱却仍然是二维平面的,我们拿着三维的图像去对照二维的骨折分类图谱,来确定具体骨折的分类,显然已经不合时宜了。因此,建立一套三维的骨折图谱是必要的。数字医学是一门以医学和数字化高新技术相结合为主要特征,涵盖了医学、生命科学、电子信息学、机械工程学等多种学科的一门新兴的医工交叉学科。当前数字骨科学的研究主要包括三个方面：数字骨科解剖学、数字骨科手术学和骨科虚拟教学。建立数字化的骨折分类模型数据库是数字骨科手术学的重要内容之一。骨折分类的目的是描述骨折特征、反映损伤程度、指导治疗或干预治疗方法的选择、预测治疗效果。对骨折进行正确分类是选择治疗方法的前提之一。骨折分类模型数据库的建立也是开展虚拟手术培训的基础之一,可以使虚拟手术培训更加规范化、程序化和标准化。建立骨科虚拟仿真系统是目前数字骨科学研究的热点之一。虚拟现实技术在虚拟手术中的应用是最活跃的领域,可以帮助完成手术,进行术前规划和模拟手术过程。外科手术培训是一名外科医师成长的重要环节。传统的创伤骨科手术培训主要是在尸体标本和患者身上进行,数量有限,重复性较差,动手机会少。所以,寻求一种接近真实的、不受数量限制的、可以反复操作的手术培训方法是有重要意义的。虚拟手术是利用各种医学影像数据,利用虚拟现实技术在计算机中建立一个虚拟的环境,使用者借助虚拟环境中的信息进行手术术前计划、手术训练,以及在实际手术过程中进行引导的新兴学科。在虚拟的培训环境中,医师沉浸于虚拟的场景内,对培训内容的三维结构进行漫游观察,通过视、触、嗅、听等感知并学习各种实际操作技术动作,从而使医学生或年轻的医师快速成长。手术培训的一个重要的要求是达到培训的规范化、程序化和标准化。创伤骨折的表现多样、种类繁多,手术方法和内固定的选择也是差异显著。如何使年轻的医师快速、正确地掌握手术方法和内固定物的选择是医师成长的重要内容。利用骨折分类系统,医生可以根据骨折的分型对手术入路、复位方法以及内固定物的选择做出相应决定,因此,将骨折分类系统引入创伤骨折虚拟手术的培训有利于培训标准化的建立。目的1、建立一套三维数字化的骨折分类模型,为医学教学和临床骨折分类提供一种新的、有益的工具。同时,三维数字化骨折分类模型库为进行数字骨科手术模拟打下基础。2、建立骨折手术相关的手术器械和内固定物三维数字化模型,满足虚拟骨科手术的需要。3、建立骨折分类虚拟手术系统,为骨科手术培训提供一个新的平台,并且使手术培训更加规范化、程序化和标准化。同时也为临床手术前的规划和医患沟通提供一种新的工具。方法1、骨折分类三维模型的建立。选取3名志愿者,志愿者1,男性,35岁,身高171cm,体重70kg；志愿者2,男性,42岁,身高175cm,体重73kg；志愿者3,女性,32岁,身高165cm,体重58kg。行Lightspeed 16排螺旋CT扫描,扫描参数：电压120～140kV,电流强度240～300 mA,螺距1.375～1.75mm,矩阵512×512,扫描层厚7.5mm,重建层厚0.625mm。扫描获得的图像以DICOM格式进行存储并刻录到CD-ROM光盘上。然后将DICOM格式的图像导入Mimics 10.01软件,导入的图像信息包括骨骼及软组织,利用图像分割功能把目标骨骼从图像中单独分割出来,对目标骨骼进行三维重建,并进行平滑处理,依据相关骨折分类的文字叙述及平面示意图,利用软件的切割等功能模拟出各型骨折的骨折线和移位等情况,根据骨折的特点可以对各骨折块进行移动、旋转、透明化等操作,并可以对各骨折块分别标以不同的颜色。使用截图软件对各型骨折从前、后、内、外等侧面进行截图保存,并给予适当排列,以便于观察,利于和二维图谱进行比较。利用软件的影片输出功能,分别浏览每型骨折的360。旋转短片,并以.avi格式保存。2、手术器械和内固定物模型的建立。对于结构比较简单的手术器械和固定物,如导针、套筒、钻头、骨膜剥离器、骨凿、骨刀、松质骨螺钉、垫片等器械,使用游标卡尺测量器械的数据,在UG4.0软件中,利用建模模块中的特征操作、成型特征功能以及使用草图功能,依据原始测量的数据进行手术器械的三维建模。对于结构复杂、设计精细的手术器械,比如锁定加压钢板、锁定螺钉等,不易手工测量或者测得的数据容易产生误差,则采用3DSS双目系列三维光学扫描仪扫描,获得点云数据,导入软件,将点云数据网格化,建立器械的三维模型。建立的三维器械模型可根据不同的需要进行一定程度的简化或渲染以满足特定的要求。3、骨折分类虚拟手术系统的建立。骨折模型和器械模型均以STL格式导出,然后导入FreeForm Modeling System中,运用力反馈设备,进行虚拟骨折手术模拟。利用FreeForm Modeling System的GHOST开发出虚拟切割和骨折复位固定的软件,然后利用力反馈设备PHANTOM,对手术器械和骨折块进行操纵,模拟器械组装、钻孔、螺钉拧入,骨折复位、植骨等动作,完成骨折复位、内固定等手术操作。每型骨折各建立了一个骨折分类虚拟手术系统,使用者可以根据骨折的特点决定手术方案、选择内固定物,在虚拟系统中进行反复的操作练习。结果1、建立了全身骨骼骨折常见分类的三维可视化仿真模型。三维骨折分类模型形态逼真,立体感强,骨折模型可以放大和缩小,可以进行透明化处理,并可从任意角度旋转观察。由于各骨折块用不同的颜色表示,骨折线和移位情况容易判断。每型骨折均可从多个侧面进行截图、保存,并按一定的次序排列,以便于观察、理解,并有利于和传统的线条二维图谱相比较。每型骨折相对应的影片可以360。旋转观看,动态、立体地观看骨折情况,并可反复播放。与传统的二维图谱相比,三维图谱有很多特点和优势。2、骨折分类数字模型具有形态逼真,立体感强等特点,并可导入虚拟手术系统中,通过PHANTOM可以随意操纵各骨折块进行手术操作,能够满足骨折分类虚拟手术的操作要求。建立的骨折分类手术相关的手术器械和内固定物三维数字化模型形态逼真,立体感强,颜色、尺寸与真实器械基本一致。通过PHANTOM可以随意操纵各手术器械和内固定物进行手术操作,能够满足骨折分类虚拟手术的操作要求。3、本研究建立的骨折分类虚拟手术系统的硬件设备为SensAble Technologies公司开发的具有力反馈功能的交互设备、具有触觉反馈的虚拟手术系统PHANTOM Desktop、1.6MHz计算机以及显示设备等组成,并利用FreeForm Modeling System的GHOST开发出虚拟切割和骨折复位固定的软件,然后利用力反馈设备PHANTOM,对手术器械和骨折块进行操纵,模拟骨折复位、内固定等手术操作。在FreeForm Modeling System中,建立的虚拟手术环境具有很强的真实感、沉浸感和临场感,并有交互性和力反馈功能。使用者可以随意操纵手术器械和内固定物,模拟器械组装、钻孔、螺钉拧入,骨折复位、植骨等动作,使用者能够获得一定程度的类似于实际手术中的感觉,且带有力反馈的感觉。系统具有三维模型放大和缩小等功能,可以清晰展现和观察感兴趣的解剖结构；具有三维模型旋转功能,可以任意角度旋转,方便观察与操作；具有三维模型整体或部分透视的功能,有助于观察骨折块的空间位置和毗邻关系,有助于比较观察骨折复位、固定情况；具有单独显示和联合显示组织模型的功能,可以方便的进行器械组合,有利于完成复杂的手术操作；具有“撤销”功能,使用者发现错误可以随时纠正,返回上一步或从头开始,也可重复练习；具有力反馈功能,通过PHANTOM可以感知虚拟环境的力反馈,有利于调整手术操作,使虚拟手术更具真实感。4、同一部位的骨折,类型不同,治疗方法也有区别,例如胫骨平台骨折Schatzker分类六型骨折各具特点,手术方式不同,内固定物的选择也有区别。每型骨折各建立了一个胫骨平台骨折Schatzker分类虚拟手术系统,使用者可以根据骨折的特点决定手术方案、选择内固定物,在虚拟系统中进行反复的操作练习。通过这样的练习,不但可以增加手术操作过程的熟练程度,而且可以逐渐理解和掌握胫骨平台骨折Schatzker分类各型骨折的手术方案和内固定物选择的原则。结论1、使用Mimics软件建立了三维数字化骨折分类模型,该模型形态逼真,立体感强,各骨折块可以用不同的颜色表示,骨折线和移位情况容易判断。可以人机交互使用,骨折模型可以放大、缩小、任意角度旋转,并可进行透明化处理。每型骨折相对应的影片可以360。旋转观看,动态、立体地展现骨折情况,并可反复播放。2、三维数字化骨折分类模型有利于骨折类型的判断,与传统的二维平面图谱相比有许多优势,是临床工作中一种新的骨折分类参考工具。建立三维数字化骨折分类模型库是进行数字骨科手术模拟的一个基础工作,是数字骨科学研究的一个重要内容。骨折分类模型接近真实的解剖情况,有利于对骨折类型的理解,易于激起学生的学习兴趣,是医学教学中一种新的、有益的工具。3、使用UG软件建立的手术相关的手术器械和内固定物三维数字化模型形态逼真,立体感强,颜色、尺寸与真实器械基本一致。通过PHANTOM可以随意操纵各手术器械和内固定物进行手术操作,能够满足虚拟手术的操作要求。4、在FreeForm Modeling System中,建立的虚拟手术环境具有很强的真实感、沉浸感和临场感,并有交互性和力反馈功能。利用GHOST SDK开发出虚拟切割和骨折复位固定的软件,然后利用力反馈设备PHANTOM,对手术器械和骨折块进行操纵,模拟器械组装、钻孔、螺钉拧入,骨折复位、植骨等动作,使用者能够获得一定程度的类似于实际手术中的感觉,通过PHANTOM可以感知虚拟环境的力反馈,有利于调整手术操作,使虚拟手术更具真实感。5、胫骨平台骨折Schatzker分类每型骨折各建立了一个胫骨平台骨折Schatzker分类虚拟手术系统,使用者可以根据骨折的特点决定手术方案、选择内固定物,在虚拟系统中进行反复的操作练习。通过这样的练习,不但可以增加手术操作过程的熟练程度,而且可以逐渐理解和掌握胫骨平台骨折Schatzker分类各型骨折的手术方案和内固定物选择的原则,使培训更加规范化、程序化和标准化。该系统也可以作为临床手术前的规划和医患沟通的工具之一。