在正常人CT薄层影像数据基础上建立跟骨骨折Sanders分型的数字化仿真模型。
对1名既往无先天性足部病史及外伤史，常规体格检查和影像学检查排除足部异常病变，并同意参加研究项目的健康成年男性志愿者行足跟部64层螺旋CT扫描，采用Mimics 10.01软件进行断层影像(Dicom文件数据)分割处理，重建完整跟骨3D模型；基于Sanders分型原则，采用Mimics 10.01软件的"Simulation"模块对跟骨模型进行骨折造模并输出STL文件保存，将输出的模型通过Cult3D Designer软件的Web插件植入网页进行虚拟现实显示。
跟骨骨折的Sanders分型数字化仿真模型具有直观、立体和逼真的展示效果，而植入网页后的模型可进行任意方位和不同角度的观察。
数字化模型的建立有助于增强外科医生对跟骨骨折Sanders分型的准确理解，而基于Web的交互式虚拟现实技术可用于术前方案演练和远程会诊、教学。
版权归中华医学会所有。
未经授权，不得转载、摘编本刊文章，不得使用本刊的版式设计。
除非特别声明，本刊刊出的所有文章不代表中华医学会和本刊编委会的观点。
跟骨是人体最大的跗骨，跟骨骨折属于常见的骨折类型，占全部跗骨骨折的60%[1]，多由高能量的垂直压缩暴力所致。暴力造成的跟骨损伤往往涉及距下关节面及跟骨结节两部分结构，这也成为跟骨骨折临床分型的重要依据。跟骨骨折常见的分型包括Sanders分型、Essex-Lopresti分型以及根据关节内外骨折的解剖部位分型[2]。其中，Sanders分型基于冠状位CT图像对跟骨后关节面的损伤情况进行了详细的划分，这对于跟骨关节内骨折的治疗方法选择及预后的判断有着重要的意义。然而，由于跟骨形态不规则、CT图像层面的选取以及在判断移位程度上的主观偏差，这造成足踝外科医生对跟骨骨折Sanders分型的判断和理解存在着较大的难度，也是临床上跟骨关节内骨折治疗效果欠佳的一个重要原因[3]。随着医学成像技术的进步，3D重建技术的普及以及虚拟现实技术的出现为外科医生对骨折形态学分类的判断和理解提供了强有力的工具。在国内，已有学者对全身各骨折部位的形态学进行了数字化分类研究[4]，而跟骨骨折Sanders分型的数字化研究则未见报道。本研究拟基于CT图像数据利用3D重建技术构建跟骨骨折Sanders分型的数字化模型，并初步结合虚拟现实技术实现数字化骨折模型的网络整合，为提高跟骨骨折的诊疗水平、实现远程会诊及提高外科教学质量提供新的思路。
2014年1月选取1名健康成人男性志愿者，26岁。志愿者符合以下纳入标准：(1)既往无先天性足部病史及外伤史；(2)常规体格检查和影像学检查排除足部异常病变；(3)同意研究内容，并签署知情同意书。志愿者取平卧位，以踝关节平面以上到足舟骨平面以下为范围行64层螺旋CT平扫(层厚0.625 mm)，将CT扫描数据以Dicom文件格式刻录光盘输出保存。
采用Mimics 10.01(Materialise公司)软件读取足部Dicom数据，根据体位对图像进行配准。利用骨组织与周边组织的灰度值差异进行阈值分割处理，获得扫描范围内全部骨骼的蒙板。利用"区域增长"功能把跟骨蒙板从全部骨组织中单独提取出来并生成新的蒙板，以此跟骨蒙板计算并建立跟骨的数字3D模型(图1)。
根据跟骨骨折Sanders分型的方法，以30°冠状位为参考平面，选取跟骨后关节面最宽处作为划分层面，从外向内以A、B、C 3条模拟骨折线将其分为4个等分区域，根据不同的组合形式划分出4部分骨折块。在Mimics 10.01软件中利用"Simulation"模块对完整跟骨按分型要求进行骨折造模，并对分割出来的3D骨折块进行平移或旋转操作，从而形成关节内骨折所具有的压缩、阶梯征和关节面分离等形态效果。将建立好的各型骨折模型以多方向视角进行截图保存并输出，进一步以STL文件格式输出整个模型信息以用于后续的Web网页整合。
将骨折模型STL文件装载到3Ds MAX 8.0软件(Autodesk公司)中，对各个部骨折块结构赋予伪彩，通过Cult3D Exporter插件输出到Cult3D Designer(Cycore公司)专用的C3D文件，并将文件导入Cult3D虚拟现实平台进行虚拟现实环境构建。采用Cult3D Designer编辑器内置的事件、动作与对象的关联功能进行虚拟现实交互设计，最后将项目保存为Cult3D Project工程文件，并将其嵌入到HTML网页文件中在网络上发布，实现3D模型在网络上共享、传输和虚拟现实交互。
模拟骨折线切割、骨块移位和旋转等方式建立起后关节面形态各异的跟骨骨折Sanders分型模型(图2)。跟骨骨折的3D模型的各部位骨折分别采用不同色彩显示，在软件中能够直观清晰地显示各部位骨折特征及空间位置关系，并可进行任意缩放、旋转和空间参数测量，较传统2D CT冠状位观察更为直观，测量也更精确，这可为外科医生明确骨折分型以及选择合适的内固定方案提供可靠的依据。
基于虚拟现实软件Cult3D设计构建的跟骨骨折数字化分型虚拟现实环境，可允许用户将3D模型共享到网络环境实现远程交互。用户在不同的地域环境条件下，仅仅通过联网计算机即可对数字模型进行交互式形态学观察、空间测量和虚拟骨折复位等操作。而经Cult3D压缩输出的模型文件格式占用硬件资源较小，在网络共享传输方面具有极高的效率，且无需配备专业医学3D重建的软件。经测试，重建的跟骨骨折数字化分型模型在Windows＋IE环境下可实现较为理想的虚拟复位交互操作效果(图3)。
由于跟骨具有多关节面、承重以及形态极不规则等特点，因此跟骨关节内骨折的诊治一直是足踝外科医生研究的热点问题之一。精准的跟骨关节面重建内固定是决定跟骨关节内骨折治疗效果的关键因素，这就要求足踝外科医师必须在术前对骨折的关节面情况进行准确的评估与分型[5,6,7]。尽管跟骨骨折的分类方法较多，这些分类系统均可指导跟骨骨折的损伤严重程度、手术计划以及预后评估，而在所有的分型系统中，基于CT冠状面图像的Sanders分型系统对于足踝外科医师而言在一致性方面具有较高的稳定性[8]。即便如此，从2D CT图像上判断得到的Sanders分型在不同外科医师之间仍可存在一定比例的偏差，这在不同年资的外科医师之间可能更为显著。而Bhattacharya等[9]认为，Sanders分型即便是在高年资医师的分型判断结果一致性同样欠佳，其Kappa值也只有0.32。而造成这一结果的原因可能主要来自两方面：一方面，Sanders分型要求选择后关节面最宽部位以清楚显示载距突结构，这使得在2D CT图像阅片过程中由于分层层面的不恰当选取而容易出现偏差；另外一方面，跟骨本身形态极不规则的特点可能造成低年资外科医师在2D CT图像上无法形成骨折块之间清晰而直观的相对空间关系，对于骨折线的方向和数量判断也可存在偏差。因此，本研究运用数字骨科技术对跟骨骨折的Sanders分型进行了数字化建模，旨在为深入理解跟骨骨折的Sanders分型提供更为直观、高效和科学的手段。
对于复杂跟骨骨折的治疗，术前明确骨折的分类对治疗方法的选择具有重要的意义[10]。本研究的数字化Sanders分型方法能够多平面、多角度显示跟骨后关节面的局部骨折的形态变化及骨折块之间的空间位置关系。基于这些信息，一方面，术者可准确地判断出累及的关节面范围以及确定采用何种入路以实现关节面最大限度的复位，有利于减少不必要的探查所造成的软组织过度剥离，这在一定程度上降低了跟骨骨折切口相关并发症的风险；另一方面，通过空间测量骨折块的位移、旋转和压缩程度，可准确评估术中植骨的必要性和植骨量，有利于术前医患沟通。此外，在建立的模型中，术者同样可通过移动骨折块重建跟骨形态，在此基础上对跟骨表面形态进行距离和角度的测量，术前可获得理想的内植物参数，从而实现内固定方案的个体化、精确化以及最优化；再者，复杂跟骨骨折对于外科手术医师团队而言，不同年资的团队成员从同一跟骨骨折2D CT图像上所获得的信息具有不对称性，而骨折3D模型直观、逼真的效果有助于解决这一问题，提高了手术团队配合的默契程度。
然而，在骨折数字化分类研究的推广和临床应用方面，尚存在着不少客观的制约因素。其中，较高的软硬件配置成本和具有多学科交叉性质的漫长学习曲线构成了主要的壁垒。针对这一现状，本研究通过网络整合的虚拟现实技术形式，以临床上相对复杂的跟骨骨折Sanders分型为切入点，进一步对数字化技术的转化应用进行了初步的探索，以期通过"点到面"的模式打破这一转化应用局限。初步结果显示，基于网络虚拟现实技术的跟骨骨折Sanders分型模型的演示效果能满足术前规划、外科教学和远程会诊的要求。在网络虚拟现实演示过程中，无论是医学生、青年外科医师还是基层外科医师，均能够通过计算机浏览器联网的形式完成整个跟骨骨折的术前分型评估、术前计划和虚拟复位操作，这对骨折的诊断教学、外科技术培训以及提高基层创伤救治中心诊疗水平而言无疑是一种全新而高效的手段。尽管如此，本研究仍存在一些局限性：首先，本研究采用的是正常人个体的跟骨数据，其骨折建模是根据经典骨折分型的形态学特点以理想化的虚拟切割方式实现的，难以完全符合临床上Sanders分型的真实情况，而通过真实病例建立的模型数据库则更具有代表性；其次，Sanders分型的数字化建模仅仅能提供术前的直观印象，只有与术中2D的X光透视结合起来才能更好地保证术前计划的实施，而近年来结合医学3D重建的快速成型技术已逐步应用到骨折的术前规划和术中辅助中，有效解决了术中直观参照的问题[11,12,13]。
综上所述，本研究的跟骨骨折数字化Sanders分型模型具有直观、立体和逼真的视觉效果，可提高术者对骨折形态学特点的理解和把握程度，能获得较为准确的术前信息，从某种意义上更好地体现了Sanders分型系统的应用价值。另一方面，本研究基于网络整合运用了虚拟现实技术，初步实现跟骨骨折数字化分型仿真演示的沉浸性、交互性两大特点，同时也为临床外科解剖教学改革和复杂创伤病例远程诊疗的实施提供了新的思路。
