三維重建技術塑形髖臼后柱鋼板的效果觀察

周堅鋒，蘇秀云，李建濤，李志銳，李辰，張浩，尹鵬，5，陳宇翔，唐佩福，張立海

(1中國人民解放軍總醫院，北京100853；2中國人民解放軍第三○七醫院；3天津醫院；4中國人民解放軍第二六四醫院；5南開大學醫學院)

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三維重建技術塑形髖臼后柱鋼板的效果觀察

周堅鋒1，蘇秀云2，李建濤1，李志銳1，李辰3，張浩4，尹鵬1，5，陳宇翔1，唐佩福1，張立海1

(1中國人民解放軍總醫院，北京100853；2中國人民解放軍第三○七醫院；3天津醫院；4中國人民解放軍第二六四醫院；5南開大學醫學院)

摘要：目的觀察髖臼后柱鋼板的三維重建技術的效果，為術前規劃以及有限元模擬生物力學分析奠定基礎。方法 用計算機在Mimics軟件中重建骨盆三維模型，導出STL格式后選取髖臼后柱置放鋼板部位的不規則曲面，將不規則曲面的三角面片格式轉換為NURBS曲面，在UG軟件中求出不規則曲面縱軸線，建立重建鋼板的草圖截面，沿軸線掃掠出鋼板形狀，進行細節修飾及螺釘裝配。結果重建的髖臼后柱鋼板形態基本與骨表面貼附，鋼板位置以及螺釘位置符合手術置入的標準，3D打印出的重建鋼板模型與髖臼匹配程度良好。結論 三維建模方式可根據骨折內固定要求術前對后柱鋼板預彎塑形，重建的髖臼后柱鋼板模型解剖形態良好。

關鍵詞：髖臼后柱鋼板；三維重建；3D打印技術

臨床上對于解剖形態復雜的骨折，如髖臼前后柱的骨折、鎖骨骨折，往往因其表面不規則而難以在術中充分預彎鋼板。如果醫生能夠掌握內固定的三維建模技術，以實現鋼板的術前塑形設計，將有利于精準醫療的實現并降低手術難度，提高骨折固定強度[1~5]，對后期進行內固定有限元模擬生物力學分析也起至關重要的作用。2014年6月~2015年6月，我們結合逆向工程和正向工程的方法采用精確且易于掌握的內固定三維建模方案重建髖臼后柱鋼板，效果良好。現報告如下。

1材料與方法

1.1材料與儀器模型骨為美國Pacific Research Laboratories生產的第四代人工合成Sawbones半骨盆骨模型(#3405-Hemi-Pelvis-Large-left)；64排多層螺旋CT(SOMATOM Sensation Open, Siemens AG, Erlangen, Germany),掃描條件：電壓120 kV，電流300 mA，層厚1 mm；Mimics15.0軟件 (Materialise,Leuven, Belgium), 3-matic7.0 (Materialise， Leuven, Belgium), Geomagic Studio2012, UG8.5。

1.2鋼板重建將CT掃描的Sawbone半骨盆模型連續斷層DICOM數據文件(共254層)導入計算機Mimics 15.0軟件，經過閾值分割、區域增長、編輯蒙版等操作，重建出半骨盆三維模型。將重建出的3D模型導入3-matic7.0軟件，選用Mark模塊的Rectangular Mark功能選擇髖臼后柱需要放置鋼板區域的不規則曲面，選擇后光滑邊界，并提取出不規則曲面，導出其STL格式文件。將提取出的髖臼后柱不規則曲面的STL文件導入Geomagic Studio2012軟件中，使用“多邊形”模塊的網格醫生、刪除釘狀物、極度光順和砂紙等功能進行三角網格修飾。之后選擇“精確曲面”模塊，點擊“自動曲面化”功能，將編輯好的三角面轉換為NURBS曲面，導出IGES格式文件。將轉換為NURBS曲面的IGES格式文件導入UG軟件，建立與其縱向相交的平面，求出相交曲線。在相交曲線頂點處，繪制重建鋼板橫截面草圖。后沿相交曲線進行掃掠，得到重建鋼板雛形。對鋼板模型進行打孔和細節修飾，并適當調整位置，即可得到髖臼后柱重建鋼板模型。后期可進行螺釘的裝配置入。采用3D打印機(華森SRT400)打印重建鋼板模型。見圖1。

圖1　髖臼后柱重建鋼板模型

2結果

重建出的髖臼后柱鋼板，鋼板形態基本與骨表面貼附，鋼板位置以及螺釘位置符合手術置入的標準。3D打印出的重建鋼板模型與髖臼匹配程度良好。見圖2。

注：a、b：髖臼后柱鋼板的3D打印模型；c：髖臼后柱鋼板與髖臼匹配良好。

圖23D打印出的重建鋼板模型與髖臼匹配程度

3討論

目前國內針對具體的內固定建模方法的報道相對較少，且有關數字醫學類文獻針對內固定三維模型的重建多是通過CT掃描內固定器械，通過將DICOM數據導入Mimics軟件進行三維重建[6~8]。Mimics的三維重建是基于體素級的三維重建，重建的精確性依賴于CT掃描數據原始圖像的分辨率。但分割蒙版時個人習慣差異較大，往往造成重建的模型精度低、失真度較高，且CT掃描內固定器材成本高。國外也有結合三維重建軟件[9]、3D打印[10~12]或者運用增強現實技術[13~15]實現術前規劃或者鋼板預彎處理的報道，但均沒有涉及內固定模型重建的方法學描述。

本文所描述的建模方案，首先通過逆向工程技術提取髖臼后柱的不規則曲面，后轉換成NURBS曲面。轉換成的NURBS曲面無需進行太多的修飾和曲面片調整，只提供一個鋼板的軸線。在UG工作環境下，建立和不規則曲面縱軸相交的平面。此時求出交線即為所建解剖鋼板的掃掠引導線。如存在交線不平滑的情況，可選擇“圓形圓角曲線”命令，進行曲線段平滑處理。后期細節的修飾可根據實際鋼板的形態特征進行補充。此方法簡單易行，并不需要專業的工科背景知識，且又能實現髖臼骨折手術中后柱鋼板精確建模。方案中正向和逆向工程技術的聯合應用為我們研究提供了便利。建立的內固定鋼板模型可應用于臨床和計算機輔助外科的各個方面：①通過UG的工程圖板塊導出二維工程圖，參與工業設計。②導出的STL格式文件作為應用最為廣泛的三角面片描述語言，可以起到3D打印橋梁的作用;打印出的內固定模型可作為骨科手術計劃系統的一部分，指導臨床醫生術前規劃，也可為術中的鋼板預彎提供參考，促進精準醫療的實現。③可導出內固定的有限元前處理模型，進行后期有限元生物力學分析。在建模過程中，有以下幾點值得注意：①建模過程中工作坐標系盡量不要更改，否則內固定和骨盆相對位置將發生改變。②在Geomagic Studio工作環境中，在使用“自動曲面化”命令前盡量調整三角面片的光順程度。③使用“圓形圓角曲線”命令時，先對需要光順的線段進行切割，之后使用該命令效果更好。④UG中“實例幾何體”命令可實現線段和實體位置調整，合理使用可以準確置放鋼板。⑤UG中“點集”命令可以使鋼板表面均勻附著點集，配合“擬合曲線”命令做到模型孔的建立。

綜上所述，此建模方式簡單，容易掌握，重建的模型解剖形態良好，可滿足術中鋼板預彎的要求，為后期生物力學研究和模型制作奠定基礎。

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(收稿日期：2015-10-24)

中圖分類號：R683

文獻標志碼：B

文章編號：1002-266X(2016)09-0053-02

doi：10.3969/j.issn.1002-266X.2016.09.020

通信作者：張立海(E-mail:zhanglihai301@gmail.com)