基于CT薄層掃描數據的3D打印技術在跟骨關節內骨折手術治療中的應用

王 蒙,鄭 冬,白克文,周雪峰，彭 軍，鮑 磊，周家寧

基于CT薄層掃描數據的3D打印技術在跟骨關節內骨折手術治療中的應用

王 蒙,鄭 冬,白克文,周雪峰，彭 軍，鮑 磊，周家寧

目的 探討基于CT薄層掃描數據的數字化設計和3D打印技術在跟骨關節內骨折手術治療中的診療價值。方法 選擇2015年1月～2016年3月解放軍306醫院骨科收治的跟骨關節內骨折患者19例，高處墜落傷15例，摔傷3例，道路交通傷1例,均為新鮮單側閉合性骨折。男性17例，女性2例；年齡21～56歲，平均38.8歲。Sander’s分型：Ⅱ型9例，Ⅲ型10例。采用64排螺旋CT行薄層掃描，Mimics軟件處理數據，通過閾值分割、區域增長以及蒙板編輯等完成骨折模型的三維重建，利用3D打印技術制作骨折等比例實體模型；在3D打印實體模型基礎上制定手術方案，模擬內固定植入手術，最終將模擬鋼板位置、鋼板預彎、螺釘方向和長度等參數應用于實際手術。結果 基于CT薄層掃描數據制作的3D打印實體模型可直觀地真實展示跟骨關節內骨折的形態特點，8例患者均在術前模擬操作中明確鋼板植入位置、螺釘方向、螺釘長度并完成鋼板預塑形，手術過程順利，術中采用的固定鋼板位置、螺釘數量與螺釘長度均與術前計劃一致，術后復查X線片顯示跟骨關節內骨折復位固定滿意，鋼板及螺釘在位良好。結論 基于CT薄層掃描數據的3D打印技術可快速制作跟骨關節內骨折實體模型，在此基礎上完成手術模擬及手術方案設計，其應用于跟骨關節內骨折手術治療的臨床可行性良好。

跟骨骨折； 3D打印； 手術模擬； 數字化設計

足踝部骨折臨床常見，其中跟骨骨折是最常見的跗骨骨折，占跗骨骨折的60%，占全身骨折的2%，約75%為關節內骨折[1]。與其他部位相比，跟骨及周圍具有骨骼和韌帶形狀復雜、數量多、局部軟組織覆蓋質量差及關節面曲率復雜獨特等解剖學特點。因此，跟骨骨折的診斷和處理較為困難，而制定合理優化的治療策略是保證跟骨骨折治療成功的關鍵。目前，常根據基于CT冠狀面骨折線分類的Sander’s分型[2-3]對跟骨骨折進行分類、手術設計及預后評估，這種治療設計缺乏三維立體結構顯示及精準的骨折結構數據，無法與手術器械精確擬合。近年來隨著數字仿真建模技術的發展，數字虛擬逐漸應用到臨床診斷、治療及實驗研究中[4-5]。本研究旨在探討基于CT薄層掃描數據的3D打印技術(three-dimensional printing technology)在跟骨關節內骨折術前設計和實施過程中應用的可行性, 為跟骨骨折個性化治療提供依據。

資料與方法

1 一般資料

選擇2015年1月～2016年3月收治的跟骨關節內骨折患者19例，男性17例，女性2例；年齡21～56歲，平均38.8歲。高處墜落傷15例，摔傷3例，道路交通傷1例。 Sander’s分型：Ⅱ型9例，Ⅲ型10例；均為新鮮單側閉合性骨折。排除跟骨開放性骨折、病理性骨折、非手術治療及多發傷患者。傷后72h內入院，入院后完善術前檢查，采用64排螺旋CT行薄層掃描；傷后7～14d進行手術。19例均獲得12個月隨訪。

2 術前準備

2.1 硬件和軟件 雙源64排螺旋CT，CT掃描層厚0.5～1mm(德國SIEMENS公司)，掃描數據以DICOM格式刻錄DVD光盤的形式輸出。Dell T7610圖形工作站(美國Dell公司)，Windows 7 Ultimate 64 bit操作系統；醫學三維重建軟件Mimics 14.0(比利時Materialise公司)，3D打印機MakerBot Replicator 2X(美國MakerBot公司)。

2.2 三維重建和3D打印 采集患者跟骨骨折薄層CT掃描數據，以DICOM格式導入Mimics 14.0軟件中，調整閾值進行三維重建以及簡單光滑處理，選擇修正編輯后可將相鄰骨塊分離為獨立掩碼模塊(Mask)，實施三維重建獲得骨折三維模型，多維度觀察骨折情況。將三維重建數據轉化為STL格式文件，導入3D打印機軟件MakerBot中，調整打印方位并打印出仿真患者1∶1骨折模型(圖1)。

2.3 體外模擬手術 根據骨折三維模型確定需要固定的關鍵骨折塊、復位順序以及固定范圍，基于數字化設計的手術方案，把所有的骨折塊進行復位，形成骨折復位模型，在復位模型上選擇鋼板，確定鋼板植入位置并對植入患者體內的鋼板進行預彎，并根據虛擬手術的最佳螺釘植入方向記錄每顆螺釘的數據(圖2)。

圖1 患者男性，42歲，高處墜落致左跟骨骨折X線片、CT及三維重建。a.術前X線片；b.CT；c.三維重建

圖2 利用3D打印等比例模型體外模擬手術。a.觀察實體模型并模擬復位；b.預彎鋼板并模擬進針

3 手術方法

患者取側臥位，患肢和健肢呈剪刀樣擺放。常規消毒鋪巾并應用充氣止血帶，取擴大外側切口，常規顯露骨折，按照模擬設計的手術方案，遵循骨折AO治療原則復位骨折并臨時固定，將模擬手術中最佳鋼板位置、預塑形鋼板、螺釘方向和長度等參數應用于實際手術完成內植物置入，C型臂X線機透視確認內植物固定滿意后置引流管并關閉切口，術后常規處理并定期隨訪復查。

4 統計學分析

應用SPSS 17.0統計軟件進行分析。螺釘長度比較采用配對樣本t檢驗，把每個病例的實際應用螺釘長度與3D打印模型模擬手術中的相對應的螺釘長度進行一對一配對比較，相關關系采用Pearson相關分析。P<0.05為差異有顯著性意義。

結 果

基于CT薄層掃描數據制作的3D打印1∶1實體模型立體感強，可直觀地真實展示跟骨關節內骨折的形態特點。本組19例患者均利用3D打印技術制定了手術方案，均在術前模擬操作中明確鋼板植入位置、螺釘方向、螺釘長度并完成鋼板預塑形，手術過程順利，術中按術前手術方案進行手術。采用的固定鋼板、螺釘數量與螺釘長度均與術前計劃一致，手術中實際應用螺釘與3D打印模型模擬手術中相對應螺釘的長度比較無明顯差異(P>0.05)，相關系數為r=0.993，P<0.05呈正相關。術后復查X線片顯示跟骨關節內骨折復位固定滿意，鋼板及螺釘在位良好(圖3)。本組患者切口均一期愈合，隨訪12個月骨折全部獲得骨性愈合。

圖3 術后復查X線片示復位固定良好

討 論

1 3D打印技術在骨科個性化治療中的應用

3D打印技術，又稱快速原型制造(rapid prototyping and manufacturing，簡稱RP或RP&M)或增材制造(additive manufacturing)技術，是20世紀80年代后期開始逐漸興起的一種將“去除材料”的傳統加工方法變為“增加材料”加工方法的新型制造技術[6]。它是指在計算機控制下，根據物體的計算機輔助設計模型(CAD)或者計算機斷層掃描數據(CT)等，通過材料的精確3D堆積，快速制造任意復雜形狀3D物體的新型數字化成型技術。3D打印技術的基本制造原理和過程就是“分層制造，逐層疊加”。目前，3D打印技術在生物醫學領域的應用主要有：器官模型的制造與手術術前規劃、個性化組織工程支架和假體植入物制造、細胞或組織打印等方面。隨著3D打印技術逐漸滲透到骨科臨床工作中，這一技術使得骨科患者的診治能夠在共性化的基礎上進行個性化的手術治療，用共性化的知識進行個性化的設計，達到最優化的手術效果[7-9]。首先，在術前方案設計方面，運用3D打印技術術前構建出等比例的3D模型，可以輔助與患者的溝通，可以使術者在術前對疾病有充分的評估和判斷；根據準確的診斷和分型，在模型上模擬手術操作，制定出最適宜的個性化手術方案及風險處置方案，最終完善的手術規劃將使手術操作的安全性大大提高，使手術過程順暢，提供手術效率[10-12]。而且，等比例3D實物模型還可以用于手術操作演練的教學展示，縮短下級醫師的學習曲線，并指導患者術后的康復治療；其次，3D打印植入物的應用具有獨特的優勢，量身定制，完美匹配，充分考慮骨肌系統病患的個體特征，滿足不同性別、人種、宗教、運動習慣和職業等的個體需要，從而實現治療決策與治療技術的優化。根據患者自身病變的數字化模型通過專業軟件進行逆向重建，科學嚴謹，客觀性強。現階段骨科臨床上對金屬3D打印技術的研究主要集中在以下兩個方面：

一方面是臨床上根據復雜病例的解剖結構和植入物的要求進行設計制造，植入后達到重建解剖形態，恢復功能的目的[13]；另一方面則是金屬多孔結構的探究，可使其彈性模量等力學參數更接近骨骼，從而提供更好的匹配。從生物學角度來看，好的微孔結構還能夠促進細胞長入甚至誘導成骨，從而使植入物與骨骼緊密結合[14]。此外，3D打印技術可應用于個體化定制手術導航模板，提高手術的精確性。3D打印產品具有精準、復雜成型及個體化的特點，可以滿足醫師在復雜骨科手術中輔助復位、準確置釘及精確截骨的需求。目前手術置釘導航模板，包括骨盆導航模板、脊柱導航模板、關節導航模板等，已逐漸應用于臨床，大大提高了外科手術的精確性與安全性[15-16]。在3D打印技術出現以前，定制個體化手術導板需要設計導板，安排工期進行切割加工，耗費時間且成本高昂。而3D打印出現以后，在計算機上可以直接設計出導板后進行打印，使該技術可以推廣。

2 足踝外科個性化治療的臨床特點

如何獲得精確復位以及解剖結構的良好恢復，是足踝外科領域的熱點和難點問題。足踝部骨骼多，形態復雜，對該部位進行手術需術者具有扎實的解剖知識，較強的空間想象能力，豐富的臨床經驗和完善的術前設計[17]。傳統的骨科手術術前設計依賴于體檢和影像學檢查，醫師主要根據患者X線片、CT及MRI等二維圖像來獲取骨折部位的信息，與在丟失了很多細節信息的X線二維圖像上進行經驗判斷相比，CT及MRI掃描提供了更多的細節信息，其手術規劃也經歷了從X線上用標尺進行平面的比對測量，到三維重建下進行立體空間中點對點的測量。但即使如此，醫師仍然需要根據二維或三維平面圖像結合解剖學知識，憑借自身的空間立體構象能力在大腦中還原真實骨折情況；而由于骨骼為立體結構，加之一些不規則骨的解剖形態較為復雜，在平面圖像上很難重現骨折原貌，導致醫師對骨折的診斷、分型、空間形態認識不足，即使是有經驗的醫師，患者個體化差異仍可導致手術難度增大和操作時間增加[18]。

3 數字技術為足踝外科個性化治療的實現提供幫助

個體化治療和精準醫療是骨科的一個重要發展方向，隨著數字技術的發展，為足踝部骨折患者實現個性化、精確化手術的目標提供了技術條件。其中基于數字化技術的3D打印技術在虛擬與現實之間架設了一座橋梁，成為公認的符合個性化醫療理念的方法[4，19]。本組病例使用CT薄層掃描數據制作的3D打印等比例實體模型立體感強，可直觀地真實展示跟骨關節內骨折的形態特點，可使用鋼板以及骨折復位的3D打印模型體外模擬鋼板植入手術，在術前模擬操作中明確鋼板植入位置、螺釘方向、螺釘長度并完成鋼板預塑形，手術過程順利，術中按術前設計方案進行手術，優化選擇的鋼板在術中與骨面達到良好匹配，而且鋼板模擬植入的位置與虛擬設計方案一致，采用的螺釘數量與螺釘長度均與術前計劃一致，驗證了虛擬方案的準確性以及可靠性。

4 展望

隨著計算機技術及材料科學的不斷進步， 3D打印技術可以把虛擬的手術設計方案轉化為現實手術的實施過程，提供了一種虛擬向現實轉化的有效途徑，相信隨著3D打印成本的下降，3D打印技術的不斷改進以及個體化生產法律瓶頸的解除，其有潛力成為骨科個體化、精確化治療的有力工具，這對骨科手術的標準化具有積極的推動意義，將使骨科手術進入一個新的時代。

[1] Campbell JT.Foot and ankle fractures in the industrial setting [J].Foot Ankle Clin，2002,7(2):323-350.

[2] Sanders R.Intra-articular fractures of the calcaneus:present state of the art[J].J Orthop Trauma,1992,6(2):252-265.

[3] Sanders R,Fortin P,DiPasquale T,et al.Operative treatment in 120 displaced intraarticular calcaneal fractures.Results using a prognostic computed tomography scan classification[J].Clin Orthop Relat Res,1993,(290):87-95.

[4] Hu Y,Li H,Qiao G,et al.Computer-assisted virtual surgical procedure for acetabular fractures based on real CT data[J].Injury，2011,42(10):1121-1124.

[5] Guarino J,Tennyson S,McCain G,et al.Rapid prototyping technology for surgeries of the pediatric spine and pelvis:benefits analysis[J].J Pediatr Orthop，2007,27(8):955-960.

[6] 姜杰,朱莉婭,楊建飛,等.3D打印技術在醫學領域的應用與展望[J].機械設計與制造工程,2014,11:2.

[7] Giovinco NA,Dunn SP,Dowling L,et al.A novel combination of printed 3-dimensional anatomic templates and computer-assisted surgical simulation for virtual preoperative planning in Charcot foot reconstruction[J].J Foot Ankle Surg，2012,51(3):387-393.

[8] Choi JW,Kim N.Clinical application of three-dimensional printing technology in craniofacial plastic surgery[J].Arch Plast Surg，2015,42(3):267-277.

[9] Sykes JM,Amin SH,Hatcher DC,et al.3D analysis of dentofacial deformities:a new model for clinical application[J].Facial Plast Surg Clin North(Am)，2011,19(4):767-771.

[10] Guitton TG,Brouwer K,Lindenhovius AL,et al. Diagnostic accuracy of two-dimensional and three-dimensional imaging and modeling of radial head fractures[J].J Hand Microsurg，2014,6(1):13-17.

[11] Bagaria V,Deshpande S,Rasalkar DD,et al.Use of rapid prototyping and three-dimensional reconstruction modeling in the management of complex fractures[J].Eur J Radiol，2011,80(3):814-820.

[12] Jeong HS,Park KJ,Kil KM,et al.Minimally invasive plate osteosynthesis using 3D printing for shaft fractures of clavicles:technical note[J].Arch Orthop Trauma Surg，2014,134(11):1551-1555.

[13] Jung HD,Jang TS,Wang L,et al.Novel strategy for mechanically tunable and bioactive metal implants[J].Biomaterials，2015,37:49-61.

[14] Maleksaeedi S,Wang JK,El-Hajje A,et al.Toward 3D printed bioactive titanium scaffolds with bimodal pore size distribution for bone ingrowth[J].Procedia CIRP,2013,5:158-163.

[15] Renkawitz T,Tingart M,Grifka J,et al.Computer-assisted total hip arthroplasty:coding the next generation of navigation systems for orthopedic surgery[J].Expert Rev Med Devices，2009,6(5):507-514.

[16] Cartiaux O,Paul L,Francq BG,et al.Improved accuracy with 3D planning and patient-specific instruments during simulated pelvic bone tumor surgery[J].Ann Biomed Eng，2014,42(1):205-213.

[17] Bono CM,Berberian WS.Orthotic devices.Degenerative disorders of the foot and ankle[J].Foot Ankle Clin，2001,6(2):329-340.

[18] Hurson C,Tansey A,O’Donnchadha B,et al.Rapid prototyping in the assessment,classification and preoperative planning of acetabular fractures[J].Injury，2007，38(10):1158-1162.

[19] Brown GA,Firoozbakhsh K,DeCoster TA,et al.Rapid prototyping:the future of trauma surgery[J].J Bone Joint Surg(Am)，2003，85A(S4):49-55.

(本文編輯： 郭 衛)

The application of digital design and three-dimensional printing technology in the surgical treatment of intra-articular calcaneal fractures

WANGMeng,ZHENGDong，BAIKe-wen,ZHOUXue-feng,PENGJun,BAOLei,ZHOUJia-ning
(Department of Orthopaedics,The 306 Hospital of PLA,Beijing 100101,China)

Objective To investigate the application of 3D printing and digital technology based on CT thin-layer scanning data in preoperative assessment and planning of internal fixation surgery for intra-articular calcaneal fractures. Methods From Jan. 2015 to Mar. 2016,19 cases with intra-articular calcaneal fractures were selected for the surgery. Among the patients, 17 were males and 2 were females with an average age of 38.8(21-56) years. Fifteen cases were injured from high falling,3 from falls and 1 from road traffic accident. All fractures were unilateral and fresh. According to Sander’s classification,there were 9 cases of type Ⅱ,and 10 cases of type Ⅲ. The date of thin-slice CT scan was imported into Mimics software as DICOM format. Three-dimensional reconstruction of the fracture model was performed on the CT image segmentation,regional growth and mask editing by Mimics software. 3D printing technology was used to print the fracture models. 3D printing model was used for the operative planning of digital design and the simulation operation was completed. Then the operation was implemented according to the parameters in virtual preoperative design,such as fixation position of the plates,the pre-bending of the steel plate,the direction and length of the screw and other parameters used in the actual operation. Results Based on thin-slice CT scan data,3D printing solid model intuitively showed real form characteristics of the intra-articular calcaneal fractures. The plate location,direction of screw,screw length and the preliminary shaping of plate were determined in the preoperative simulation operation of all 8 cases. After smooth operation,the parameters of orientation,length,diameter,and angle in the operation were all consistent with the preoperative plan. The postoperative X-ray films showed good reduction,satisfactory fixation，and plate and screw in good position. Conclusion 3D printing technology based on thin-slice CT scan data can be used to quickly create a solid model of intra-articular calcaneal fracture for virtual simulation surgery and protocol design of surgery. This technique can be applied for the treatment of intra-articular calcaneal fractures with good clinical feasibility.

calcaneal fracture; three-dimensional printing； simulation operation； digital design

100101 北京，解放軍306醫院骨科

·論 著·

1009-4237(2017)06-0421-05

R 683

A

10.3969/j.issn.1009-4237.2017.06.005

2016-07-20；

2016-09-16)