3D打印導航模塊及聯合數字化設計在髖臼骨折中的應用研究

申智敏,段宜強,葉 川,汪 健,陳世平

(貴州醫科大學附屬醫院骨科，貴陽 550004)

從人體解剖學角度來說，髖臼解剖結構復雜，術中容易損傷周圍神經及血管組織，增加患者手術風險[1]。通過數字化技術為患者制訂精確化、最優化的手術方案，將手術進行虛擬設計能明顯降低手術風險，具有通用性強、手術精度高、可視化等優點，成為髖臼骨折手術的重要方法[2]。有研究表明，利用3D打印技術對CT圖像進行三維建模，并打印、制作出3D實物模型，讓醫生對手術進行有效的模擬，具有仿真性強、匹配性高等特點，成為提高臨床手術的重要方法和橋梁[3]。然而，臨床上對于髖臼骨折的應用相對較少[4]。本研究以本院收治髖臼骨折患者20例作為研究對象，探討3D打印導航模塊設計及聯合數字化設計在髖臼骨折中的應用效果，現報道如下。

1 資料與方法

1.1一般資料 選取2015年1月至2017年6月本院收治髖臼骨折患者20例作為研究對象。納入標準：(1)不穩定型髖臼骨折，均需要行手術治療，且符合手術適應證；(2)頭臼不匹配患者,伴有不同程度的骨折移位；(3)骨折復位后伴有坐骨神經、股神經麻痹。排除標準：(1)受傷時間超過3周者；(2)合并嚴重內科基礎疾病者；(3)合并老年患者伴骨質疏松癥及內固定難以牢固者。20例患者中男11例，女9例，年齡24～73歲，平均(45.42±4.56)歲。AO分型：A型9例，B型7例，C型4例。術前患者均行下肢多普勒血管超聲檢查排除血管損傷者，患者性別、年齡及AO分型比較，差異無統計學意義(P>0.05)，具有可比性。

1.2方法

1.2.1主要儀器 Mimics14.0(Belgium，Materialise公司)，3D打印機(Creator pro，閃鑄科技有限公司)，64排128層容積CT(VCT)，MakerBot Replicator2、醫用骨科內固定置入器械(山東威高集團有限公司)。

1.2.2數據處理 (1)數據采集。入組20例患者，采用VCT進行掃描，獲得薄層CT數據，根據每位患者實際情況設置相關參數：電流A 200～≤250 mAs，掃描電壓V 80～≤130 KV，掃描數據矩陣512×512，獲得的數據采用DICOM格式進行保存，備用[5]。(2)數據的傳輸。選擇手術傳輸方式將獲得的數據傳入到Mimics14.0軟件中，選擇“Import Image”命令，選擇導入圖像、數據，并且選擇無損壓縮模式，根據圖像的左右方位、矢狀圖等確定前后方位后完成數據的導入[6-7]。(3)二維圖像的制作。本研究CT數據采用骨窗與軟組織窗掃描，并進行三維重建，結合橫斷面、矢狀面、冠狀面二維圖像，選擇合適的閾值范圍，將獲得圖像的相關組織進行分離，生成二維骨組織輪廓，即原始蒙版。(4)蒙版的分割與編輯。在原始蒙版基礎上運用“二維區域增長”功能選擇與骨盆主體相互連接的骨質，結合橫斷面、矢狀面及冠狀面等選擇對相應的骨折塊，計算出骨盆蒙版的三維模型，檢查確定所有的骨盆想過的關聯骨折塊是否具有相應的蒙版，然后進行三維重建[8-9]。(5)重建高仿真三維模型。根據模型的重建要求設置相關參數，選擇“High”提高模型的質量，其余參數均為默認值，使得模型更加直觀、逼真，具有更高的仿真度及可視化。在界面內對模型進行旋轉、平移、放大及縮小，了解骨折線情況。(6)骨折塊的分離。采用三維編輯方式完成圖像的分割，利用“三維編輯”功能等對不同的骨折塊進行分割(分割時根據從簡到繁、先外后內的順序)，并且對不同的骨折塊進行命名，并采用不同的顏色進行區分。分割完畢后對蒙版進行三維重建[10-11]。(7)虛擬骨折復位。利用Edit mask in 3D將股骨頭去除，利用平移、旋轉等多角度進行觀察，并且利用Reposition對骨折塊進行平移、旋轉等幫助其恢復正常的解剖結構[12]。(8)虛擬導航的設計。根據骨折分型結合臨床選擇合適的手術入路，并且利用Create Spline在復位模型上確定最佳的鋼板置入位置，結合Spline中Measurements功能根據與鋼板大小1∶1精確地確定鋼板的置入位置、釘孔的位置，然后利用Creat Cylinder創建和臨床開槽置入克氏針相同設定模擬釘道，根據每位患者實際情況選擇合適的螺釘的位置、長度，完成螺釘長度的測量。利用MedCAD選擇合適的直徑圓柱體作為模擬粗坯覆蓋需要的導航螺釘與骨面，根據骨折的位置、大小等調整其位置，導航方向及位置確定時必須避免重要的血管、神經，采用Boolean Oreration獲得虛擬的導航軌道，見圖1。(9)3D手術模擬。導航軌道確定后，對局部骨折復位模型進行打印，結合數字化方案完成鋼板的預彎。預彎時首先確定鋼板起始點后從鋼板的一端貼合骨面然后進行緩慢的折彎，初次折彎后進行輕微調整，保證鋼板與骨面完全貼合，借助3D打印導航模塊復位骨折模型并采用克氏針置入模擬螺釘釘道，采用X射線進行掃描，導航釘道確定后將預彎鋼板進行固定，采用CT進行掃描，比較3D模型現實模擬與虛擬涉及的鋼板的位置、螺釘方向及螺釘長度情況，見圖2[13]。

2 結 果

2.1臨床數據分析 本課題中納入髖臼骨折患者20例，全部進行結果分析數量，中途無脫落。

A、B：3D建模；C：虛擬釘道模擬圖

圖1 3D打印模板建立與導航模塊設計

A：3D打印單一骨折塊模型；B、C：利用3D打印模型模擬手術

圖2 3D手術模擬情況

A、B：髖臼骨折三維重建圖像；C：髖臼復位效果圖

圖3 3D打印導航模擬設計及聯合數字化設計治療髖臼骨折效果

2.23D打印導航模擬設計及聯合數字化設計治療髖臼骨折效果 通過3D打印導航模擬設計聯合數字化設計模擬現實手術，共置入28根鋼板，螺釘149枚，設計導航模塊導航螺釘54枚。3D打印導航模擬設計聯合數字化設計能為髖臼骨折制訂最優化手術方案與個性化導航模塊，通過術前虛擬與現實手術模擬，手術精度比較差異無統計學意義(P>0.05)。

2.3臨床治療效果 20例患者3D打印導航模塊聯合數字化設計手術下術前患者JOA評分為(9.60±2.21)分，術后為(25.41±3.41)分，治療前、后JOA評分比較差異有統計學意義(P<0.05)。

2.4不良反應發生率比較 20例患者治療后均無斷釘、螺釘松動、感染等并發癥發生。

3 討 論

髖關節是人體最為重要的負重關節及活動關節，如果髖臼骨折后得不到及時有效的治療，將會累及負重區關節面，影響髖臼力學的穩定性，而對于不穩定型髖臼骨折患者則需要手術治療[14]。傳統方法以開放性手術為主，手術過程中醫生依靠X射線、CT掃描對骨折部位進行判斷，根據術中探查結果確定重建鋼板置入的位置，雖然能保證患者手術的順利完成，但是手術精度相對較低，對于醫生的專業技能要求較高，且患者術中耗時較長，出血量較多，術后并發癥發生率較高，難以達到預期治療效果[15]。

近年來，3D打印導航模塊聯合數字化設計在髖臼骨折中得到應用，且效果理想。3D打印導航模擬聯合數字化設計能為髖臼骨折制訂最優化手術方案與個性化導航模塊，提高手術成功率，促進患者早期恢復[16]。近年來，隨著醫療技術的不斷發展，數字化技術得到進一步提高，計算機導航技術、機械人手術技術、虛擬手術模擬等高精技術在臨床上得到廣泛的應用[5]。本研究將數字化技術用于髖臼骨折中，通過對髖臼骨折患者CT數據和圖像進行三維重建、虛擬守護模擬，能提高患者手術安全性及手術精度。虛擬手術又稱為虛擬手術仿真系統，該方法基于醫學圖像數據，采用計算機圖形學進行三維重建，構建出虛擬的人體組織模型，利用交互設備進行交互[17]。同時，利用虛擬手術系統為醫生提供虛擬的3D環境，實現人機交互，使得醫生對患者的手術能在術前進行模擬，發現手術過程中的注意點，有助于手術精度的提高。此外，3D打印導航模塊聯合數字化設計的使用具有直觀性、零損傷及可視化等優點[18]。

首先，3D打印導航模塊聯合數字化設計通過患者的影像學數據圖像能幫助醫生制訂合理、有效的手術方案，選擇最佳的手術入路，減少手術創傷，有助于手術定位精度的提高，對于完成復雜的髖臼骨折，提高手術安全性具有重要的意義[19]。此外，利用3D打印導航模塊聯合數字化設計能對低年資醫師進行培訓，達到縮短手術培訓學習曲線，虛擬數字化模型，減少了昂貴的實驗模型需求，有助于降低培訓成本。最后，3D打印導航模塊聯合數字化設計的使用還能對術中導航、監護等發揮作用，有助于患者手術成功率的提高[20]。通過數字化虛擬手術設計能為患者制訂個性化的手術治療方案，但如何將最佳的手術方案用于手術中一直沒有相對有效的方法。本研究中，將3D打印技術用于髖臼骨折中最大的優勢在于個性化置釘，通過數字化設計，能將患者的虛擬模型轉換為3D實體模型，使得虛擬模型更加真實，主觀感受更加深刻[21]。通過3D打印技術能在患者手術前打印出個性化的骨質模型，并且在患者術前進行模擬手術，能有效驗證虛擬手術的可行性，發現虛擬手術存在的不足并及時進行修正，最終確定最佳的手術方案。同時，3D打印技術的使用能在術前輔助下選擇合適的內固定物，有助于縮短手術時間，降低手術風險，大大提高了手術方案的可行性和有效性[22]。臨床上，將3D打印導航模塊聯合數字化設計用于髖臼骨折中效果理想，能發揮不同技術的優勢，能為髖臼骨折患者制訂針對性的手術方案，且兩者可以相互彌補，為髖臼骨折患者治療提供依據和參考[23]。

雖然3D打印技術在髖臼骨折的應用具備巨大的潛力,但臨床應用中仍存在一些問題：(1)3D打印材料比較昂貴和稀缺，限制其廣泛應用。(2)3D建模目前僅對骨骼系統有較高的清晰度,而軟組織數據比較缺乏,對血管及神經的走行考慮有所欠缺。(3)組織與生物力學性能之間相容性較差。(4)內置物導板的設計需同時具備一定的臨床專業知識、計算機技術及Mimics軟件的應用等知識,這對大部分臨床骨科醫師是嚴峻的挑戰,需要多學科專業人才合作。但筆者相信隨著影像技術精度的提高、新型材料的研發及多學科配合的增強，3D打印技術能做到高精度、高效率及低成本,能更好地指導手術和服務于醫務工作者。

綜上所述，3D打印導航模塊聯合數字化設計用于髖臼骨折中能制訂最優的手術方案，提高手術治療精度、安全性，提高手術成功率，具有廣泛的運用前景。