打印與虛擬手術設計在髖臼骨折手術治療中的應用

楊 勇，邱志杰，徐紅革，孫 博，王良恩，曾衛平，楊 斌

髖臼骨折手術多由高能量損傷所致，是創傷骨科里難度最大的[1]。傳統手術方法為經髂腹股溝入路結合后外側入路切開復位鋼板內固定，前后手術切口長達20 cm，創傷大，手術風險高[2]。隨著數字醫學技術的發展與推廣，術前通過三維重建模型進行骨折復位、內固定模擬操作可提高手術成功率[3]。但三維圖像并不能完全給人直觀、立體感覺，影響手術方案的制定及醫患雙方溝通。3D打印技術是以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，通過逐層打印方式來構造物體的快速成型技術，可大大節省傳統模具加工的繁瑣步驟。其在骨科臨床上的應用可快速為病人定制個性化不規則骨折模型，幫助臨床醫師準確直觀判斷骨折移位方向及程度，合理規劃手術方案，使手術更精準、安全[4-5]。本研究應用3D打印技術結合術前虛擬手術設計，進行真實、準確的術前手術模擬以及術中規范、有效地執行手術方案，從基礎與臨床兩方面探討髖臼骨折微創化、精確化、個性化治療的可行性。

1 資料與方法

1.1 一般資料 基礎部分研究病例選擇2017年3月至2018年2月我院收治的髖臼骨折病人36例，排除陳舊性髖臼骨折及合并神經、血管損傷者。其中男25例，女11例，年齡(38.29±8.21)歲；車禍傷12例，打擊傷18例，高處墜落傷6例。臨床部分研究病例選擇2018年3月至2018年8月收治的髖臼骨折病人13例，男11例，女2例，年齡(38.78±7.95)歲；車禍傷4例，打擊傷6例，高處墜落傷3例。入院后完善術前檢查，給予骨盆及股骨上端薄層CT掃描，掃描部位選擇骨盆及股骨上段，螺距≤1.0 mm，管電流200～250 mAs，管電壓80～130 kV，矩陣：512×512，掃描數據以DICOM格式輸出保存。于傷后7～14 d進行手術。

1.2 高精度虛擬復位模型建立

1.2.1 影像數據導入與去股骨頭骨盆模型建立 將CT掃描數據導入三維重建軟件Mimics 14.11(Materialise公司，比利時)，利用“選定閾值” “區域增長”功能建立骨盆三維模型(包括第五腰椎和股骨頭)，利用“三維編輯”功能進行圖像分割去除股骨頭、第五腰椎輪廓信息，生成各自對應“蒙板”，計算“蒙板”信息，生成對應三維模型，用不同顏色顯示不同結構三維模型，根據病人實際需求選擇任意角度觀察骨折情況及髖臼關節面和股骨頭骨折累及情況，以Mimics Document(.mcs)格式保存重建三維模型。

1.2.2 骨折塊分離模型建立 利用股骨頭三維模型，運用Mimics軟件“三維編輯”模塊中“三維區域增長” “顯示” “隱藏” “反選” “分離”等功能以骨折線為參考，將骨折塊分離為單個“蒙板”，當骨折線不明顯或者未完全分離時，以骨折線延伸方向為參考分離骨折塊，通過計算“蒙板”3D信息，生成對應骨折塊單一模型，每個骨折塊模型具備單一顏色顯示。通過旋轉、平移等方式全方位觀察骨折情況，確定骨折類型，以Mimics Document(.mcs)格式保存骨折塊分離模型。

1.2.3 虛擬復位骨盆模型建立 利用骨折塊分離模型通過Mimics軟件“simulation”模塊“復位”功能將各個單一骨折塊通過“旋轉” “平移”等方式以位置相對恒定骨折塊或對側骨盆為參考調節各骨折塊之間相對位置，恢復骨折塊及髖臼關節面的正常解剖關系，將各個復位骨折塊應用“合并”功能生成單一復位模型應用于手術方案設計。以“STL”格式導出單個骨折塊模型與復位骨折模型，并應用于3D打印。

1.3 最優化虛擬手術方案制定

1.3.1 最佳手術入路選擇 根據最小創傷，最精確、有效內固定原則選擇手術入路，髖臼前柱、四方體部分骨折選擇腹直肌旁入路，髖臼后柱及后壁骨折選擇K-L入路，同時合并髖臼前后部分骨折選擇腹直肌旁入路結合K-L入路。

1.3.2 虛擬內固定植入 利用Mimics軟件“MedCAD”模塊“創建曲線”功能在復位模型上初步確定鋼板植入位置，結合虛擬曲線利用“測量”功能按和鋼板1∶1比例測量并確定鋼板植入位置和螺釘位置。利用“創建圓柱體”功能創建和臨床手術螺釘直徑一致圓柱體模擬螺釘，按手術需要調整螺釘位置和長度。基礎實驗部分研究需三維切割預設鋼板位置骨折模型，切割骨塊大小以預設鋼板位置長度增加1～2 mm、寬度增加1 mm，獲得局部復位模型，并以STL格式導出。

1.4 運用3D模型模擬手術

1.4.1 同比例鋼板模型制作 運用游標卡尺測量骨盆解剖直行鋼板寬度、厚度、孔橫徑、孔直徑、孔間距等解剖參數，以“mm”為單位(數據精確至小數點后兩位)，骨盆解剖鋼板由蘇州欣榮博爾特醫科器城有限公司提供。然后在Solid Works 2012中建立鋼板平面模型，利用拉伸、切割、曲線折彎等功能建立和骨盆解剖鋼板同比例三維模型，以“STL”格式導出。以鋁板為材料，交予模具加工公司進行加工，并進行表面氧化增加鋼板表面光滑度。高仿真鋁制鋼板用于基礎性實驗研究，臨床試驗骨盆解剖鋼板由欣榮博爾特醫科器械有限公司提供。

1.4.2 高仿真3D模型制作 利用“STL”格式骨折塊與局部復位模型，導入3D打印機MakerBot Replicator2(Makerbot公司，美國)，使用自帶軟件調整模型位置至最佳后，選擇打印材料“PLA”，打印精度為標準(0.2 mm)后確定打印。基礎實驗部分需打印單一骨折塊與局部復位模型，臨床試驗部分打印復位骨折模型。

1.4.3 3D模型模擬手術 (1)基礎實驗：利用局部骨折模型結合數字化設計進行鋼板預彎，將單一骨折塊3D模型按術中復位步驟用強力膠水逐一粘合模擬術中復位，利用折彎鋼板指導復雜骨折手動復位困難的骨折塊。將預彎鋼板貼合到復位骨位模型上，稍作移動當鋼板確定唯一位置后比較鋼板位置和術前設計位置。利用直徑4.0 mm克氏針參考虛擬設計螺釘方向植入螺釘，克氏針均穿透雙側皮質，并記錄方向偏移情況和植入長度。(2)臨床實驗：利用復位模型依照虛擬手術方案選擇相同長度鋼板，以手術方案設定位置局部解剖結構為參考進行鋼板預彎，利用3D復位骨折模型按虛擬手術設計螺釘長度、方向植入螺釘，觀察螺釘位置及骨折塊固定情況。

1.5 對比數字化設計和模擬手術情況 基礎實驗部分比較虛擬手術方案與3D模擬手術中鋼板位置、螺釘植入方向、螺釘植入長度是否匹配；臨床實驗部分比較虛擬手術方案與臨床手術鋼板位置、螺釘植入方向、螺釘植入長度是否匹配。

1.6 統計學方法 采用t檢驗。

2 結果

根據病人骨盆薄層CT掃描數據導入Mimics軟件成功獲得高仿真三維重建模型，明確診斷、了解骨折情況。通過三維重建、虛擬模擬骨折塊分離、復位、內固定置入等步驟確定鋼板植入位置、螺釘植入方向、螺釘植入長度，為個性化、最優化手術方案設計提供了重要依據和幫助。3D打印技術可成功制作高精度、個性化3D骨折模型，并結合虛擬手術設計進行3D模擬手術，以指導臨床手術。

2.1 基礎實驗部分 對36例髖臼骨折病人進行虛擬手術設計并3D模擬手術，共植入38塊鋼板，鋼板位置均與數字化設計高度一致；共植入282枚螺釘，278枚方向與數字化設計高度吻合，無螺釘進入關節腔；虛擬手術設計螺釘長度(4.50±0.30)cm與3D模擬手術螺釘長度(4.54±0.33)cm，差異無統計學意義(t=1.51，P>0.05)。

2.2 臨床試驗部分 對13例髖臼骨折病人進行虛擬手術設計、3D模擬手術及臨床手術，13例病人均按照虛擬手術設計成功完成手術，共植入18塊鋼板，115枚螺釘，術后與虛擬手術設計鋼板、螺釘位置及數量高度一致，虛擬手術設計螺釘長度(4.48±0.35)cm與臨床手術螺釘長度(4.52±0.38)cm，差異無統計學意義(t=0.83，P>0.05)。

2.3 典型病例 病人男性，47歲，因高處墜落導致多發性脊柱骨折，左側股骨轉子間和股骨頸骨折，左側骨盆髖臼骨折伴中心性脫位，左側肱骨干骨折入院。為了恢復病人完整髖臼，應用數字骨科技術對其骨盆CT數據進行三維重建，利用3D打印技術按照1∶1比例打印同等大小骨折模型，先在體外進行模擬手術，確定術中將使用鋼板位置、長度、形狀和螺釘位置。在傷后18 d行髖臼手術，手術成功，與術前設計高度一致，采用微創腹直肌外側入路切口僅10 cm，手術時間縮短至2.5 h，手術出血量約500 mL，術后復查X線及CT檢查顯示骨折復位良好(見圖1)。病人術后恢復理想，術后2 d可在病床上做簡單功能性鍛煉。

3 討論

隨著臨床對骨科疾病認知的逐漸加深，對影像學的要求也越來越高，常規二維X片及普通CT檢查已無法滿足骨科臨床需求，尤其是對于髖臼骨折等復雜骨科疾病。隨著計算機技術逐漸融入醫學的發展，三維重建技術克服了傳統二維圖像立體感缺乏、組織間遮擋等缺陷，以直觀、立體的三維圖像顯示病人骨質結構，對骨科領域疾病的診斷及深入認識具深刻意義[6-7]。本研究利用Mimics 14.11軟件導入骨盆薄層CT掃描數據進行三維重建，得到骨盆三維模型。Mimics軟件可提供橫斷面、矢狀面、冠狀面、三維重建4個界面圖像，同時實現多平面定位、相互參考；通過平移、旋轉等功能對三維重建模型進行任意角度觀察，放大、縮小細致觀察骨折部位及隱藏股骨頭，詳細了解骨折累及情況，有助于臨床醫師明確診斷，詳細了解骨折類型，指導治療方案的制定。另外，更加直觀立體的三維重建模型有利于醫生與病人進行病情介紹，使病人直觀了解自身病情及治療方案，在一定程度上可降低醫療護理風險。

在計算機技術迅速發展的大背景下，數字化技術亦被廣泛用于醫學領域。在此基礎上誕生的虛擬手術設計等高精尖醫療技術正慢慢改善傳統醫學模式，成為未來醫學發展研究的熱點。虛擬手術設計是基于醫學圖像數據，根據計算機圖形學三維重建構建出虛擬的人體組織模型，模擬虛擬的醫療環境，并利用交互設備進行手術模擬，為手術醫生創造一個虛擬的3D環境及人機交互操作平臺，虛擬模擬臨床手術的操作過程，與傳統手術教學模擬比較，具直觀、無損傷、可視化、可重復等方面優勢[8-9]。通過虛擬手術設計，可幫助醫生選擇最佳手術入路，提前模擬手術整個過程以發現手術方案中存在的問題，及時修改以起到預防風險，減小手術創傷及臨近組織損傷的目的，合理、有效地制定個性化手術方案，提高手術精準度及安全性。另外，虛擬手術設計還可以減少對昂貴實驗模型的需求，降低培訓成本。對于髖臼骨折等復雜骨科手術，術前手術方案的設計是手術的重要組成部分，直接關系手術成功率[10]。本研究利用髖臼骨折病人骨盆薄層CT掃描數據進行三維重建、虛擬骨折塊分離、虛擬手術復位、虛擬內固定植入模擬髖臼骨折臨床手術操作，從而制定最優化、個性化的手術方案，指導3D模擬手術及臨床手術治療，提高病人臨床療效及預后。

3D打印是利用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，采用分層加工、疊加成形等方式逐層增加材料生成3D實體的快速成型技術，已被廣泛用于頜面整形外科及口腔科，并逐步應用于骨科領域，具有廣闊的發展前景[11-12]。王志標等[13]利用3D打印技術用于骶骨骨折手術，可更好地了解骶骨骨折特點，有助于手術醫生術前模擬及手術方案的設計，縮短臨床手術時間，降低手術操作難度，通過設計的預彎鋼板精準復位骨折，提高手術療效。李新春等[14]將3D打印技術用于治療Pilon骨折，根據CT三維重建結果制作的骨折模型有助于最佳手術入路的快速、準確判斷，術中直接準確植入合適內固定物，縮短手術時間，減少C臂透視次數，提高手術效率及安全性。黃華軍等[15]基于3D打印技術模擬復雜脛骨平臺骨折病人的內固定手術數字化設計，優化選擇的鋼板與骨面匹配良好，鋼板模擬植入位置與虛擬手術設計方案高度一致，證實了虛擬手術設計方案的準確性及可靠性。本研究通過數字化設計可獲得高仿真骨盆三維模型并進行虛擬骨折塊分離、虛擬手術復位、虛擬內固定植入等手術操作，為醫生提供一個虛擬的3D環境以及可交互操作平臺，逼真的模擬臨床手術的全過程，可準確確定手術鋼板長度、位置及螺釘長度、方向，通過3D打印技術獲得高精度三維模型指導顯示手術模擬，可準確進行鋼板預彎，提高醫生手術操作能力，在行復雜髖臼骨折手術之前進行練習，把通過成像設備獲取的病人圖像導入仿真系統，對實際手術作出相應的規劃，或者對病變缺損部位進行較精確的前期測量和估算，從而預見手術的復雜性，為病人制定個性化的手術方案，可大大降低手術的風險性，對改善病人預后具重要指導作用。本研究采用數字化設計與3D打印技術相結合，根據3D打印骨折模型進行手術模擬，最后采用微創化腹直肌旁入路對髖臼骨折病人進行臨床手術治療，符合外科學微創化、個性化發展趨勢，可有效提高髖臼骨折手術治療安全性及準確性。

綜上所述，通過基礎與臨床兩層面研究，初步證實了3D打印技術結合術前虛擬手術設計對髖臼骨折病人微創化、精確化、個性化治療的可行性與準確性，具有重要的臨床意義及社會價值。