三維重建技術(shù)塑形髖臼后柱鋼板的效果觀察

周堅(jiān)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(yī)院，北京100853；2中國人民解放軍第三○七醫(yī)院；3天津醫(yī)院；4中國人民解放軍第二六四醫(yī)院；5南開大學(xué)醫(yī)學(xué)院)

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三維重建技術(shù)塑形髖臼后柱鋼板的效果觀察

周堅(jiān)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(yī)院，北京100853；2中國人民解放軍第三○七醫(yī)院；3天津醫(yī)院；4中國人民解放軍第二六四醫(yī)院；5南開大學(xué)醫(yī)學(xué)院)

摘要：目的觀察髖臼后柱鋼板的三維重建技術(shù)的效果，為術(shù)前規(guī)劃以及有限元模擬生物力學(xué)分析奠定基礎(chǔ)。方法 用計(jì)算機(jī)在Mimics軟件中重建骨盆三維模型，導(dǎo)出STL格式后選取髖臼后柱置放鋼板部位的不規(guī)則曲面，將不規(guī)則曲面的三角面片格式轉(zhuǎn)換為NURBS曲面，在UG軟件中求出不規(guī)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(jìn)行細(xì)節(jié)修飾及螺釘裝配。結(jié)果重建的髖臼后柱鋼板形態(tài)基本與骨表面貼附，鋼板位置以及螺釘位置符合手術(shù)置入的標(biāo)準(zhǔn)，3D打印出的重建鋼板模型與髖臼匹配程度良好。結(jié)論 三維建模方式可根據(jù)骨折內(nèi)固定要求術(shù)前對后柱鋼板預(yù)彎塑形，重建的髖臼后柱鋼板模型解剖形態(tài)良好。

關(guān)鍵詞：髖臼后柱鋼板；三維重建；3D打印技術(shù)

臨床上對于解剖形態(tài)復(fù)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(guī)則而難以在術(shù)中充分預(yù)彎鋼板。如果醫(yī)生能夠掌握內(nèi)固定的三維建模技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)鋼板的術(shù)前塑形設(shè)計(jì)，將有利于精準(zhǔn)醫(yī)療的實(shí)現(xiàn)并降低手術(shù)難度，提高骨折固定強(qiáng)度[1~5]，對后期進(jìn)行內(nèi)固定有限元模擬生物力學(xué)分析也起至關(guān)重要的作用。2014年6月~2015年6月，我們結(jié)合逆向工程和正向工程的方法采用精確且易于掌握的內(nèi)固定三維建模方案重建髖臼后柱鋼板，效果良好?，F(xiàn)報(bào)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(chǎn)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(xù)斷層DICOM數(shù)據(jù)文件(共254層)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)Mimics 15.0軟件，經(jīng)過閾值分割、區(qū)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(dǎo)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(qū)域的不規(guī)則曲面，選擇后光滑邊界，并提取出不規(guī)則曲面，導(dǎo)出其STL格式文件。將提取出的髖臼后柱不規(guī)則曲面的STL文件導(dǎo)入Geomagic Studio2012軟件中，使用“多邊形”模塊的網(wǎng)格醫(yī)生、刪除釘狀物、極度光順和砂紙等功能進(jìn)行三角網(wǎng)格修飾。之后選擇“精確曲面”模塊，點(diǎn)擊“自動(dòng)曲面化”功能，將編輯好的三角面轉(zhuǎn)換為NURBS曲面，導(dǎo)出IGES格式文件。將轉(zhuǎn)換為NURBS曲面的IGES格式文件導(dǎo)入U(xiǎn)G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(diǎn)處，繪制重建鋼板橫截面草圖。后沿相交曲線進(jìn)行掃掠，得到重建鋼板雛形。對鋼板模型進(jìn)行打孔和細(xì)節(jié)修飾，并適當(dāng)調(diào)整位置，即可得到髖臼后柱重建鋼板模型。后期可進(jìn)行螺釘?shù)难b配置入。采用3D打印機(jī)(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(jié)果

重建出的髖臼后柱鋼板，鋼板形態(tài)基本與骨表面貼附，鋼板位置以及螺釘位置符合手術(shù)置入的標(biāo)準(zhǔn)。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(nèi)針對具體的內(nèi)固定建模方法的報(bào)道相對較少，且有關(guān)數(shù)字醫(yī)學(xué)類文獻(xiàn)針對內(nèi)固定三維模型的重建多是通過CT掃描內(nèi)固定器械，通過將DICOM數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics軟件進(jìn)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(shù)據(jù)原始圖像的分辨率。但分割蒙版時(shí)個(gè)人習(xí)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(nèi)固定器材成本高。國外也有結(jié)合三維重建軟件[9]、3D打印[10~12]或者運(yùn)用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)[13~15]實(shí)現(xiàn)術(shù)前規(guī)劃或者鋼板預(yù)彎處理的報(bào)道，但均沒有涉及內(nèi)固定模型重建的方法學(xué)描述。

本文所描述的建模方案，首先通過逆向工程技術(shù)提取髖臼后柱的不規(guī)則曲面，后轉(zhuǎn)換成NURBS曲面。轉(zhuǎn)換成的NURBS曲面無需進(jìn)行太多的修飾和曲面片調(diào)整，只提供一個(gè)鋼板的軸線。在UG工作環(huán)境下，建立和不規(guī)則曲面縱軸相交的平面。此時(shí)求出交線即為所建解剖鋼板的掃掠引導(dǎo)線。如存在交線不平滑的情況，可選擇“圓形圓角曲線”命令，進(jìn)行曲線段平滑處理。后期細(xì)節(jié)的修飾可根據(jù)實(shí)際鋼板的形態(tài)特征進(jìn)行補(bǔ)充。此方法簡單易行，并不需要專業(yè)的工科背景知識(shí)，且又能實(shí)現(xiàn)髖臼骨折手術(shù)中后柱鋼板精確建模。方案中正向和逆向工程技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用為我們研究提供了便利。建立的內(nèi)固定鋼板模型可應(yīng)用于臨床和計(jì)算機(jī)輔助外科的各個(gè)方面：①通過UG的工程圖板塊導(dǎo)出二維工程圖，參與工業(yè)設(shè)計(jì)。②導(dǎo)出的STL格式文件作為應(yīng)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(nèi)固定模型可作為骨科手術(shù)計(jì)劃系統(tǒng)的一部分，指導(dǎo)臨床醫(yī)生術(shù)前規(guī)劃，也可為術(shù)中的鋼板預(yù)彎提供參考，促進(jìn)精準(zhǔn)醫(yī)療的實(shí)現(xiàn)。③可導(dǎo)出內(nèi)固定的有限元前處理模型，進(jìn)行后期有限元生物力學(xué)分析。在建模過程中，有以下幾點(diǎn)值得注意：①建模過程中工作坐標(biāo)系盡量不要更改，否則內(nèi)固定和骨盆相對位置將發(fā)生改變。②在Geomagic Studio工作環(huán)境中，在使用“自動(dòng)曲面化”命令前盡量調(diào)整三角面片的光順程度。③使用“圓形圓角曲線”命令時(shí)，先對需要光順的線段進(jìn)行切割，之后使用該命令效果更好。④UG中“實(shí)例幾何體”命令可實(shí)現(xiàn)線段和實(shí)體位置調(diào)整，合理使用可以準(zhǔn)確置放鋼板。⑤UG中“點(diǎn)集”命令可以使鋼板表面均勻附著點(diǎn)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(tài)良好，可滿足術(shù)中鋼板預(yù)彎的要求，為后期生物力學(xué)研究和模型制作奠定基礎(chǔ)。

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(收稿日期：2015-10-24)

中圖分類號：R683

文獻(xiàn)標(biāo)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)