3D打印導(dǎo)航模塊及聯(lián)合數(shù)字化設(shè)計在髖臼骨折中的應(yīng)用研究

申智敏,段宜強(qiáng),葉 川,汪 健,陳世平

(貴州醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院骨科，貴陽 550004)

從人體解剖學(xué)角度來說，髖臼解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，術(shù)中容易損傷周圍神經(jīng)及血管組織，增加患者手術(shù)風(fēng)險[1]。通過數(shù)字化技術(shù)為患者制訂精確化、最優(yōu)化的手術(shù)方案，將手術(shù)進(jìn)行虛擬設(shè)計能明顯降低手術(shù)風(fēng)險，具有通用性強(qiáng)、手術(shù)精度高、可視化等優(yōu)點(diǎn)，成為髖臼骨折手術(shù)的重要方法[2]。有研究表明，利用3D打印技術(shù)對CT圖像進(jìn)行三維建模，并打印、制作出3D實(shí)物模型，讓醫(yī)生對手術(shù)進(jìn)行有效的模擬，具有仿真性強(qiáng)、匹配性高等特點(diǎn)，成為提高臨床手術(shù)的重要方法和橋梁[3]。然而，臨床上對于髖臼骨折的應(yīng)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(dǎo)航模塊設(shè)計及聯(lián)合數(shù)字化設(shè)計在髖臼骨折中的應(yīng)用效果，現(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)：(1)不穩(wěn)定型髖臼骨折，均需要行手術(shù)治療，且符合手術(shù)適應(yīng)證；(2)頭臼不匹配患者,伴有不同程度的骨折移位；(3)骨折復(fù)位后伴有坐骨神經(jīng)、股神經(jīng)麻痹。排除標(biāo)準(zhǔn)：(1)受傷時間超過3周者；(2)合并嚴(yán)重內(nèi)科基礎(chǔ)疾病者；(3)合并老年患者伴骨質(zhì)疏松癥及內(nèi)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(shù)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(tǒng)計學(xué)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(jī)(Creator pro，閃鑄科技有限公司)，64排128層容積CT(VCT)，MakerBot Replicator2、醫(yī)用骨科內(nèi)固定置入器械(山東威高集團(tuán)有限公司)。

1.2.2數(shù)據(jù)處理 (1)數(shù)據(jù)采集。入組20例患者，采用VCT進(jìn)行掃描，獲得薄層CT數(shù)據(jù)，根據(jù)每位患者實(shí)際情況設(shè)置相關(guān)參數(shù)：電流A 200～≤250 mAs，掃描電壓V 80～≤130 KV，掃描數(shù)據(jù)矩陣512×512，獲得的數(shù)據(jù)采用DICOM格式進(jìn)行保存，備用[5]。(2)數(shù)據(jù)的傳輸。選擇手術(shù)傳輸方式將獲得的數(shù)據(jù)傳入到Mimics14.0軟件中，選擇“Import Image”命令，選擇導(dǎo)入圖像、數(shù)據(jù)，并且選擇無損壓縮模式，根據(jù)圖像的左右方位、矢狀圖等確定前后方位后完成數(shù)據(jù)的導(dǎo)入[6-7]。(3)二維圖像的制作。本研究CT數(shù)據(jù)采用骨窗與軟組織窗掃描，并進(jìn)行三維重建，結(jié)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(guān)組織進(jìn)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(chǔ)上運(yùn)用“二維區(qū)域增長”功能選擇與骨盆主體相互連接的骨質(zhì)，結(jié)合橫斷面、矢狀面及冠狀面等選擇對相應(yīng)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(guān)聯(lián)骨折塊是否具有相應(yīng)的蒙版，然后進(jìn)行三維重建[8-9]。(5)重建高仿真三維模型。根據(jù)模型的重建要求設(shè)置相關(guān)參數(shù)，選擇“High”提高模型的質(zhì)量，其余參數(shù)均為默認(rèn)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(nèi)對模型進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、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(jìn)行分割(分割時根據(jù)從簡到繁、先外后內(nèi)的順序)，并且對不同的骨折塊進(jìn)行命名，并采用不同的顏色進(jìn)行區(qū)分。分割完畢后對蒙版進(jìn)行三維重建[10-11]。(7)虛擬骨折復(fù)位。利用Edit mask in 3D將股骨頭去除，利用平移、旋轉(zhuǎn)等多角度進(jìn)行觀察，并且利用Reposition對骨折塊進(jìn)行平移、旋轉(zhuǎn)等幫助其恢復(fù)正常的解剖結(jié)構(gòu)[12]。(8)虛擬導(dǎo)航的設(shè)計。根據(jù)骨折分型結(jié)合臨床選擇合適的手術(shù)入路，并且利用Create Spline在復(fù)位模型上確定最佳的鋼板置入位置，結(jié)合Spline中Measurements功能根據(jù)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(chuàng)建和臨床開槽置入克氏針相同設(shè)定模擬釘?shù)?，根?jù)每位患者實(shí)際情況選擇合適的螺釘?shù)奈恢?、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(dǎo)航螺釘與骨面，根據(jù)骨折的位置、大小等調(diào)整其位置，導(dǎo)航方向及位置確定時必須避免重要的血管、神經(jīng)，采用Boolean Oreration獲得虛擬的導(dǎo)航軌道，見圖1。(9)3D手術(shù)模擬。導(dǎo)航軌道確定后，對局部骨折復(fù)位模型進(jìn)行打印，結(jié)合數(shù)字化方案完成鋼板的預(yù)彎。預(yù)彎時首先確定鋼板起始點(diǎn)后從鋼板的一端貼合骨面然后進(jìn)行緩慢的折彎，初次折彎后進(jìn)行輕微調(diào)整，保證鋼板與骨面完全貼合，借助3D打印導(dǎo)航模塊復(fù)位骨折模型并采用克氏針置入模擬螺釘釘?shù)?，采用X射線進(jìn)行掃描，導(dǎo)航釘?shù)来_定后將預(yù)彎鋼板進(jìn)行固定，采用CT進(jìn)行掃描，比較3D模型現(xiàn)實(shí)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(jié) 果

2.1臨床數(shù)據(jù)分析 本課題中納入髖臼骨折患者20例，全部進(jìn)行結(jié)果分析數(shù)量，中途無脫落。

A、B：3D建模；C：虛擬釘?shù)滥M圖

圖1 3D打印模板建立與導(dǎo)航模塊設(shè)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(shù)

圖2 3D手術(shù)模擬情況

A、B：髖臼骨折三維重建圖像；C：髖臼復(fù)位效果圖

圖3 3D打印導(dǎo)航模擬設(shè)計及聯(lián)合數(shù)字化設(shè)計治療髖臼骨折效果

2.23D打印導(dǎo)航模擬設(shè)計及聯(lián)合數(shù)字化設(shè)計治療髖臼骨折效果 通過3D打印導(dǎo)航模擬設(shè)計聯(lián)合數(shù)字化設(shè)計模擬現(xiàn)實(shí)手術(shù)，共置入28根鋼板，螺釘149枚，設(shè)計導(dǎo)航模塊導(dǎo)航螺釘54枚。3D打印導(dǎo)航模擬設(shè)計聯(lián)合數(shù)字化設(shè)計能為髖臼骨折制訂最優(yōu)化手術(shù)方案與個性化導(dǎo)航模塊，通過術(shù)前虛擬與現(xiàn)實(shí)手術(shù)模擬，手術(shù)精度比較差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。

2.3臨床治療效果 20例患者3D打印導(dǎo)航模塊聯(lián)合數(shù)字化設(shè)計手術(shù)下術(shù)前患者JOA評分為(9.60±2.21)分，術(shù)后為(25.41±3.41)分，治療前、后JOA評分比較差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。

2.4不良反應(yīng)發(fā)生率比較 20例患者治療后均無斷釘、螺釘松動、感染等并發(fā)癥發(fā)生。

3 討 論

髖關(guān)節(jié)是人體最為重要的負(fù)重關(guān)節(jié)及活動關(guān)節(jié)，如果髖臼骨折后得不到及時有效的治療，將會累及負(fù)重區(qū)關(guān)節(jié)面，影響髖臼力學(xué)的穩(wěn)定性，而對于不穩(wěn)定型髖臼骨折患者則需要手術(shù)治療[14]。傳統(tǒng)方法以開放性手術(shù)為主，手術(shù)過程中醫(yī)生依靠X射線、CT掃描對骨折部位進(jìn)行判斷，根據(jù)術(shù)中探查結(jié)果確定重建鋼板置入的位置，雖然能保證患者手術(shù)的順利完成，但是手術(shù)精度相對較低，對于醫(yī)生的專業(yè)技能要求較高，且患者術(shù)中耗時較長，出血量較多，術(shù)后并發(fā)癥發(fā)生率較高，難以達(dá)到預(yù)期治療效果[15]。

近年來，3D打印導(dǎo)航模塊聯(lián)合數(shù)字化設(shè)計在髖臼骨折中得到應(yīng)用，且效果理想。3D打印導(dǎo)航模擬聯(lián)合數(shù)字化設(shè)計能為髖臼骨折制訂最優(yōu)化手術(shù)方案與個性化導(dǎo)航模塊，提高手術(shù)成功率，促進(jìn)患者早期恢復(fù)[16]。近年來，隨著醫(yī)療技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字化技術(shù)得到進(jìn)一步提高，計算機(jī)導(dǎo)航技術(shù)、機(jī)械人手術(shù)技術(shù)、虛擬手術(shù)模擬等高精技術(shù)在臨床上得到廣泛的應(yīng)用[5]。本研究將數(shù)字化技術(shù)用于髖臼骨折中，通過對髖臼骨折患者CT數(shù)據(jù)和圖像進(jìn)行三維重建、虛擬守護(hù)模擬，能提高患者手術(shù)安全性及手術(shù)精度。虛擬手術(shù)又稱為虛擬手術(shù)仿真系統(tǒng)，該方法基于醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)，采用計算機(jī)圖形學(xué)進(jìn)行三維重建，構(gòu)建出虛擬的人體組織模型，利用交互設(shè)備進(jìn)行交互[17]。同時，利用虛擬手術(shù)系統(tǒng)為醫(yī)生提供虛擬的3D環(huán)境，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，使得醫(yī)生對患者的手術(shù)能在術(shù)前進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)手術(shù)過程中的注意點(diǎn)，有助于手術(shù)精度的提高。此外，3D打印導(dǎo)航模塊聯(lián)合數(shù)字化設(shè)計的使用具有直觀性、零損傷及可視化等優(yōu)點(diǎn)[18]。

首先，3D打印導(dǎo)航模塊聯(lián)合數(shù)字化設(shè)計通過患者的影像學(xué)數(shù)據(jù)圖像能幫助醫(yī)生制訂合理、有效的手術(shù)方案，選擇最佳的手術(shù)入路，減少手術(shù)創(chuàng)傷，有助于手術(shù)定位精度的提高，對于完成復(fù)雜的髖臼骨折，提高手術(shù)安全性具有重要的意義[19]。此外，利用3D打印導(dǎo)航模塊聯(lián)合數(shù)字化設(shè)計能對低年資醫(yī)師進(jìn)行培訓(xùn)，達(dá)到縮短手術(shù)培訓(xùn)學(xué)習(xí)曲線，虛擬數(shù)字化模型，減少了昂貴的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ托枨螅兄诮档团嘤?xùn)成本。最后，3D打印導(dǎo)航模塊聯(lián)合數(shù)字化設(shè)計的使用還能對術(shù)中導(dǎo)航、監(jiān)護(hù)等發(fā)揮作用，有助于患者手術(shù)成功率的提高[20]。通過數(shù)字化虛擬手術(shù)設(shè)計能為患者制訂個性化的手術(shù)治療方案，但如何將最佳的手術(shù)方案用于手術(shù)中一直沒有相對有效的方法。本研究中，將3D打印技術(shù)用于髖臼骨折中最大的優(yōu)勢在于個性化置釘，通過數(shù)字化設(shè)計，能將患者的虛擬模型轉(zhuǎn)換為3D實(shí)體模型，使得虛擬模型更加真實(shí)，主觀感受更加深刻[21]。通過3D打印技術(shù)能在患者手術(shù)前打印出個性化的骨質(zhì)模型，并且在患者術(shù)前進(jìn)行模擬手術(shù)，能有效驗(yàn)證虛擬手術(shù)的可行性，發(fā)現(xiàn)虛擬手術(shù)存在的不足并及時進(jìn)行修正，最終確定最佳的手術(shù)方案。同時，3D打印技術(shù)的使用能在術(shù)前輔助下選擇合適的內(nèi)固定物，有助于縮短手術(shù)時間，降低手術(shù)風(fēng)險，大大提高了手術(shù)方案的可行性和有效性[22]。臨床上，將3D打印導(dǎo)航模塊聯(lián)合數(shù)字化設(shè)計用于髖臼骨折中效果理想，能發(fā)揮不同技術(shù)的優(yōu)勢，能為髖臼骨折患者制訂針對性的手術(shù)方案，且兩者可以相互彌補(bǔ)，為髖臼骨折患者治療提供依據(jù)和參考[23]。

雖然3D打印技術(shù)在髖臼骨折的應(yīng)用具備巨大的潛力,但臨床應(yīng)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(yīng)用。(2)3D建模目前僅對骨骼系統(tǒng)有較高的清晰度,而軟組織數(shù)據(jù)比較缺乏,對血管及神經(jīng)的走行考慮有所欠缺。(3)組織與生物力學(xué)性能之間相容性較差。(4)內(nèi)置物導(dǎo)板的設(shè)計需同時具備一定的臨床專業(yè)知識、計算機(jī)技術(shù)及Mimics軟件的應(yīng)用等知識,這對大部分臨床骨科醫(yī)師是嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),需要多學(xué)科專業(yè)人才合作。但筆者相信隨著影像技術(shù)精度的提高、新型材料的研發(fā)及多學(xué)科配合的增強(qiáng)，3D打印技術(shù)能做到高精度、高效率及低成本,能更好地指導(dǎo)手術(shù)和服務(wù)于醫(yī)務(wù)工作者。

綜上所述，3D打印導(dǎo)航模塊聯(lián)合數(shù)字化設(shè)計用于髖臼骨折中能制訂最優(yōu)的手術(shù)方案，提高手術(shù)治療精度、安全性，提高手術(shù)成功率，具有廣泛的運(yùn)用前景。