曲面定位型髖臼后柱置釘瞄準(zhǔn)器的通道規(guī)劃及調(diào)控

李杰，李必文（通信作者），周意漾，譚文甫，胡良斌，周先陽

1 南華大學(xué)機械工程學(xué)院 （湖南衡陽 421001）；2 南華大學(xué)附屬第二醫(yī)院 （湖南衡陽421001）

依托于3D打印技術(shù)設(shè)計、制造曲面定位型置釘瞄準(zhǔn)器，保證定位精度及精度穩(wěn)定性，借助于CAD技術(shù)規(guī)劃置釘通道，滿足其科學(xué)性、精確性和高效性的需求，避免髖臼后柱螺釘內(nèi)固定術(shù)事故，提升手術(shù)響應(yīng)速度，加速瞄準(zhǔn)器的臨床推廣及應(yīng)用[1-2]。本研究提出以髂結(jié)節(jié)標(biāo)志點、臀后線上的角點及進釘點三點表面輪廓定位曲面，以髖骨后柱最大內(nèi)接圓柱體的同軸圓柱體為安全范圍，調(diào)控設(shè)計出置釘參數(shù)的方法，解決術(shù)中瞄準(zhǔn)器的定位精度問題，避免瞄準(zhǔn)器置釘通道與髂骨翼發(fā)生干涉現(xiàn)象，使瞄準(zhǔn)器具有良好的結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)工藝性。

1 髖臼后柱置釘瞄準(zhǔn)器的結(jié)構(gòu)與定位方式

1.1 瞄準(zhǔn)器的結(jié)構(gòu)

圖1為髖臼后柱置釘瞄準(zhǔn)器使用狀態(tài)圖。瞄準(zhǔn)器為固定結(jié)構(gòu)，包括本體及帶肩金屬鉆套。

以PLA材料基于3D打印制作的本體呈三角形框架結(jié)構(gòu)，包括兩個主定位腳、一個輔定位腳、一面邊角鏤空的主支撐墻和兩面拱形結(jié)構(gòu)的輔助支撐墻；主支撐墻兩端設(shè)有凸臺，內(nèi)孔與鉆套的導(dǎo)套外圓形成過渡配合（形成很小的間隙量或過盈量），以較長的結(jié)合面保證了導(dǎo)向精度，而過渡配合既保證了裝配精度又保證了鉆套裝卸的方便性；兩面輔助支撐墻均為拱形結(jié)構(gòu)，保證了剛性及在術(shù)中避空肌肉組織；定位腳下端均制有與髖骨特定部位表面輪廓貼附吻合良好的定位曲面。以20 CrMnTi或T10A制作的金屬鉆套經(jīng)過滲碳淬火熱處理及精加工，鉆套內(nèi)徑與接骨螺釘?shù)穆菁y底孔尺寸匹配、導(dǎo)套部位外徑與主支撐墻形成H8/js7或H8/k7的配合，鉆套可重復(fù)使用。從結(jié)構(gòu)工藝性出發(fā)，主支撐墻邊角鏤空是為了在保證剛性的前提下減少FDM-3D打印的時間，設(shè)置3D打印模型擺放方式時以瞄準(zhǔn)器上表面定位保證定位腳定位曲面的制造精度。

圖1 髖臼后柱置釘瞄準(zhǔn)器使用狀態(tài)

1.2 瞄準(zhǔn)器的定位方式

將兩個主定位腳的定位曲面設(shè)計在髂結(jié)節(jié)標(biāo)志點、臀后線上角點的表面區(qū)域，將輔定位腳的定位曲面設(shè)計在進釘點附近（圖1）。從定位原理的角度分析，以這3個曲面來定位屬于過定位，但通過在Mimics軟件中進行布爾運算生成骨面的反向曲面、控制好建模數(shù)據(jù)處理精度及FDM-3D打印參數(shù)，就能有效保證瞄準(zhǔn)器定位曲面的設(shè)計與制造精度，使之與目標(biāo)髖骨相應(yīng)表面輪廓貼附吻合良好[3]，本研究通過復(fù)寫紙著色實驗驗證了效果。需要特別說明的是，定位好的瞄準(zhǔn)器在使用時是靠人工向下施加按壓力以達到夾緊目的，為避免鉆削產(chǎn)生的振動導(dǎo)致瞄準(zhǔn)器產(chǎn)生滑移，保證術(shù)中定位精度的穩(wěn)定性，兩個主定位腳的定位曲面在髂結(jié)節(jié)標(biāo)志點、臀后線上角點的表面區(qū)域均設(shè)計有一定的高度差。盡管這樣的設(shè)計對3D打印的層高工藝參數(shù)要求較高，會在一定程度上影響3D打印效率，但從使用的角度而言是十分必要的，鉆削實驗表明本研究瞄準(zhǔn)器的定位精度穩(wěn)定性遠遠高于頂尖式[4]、小落差曲面式瞄準(zhǔn)器。

2 髖臼后柱置釘通道的規(guī)劃及調(diào)控

2.1 后柱置釘通道安全范圍的確定

在做出髖骨后柱最大內(nèi)接圓柱體的基礎(chǔ)上，考慮皮質(zhì)骨厚度及瞄準(zhǔn)器的鉆孔偏距，進一步做出該圓柱體的同軸圓柱體，將其作為后柱置釘通道的安全范圍，保證在通道的整個長度范圍內(nèi)置釘不破壁。操作步驟如下：（1）調(diào)取患者診斷前的螺旋CT檢查數(shù)據(jù)，選擇手術(shù)區(qū)域目標(biāo)髖骨的數(shù)據(jù)，保存為DICOM文件格式；（2）在醫(yī)學(xué)影像軟件Mimics中依次使用區(qū)域增長（Region Growing）、分割（Segmentation）及復(fù)位（Reposition）功能重建出髖骨的完整3D 模型[5]，再使用蒙板編輯功能（Edit Mask In 3D）沿髂恥線平行方向，并通過髖臼窩中心去除前柱后，得到只含后柱區(qū)域的髖骨3D模型（圖2a）；（3）通過擬合中心線（Fit Centre Line）功能得到髖骨后柱區(qū)域3D模型的中心點點集[6]（圖2b）；（4）在逆向工程軟件Imageware中根據(jù)置釘需要選取并合并后柱區(qū)域的中心點點集，再應(yīng)用直線擬合功能創(chuàng)建出最小二乘直線，確定目標(biāo)髖骨后柱最大內(nèi)接圓柱體的軸線方向（圖2c）；（5）以過髖臼窩中心點且與最小二乘直線垂直的截面為起始面，向直線段兩端各做出5個等距正截面，將這11個截面的外輪廓線沿最小二乘直線方向投影在靠近坐骨的最外側(cè)正截面上（圖2d）；（6）11個外輪廓線投影疊加后形成封閉區(qū)間，分別做出最小區(qū)域圓和最小二乘圓，比較兩個圓心分別做出封閉區(qū)域的最大內(nèi)接圓的直徑，以數(shù)值大的作為髖骨后柱最大內(nèi)接圓柱體的直徑，以該圓柱體的軸線確定置釘通道位置參數(shù)；（7）以皮質(zhì)骨厚度的統(tǒng)計值+瞄準(zhǔn)器設(shè)計、制造、使用引起的鉆孔偏距（一般取0.3～0.5 mm）為半徑偏移量，向內(nèi)做出該最大內(nèi)接圓柱體的同軸圓柱體，以此作為后柱置釘通道的安全范圍（圖2e）。

圖2 確定后柱置釘通道安全范圍的操作步驟

2.2 后柱置釘通道的調(diào)控

2.2.1 后柱安全置釘通道與髂骨翼的干涉現(xiàn)象

曲面定位型髖臼后柱置釘瞄準(zhǔn)器的置釘通道應(yīng)與其結(jié)構(gòu)形成良好的匹配關(guān)系。我們發(fā)現(xiàn)，在規(guī)劃曲面定位型髖臼前柱置釘瞄準(zhǔn)器的置釘通道時，按與后柱置釘通道安全范圍的確定類似的操作步驟得到前柱最大內(nèi)接圓柱體的同軸圓柱體后，圓柱體的軸線與髂骨翼表面有較大的夾角，進一步將直徑向下圓整至醫(yī)藥行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YY0018-2002所規(guī)定的金屬接骨螺釘?shù)耐饴菁y直徑尺寸，即可定出安全置釘通道的方向、直徑及位置參數(shù)，根據(jù)接骨螺釘?shù)耐饴菁y底孔直徑，可得到瞄準(zhǔn)器金屬鉆套的內(nèi)徑按此方法規(guī)劃曲面定位型髖臼后柱置釘瞄準(zhǔn)器的置釘通道時，發(fā)現(xiàn)安全置釘通道與髂骨翼發(fā)生了干涉現(xiàn)象（圖3），即使改用直徑較小的接骨螺釘，干涉現(xiàn)象也無法消除。由于瞄準(zhǔn)器主支撐墻內(nèi)鑲有具有帶肩的金屬鉆套，在鑲套及使用時主支撐墻的強度、尺寸應(yīng)得到保障，因此干涉現(xiàn)象導(dǎo)致無法設(shè)計瞄準(zhǔn)器結(jié)構(gòu)尺寸，特別是主支撐墻結(jié)構(gòu)尺寸。

鑒于髖臼后柱遠較前柱粗大，其安全置釘通道的直徑也大得多，因此考慮在安全置釘通道范圍內(nèi)對置釘通道進行調(diào)控，包括方向、直徑、位置的調(diào)控。

圖3 安全置釘通道與髂骨翼的干涉現(xiàn)象

2.2.2 后柱置釘通道的調(diào)控方法

可用兩種方法在安全置釘通道范圍內(nèi)調(diào)控出最終的置釘通道。

第一種是直接作圖法：大致找出安全置釘通道圓柱體上距髂骨翼表面最遠的母線，以該母線與髖骨表面輪廓的交點為圓心，在大致與髂骨翼表面垂直的平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)該母線，以小于安全置釘通道直徑的金屬接骨螺釘外徑作為偏距值做出旋轉(zhuǎn)后母線的平行線；只要兩平行線處于安全置釘通道范圍，并且角度旋轉(zhuǎn)調(diào)控后滿足主支撐墻的強度及尺寸的設(shè)計需要，則可認(rèn)為調(diào)控成功。采用這種方法的主要優(yōu)點是直觀、方便、快捷，但不夠嚴(yán)謹(jǐn)和精確。

第二種是解析法+作圖法，步驟如下：（1）采用解析法建立滿足最小條件的髂骨翼表面的外包容平面（該平面與內(nèi)包容平面在包容髂骨翼表面時，具有最小寬度），過安全置釘通道圓柱體軸線構(gòu)建外包容平面的垂直平面，精確地截出安全置釘通道圓柱體上距髂骨翼表面最遠的母線（圖4）；（2）在上述包含了軸線及最遠母線的垂直平面內(nèi)，設(shè)軸線與髖骨表面輪廓的交點為A1和A2、最遠母線與髖骨表面輪廓在入口處的交點為B、安全置釘通道圓柱體被截出的兩條母線為BC和EF，BE及過A2點的CF均垂直于這兩條母線，再做出所形成矩形的外接圓（圖5）；（3）以B點為圓心、以小于安全置釘通道直徑的金屬接骨螺釘外徑d1為半徑作圓，與矩形外接圓交于G、H兩點，連接F、G，由于三角形FGB是以直徑FB做邊的內(nèi)接三角形，故FG垂直于BG，F(xiàn)G是半徑d1圓的切線，亦為該規(guī)格接骨螺釘外徑條件下調(diào)控出的置釘通道的母線，據(jù)此做出內(nèi)徑為d1的置釘通道的軸線（圖5）；（4）以螺紋d1的底孔直徑d2沿置釘通道軸線建立鉆削通道，延伸后作為鉆套內(nèi)徑，考察調(diào)控效果是否滿足瞄準(zhǔn)器結(jié)構(gòu)設(shè)計及螺紋底孔鉆削的現(xiàn)實需要，如果不能，則選擇再小一號的接骨螺釘進行調(diào)控，如此反復(fù)，直至夾角和間隙的增大量滿足設(shè)計和操作需要。

圖4 截出后柱安全置釘通道最遠母線

圖5 作圖法調(diào)控最終置釘通道

3 定位及調(diào)控效果的實驗驗證

為驗證髖臼后柱置釘瞄準(zhǔn)器的曲面定位效果，我們用兩臺桌面級三角洲式FDM-3D打印機，分別制作了同一髖骨的PLA、ABS模型，用PLA材料制作了曲面定位型髖臼后柱置釘瞄準(zhǔn)器。圖6所示的復(fù)寫紙著色實驗表明，瞄準(zhǔn)器3個定位曲面同時與目標(biāo)髖骨相應(yīng)表面輪廓達到了貼附吻合良好的效果，從而驗證了3D打印技術(shù)對于設(shè)計制造曲面定位型置釘瞄準(zhǔn)器的適應(yīng)性。

圖6 復(fù)寫紙著色實驗

為驗證后柱置釘通道的調(diào)控效果及三曲面定位的精度穩(wěn)定性，我們在圖1所示虛擬置釘?shù)幕A(chǔ)上，進行了鉆削實操實驗。為簡化實驗，用于實驗的瞄準(zhǔn)器主支撐墻內(nèi)并未鑲嵌金屬鉆套，而是直接按鉆套內(nèi)徑3D打印出導(dǎo)向通道。無論是在PLA還是在ABS材料的髖骨模型上，在對瞄準(zhǔn)器施以約5 kg的向下壓緊力時，鉆削出后柱接骨螺釘?shù)穆菁y底孔。實驗中，電鉆的振動并未引起3個定位曲面相對骨面的滑移，亦未產(chǎn)生鉆頭的引偏現(xiàn)象，鉆出的螺紋底孔位置、尺寸精確及表面質(zhì)量良好（圖7），驗證了后柱置釘通道調(diào)控的有效性及曲面定位的精度穩(wěn)定性優(yōu)勢。

圖7 鉆削實驗效果

4 結(jié)論

3D打印技術(shù)的曲面定位型髖臼后柱置釘瞄準(zhǔn)器適應(yīng)了髖臼骨折內(nèi)固定術(shù)精準(zhǔn)醫(yī)療的發(fā)展趨勢，其定位表面區(qū)域易于辨識和尋找，定位方式具有精度及精度穩(wěn)定性的比較優(yōu)勢。本研究提出的后柱置釘通道調(diào)控方法具有精確、高效的特點，滿足了瞄準(zhǔn)器結(jié)構(gòu)設(shè)計及螺紋底孔鉆削的現(xiàn)實需要，為提高瞄準(zhǔn)器的導(dǎo)航精度、最大限度地改善或恢復(fù)髖臼的生物力學(xué)功能提供了依據(jù)。