打印與虛擬手術(shù)設(shè)計在髖臼骨折手術(shù)治療中的應(yīng)用

楊 勇，邱志杰，徐紅革，孫 博，王良恩，曾衛(wèi)平，楊 斌

髖臼骨折手術(shù)多由高能量損傷所致，是創(chuàng)傷骨科里難度最大的[1]。傳統(tǒng)手術(shù)方法為經(jīng)髂腹股溝入路結(jié)合后外側(cè)入路切開復(fù)位鋼板內(nèi)固定，前后手術(shù)切口長達(dá)20 cm，創(chuàng)傷大，手術(shù)風(fēng)險高[2]。隨著數(shù)字醫(yī)學(xué)技術(shù)的發(fā)展與推廣，術(shù)前通過三維重建模型進行骨折復(fù)位、內(nèi)固定模擬操作可提高手術(shù)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(shù)方案的制定及醫(yī)患雙方溝通。3D打印技術(shù)是以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，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(gòu)造物體的快速成型技術(shù)，可大大節(jié)省傳統(tǒng)模具加工的繁瑣步驟。其在骨科臨床上的應(yīng)用可快速為病人定制個性化不規(guī)則骨折模型，幫助臨床醫(yī)師準(zhǔn)確直觀判斷骨折移位方向及程度，合理規(guī)劃手術(shù)方案，使手術(shù)更精準(zhǔn)、安全[4-5]。本研究應(yīng)用3D打印技術(shù)結(jié)合術(shù)前虛擬手術(shù)設(shè)計，進行真實、準(zhǔn)確的術(shù)前手術(shù)模擬以及術(shù)中規(guī)范、有效地執(zhí)行手術(shù)方案，從基礎(chǔ)與臨床兩方面探討髖臼骨折微創(chuàng)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(chǔ)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(jīng)、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(shù)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(shù)據(jù)以DICOM格式輸出保存。于傷后7～14 d進行手術(shù)。

1.2 高精度虛擬復(fù)位模型建立

1.2.1 影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入與去股骨頭骨盆模型建立 將CT掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)入三維重建軟件Mimics 14.11(Materialise公司，比利時)，利用“選定閾值” “區(qū)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(yīng)“蒙板”，計算“蒙板”信息，生成對應(yīng)三維模型，用不同顏色顯示不同結(jié)構(gòu)三維模型，根據(jù)病人實際需求選擇任意角度觀察骨折情況及髖臼關(guān)節(jié)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(qū)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(dāng)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(yīng)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(zhuǎn)、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(fù)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(fù)位”功能將各個單一骨折塊通過“旋轉(zhuǎn)” “平移”等方式以位置相對恒定骨折塊或?qū)?cè)骨盆為參考調(diào)節(jié)各骨折塊之間相對位置，恢復(fù)骨折塊及髖臼關(guān)節(jié)面的正常解剖關(guān)系，將各個復(fù)位骨折塊應(yīng)用“合并”功能生成單一復(fù)位模型應(yīng)用于手術(shù)方案設(shè)計。以“STL”格式導(dǎo)出單個骨折塊模型與復(fù)位骨折模型，并應(yīng)用于3D打印。

1.3 最優(yōu)化虛擬手術(shù)方案制定

1.3.1 最佳手術(shù)入路選擇 根據(jù)最小創(chuàng)傷，最精確、有效內(nèi)固定原則選擇手術(shù)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(jié)合K-L入路。

1.3.2 虛擬內(nèi)固定植入 利用Mimics軟件“MedCAD”模塊“創(chuàng)建曲線”功能在復(fù)位模型上初步確定鋼板植入位置，結(jié)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(chuàng)建圓柱體”功能創(chuàng)建和臨床手術(shù)螺釘直徑一致圓柱體模擬螺釘，按手術(shù)需要調(diào)整螺釘位置和長度?；A(chǔ)實驗部分研究需三維切割預(yù)設(shè)鋼板位置骨折模型，切割骨塊大小以預(yù)設(shè)鋼板位置長度增加1～2 mm、寬度增加1 mm，獲得局部復(fù)位模型，并以STL格式導(dǎo)出。

1.4 運用3D模型模擬手術(shù)

1.4.1 同比例鋼板模型制作 運用游標(biāo)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(shù)，以“mm”為單位(數(shù)據(jù)精確至小數(shù)點后兩位)，骨盆解剖鋼板由蘇州欣榮博爾特醫(yī)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(dǎo)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(chǔ)性實驗研究，臨床試驗骨盆解剖鋼板由欣榮博爾特醫(yī)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(fù)位模型，導(dǎo)入3D打印機MakerBot Replicator2(Makerbot公司，美國)，使用自帶軟件調(diào)整模型位置至最佳后，選擇打印材料“PLA”，打印精度為標(biāo)準(zhǔn)(0.2 mm)后確定打印。基礎(chǔ)實驗部分需打印單一骨折塊與局部復(fù)位模型，臨床試驗部分打印復(fù)位骨折模型。

1.4.3 3D模型模擬手術(shù) (1)基礎(chǔ)實驗：利用局部骨折模型結(jié)合數(shù)字化設(shè)計進行鋼板預(yù)彎，將單一骨折塊3D模型按術(shù)中復(fù)位步驟用強力膠水逐一粘合模擬術(shù)中復(fù)位，利用折彎鋼板指導(dǎo)復(fù)雜骨折手動復(fù)位困難的骨折塊。將預(yù)彎鋼板貼合到復(fù)位骨位模型上，稍作移動當(dāng)鋼板確定唯一位置后比較鋼板位置和術(shù)前設(shè)計位置。利用直徑4.0 mm克氏針參考虛擬設(shè)計螺釘方向植入螺釘，克氏針均穿透雙側(cè)皮質(zhì)，并記錄方向偏移情況和植入長度。(2)臨床實驗：利用復(fù)位模型依照虛擬手術(shù)方案選擇相同長度鋼板，以手術(shù)方案設(shè)定位置局部解剖結(jié)構(gòu)為參考進行鋼板預(yù)彎，利用3D復(fù)位骨折模型按虛擬手術(shù)設(shè)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(shù)字化設(shè)計和模擬手術(shù)情況 基礎(chǔ)實驗部分比較虛擬手術(shù)方案與3D模擬手術(shù)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(shù)方案與臨床手術(shù)鋼板位置、螺釘植入方向、螺釘植入長度是否匹配。

1.6 統(tǒng)計學(xué)方法 采用t檢驗。

2 結(jié)果

根據(jù)病人骨盆薄層CT掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)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(fù)位、內(nèi)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(yōu)化手術(shù)方案設(shè)計提供了重要依據(jù)和幫助。3D打印技術(shù)可成功制作高精度、個性化3D骨折模型，并結(jié)合虛擬手術(shù)設(shè)計進行3D模擬手術(shù)，以指導(dǎo)臨床手術(shù)。

2.1 基礎(chǔ)實驗部分 對36例髖臼骨折病人進行虛擬手術(shù)設(shè)計并3D模擬手術(shù)，共植入38塊鋼板，鋼板位置均與數(shù)字化設(shè)計高度一致；共植入282枚螺釘，278枚方向與數(shù)字化設(shè)計高度吻合，無螺釘進入關(guān)節(jié)腔；虛擬手術(shù)設(shè)計螺釘長度(4.50±0.30)cm與3D模擬手術(shù)螺釘長度(4.54±0.33)cm，差異無統(tǒng)計學(xué)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(shù)設(shè)計、3D模擬手術(shù)及臨床手術(shù)，13例病人均按照虛擬手術(shù)設(shè)計成功完成手術(shù)，共植入18塊鋼板，115枚螺釘，術(shù)后與虛擬手術(shù)設(shè)計鋼板、螺釘位置及數(shù)量高度一致，虛擬手術(shù)設(shè)計螺釘長度(4.48±0.35)cm與臨床手術(shù)螺釘長度(4.52±0.38)cm，差異無統(tǒng)計學(xué)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(dǎo)致多發(fā)性脊柱骨折，左側(cè)股骨轉(zhuǎn)子間和股骨頸骨折，左側(cè)骨盆髖臼骨折伴中心性脫位，左側(cè)肱骨干骨折入院。為了恢復(fù)病人完整髖臼，應(yīng)用數(shù)字骨科技術(shù)對其骨盆CT數(shù)據(jù)進行三維重建，利用3D打印技術(shù)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(shù)，確定術(shù)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(shù)，手術(shù)成功，與術(shù)前設(shè)計高度一致，采用微創(chuàng)腹直肌外側(cè)入路切口僅10 cm，手術(shù)時間縮短至2.5 h，手術(shù)出血量約500 mL，術(shù)后復(fù)查X線及CT檢查顯示骨折復(fù)位良好(見圖1)。病人術(shù)后恢復(fù)理想，術(shù)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(rèn)知的逐漸加深，對影像學(xué)的要求也越來越高，常規(guī)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(fù)雜骨科疾病。隨著計算機技術(shù)逐漸融入醫(yī)學(xué)的發(fā)展，三維重建技術(shù)克服了傳統(tǒng)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(zhì)結(jié)構(gòu)，對骨科領(lǐng)域疾病的診斷及深入認(rèn)識具深刻意義[6-7]。本研究利用Mimics 14.11軟件導(dǎo)入骨盆薄層CT掃描數(shù)據(jù)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(xiàn)多平面定位、相互參考；通過平移、旋轉(zhuǎn)等功能對三維重建模型進行任意角度觀察，放大、縮小細(xì)致觀察骨折部位及隱藏股骨頭，詳細(xì)了解骨折累及情況，有助于臨床醫(yī)師明確診斷，詳細(xì)了解骨折類型，指導(dǎo)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(yī)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(yī)療護理風(fēng)險。

在計算機技術(shù)迅速發(fā)展的大背景下，數(shù)字化技術(shù)亦被廣泛用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。在此基礎(chǔ)上誕生的虛擬手術(shù)設(shè)計等高精尖醫(yī)療技術(shù)正慢慢改善傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)模式，成為未來醫(yī)學(xué)發(fā)展研究的熱點。虛擬手術(shù)設(shè)計是基于醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)，根據(jù)計算機圖形學(xué)三維重建構(gòu)建出虛擬的人體組織模型，模擬虛擬的醫(yī)療環(huán)境，并利用交互設(shè)備進行手術(shù)模擬，為手術(shù)醫(yī)生創(chuàng)造一個虛擬的3D環(huán)境及人機交互操作平臺，虛擬模擬臨床手術(shù)的操作過程，與傳統(tǒng)手術(shù)教學(xué)模擬比較，具直觀、無損傷、可視化、可重復(fù)等方面優(yōu)勢[8-9]。通過虛擬手術(shù)設(shè)計，可幫助醫(yī)生選擇最佳手術(shù)入路，提前模擬手術(shù)整個過程以發(fā)現(xiàn)手術(shù)方案中存在的問題，及時修改以起到預(yù)防風(fēng)險，減小手術(shù)創(chuàng)傷及臨近組織損傷的目的，合理、有效地制定個性化手術(shù)方案，提高手術(shù)精準(zhǔn)度及安全性。另外，虛擬手術(shù)設(shè)計還可以減少對昂貴實驗?zāi)Ｐ偷男枨?，降低培?xùn)成本。對于髖臼骨折等復(fù)雜骨科手術(shù)，術(shù)前手術(shù)方案的設(shè)計是手術(shù)的重要組成部分，直接關(guān)系手術(shù)成功率[10]。本研究利用髖臼骨折病人骨盆薄層CT掃描數(shù)據(jù)進行三維重建、虛擬骨折塊分離、虛擬手術(shù)復(fù)位、虛擬內(nèi)固定植入模擬髖臼骨折臨床手術(shù)操作，從而制定最優(yōu)化、個性化的手術(shù)方案，指導(dǎo)3D模擬手術(shù)及臨床手術(shù)治療，提高病人臨床療效及預(yù)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(shù)，已被廣泛用于頜面整形外科及口腔科，并逐步應(yīng)用于骨科領(lǐng)域，具有廣闊的發(fā)展前景[11-12]。王志標(biāo)等[13]利用3D打印技術(shù)用于骶骨骨折手術(shù)，可更好地了解骶骨骨折特點，有助于手術(shù)醫(yī)生術(shù)前模擬及手術(shù)方案的設(shè)計，縮短臨床手術(shù)時間，降低手術(shù)操作難度，通過設(shè)計的預(yù)彎鋼板精準(zhǔn)復(fù)位骨折，提高手術(shù)療效。李新春等[14]將3D打印技術(shù)用于治療Pilon骨折，根據(jù)CT三維重建結(jié)果制作的骨折模型有助于最佳手術(shù)入路的快速、準(zhǔn)確判斷，術(shù)中直接準(zhǔn)確植入合適內(nèi)固定物，縮短手術(shù)時間，減少C臂透視次數(shù)，提高手術(shù)效率及安全性。黃華軍等[15]基于3D打印技術(shù)模擬復(fù)雜脛骨平臺骨折病人的內(nèi)固定手術(shù)數(shù)字化設(shè)計，優(yōu)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(shù)設(shè)計方案高度一致，證實了虛擬手術(shù)設(shè)計方案的準(zhǔn)確性及可靠性。本研究通過數(shù)字化設(shè)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(shù)復(fù)位、虛擬內(nèi)固定植入等手術(shù)操作，為醫(yī)生提供一個虛擬的3D環(huán)境以及可交互操作平臺，逼真的模擬臨床手術(shù)的全過程，可準(zhǔn)確確定手術(shù)鋼板長度、位置及螺釘長度、方向，通過3D打印技術(shù)獲得高精度三維模型指導(dǎo)顯示手術(shù)模擬，可準(zhǔn)確進行鋼板預(yù)彎，提高醫(yī)生手術(shù)操作能力，在行復(fù)雜髖臼骨折手術(shù)之前進行練習(xí)，把通過成像設(shè)備獲取的病人圖像導(dǎo)入仿真系統(tǒng)，對實際手術(shù)作出相應(yīng)的規(guī)劃，或者對病變?nèi)睋p部位進行較精確的前期測量和估算，從而預(yù)見手術(shù)的復(fù)雜性，為病人制定個性化的手術(shù)方案，可大大降低手術(shù)的風(fēng)險性，對改善病人預(yù)后具重要指導(dǎo)作用。本研究采用數(shù)字化設(shè)計與3D打印技術(shù)相結(jié)合，根據(jù)3D打印骨折模型進行手術(shù)模擬，最后采用微創(chuàng)化腹直肌旁入路對髖臼骨折病人進行臨床手術(shù)治療，符合外科學(xué)微創(chuàng)化、個性化發(fā)展趨勢，可有效提高髖臼骨折手術(shù)治療安全性及準(zhǔn)確性。

綜上所述，通過基礎(chǔ)與臨床兩層面研究，初步證實了3D打印技術(shù)結(jié)合術(shù)前虛擬手術(shù)設(shè)計對髖臼骨折病人微創(chuàng)化、精確化、個性化治療的可行性與準(zhǔn)確性，具有重要的臨床意義及社會價值。