基于3D打印技術(shù)的手術(shù)截骨導(dǎo)板設(shè)計與制造

陳 星，王 素，夏 科，林 濤，衡婉瓊，黃治力

（1.四川省南充市中心醫(yī)院，四川 南充 637000；2.四川大學(xué)，四川 成都 610000）

關(guān)鍵字：截骨導(dǎo)板；截骨手術(shù)；骨科；3D打??；預(yù)裝配

3D打印又稱快速成型，它是一種基于數(shù)字化模型的快速制造方法，原理是將微型材料按照實(shí)體截面形狀在設(shè)定方向依次分層疊加，直至增材完成獲得成型實(shí)體[1]。通?？焖俪尚图夹g(shù)可分為激光燒結(jié)、熔融堆積成型、立體光固化、分層實(shí)體制造、立體印刷、電子束熔化及激光熔化七類。其中以熔融堆積成型、分層實(shí)體制造、立體光固化三種打印制造方式最具代表性。熔融堆積成型由伺服電機(jī)控制噴頭在X軸與Y軸方向同時移動、固化打印材料，同時基板在Z軸向下移動完成逐層打印。該方法原理簡單，設(shè)備、材料成本都比較低廉，但由于打印材料強(qiáng)度限制，成型產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較弱，利用該方法制造結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的產(chǎn)品時，需考慮增加支撐裝置[2]。而分層實(shí)體制造在成型過程中以非輪廓網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)為主結(jié)構(gòu)，分層切割模型輪廓截面，并在工件底板下移動作下重復(fù)往規(guī)定的返切割動作，直至完成所有輪廓，該方法打印速度快，成型率高[3]，基于影像掃描、逆向工程、計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)的3D打印可為患者量身定制截骨工具，該工具具有定位精準(zhǔn)，操作簡易的特點(diǎn)，克服了規(guī)格產(chǎn)品在術(shù)中需要有創(chuàng)定位，過度依靠醫(yī)生經(jīng)驗的弊端。

1 設(shè)計原理與制造過程

手術(shù)截骨導(dǎo)板以股骨、脛骨三維模型、下肢力線數(shù)字化測量數(shù)據(jù)、假體逆向數(shù)字模型為依據(jù)，利用圖像處理軟件提取髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)及踝關(guān)節(jié)中心點(diǎn)確定下肢力線的準(zhǔn)確位置確定截骨平面，以該平面為基準(zhǔn)逆向設(shè)計截骨導(dǎo)板以保證定位精度。導(dǎo)板設(shè)計完成后，利用模型處理工具進(jìn)行數(shù)字化預(yù)裝配，確認(rèn)截骨導(dǎo)板能與貼合部位準(zhǔn)確接觸并定位截骨平面。保存截骨導(dǎo)板數(shù)字化模型后在3D打印設(shè)備上制造，確認(rèn)成品無毛刺、無邊角后可在高溫高壓后用于截骨手術(shù)。截骨導(dǎo)板設(shè)計、制造流程如圖1所示，以下段落將對制造過程中的重要環(huán)節(jié)詳細(xì)描述。

圖1 截骨導(dǎo)板設(shè)計、制造流程

2 下肢力線數(shù)字化測量

下肢力線有多種表示方式，目前最常用的有機(jī)械軸線、重力線、前后踝軸線三種[4]。機(jī)械軸線作為截骨平面確定的重要參數(shù)，對假體位置的確定與后期股骨受力都有很大影響，因此在下肢力線數(shù)字化測量中以脛骨、股骨機(jī)械軸確定的力線作為輸出數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集過程中，在患者自然平躺仰臥位狀態(tài)下用CT掃描髖關(guān)節(jié)至踝關(guān)節(jié)。CT成像質(zhì)量與后期三維數(shù)字模型的準(zhǔn)確性有直接關(guān)系，為保證圖像清晰度，選擇合適的掃描電壓與間距至關(guān)重要，雖然提高電壓能使圖像清晰度增加，但與之而來的高輻射量會損害患者健康，電壓過低又不能準(zhǔn)確分割骨骼與軟組織邊界，界限模糊將直接影響后期模型精度。同樣掃描間距的縮減可以提高圖像精度，但也會增加數(shù)據(jù)采集量，影響后期模型重建效率。在試驗過程中必須選取恰當(dāng)?shù)膾呙鑵?shù)，以保證整體工作量、質(zhì)量可控。得到CT圖像后，用MIMICS對圖像進(jìn)行處理[5]。髖關(guān)節(jié)為非規(guī)則球體構(gòu)成的曲面，MIMICS通過細(xì)化網(wǎng)格、多特征點(diǎn)比對可用三角形網(wǎng)格精準(zhǔn)擬合出股骨頭形狀。計算機(jī)內(nèi)部保存有全部三角形的坐標(biāo)信息，在股骨遠(yuǎn)端選取股骨頭球面切割定位點(diǎn)，以定位點(diǎn)連線為基準(zhǔn)切割股骨頭并提取所有結(jié)構(gòu)點(diǎn)的坐標(biāo)信息P={（x，y，z），i=1，2，...，n}。

利用函數(shù)工具擬合出標(biāo)準(zhǔn)的二次曲面方程，

其中，C=（C1，C2，C3，C4，C5，C6，C7，C8，C9，C10）為初始值，當(dāng)C10＝1時，通過最小二乘擬合方法方程可求得，其中E是關(guān)于Cj的函數(shù)，C10為常數(shù)，對E求導(dǎo)使結(jié)果為0，，（j=1，2，...，10），通過求導(dǎo)將次，可得Cj的常數(shù)值。標(biāo)記點(diǎn)云Pi到曲面的坐標(biāo)為Pi′，由于兩者的連線與曲面是垂直關(guān)系，因此Pi′的法向矢量表示為：），通過牛頓迭代法求解上式構(gòu)成的方程組f（Pi'），獲得最短距離L，其中Pi和Pi′的關(guān)系可通過L（Cj）表達(dá)，利用高斯牛頓法收斂速度快的特性，帶入不同Cj值使L（Cj）最小。將迭代算出的Cj帶回至原式F（x，y，z）中，在點(diǎn)云X，Y坐標(biāo)的最大值及最小值范圍內(nèi)每隔一間距取一值，并帶入曲面方程算出對應(yīng)的Z值，獲取完整光滑的曲面點(diǎn)云面后，通過點(diǎn)云坐標(biāo)加權(quán)可算出中心點(diǎn)坐標(biāo)。同理，利用數(shù)字模型擬合出股骨遠(yuǎn)端及脛骨近端中點(diǎn)。連接膝關(guān)節(jié)中心點(diǎn)與股骨內(nèi)側(cè)梨狀窩最低點(diǎn)的直線為股骨解剖軸線，連接股骨遠(yuǎn)端中點(diǎn)與股骨頭中點(diǎn)的直線為股骨機(jī)械軸，連接脛骨近端中點(diǎn)與踝關(guān)節(jié)中心點(diǎn)的直線為脛骨機(jī)械軸線。

3 股骨遠(yuǎn)端三維重建

3.1 圖像獲取

利用X線電子計算機(jī)斷層掃描儀對患者髖關(guān)節(jié)進(jìn)行斷層掃描，將獲得的標(biāo)準(zhǔn)影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics軟件，圖像轉(zhuǎn)換后可在三個視圖中觀察掃描部位并確認(rèn)圖像方向。

3.2 閾值法

骨骼與軟組織密度不同，兩者在CT成像中灰度值會出現(xiàn)明顯差異，因此，根據(jù)灰度范圍設(shè)定閥值就可以過濾掉低于閥值的圖像，該方法被稱為軟組織圖像分割法，也被稱為二值化處理[6]。提取包括松質(zhì)骨在內(nèi)的全部骨質(zhì)，應(yīng)將灰度值設(shè)在1 200以上，考慮到截骨手術(shù)最重要的部分為密度最大的骨外表結(jié)構(gòu)，通常皮質(zhì)骨結(jié)構(gòu)的灰度閾值可在1 200~1 300之間考慮。用閾值法處理圖像后，利用蒙板包含信息提取出皮質(zhì)骨，3D計算與質(zhì)量估算后得到完整的髖關(guān)節(jié)模型，閾值法需對閾值大小反復(fù)測試以找到軟組織與骨骼的最佳交接線，該方法對灰度差異大的軟組織能很好區(qū)分，但在關(guān)節(jié)有間隙或粘連的情況下容易發(fā)生分割不徹底的現(xiàn)象，后期還需增加手工編輯環(huán)節(jié)對圖像進(jìn)行處理[7]。

3.3 區(qū)域增長法

MIMICS設(shè)有區(qū)域增長功能可完成對影像非連接區(qū)域的分割，該方法以閥值蒙板中的微小區(qū)域或單一像素點(diǎn)作為種子點(diǎn)出發(fā)，通過計算吸收臨近區(qū)域符合判斷條件的像素，直至周圍沒有滿足條件的像素加進(jìn)來即停止運(yùn)算。用區(qū)域增長法處理圖像后，建立雙蒙板對髖臼和股骨進(jìn)行區(qū)別，通過后期涂抹處理，可得到完整的三維模型。由于區(qū)域增長法是展開性構(gòu)建方式，對目標(biāo)像素的選定更準(zhǔn)確，圖像連貫性更強(qiáng)，但計算難度更大、耗時更長。

3.4 濾波處理

圖像在采集、處理過程中會因為電子、光子噪音的影響呈現(xiàn)出顆粒點(diǎn)，噪音不僅會降低圖像的正確性，造成醫(yī)生誤判、誤認(rèn)等結(jié)果，還會增加后期圖像處理難度。后期對圖像進(jìn)行平滑處理時，必須添加濾波處理，才能得到質(zhì)量更高的CT圖像。

4 假體逆向設(shè)計

利用激光三維掃描儀可對假體進(jìn)行掃描。該種設(shè)備以結(jié)構(gòu)光法為原理，通過“三點(diǎn)法”進(jìn)行數(shù)據(jù)拼接，將預(yù)定義的三個點(diǎn)Pa1，Pa2，Pa3放入兩個坐標(biāo)內(nèi)，每次掃描時掃描點(diǎn)必須包含預(yù)定義點(diǎn)位中的點(diǎn)，帶入預(yù)定義點(diǎn)進(jìn)行計算，計算出旋轉(zhuǎn)方程后，將每次的掃描結(jié)果拼接回第一次的坐標(biāo)中進(jìn)行整合，由此得到完整的點(diǎn)數(shù)據(jù)云，推導(dǎo)過程如下所示。

（1）選擇三個點(diǎn)中的一點(diǎn)作為原始點(diǎn)。

（2）構(gòu)建x軸為：

?掃描點(diǎn)為p1，p2，p3。

（3）構(gòu)建y軸為：

（4）構(gòu)建z軸為：

（5）以此方法建立a坐標(biāo)和b坐標(biāo)的點(diǎn)集為：

（6）通過旋轉(zhuǎn)矩陣R可以將a坐標(biāo)點(diǎn)集轉(zhuǎn)換成b坐標(biāo)點(diǎn)集為：

（7）通過求解R，從a坐標(biāo)點(diǎn)集轉(zhuǎn)換成b坐標(biāo)點(diǎn)集的轉(zhuǎn)換式為：

這樣未統(tǒng)一的坐標(biāo)系就被統(tǒng)一在新的坐標(biāo)系中，并構(gòu)建起新的位置坐標(biāo)。掃描儀獲得假體點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)通過插值方法生成多邊形網(wǎng)格描繪三維圖形，最后以STL格式文件保存。

5 截骨導(dǎo)板的設(shè)計與制造

5.1 截骨導(dǎo)板的設(shè)計

獲得股骨、脛骨機(jī)械軸、股骨解剖軸后，將股骨矢狀面解剖軸的垂線與冠狀面機(jī)械軸的垂線構(gòu)成的平面定義為截骨平面。當(dāng)患者因病變導(dǎo)致股骨機(jī)械軸與脛骨機(jī)械軸不共線時，會造成膝內(nèi)翻或膝外翻畸形，在病變狀態(tài)下下肢力線導(dǎo)力不暢會加劇膝關(guān)節(jié)磨損，直至影響患者正常活動。在傳統(tǒng)截骨手術(shù)中，醫(yī)生憑借經(jīng)驗預(yù)估髁關(guān)節(jié)中心點(diǎn)位置，并以此為開孔點(diǎn)插入髓內(nèi)定位桿作為下肢機(jī)械軸線標(biāo)定，以此為標(biāo)準(zhǔn)確定截骨平面，以保證假體與下肢機(jī)械軸保持垂直。在整個截骨過程中髓內(nèi)定位桿的角度直接決定了后期下肢力線的準(zhǔn)確性，而髓內(nèi)定位桿安裝的精準(zhǔn)性很大程度上取決于醫(yī)生的經(jīng)驗，這為截骨手術(shù)的精度帶來了很大的不確定因素。而截骨導(dǎo)板是以影像確定的截骨平面為基準(zhǔn)設(shè)計、制造的，可減少基準(zhǔn)誤差實(shí)現(xiàn)高精度定位。通過數(shù)字化模型確定截骨平面并固定相關(guān)參數(shù)后，以截骨平面確定截骨槽位置，然后偏移平面設(shè)立固定釘孔，通過該孔可插入固定釘穩(wěn)定截骨導(dǎo)板，避免在術(shù)中發(fā)生滑移造成定位偏移，釘孔設(shè)計的重點(diǎn)在于控制固定釘進(jìn)入皮質(zhì)骨的深度，如果過長會發(fā)生穿透進(jìn)而損傷其他組織，如果太淺難以達(dá)到固定強(qiáng)度。設(shè)計時應(yīng)測量模型皮質(zhì)骨厚度，規(guī)劃合理的釘孔位置及釘孔深度。固定支架是定位塊與截骨槽的連接部件，支架為橋形結(jié)構(gòu)，設(shè)計時應(yīng)注意避免與其他骨結(jié)構(gòu)發(fā)生干涉。最后設(shè)計的是最重要的定位塊，定位塊的凹陷部分特征與骨定位部位契合。為精確制造定位塊，首先提取骨定位部位的表面特征，選擇多個點(diǎn)位構(gòu)成封閉區(qū)域，用點(diǎn)內(nèi)的三角面構(gòu)建其輪廓，并將輪廓移至定位塊的下表面，切割底面可得與骨定位部位互補(bǔ)的輪廓，最后通過底面平移的方法設(shè)計出定位塊的上表面，平移時應(yīng)遵循底面的邊界坐標(biāo)依次拼接確保定位塊的閉合性，設(shè)計模型如圖2所示。

圖2 截骨導(dǎo)板設(shè)計模型

5.2 成型過程

截骨導(dǎo)板成型采用選擇性激光燒結(jié)系統(tǒng)打印制造，打印材料為聚十二內(nèi)酰胺粉末，打印時將粉末均勻鋪開，按照模型輪廓信息利用二氧化碳激光器燒結(jié)，完成該層截面后，以成型部分作為支撐結(jié)構(gòu)鋪上新粉末，照此操作重復(fù)進(jìn)行直至工件完成。該方法具有成型速度快、打印材料利用率高、制造精度高、成型尺寸范圍廣等特點(diǎn)，在打印中填充惰性氣體作為保護(hù)氣體，整個打印過程中無需額外支撐工具，成型產(chǎn)品可通過高溫高壓蒸汽滅菌，滿足手術(shù)要求，實(shí)體成品如圖3所示。此外，應(yīng)該考慮3D打印過程中對成品質(zhì)量影響最大的三個因素：（1）激光系統(tǒng)的功率調(diào)整，隨著激光功率的增大，可以增加加工件的強(qiáng)度，但熔固收縮引起的卷縮會使工件形狀偏離控制。（2）掃描速度的控制，隨掃描速度的減小，可以減小工件誤差，增加工件強(qiáng)度，但會增加激光加熱時間及整體加工時間。（3）燒結(jié)間距與層厚的調(diào)整，隨著這兩個參數(shù)的增加可以提高成型效率，減少尺寸誤差，但同時會減小工件強(qiáng)度。（4）預(yù)熱過程的設(shè)置，為保障成型質(zhì)量，預(yù)熱是加工工藝中不可缺少的環(huán)節(jié)，如果工件加工過程中受熱不均，不僅會增加成型時間，還會增加后期翹曲、變形的風(fēng)險，因此，科學(xué)化的工藝參數(shù)對成品起到了決定性作用。

圖3 截骨導(dǎo)板制造成品

6 結(jié)束語

生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)的不斷發(fā)展使臨床醫(yī)學(xué)與計算機(jī)輔助設(shè)計、3D打印技術(shù)等先進(jìn)制造技術(shù)的聯(lián)系越來越緊密。手術(shù)截骨導(dǎo)板能在術(shù)中幫助醫(yī)生快速找到截骨部位并實(shí)現(xiàn)精確截骨，相關(guān)試驗證明，手術(shù)截骨導(dǎo)板能顯著減少術(shù)中出血量，減少手術(shù)時間，提高術(shù)后3個月膝關(guān)節(jié)HSS評分，增加膝關(guān)節(jié)活動度，改善下肢力線受力情況。本文重點(diǎn)研究了基于3D打印技術(shù)的截骨導(dǎo)板，以流程為導(dǎo)向介紹了影像數(shù)據(jù)提取、假體逆向技術(shù)、截骨導(dǎo)板成型設(shè)計、制造等內(nèi)容，為截骨導(dǎo)板后期實(shí)體制造、臨床應(yīng)用提供了理論依據(jù)。