王 蒙,鄭 冬,白克文,周雪峰，彭 軍，鮑 磊，周家寧

基于CT薄層掃描數(shù)據(jù)的3D打印技術(shù)在跟骨關(guān)節(jié)內(nèi)骨折手術(shù)治療中的應(yīng)用

王 蒙,鄭 冬,白克文,周雪峰，彭 軍，鮑 磊，周家寧

目的 探討基于CT薄層掃描數(shù)據(jù)的數(shù)字化設(shè)計和3D打印技術(shù)在跟骨關(guān)節(jié)內(nèi)骨折手術(shù)治療中的診療價值。方法 選擇2015年1月～2016年3月解放軍306醫(yī)院骨科收治的跟骨關(guān)節(jié)內(nèi)骨折患者19例，高處墜落傷15例，摔傷3例，道路交通傷1例,均為新鮮單側(cè)閉合性骨折。男性17例，女性2例；年齡21～56歲，平均38.8歲。Sander’s分型：Ⅱ型9例，Ⅲ型10例。采用64排螺旋CT行薄層掃描，Mimics軟件處理數(shù)據(jù)，通過閾值分割、區(qū)域增長以及蒙板編輯等完成骨折模型的三維重建，利用3D打印技術(shù)制作骨折等比例實體模型；在3D打印實體模型基礎(chǔ)上制定手術(shù)方案，模擬內(nèi)固定植入手術(shù)，最終將模擬鋼板位置、鋼板預(yù)彎、螺釘方向和長度等參數(shù)應(yīng)用于實際手術(shù)。結(jié)果 基于CT薄層掃描數(shù)據(jù)制作的3D打印實體模型可直觀地真實展示跟骨關(guān)節(jié)內(nèi)骨折的形態(tài)特點，8例患者均在術(shù)前模擬操作中明確鋼板植入位置、螺釘方向、螺釘長度并完成鋼板預(yù)塑形，手術(shù)過程順利，術(shù)中采用的固定鋼板位置、螺釘數(shù)量與螺釘長度均與術(shù)前計劃一致，術(shù)后復(fù)查X線片顯示跟骨關(guān)節(jié)內(nèi)骨折復(fù)位固定滿意，鋼板及螺釘在位良好。結(jié)論 基于CT薄層掃描數(shù)據(jù)的3D打印技術(shù)可快速制作跟骨關(guān)節(jié)內(nèi)骨折實體模型，在此基礎(chǔ)上完成手術(shù)模擬及手術(shù)方案設(shè)計，其應(yīng)用于跟骨關(guān)節(jié)內(nèi)骨折手術(shù)治療的臨床可行性良好。

跟骨骨折； 3D打??； 手術(shù)模擬； 數(shù)字化設(shè)計

足踝部骨折臨床常見，其中跟骨骨折是最常見的跗骨骨折，占跗骨骨折的60%，占全身骨折的2%，約75%為關(guān)節(jié)內(nèi)骨折[1]。與其他部位相比，跟骨及周圍具有骨骼和韌帶形狀復(fù)雜、數(shù)量多、局部軟組織覆蓋質(zhì)量差及關(guān)節(jié)面曲率復(fù)雜獨特等解剖學(xué)特點。因此，跟骨骨折的診斷和處理較為困難，而制定合理優(yōu)化的治療策略是保證跟骨骨折治療成功的關(guān)鍵。目前，常根據(jù)基于CT冠狀面骨折線分類的Sander’s分型[2-3]對跟骨骨折進(jìn)行分類、手術(shù)設(shè)計及預(yù)后評估，這種治療設(shè)計缺乏三維立體結(jié)構(gòu)顯示及精準(zhǔn)的骨折結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，無法與手術(shù)器械精確擬合。近年來隨著數(shù)字仿真建模技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字虛擬逐漸應(yīng)用到臨床診斷、治療及實驗研究中[4-5]。本研究旨在探討基于CT薄層掃描數(shù)據(jù)的3D打印技術(shù)(three-dimensional printing technology)在跟骨關(guān)節(jié)內(nèi)骨折術(shù)前設(shè)計和實施過程中應(yīng)用的可行性, 為跟骨骨折個性化治療提供依據(jù)。

資料與方法

1 一般資料

選擇2015年1月～2016年3月收治的跟骨關(guān)節(jié)內(nèi)骨折患者19例，男性17例，女性2例；年齡21～56歲，平均38.8歲。高處墜落傷15例，摔傷3例，道路交通傷1例。 Sander’s分型：Ⅱ型9例，Ⅲ型10例；均為新鮮單側(cè)閉合性骨折。排除跟骨開放性骨折、病理性骨折、非手術(shù)治療及多發(fā)傷患者。傷后72h內(nèi)入院，入院后完善術(shù)前檢查，采用64排螺旋CT行薄層掃描；傷后7～14d進(jìn)行手術(shù)。19例均獲得12個月隨訪。

2 術(shù)前準(zhǔn)備

2.1 硬件和軟件 雙源64排螺旋CT，CT掃描層厚0.5～1mm(德國SIEMENS公司)，掃描數(shù)據(jù)以DICOM格式刻錄DVD光盤的形式輸出。Dell T7610圖形工作站(美國Dell公司)，Windows 7 Ultimate 64 bit操作系統(tǒng)；醫(yī)學(xué)三維重建軟件Mimics 14.0(比利時Materialise公司)，3D打印機(jī)MakerBot Replicator 2X(美國MakerBot公司)。

2.2 三維重建和3D打印 采集患者跟骨骨折薄層CT掃描數(shù)據(jù)，以DICOM格式導(dǎo)入Mimics 14.0軟件中，調(diào)整閾值進(jìn)行三維重建以及簡單光滑處理，選擇修正編輯后可將相鄰骨塊分離為獨立掩碼模塊(Mask)，實施三維重建獲得骨折三維模型，多維度觀察骨折情況。將三維重建數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為STL格式文件，導(dǎo)入3D打印機(jī)軟件MakerBot中，調(diào)整打印方位并打印出仿真患者1∶1骨折模型(圖1)。

2.3 體外模擬手術(shù) 根據(jù)骨折三維模型確定需要固定的關(guān)鍵骨折塊、復(fù)位順序以及固定范圍，基于數(shù)字化設(shè)計的手術(shù)方案，把所有的骨折塊進(jìn)行復(fù)位，形成骨折復(fù)位模型，在復(fù)位模型上選擇鋼板，確定鋼板植入位置并對植入患者體內(nèi)的鋼板進(jìn)行預(yù)彎，并根據(jù)虛擬手術(shù)的最佳螺釘植入方向記錄每顆螺釘?shù)臄?shù)據(jù)(圖2)。

圖1 患者男性，42歲，高處墜落致左跟骨骨折X線片、CT及三維重建。a.術(shù)前X線片；b.CT；c.三維重建

圖2 利用3D打印等比例模型體外模擬手術(shù)。a.觀察實體模型并模擬復(fù)位；b.預(yù)彎鋼板并模擬進(jìn)針

3 手術(shù)方法

患者取側(cè)臥位，患肢和健肢呈剪刀樣擺放。常規(guī)消毒鋪巾并應(yīng)用充氣止血帶，取擴(kuò)大外側(cè)切口，常規(guī)顯露骨折，按照模擬設(shè)計的手術(shù)方案，遵循骨折AO治療原則復(fù)位骨折并臨時固定，將模擬手術(shù)中最佳鋼板位置、預(yù)塑形鋼板、螺釘方向和長度等參數(shù)應(yīng)用于實際手術(shù)完成內(nèi)植物置入，C型臂X線機(jī)透視確認(rèn)內(nèi)植物固定滿意后置引流管并關(guān)閉切口，術(shù)后常規(guī)處理并定期隨訪復(fù)查。

4 統(tǒng)計學(xué)分析

應(yīng)用SPSS 17.0統(tǒng)計軟件進(jìn)行分析。螺釘長度比較采用配對樣本t檢驗，把每個病例的實際應(yīng)用螺釘長度與3D打印模型模擬手術(shù)中的相對應(yīng)的螺釘長度進(jìn)行一對一配對比較，相關(guān)關(guān)系采用Pearson相關(guān)分析。P<0.05為差異有顯著性意義。

結(jié) 果

基于CT薄層掃描數(shù)據(jù)制作的3D打印1∶1實體模型立體感強(qiáng)，可直觀地真實展示跟骨關(guān)節(jié)內(nèi)骨折的形態(tài)特點。本組19例患者均利用3D打印技術(shù)制定了手術(shù)方案，均在術(shù)前模擬操作中明確鋼板植入位置、螺釘方向、螺釘長度并完成鋼板預(yù)塑形，手術(shù)過程順利，術(shù)中按術(shù)前手術(shù)方案進(jìn)行手術(shù)。采用的固定鋼板、螺釘數(shù)量與螺釘長度均與術(shù)前計劃一致，手術(shù)中實際應(yīng)用螺釘與3D打印模型模擬手術(shù)中相對應(yīng)螺釘?shù)拈L度比較無明顯差異(P>0.05)，相關(guān)系數(shù)為r=0.993，P<0.05呈正相關(guān)。術(shù)后復(fù)查X線片顯示跟骨關(guān)節(jié)內(nèi)骨折復(fù)位固定滿意，鋼板及螺釘在位良好(圖3)。本組患者切口均一期愈合，隨訪12個月骨折全部獲得骨性愈合。

圖3 術(shù)后復(fù)查X線片示復(fù)位固定良好

討 論

1 3D打印技術(shù)在骨科個性化治療中的應(yīng)用

3D打印技術(shù)，又稱快速原型制造(rapid prototyping and manufacturing，簡稱RP或RP&M)或增材制造(additive manufacturing)技術(shù)，是20世紀(jì)80年代后期開始逐漸興起的一種將“去除材料”的傳統(tǒng)加工方法變?yōu)椤霸黾硬牧稀奔庸し椒ǖ男滦椭圃旒夹g(shù)[6]。它是指在計算機(jī)控制下，根據(jù)物體的計算機(jī)輔助設(shè)計模型(CAD)或者計算機(jī)斷層掃描數(shù)據(jù)(CT)等，通過材料的精確3D堆積，快速制造任意復(fù)雜形狀3D物體的新型數(shù)字化成型技術(shù)。3D打印技術(shù)的基本制造原理和過程就是“分層制造，逐層疊加”。目前，3D打印技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用主要有：器官模型的制造與手術(shù)術(shù)前規(guī)劃、個性化組織工程支架和假體植入物制造、細(xì)胞或組織打印等方面。隨著3D打印技術(shù)逐漸滲透到骨科臨床工作中，這一技術(shù)使得骨科患者的診治能夠在共性化的基礎(chǔ)上進(jìn)行個性化的手術(shù)治療，用共性化的知識進(jìn)行個性化的設(shè)計，達(dá)到最優(yōu)化的手術(shù)效果[7-9]。首先，在術(shù)前方案設(shè)計方面，運用3D打印技術(shù)術(shù)前構(gòu)建出等比例的3D模型，可以輔助與患者的溝通，可以使術(shù)者在術(shù)前對疾病有充分的評估和判斷；根據(jù)準(zhǔn)確的診斷和分型，在模型上模擬手術(shù)操作，制定出最適宜的個性化手術(shù)方案及風(fēng)險處置方案，最終完善的手術(shù)規(guī)劃將使手術(shù)操作的安全性大大提高，使手術(shù)過程順暢，提供手術(shù)效率[10-12]。而且，等比例3D實物模型還可以用于手術(shù)操作演練的教學(xué)展示，縮短下級醫(yī)師的學(xué)習(xí)曲線，并指導(dǎo)患者術(shù)后的康復(fù)治療；其次，3D打印植入物的應(yīng)用具有獨特的優(yōu)勢，量身定制，完美匹配，充分考慮骨肌系統(tǒng)病患的個體特征，滿足不同性別、人種、宗教、運動習(xí)慣和職業(yè)等的個體需要，從而實現(xiàn)治療決策與治療技術(shù)的優(yōu)化。根據(jù)患者自身病變的數(shù)字化模型通過專業(yè)軟件進(jìn)行逆向重建，科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，客觀性強(qiáng)。現(xiàn)階段骨科臨床上對金屬3D打印技術(shù)的研究主要集中在以下兩個方面：

一方面是臨床上根據(jù)復(fù)雜病例的解剖結(jié)構(gòu)和植入物的要求進(jìn)行設(shè)計制造，植入后達(dá)到重建解剖形態(tài)，恢復(fù)功能的目的[13]；另一方面則是金屬多孔結(jié)構(gòu)的探究，可使其彈性模量等力學(xué)參數(shù)更接近骨骼，從而提供更好的匹配。從生物學(xué)角度來看，好的微孔結(jié)構(gòu)還能夠促進(jìn)細(xì)胞長入甚至誘導(dǎo)成骨，從而使植入物與骨骼緊密結(jié)合[14]。此外，3D打印技術(shù)可應(yīng)用于個體化定制手術(shù)導(dǎo)航模板，提高手術(shù)的精確性。3D打印產(chǎn)品具有精準(zhǔn)、復(fù)雜成型及個體化的特點，可以滿足醫(yī)師在復(fù)雜骨科手術(shù)中輔助復(fù)位、準(zhǔn)確置釘及精確截骨的需求。目前手術(shù)置釘導(dǎo)航模板，包括骨盆導(dǎo)航模板、脊柱導(dǎo)航模板、關(guān)節(jié)導(dǎo)航模板等，已逐漸應(yīng)用于臨床，大大提高了外科手術(shù)的精確性與安全性[15-16]。在3D打印技術(shù)出現(xiàn)以前，定制個體化手術(shù)導(dǎo)板需要設(shè)計導(dǎo)板，安排工期進(jìn)行切割加工，耗費時間且成本高昂。而3D打印出現(xiàn)以后，在計算機(jī)上可以直接設(shè)計出導(dǎo)板后進(jìn)行打印，使該技術(shù)可以推廣。

2 足踝外科個性化治療的臨床特點

如何獲得精確復(fù)位以及解剖結(jié)構(gòu)的良好恢復(fù)，是足踝外科領(lǐng)域的熱點和難點問題。足踝部骨骼多，形態(tài)復(fù)雜，對該部位進(jìn)行手術(shù)需術(shù)者具有扎實的解剖知識，較強(qiáng)的空間想象能力，豐富的臨床經(jīng)驗和完善的術(shù)前設(shè)計[17]。傳統(tǒng)的骨科手術(shù)術(shù)前設(shè)計依賴于體檢和影像學(xué)檢查，醫(yī)師主要根據(jù)患者X線片、CT及MRI等二維圖像來獲取骨折部位的信息，與在丟失了很多細(xì)節(jié)信息的X線二維圖像上進(jìn)行經(jīng)驗判斷相比，CT及MRI掃描提供了更多的細(xì)節(jié)信息，其手術(shù)規(guī)劃也經(jīng)歷了從X線上用標(biāo)尺進(jìn)行平面的比對測量，到三維重建下進(jìn)行立體空間中點對點的測量。但即使如此，醫(yī)師仍然需要根據(jù)二維或三維平面圖像結(jié)合解剖學(xué)知識，憑借自身的空間立體構(gòu)象能力在大腦中還原真實骨折情況；而由于骨骼為立體結(jié)構(gòu)，加之一些不規(guī)則骨的解剖形態(tài)較為復(fù)雜，在平面圖像上很難重現(xiàn)骨折原貌，導(dǎo)致醫(yī)師對骨折的診斷、分型、空間形態(tài)認(rèn)識不足，即使是有經(jīng)驗的醫(yī)師，患者個體化差異仍可導(dǎo)致手術(shù)難度增大和操作時間增加[18]。

3 數(shù)字技術(shù)為足踝外科個性化治療的實現(xiàn)提供幫助

個體化治療和精準(zhǔn)醫(yī)療是骨科的一個重要發(fā)展方向，隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，為足踝部骨折患者實現(xiàn)個性化、精確化手術(shù)的目標(biāo)提供了技術(shù)條件。其中基于數(shù)字化技術(shù)的3D打印技術(shù)在虛擬與現(xiàn)實之間架設(shè)了一座橋梁，成為公認(rèn)的符合個性化醫(yī)療理念的方法[4，19]。本組病例使用CT薄層掃描數(shù)據(jù)制作的3D打印等比例實體模型立體感強(qiáng)，可直觀地真實展示跟骨關(guān)節(jié)內(nèi)骨折的形態(tài)特點，可使用鋼板以及骨折復(fù)位的3D打印模型體外模擬鋼板植入手術(shù)，在術(shù)前模擬操作中明確鋼板植入位置、螺釘方向、螺釘長度并完成鋼板預(yù)塑形，手術(shù)過程順利，術(shù)中按術(shù)前設(shè)計方案進(jìn)行手術(shù)，優(yōu)化選擇的鋼板在術(shù)中與骨面達(dá)到良好匹配，而且鋼板模擬植入的位置與虛擬設(shè)計方案一致，采用的螺釘數(shù)量與螺釘長度均與術(shù)前計劃一致，驗證了虛擬方案的準(zhǔn)確性以及可靠性。

4 展望

隨著計算機(jī)技術(shù)及材料科學(xué)的不斷進(jìn)步， 3D打印技術(shù)可以把虛擬的手術(shù)設(shè)計方案轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實手術(shù)的實施過程，提供了一種虛擬向現(xiàn)實轉(zhuǎn)化的有效途徑，相信隨著3D打印成本的下降，3D打印技術(shù)的不斷改進(jìn)以及個體化生產(chǎn)法律瓶頸的解除，其有潛力成為骨科個體化、精確化治療的有力工具，這對骨科手術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化具有積極的推動意義，將使骨科手術(shù)進(jìn)入一個新的時代。

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(本文編輯： 郭 衛(wèi))

The application of digital design and three-dimensional printing technology in the surgical treatment of intra-articular calcaneal fractures

WANGMeng,ZHENGDong，BAIKe-wen,ZHOUXue-feng,PENGJun,BAOLei,ZHOUJia-ning
(Department of Orthopaedics,The 306 Hospital of PLA,Beijing 100101,China)

Objective To investigate the application of 3D printing and digital technology based on CT thin-layer scanning data in preoperative assessment and planning of internal fixation surgery for intra-articular calcaneal fractures. Methods From Jan. 2015 to Mar. 2016,19 cases with intra-articular calcaneal fractures were selected for the surgery. Among the patients, 17 were males and 2 were females with an average age of 38.8(21-56) years. Fifteen cases were injured from high falling,3 from falls and 1 from road traffic accident. All fractures were unilateral and fresh. According to Sander’s classification,there were 9 cases of type Ⅱ,and 10 cases of type Ⅲ. The date of thin-slice CT scan was imported into Mimics software as DICOM format. Three-dimensional reconstruction of the fracture model was performed on the CT image segmentation,regional growth and mask editing by Mimics software. 3D printing technology was used to print the fracture models. 3D printing model was used for the operative planning of digital design and the simulation operation was completed. Then the operation was implemented according to the parameters in virtual preoperative design,such as fixation position of the plates,the pre-bending of the steel plate,the direction and length of the screw and other parameters used in the actual operation. Results Based on thin-slice CT scan data,3D printing solid model intuitively showed real form characteristics of the intra-articular calcaneal fractures. The plate location,direction of screw,screw length and the preliminary shaping of plate were determined in the preoperative simulation operation of all 8 cases. After smooth operation,the parameters of orientation,length,diameter,and angle in the operation were all consistent with the preoperative plan. The postoperative X-ray films showed good reduction,satisfactory fixation，and plate and screw in good position. Conclusion 3D printing technology based on thin-slice CT scan data can be used to quickly create a solid model of intra-articular calcaneal fracture for virtual simulation surgery and protocol design of surgery. This technique can be applied for the treatment of intra-articular calcaneal fractures with good clinical feasibility.

calcaneal fracture; three-dimensional printing； simulation operation； digital design

100101 北京，解放軍306醫(yī)院骨科

·論 著·

1009-4237(2017)06-0421-05

R 683

A

10.3969/j.issn.1009-4237.2017.06.005

2016-07-20；

2016-09-16)