王 晶，烏日開西·艾依提*，艾合買提江·玉素甫

1 新疆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047；2 新疆醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院顯微修復(fù)外科，新疆 烏魯木齊 830054

1 引 言

3D 打印技術(shù)是通過CAD 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采用材料逐層累加的方法制造實(shí)體零件的技術(shù)，在消費(fèi)電子產(chǎn)品、汽車、航天航空、醫(yī)療、軍工、藝術(shù)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1]。3D 打印技術(shù)與醫(yī)療相結(jié)合在輔助外科手術(shù)、個(gè)性化醫(yī)療器械、組織工程、醫(yī)學(xué)教育與基礎(chǔ)科研方面擁有極佳的應(yīng)用前景[2]，尤其是在骨科中得到了越來越多的關(guān)注及應(yīng)用研究[3-5]。

外固定器固定是治療骨折時(shí)常見的固定方式之一，醫(yī)生通常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇外固定的類型、安裝位置及Schanz 釘?shù)臄?shù)量[6-8]，如圖1 所示為脛骨骨折的外固定方式。當(dāng)固定方案不合理時(shí)會(huì)造成外固定的穩(wěn)定性差甚至導(dǎo)致Schanz 釘斷裂。在傳統(tǒng)骨折治療的生物力學(xué)研究中，常使用簡(jiǎn)化的骨模型或尸體骨通過萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)、位移傳感器、粘貼應(yīng)變片的方法對(duì)外固定的穩(wěn)定性進(jìn)行研究[9-11]；簡(jiǎn)化的骨模型與某一具體病人的骨折情況存在差異，每根尸體骨之間的力學(xué)性能也存在差距，且足夠數(shù)量、尺寸一致的新鮮尸體骨來源有限；測(cè)量過程中使用萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)無法測(cè)量單根Schanz 釘?shù)淖冃瘟?、?yīng)變片和位移傳感器采集到離散的點(diǎn)在反映變形的完整性方面有所不足。學(xué)者們?yōu)榱耸狗治鼋Y(jié)果更接近患者的真實(shí)情況，利用逆向工程重構(gòu)患者的骨骼進(jìn)行數(shù)值模擬分析[12]，運(yùn)用3D 打印技術(shù)制作骨模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析并制定了個(gè)性化的治療方案[13-15]。劉豫鑫等[16]采用三維全場(chǎng)變形測(cè)量的方法研究了鎖定鋼板工作長度的生物力學(xué)，但所用的簡(jiǎn)單骨模型與脛骨解剖形態(tài)存在差異，對(duì)植入物的穩(wěn)定性結(jié)果產(chǎn)生影響。

圖1 外固定器固定脛骨示意圖Fig.1 Schematic diagram of the external fixator fixing tibia

本文采用逆向工程和3D 打印技術(shù)相結(jié)合的方法重構(gòu)了骨折患者的1：1 的脛骨骨折模型，在測(cè)量方法上采用了XTDIC 三維全場(chǎng)變形測(cè)量系統(tǒng)對(duì)Orthofix單邊外固定器的整體變形進(jìn)行精確的測(cè)量，以便探索更加合理的、個(gè)性化的固定方案，為醫(yī)生制定手術(shù)方案提供依據(jù)。

2 骨折模型的建立

合作醫(yī)院(新疆醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院)的醫(yī)生希望針對(duì)不同的骨折患者來制定個(gè)性化的固定方案，因此可以利用逆向工程建立骨折模型進(jìn)行針對(duì)性地分析。雖然3D 打印骨模型與真實(shí)骨的力學(xué)性能不同，但是Schanz 釘變形的趨勢(shì)相同。本研究采用一名34歲女性脛骨骨折患者的腿部CT 數(shù)據(jù)(經(jīng)醫(yī)生與患者溝通，患者同意使用CT 數(shù)據(jù)，并通過倫理審查)。應(yīng)用醫(yī)學(xué)影象處理軟件Mimics(Materialise Company，比利時(shí))對(duì)CT 數(shù)據(jù)進(jìn)行閾值分割、區(qū)域增長等處理提取脛骨干骨折模型并保存為3D 打印所通用的STL 格式，再導(dǎo)入到3D 打印機(jī)(Z18，MakerBot，美國)中進(jìn)行打印，繼而進(jìn)行生物力學(xué)分析，圖2 為骨折模型制作流程圖。

圖2 骨折模型制作流程圖Fig.2 The flow chart of the fracture model making

3 實(shí)驗(yàn)方案

3.1 設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)方案

本研究主要對(duì)脛骨干外固定方式中的Schanz 釘在針夾上的分布A和最外側(cè)Schanz釘?shù)焦钦蹟喽说木嚯xB 和脛骨到外固定器的距離C 三種因素綜合考慮，根據(jù)患者的主治醫(yī)師所提出的要求確定每個(gè)因素的三個(gè)水平，采用L9(33)正交表進(jìn)行正交試驗(yàn)，對(duì)外固定器的生物力學(xué)進(jìn)行測(cè)試，確定最佳因素水平的固定方案，保證外固定的穩(wěn)定性。所選因素與水平如表1 所示，Schanz 釘在脛骨上的分布試驗(yàn)方案見表2。

表1 因素與水平表Table 1 Factor and level table

表2 正交試驗(yàn)表Table 2 Orthogonal test table

3.2 三維全場(chǎng)變形測(cè)量

本次實(shí)驗(yàn)最大軸向載荷為370 N，對(duì)應(yīng)一個(gè)體重為74 kg 的成年人雙足站立時(shí)脛骨所承受的軸向負(fù)荷。將骨折模型兩端用環(huán)氧樹脂固化，并用Orthofix 單邊外固定器(10119，蘇州悅來醫(yī)療器械有限公司，中國)固定，確保骨折間隙的兩端在軸向加載的過程中沒有接觸，外固定系統(tǒng)置于自制的壓縮試驗(yàn)機(jī)上，載荷通過貫通式步進(jìn)電機(jī)的絲桿施加，保證軸向壓縮時(shí)載荷傳遞模擬生理?xiàng)l件下力線的傳遞，其速度可由步進(jìn)電機(jī)手輪控制器調(diào)節(jié)。根據(jù)表2 試驗(yàn)編號(hào)依次進(jìn)行壓縮實(shí)驗(yàn)，加載至370 N，循環(huán)加載5 次，采用由兩組Basler相機(jī)組成的 XTDIC 三維全場(chǎng)變形測(cè)量系統(tǒng)(XTDIC-CONST-SD，新拓三維技術(shù)有限公司，中國)，一組測(cè)量骨折斷端以上的Schanz 釘，一組測(cè)量骨折斷端以下的Schanz 釘。為了精確得到Schanz 釘?shù)娜S點(diǎn)的數(shù)據(jù)，將兩組Basler 相機(jī)標(biāo)定在一個(gè)坐標(biāo)系內(nèi)，利用其非接觸性、無破壞性、高精度、測(cè)量速度快的特點(diǎn)，可以得到更加準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。實(shí)驗(yàn)中以200 Hz的頻率同時(shí)對(duì)外固定器上下的Schanz 釘?shù)淖冃芜M(jìn)行測(cè)量，如圖3 所示。圖4 為三維全場(chǎng)變形測(cè)量系統(tǒng)所采集的脛骨到外固定器之間Schanz 釘?shù)奈灰圃茍D。

圖3 實(shí)驗(yàn)展示圖Fig.3 Experiment display diagram

圖4 Schanz 釘位移云圖。(a)方案A1B1C1；(b)方案A1B2C2；(c)方案A1B3C3；(d)方案A2B1C2；(e)方案A2B2C3；(f)方案A2B3C1；(g)方案A3B1C3；(h)方案A3B2C1；(i)方案A3B3C2Fig.4 Schanz nail displacement cloud map.(a)Scheme A1B1C1;(b)Scheme A1B2C2;(c)Scheme A1B3C3;(d)Scheme A2B1C2;(e)Scheme A2B2C3;(f)Scheme A2B3C1;(g)Scheme A3B1C3;(h)Scheme A3B2C1;(i)Scheme A3B3C2

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

4.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在正交試驗(yàn)不同因素水平的組合下，利用三維全場(chǎng)變形測(cè)量系統(tǒng)得到Schanz 釘?shù)娜S點(diǎn)坐標(biāo)，通過創(chuàng)建截線的方式可輸出Schanz 釘上某一條線的三維信息。Schanz 釘變形量與脛骨到外固定距離d的關(guān)系如圖5 所示，圖5(a)～5(i)分別對(duì)應(yīng)試驗(yàn)1～9?？傮w上來說，外固定器上下兩端Schanz 釘?shù)淖冃瘟肯嗖钶^小。當(dāng)Schanz 釘數(shù)量相同時(shí)脛骨到外固定器的距離越小，Schanz 釘?shù)淖冃瘟吭叫。划?dāng)脛骨到外固定器的距離一定時(shí)，隨著Schanz 釘數(shù)量減少，外固定器上每根Schanz 釘?shù)淖冃瘟吭龃?。不同的方案Schanz 釘向上或向下變形的趨勢(shì)不同。

圖5 Schanz 釘?shù)淖冃瘟颗c距離的關(guān)系圖。(a)方案A1B1C1；(b)方案A1B2C2；(c)方案A1B3C3；(d)方案A2B1C2；(e)方案A2B2C3；(f)方案A2B3C1；(g)方案A3B1C3；(h)方案A3B2C1；(i)方案A3B3C2Fig.5 The relationship between the deformation of Schanz′s nails and the distance.(a)Scheme A1B1C1;(b)Scheme A1B2C2;(c)Scheme A1B3C3;(d)Scheme A2B1C2;(e)Scheme A2B2C3;(f)Scheme A2B3C1;(g)Scheme A3B1C3;(h)Scheme A3B2C1;(i)Scheme A3B3C2

各試驗(yàn)組Schanz 釘?shù)淖冃瘟恳姳?。對(duì)各試驗(yàn)組的剛度進(jìn)行比較可以看出A1B2C2的剛度最好，見圖6。外固定器在加載方向上的剛度由公式KF=F/X導(dǎo)出，F(xiàn)表示施加在脛骨平臺(tái)上的外力，X表示Schanz 釘?shù)淖冃瘟俊?/p>

圖6 9 組脛骨骨折外固定模型剛度比較Fig.6 Comparison of the stiffness of 9 groups of tibial fracture external fixation models

表3 各試驗(yàn)組Schanz 釘?shù)淖冃瘟縏able 3 Deformation of Schanz′s nail in each experimental group

4.2 分析與討論

通過對(duì)脛骨外固定系統(tǒng)中Schanz 釘?shù)淖冃瘟恐庇^分析表明：極差RC＞RA＞RB，所以實(shí)驗(yàn)中各因素對(duì)Schanz 釘變形量影響的主次順序?yàn)橥夤潭艿矫劰堑木嚯x(C)、Schanz 釘在針夾上的位置(A)、外側(cè)Schanz釘?shù)焦钦蹟喽说木嚯x(B)，Schanz 釘變形量越大外固定器的穩(wěn)定性越差。在A 因素下K1＜K3＜K2，可知A1為因素A 的最佳方案；故分析可知B2、C2為因素B、C的最佳方案，見表4。

表4 變形量直觀分析表Table 4 Intuitive analysis table of deformation

通過對(duì)變形量數(shù)據(jù)方差分析表明：FA的伴隨概率pA(0.00018)、FB的伴隨概率pB(0.013)、FC的伴隨概率pC(0.00006)均小于顯著性水平(0.05)，即三種因素的不同水平對(duì)Schanz 釘?shù)淖冃瘟慨a(chǎn)生了顯著影響。同時(shí)由pC＜pA＜pB可得出影響Schanz 釘變形量的因素主次順序?yàn)镃、A、B，如表5 所示。

表5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果變形量數(shù)據(jù)方差分析表Table 5 Analysis of variance table of experimental results deformation data

在相同載荷下的條件下，外固定器到脛骨的距離為30 mm時(shí)，Schanz釘作為懸臂梁所承受的彎矩最小，其變形也就最小。Schanz 釘?shù)臄?shù)量增多時(shí)，外固定器上每根釘子所承受的載荷減小。當(dāng)Schanz 釘數(shù)量相同時(shí)，Schanz 釘在針夾上的分布對(duì)外固定器的穩(wěn)定性也有影響，即Schanz 釘在針夾1、3 位置的變形量小于在1、2 位置的變形量，相鄰的Schanz 釘在脛骨上的跨度越小時(shí)脛骨所受的約束力越集中，外固定系統(tǒng)越不穩(wěn)定。當(dāng)Schanz 釘離骨折斷端越遠(yuǎn)，外固定器的工作長度越大，穩(wěn)定性越差；但Schanz 釘離骨折斷端越近，施加在脛骨平臺(tái)上的載荷對(duì)Schanz 釘?shù)臄_動(dòng)越大，脛骨外固定系統(tǒng)的穩(wěn)定性越差，所以外側(cè)Schanz釘?shù)焦钦蹟喽说木嚯x為120 mm 時(shí)，脛骨外固定系統(tǒng)的穩(wěn)定性最好。經(jīng)與醫(yī)生討論，該實(shí)驗(yàn)方案得到的結(jié)果與醫(yī)生前期開展的相似病例治療的結(jié)果吻合，醫(yī)生認(rèn)為力學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚨?、直觀的分析每根Schanz 釘?shù)氖芰η闆r，可為醫(yī)生制定手術(shù)方案提供參考。

5 結(jié) 論

本文通過逆向工程與3D 打印技術(shù)相結(jié)合的方法制作了一名34 歲女性患者的脛骨干骨折模型，并對(duì)骨折外固定器的生物力學(xué)進(jìn)行了分析，主要結(jié)論如下：

1)針對(duì)不同骨折的患者利用逆向工程和3D 打印相結(jié)合的方式制作1：1 的骨折模型，并進(jìn)行外固定方式的實(shí)驗(yàn)研究，有助于準(zhǔn)確地為其提供個(gè)性化的治療方案。

2)Schanz 釘在針夾上的位置、外側(cè)Schanz 釘?shù)焦钦蹟喽说木嚯x和外固定器到脛骨的距離三個(gè)因素對(duì)Schanz 釘?shù)淖冃瘟亢蛣偠染杏绊懀彝夤潭ㄆ鞯矫劰堑木嚯x對(duì)其影響最顯著。

3)通過對(duì)三種因素不同水平下Schanz 釘?shù)淖冃瘟糠治觯?dāng)Schanz 釘在針夾上的位置為1、2、3，外側(cè)Schanz 釘?shù)焦钦蹟喽说木嚯x為120 mm 和外固定器到脛骨的距離為30 mm 時(shí)為最優(yōu)方案，且外固定器的剛度最大，即6 根Schanz 釘分別置于兩截?cái)喙堑闹胁繒r(shí)，外固定器到脛骨的距離越小，外固定器的剛度越好。