申智敏,段宜强,叶 川,汪 健,陈世平

(贵州医科大学附属医院骨科，贵阳 550004)

从人体解剖学角度来说，髋臼解剖结构复杂，术中容易损伤周围神经及血管组织，增加患者手术风险[1]。通过数字化技术为患者制订精确化、最优化的手术方案，将手术进行虚拟设计能明显降低手术风险，具有通用性强、手术精度高、可视化等优点，成为髋臼骨折手术的重要方法[2]。有研究表明，利用3D打印技术对CT图像进行三维建模，并打印、制作出3D实物模型，让医生对手术进行有效的模拟，具有仿真性强、匹配性高等特点，成为提高临床手术的重要方法和桥梁[3]。然而，临床上对于髋臼骨折的应用相对较少[4]。本研究以本院收治髋臼骨折患者20例作为研究对象，探讨3D打印导航模块设计及联合数字化设计在髋臼骨折中的应用效果，现报道如下。

1 资料与方法

1.1一般资料 选取2015年1月至2017年6月本院收治髋臼骨折患者20例作为研究对象。纳入标准：(1)不稳定型髋臼骨折，均需要行手术治疗，且符合手术适应证；(2)头臼不匹配患者,伴有不同程度的骨折移位；(3)骨折复位后伴有坐骨神经、股神经麻痹。排除标准：(1)受伤时间超过3周者；(2)合并严重内科基础疾病者；(3)合并老年患者伴骨质疏松症及内固定难以牢固者。20例患者中男11例，女9例，年龄24～73岁，平均(45.42±4.56)岁。AO分型：A型9例，B型7例，C型4例。术前患者均行下肢多普勒血管超声检查排除血管损伤者，患者性别、年龄及AO分型比较，差异无统计学意义(P>0.05)，具有可比性。

1.2方法

1.2.1主要仪器 Mimics14.0(Belgium，Materialise公司)，3D打印机(Creator pro，闪铸科技有限公司)，64排128层容积CT(VCT)，MakerBot Replicator2、医用骨科内固定置入器械(山东威高集团有限公司)。

1.2.2数据处理 (1)数据采集。入组20例患者，采用VCT进行扫描，获得薄层CT数据，根据每位患者实际情况设置相关参数：电流A 200～≤250 mAs，扫描电压V 80～≤130 KV，扫描数据矩阵512×512，获得的数据采用DICOM格式进行保存，备用[5]。(2)数据的传输。选择手术传输方式将获得的数据传入到Mimics14.0软件中，选择“Import Image”命令，选择导入图像、数据，并且选择无损压缩模式，根据图像的左右方位、矢状图等确定前后方位后完成数据的导入[6-7]。(3)二维图像的制作。本研究CT数据采用骨窗与软组织窗扫描，并进行三维重建，结合横断面、矢状面、冠状面二维图像，选择合适的阈值范围，将获得图像的相关组织进行分离，生成二维骨组织轮廓，即原始蒙版。(4)蒙版的分割与编辑。在原始蒙版基础上运用“二维区域增长”功能选择与骨盆主体相互连接的骨质，结合横断面、矢状面及冠状面等选择对相应的骨折块，计算出骨盆蒙版的三维模型，检查确定所有的骨盆想过的关联骨折块是否具有相应的蒙版，然后进行三维重建[8-9]。(5)重建高仿真三维模型。根据模型的重建要求设置相关参数，选择“High”提高模型的质量，其余参数均为默认值，使得模型更加直观、逼真，具有更高的仿真度及可视化。在界面内对模型进行旋转、平移、放大及缩小，了解骨折线情况。(6)骨折块的分离。采用三维编辑方式完成图像的分割，利用“三维编辑”功能等对不同的骨折块进行分割(分割时根据从简到繁、先外后内的顺序)，并且对不同的骨折块进行命名，并采用不同的颜色进行区分。分割完毕后对蒙版进行三维重建[10-11]。(7)虚拟骨折复位。利用Edit mask in 3D将股骨头去除，利用平移、旋转等多角度进行观察，并且利用Reposition对骨折块进行平移、旋转等帮助其恢复正常的解剖结构[12]。(8)虚拟导航的设计。根据骨折分型结合临床选择合适的手术入路，并且利用Create Spline在复位模型上确定最佳的钢板置入位置，结合Spline中Measurements功能根据与钢板大小1∶1精确地确定钢板的置入位置、钉孔的位置，然后利用Creat Cylinder创建和临床开槽置入克氏针相同设定模拟钉道，根据每位患者实际情况选择合适的螺钉的位置、长度，完成螺钉长度的测量。利用MedCAD选择合适的直径圆柱体作为模拟粗坯覆盖需要的导航螺钉与骨面，根据骨折的位置、大小等调整其位置，导航方向及位置确定时必须避免重要的血管、神经，采用Boolean Oreration获得虚拟的导航轨道，见图1。(9)3D手术模拟。导航轨道确定后，对局部骨折复位模型进行打印，结合数字化方案完成钢板的预弯。预弯时首先确定钢板起始点后从钢板的一端贴合骨面然后进行缓慢的折弯，初次折弯后进行轻微调整，保证钢板与骨面完全贴合，借助3D打印导航模块复位骨折模型并采用克氏针置入模拟螺钉钉道，采用X射线进行扫描，导航钉道确定后将预弯钢板进行固定，采用CT进行扫描，比较3D模型现实模拟与虚拟涉及的钢板的位置、螺钉方向及螺钉长度情况，见图2[13]。

2 结 果

2.1临床数据分析 本课题中纳入髋臼骨折患者20例，全部进行结果分析数量，中途无脱落。

A、B：3D建模；C：虚拟钉道模拟图

图1 3D打印模板建立与导航模块设计

A：3D打印单一骨折块模型；B、C：利用3D打印模型模拟手术

图2 3D手术模拟情况

A、B：髋臼骨折三维重建图像；C：髋臼复位效果图

图3 3D打印导航模拟设计及联合数字化设计治疗髋臼骨折效果

2.23D打印导航模拟设计及联合数字化设计治疗髋臼骨折效果 通过3D打印导航模拟设计联合数字化设计模拟现实手术，共置入28根钢板，螺钉149枚，设计导航模块导航螺钉54枚。3D打印导航模拟设计联合数字化设计能为髋臼骨折制订最优化手术方案与个性化导航模块，通过术前虚拟与现实手术模拟，手术精度比较差异无统计学意义(P>0.05)。

2.3临床治疗效果 20例患者3D打印导航模块联合数字化设计手术下术前患者JOA评分为(9.60±2.21)分，术后为(25.41±3.41)分，治疗前、后JOA评分比较差异有统计学意义(P<0.05)。

2.4不良反应发生率比较 20例患者治疗后均无断钉、螺钉松动、感染等并发症发生。

3 讨 论

髋关节是人体最为重要的负重关节及活动关节，如果髋臼骨折后得不到及时有效的治疗，将会累及负重区关节面，影响髋臼力学的稳定性，而对于不稳定型髋臼骨折患者则需要手术治疗[14]。传统方法以开放性手术为主，手术过程中医生依靠X射线、CT扫描对骨折部位进行判断，根据术中探查结果确定重建钢板置入的位置，虽然能保证患者手术的顺利完成，但是手术精度相对较低，对于医生的专业技能要求较高，且患者术中耗时较长，出血量较多，术后并发症发生率较高，难以达到预期治疗效果[15]。

近年来，3D打印导航模块联合数字化设计在髋臼骨折中得到应用，且效果理想。3D打印导航模拟联合数字化设计能为髋臼骨折制订最优化手术方案与个性化导航模块，提高手术成功率，促进患者早期恢复[16]。近年来，随着医疗技术的不断发展，数字化技术得到进一步提高，计算机导航技术、机械人手术技术、虚拟手术模拟等高精技术在临床上得到广泛的应用[5]。本研究将数字化技术用于髋臼骨折中，通过对髋臼骨折患者CT数据和图像进行三维重建、虚拟守护模拟，能提高患者手术安全性及手术精度。虚拟手术又称为虚拟手术仿真系统，该方法基于医学图像数据，采用计算机图形学进行三维重建，构建出虚拟的人体组织模型，利用交互设备进行交互[17]。同时，利用虚拟手术系统为医生提供虚拟的3D环境，实现人机交互，使得医生对患者的手术能在术前进行模拟，发现手术过程中的注意点，有助于手术精度的提高。此外，3D打印导航模块联合数字化设计的使用具有直观性、零损伤及可视化等优点[18]。

首先，3D打印导航模块联合数字化设计通过患者的影像学数据图像能帮助医生制订合理、有效的手术方案，选择最佳的手术入路，减少手术创伤，有助于手术定位精度的提高，对于完成复杂的髋臼骨折，提高手术安全性具有重要的意义[19]。此外，利用3D打印导航模块联合数字化设计能对低年资医师进行培训，达到缩短手术培训学习曲线，虚拟数字化模型，减少了昂贵的实验模型需求，有助于降低培训成本。最后，3D打印导航模块联合数字化设计的使用还能对术中导航、监护等发挥作用，有助于患者手术成功率的提高[20]。通过数字化虚拟手术设计能为患者制订个性化的手术治疗方案，但如何将最佳的手术方案用于手术中一直没有相对有效的方法。本研究中，将3D打印技术用于髋臼骨折中最大的优势在于个性化置钉，通过数字化设计，能将患者的虚拟模型转换为3D实体模型，使得虚拟模型更加真实，主观感受更加深刻[21]。通过3D打印技术能在患者手术前打印出个性化的骨质模型，并且在患者术前进行模拟手术，能有效验证虚拟手术的可行性，发现虚拟手术存在的不足并及时进行修正，最终确定最佳的手术方案。同时，3D打印技术的使用能在术前辅助下选择合适的内固定物，有助于缩短手术时间，降低手术风险，大大提高了手术方案的可行性和有效性[22]。临床上，将3D打印导航模块联合数字化设计用于髋臼骨折中效果理想，能发挥不同技术的优势，能为髋臼骨折患者制订针对性的手术方案，且两者可以相互弥补，为髋臼骨折患者治疗提供依据和参考[23]。

虽然3D打印技术在髋臼骨折的应用具备巨大的潜力,但临床应用中仍存在一些问题：(1)3D打印材料比较昂贵和稀缺，限制其广泛应用。(2)3D建模目前仅对骨骼系统有较高的清晰度,而软组织数据比较缺乏,对血管及神经的走行考虑有所欠缺。(3)组织与生物力学性能之间相容性较差。(4)内置物导板的设计需同时具备一定的临床专业知识、计算机技术及Mimics软件的应用等知识,这对大部分临床骨科医师是严峻的挑战,需要多学科专业人才合作。但笔者相信随着影像技术精度的提高、新型材料的研发及多学科配合的增强，3D打印技术能做到高精度、高效率及低成本,能更好地指导手术和服务于医务工作者。

综上所述，3D打印导航模块联合数字化设计用于髋臼骨折中能制订最优的手术方案，提高手术治疗精度、安全性，提高手术成功率，具有广泛的运用前景。