3D打印结合数字化设计在髋臼骨折中的应用研究

摘要

目的：
　　鉴于髋臼骨折临床手术治疗的困难与挑战，本课题拟应用3D打印技术结合数字骨科学通过精确、全面的术前虚拟手术设计，3D打印模型并进行真实、准确的术前手术模拟以及术中规范、有效地执行手术方案，从基础与临床两方面探讨髋臼骨折微创化、精确化、个性化治疗的可行性。
　　方法：
　　1、临床数据采集与转换
　　给予髋臼骨折患者骨盆及股骨上端薄层CT扫描，扫描条件: CT扫描部位选择骨盆及股骨上段，扫描螺距≤1.0mm，扫描电流200-250mAs，扫描电压80-130kv，矩阵:512×512，扫描数据以DICOM格式输出保存。基础部分研究数据来源于广西贵港医院2013-2014年度收治的52例髋臼骨折患者数据。临床部分研究数据来源于南方医科大学第三附属医院2014-2015年度收治的10例髋臼骨折病例数据。
　　2、高精度虚拟复位模型建立
　　2.1 去股骨头骨盆模型建立
　　将骨盆CT扫描数据导入三维重建软件Mimics14.11中，利用软件中的“选定阈值”，“区域增长”功能建立包括第五腰椎和股骨头的骨盆三维模型，再利用“三维编辑”功能进行图像分割去除股骨头、第五腰椎的轮廓信息，即生成各自对应的“蒙板”，通过计算“蒙板”信息，生成对应的三维模型，用不同颜色显示不同结构三维模型，根据需要选择任意角度观察骨折情况以及髋臼关节面和股骨头骨折累及情况，重建的三维模型以Mimics Document(.mcs)格式进行保存。
　　2.2 骨折块分离模型建立
　　利用股骨头三维模型，运用Mimics软件中“三维编辑”模块中的“三维区域增长”、“显示”、“隐藏”、“反选”、“分离”等功能以骨折线为参考，将骨折块分离为单个“蒙板”，当骨折线不明显或者未完全分离时，以骨折线延伸方向为参考分离骨折块，通过计算“蒙板”3D信息，生成对应骨折块单一模型，每个骨折块模型具备单一颜色显示。通过旋转、平移等方式全方位观察骨折情况，确定骨折类型，骨折块分离模型以Mimics Document(.mcs)格式进行保存。
　　2.3 虚拟复位骨盆模型建立
　　利用骨折块分离模型通过Mimics软件中“simulation”模块中“复位”功能将各个单一骨折块通过“旋转”、“平移”等方式以位置相对恒定骨折块或者对侧骨盆为参考调节各个骨折块之间相对位置，恢复各个骨折块以及髋臼关节面正常解剖关系，将各个复位骨折块应用“合并”功能生成单一复位模型应用于手术方案设计。单个骨折块模型与复位骨折模型均以“STL”格式导出应用于3D打印。
　　3、最优化虚拟手术方案制定
　　3.1 最佳手术入路选择
　　本研究以最小创伤，最精确、有效内固定为原则选择手术入路，髋臼前柱、四方体部分骨折选择腹直肌旁入路，髋臼后柱及后壁骨折采用K-L入路，同时合并髋臼前后部分骨折采用腹直肌旁入路结合K-L入路。
　　3.2 虚拟内固定植入
　　利用Mimics软件“创建曲线”功能在复位模型上初步确定最佳钢板植入位置，结合虚拟曲线利用“测量”功能按照和钢板1:1比例进行测量并画线精确确定钢板植入位置和钉孔位置。利用“创建圆柱体”创建和临床手术螺钉直径一致圆柱体模拟钉道，按照手术实际需要调整螺钉位置和长度，并测量螺钉长度。基础实验部分研究需三维切割预设钢板位置骨折模型，切割骨块大小以预设钢板位置长度增加1-2mm、宽度各增加1mm为宜，得到局部复位模型。将局部复位模以STL格式导出。
　　4、运用3D模型模拟手术
　　4.1 同比例钢板模型制作
　　运用游标卡尺对骨盆解剖直行钢板的宽度、厚度、孔横径、孔直径、孔间距等解剖参数进行测量，以毫米为单位，数据精确到小数点后两位，骨盆解剖钢板来源为苏州欣荣博尔特医科器械有限公司。测量完成后在SolidWorks2012中建立钢板平面模型，运用拉伸、切割、曲线折弯等功能建立和骨盆解剖钢板同比例三维模型，以“STL”格式导出。最后以铝板为材料，交予模具加工公司进行加工，并进行表面氧化增加钢板表面光滑度。高仿真铝制钢板用于基础性实验研究，临床试验采用苏州欣荣博尔特医科器械有限公司提供的骨盆解剖钢板。
　　4.2 高仿真3D模型制作
　　利用“STL”格式骨折块与局部复位模型，导入3D打印机MakerBot Replicator2（Makerbot公司，美国），运用机身自带软件调整模型位置至最佳后，选择打印材料为“PLA”，打印精度为0.2mm后确定打印。基础实验部分需打印单一骨折块与局部复位模型，临床试验部分则打印复位骨折模型。
　　4.3 3D模型模拟手术
　　4.3.1 基础实验部分手术模拟
　　首先利用局部骨折模型结合数字化设计进行钢板预弯，随后将单一骨折块3D模型按照术中复位步骤用强力胶水逐一粘合模拟术中复位情况，对复杂骨折手动复位困难的骨折块，利用折弯钢板指导骨折块复位。将预弯钢板贴合到复位骨位模型上，稍作移动当钢板确定唯一位置后观察钢板位置和术前设计位置比较。钢板位置确定之后利用直径4.0mm克氏针参考虚拟设计螺钉方向进行模拟螺钉植入，每枚克氏针均穿透双侧皮质并记录克氏针方向偏移情况和每颗克氏针植入长度。
　　4.3.2 临床实验部分手术模拟
　　利用复位模型依照虚拟手术方案选择相同长度钢板，以手术方案设定位置局部解剖结构为参考进行钢板预弯，此后利用3D复位骨折模型按虚拟手术设计的螺钉长度、方向进行螺钉植入，观察螺钉位置及骨折块固定情况。
　　4.4 对比数字化设计和模拟手术情况
　　基础实验部分比较虚拟手术方案与3D模拟手术中钢板位置、螺钉植入方向、螺钉植入长度是否匹配，并做相关统计分析;临床实验部分则比较虚拟手术方案与临床手术钢板位置、螺钉植入方向、螺钉植入长度是否匹配，并做相关统计分析。
　　结果：
　　1、通过将DICOM格式骨盆CT扫描数据导入Mimics软件，成功建立了高仿真三维模型。
　　2、通过三维重建、骨折块分离、虚拟骨折复位、虚拟内固定植入等步骤成功虚拟模拟髋臼骨折内骨固定植入手术并制定个性化手术方案。
　　3、利用3D打印技术，成功制作高精度3D实物模型并结合虚拟手术方案完成3D模拟手术。
　　4、基础实验部分对52例髋臼骨折病例进行虚拟手术设计并3D模拟手术，总置入钢板61块，全部钢板位置和数字化设计高度一致;共植入螺钉424枚，其中方向和数字化设计高度吻合419枚，没有螺钉进入关节腔;将虚拟手术方案螺钉长度与3D模拟手术螺钉长度利用配对t检验P=0.325，(P＞0.05)，表明虚拟手术设计与3D模拟螺钉长度没有显著差异。
　　5、临床实验部分对10例髋臼骨折病人进行虚拟手术方案制定、3D模拟手术、临床手术，10例患者均按照虚拟手术设计方案顺利完成手术，共植入钢板15块，螺钉102颗，术后与虚拟手术设计钢板、螺钉位置及数量高度一致，将虚拟手术方案螺钉长度与患者临床手术螺钉长度利用配对t检验P=0.315，(P＞0.05)，表明虚拟手术设计螺钉长度与临床手术螺钉长度没有显著差异。
　　结论:
　　1、3D打印结合数字化设计能为髋臼骨折患者制定最优化的手术方案。
　　2、3D打印技术结合数字化设计能有效提高髋臼骨折手术治疗的精确性与安全性，具有良好的临床疗效与应用价值。

目录

摘要

前言

参考文献

第一章 3D打印结合数字化设计在髋臼骨折手术治疗中的基础研究

1 引言

2 材料与方法

3 结果

4 讨论

5 结论

参考文献

第二章 3D打印结合数字化设计在髋臼骨折中的临床应用研究

1 引言

2 材料与方法

3 结果

4 讨论

5 结论

参考文献

全文小结

中英文对照缩略词表

攻读硕士学位期间成果

致谢

声明