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打印与虚拟手术设计在髋臼骨折手术治疗中的应用

杨勇 邱志杰 徐红革 孙博 王良恩 曾卫平 杨斌

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打印与虚拟手术设计在髋臼骨折手术治疗中的应用

    作者简介: 杨勇(1981-),男,副主任医师
  • 中图分类号: R318

Application value of printing and virtual surgery design in the treatment of acetabular fracture

  • CLC number: R318

  • 摘要: 目的 从基础与临床两方面探讨3D打印与虚拟手术设计在髋臼骨折手术治疗中的应用可行性。 方法 基础部分选择36例髋臼骨折病人,临床部分选择13例髋臼骨折病人,应用3D打印技术结合术前虚拟手术设计,根据髋臼骨折病人骨盆薄层CT扫描数据进行三维重建、虚拟骨折块分离、虚拟手术复位、虚拟内固定植入模拟髋臼骨折手术,为病人制定个性化的手术方案,进行临床手术治疗。 结果根据病人骨盆薄层CT扫描数据成功获得高精度虚拟复位模型,虚拟模拟骨折块分离、复位、内固定置入等步骤确定钢板植入位置、螺钉植入方向、螺钉植入长度,制定个性化、最优化手术方案设计,并结合虚拟手术设计完成3D模拟手术;基础实验部分病人钢板位置均与数字化设计高度一致,螺钉方向与数字化设计高度吻合,虚拟手术设计螺钉长度与3D模拟手术螺钉长度比较差异无统计学医院(P>0.05);临床实验部分病人均按照虚拟手术设计成功完成手术,术后与虚拟手术设计钢板、螺钉位置及数量高度一致,虚拟手术设计螺钉长度与临床手术螺钉长度比较差异无统计学意义(P>0.05)。 结论 3D打印与虚拟手术设计可为髋臼骨折病人制定最优化、个性化的手术方案,有效提高手术精确性与安全性,应用可行性高。
  • 图 1  多发性脊柱骨折的3D打印技术结合术前虚拟手术设计情况

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出版历程
  • 收稿日期:  2019-10-10
  • 录用日期:  2020-05-13
  • 刊出日期:  2021-08-15

打印与虚拟手术设计在髋臼骨折手术治疗中的应用

    作者简介: 杨勇(1981-),男,副主任医师
  • 四川省眉山市人民医院 骨科,620010

摘要:  目的 从基础与临床两方面探讨3D打印与虚拟手术设计在髋臼骨折手术治疗中的应用可行性。 方法 基础部分选择36例髋臼骨折病人,临床部分选择13例髋臼骨折病人,应用3D打印技术结合术前虚拟手术设计,根据髋臼骨折病人骨盆薄层CT扫描数据进行三维重建、虚拟骨折块分离、虚拟手术复位、虚拟内固定植入模拟髋臼骨折手术,为病人制定个性化的手术方案,进行临床手术治疗。 结果根据病人骨盆薄层CT扫描数据成功获得高精度虚拟复位模型,虚拟模拟骨折块分离、复位、内固定置入等步骤确定钢板植入位置、螺钉植入方向、螺钉植入长度,制定个性化、最优化手术方案设计,并结合虚拟手术设计完成3D模拟手术;基础实验部分病人钢板位置均与数字化设计高度一致,螺钉方向与数字化设计高度吻合,虚拟手术设计螺钉长度与3D模拟手术螺钉长度比较差异无统计学医院(P>0.05);临床实验部分病人均按照虚拟手术设计成功完成手术,术后与虚拟手术设计钢板、螺钉位置及数量高度一致,虚拟手术设计螺钉长度与临床手术螺钉长度比较差异无统计学意义(P>0.05)。 结论 3D打印与虚拟手术设计可为髋臼骨折病人制定最优化、个性化的手术方案,有效提高手术精确性与安全性,应用可行性高。

English Abstract

  • 髋臼骨折手术多由高能量损伤所致,是创伤骨科里难度最大的[1]。传统手术方法为经髂腹股沟入路结合后外侧入路切开复位钢板内固定,前后手术切口长达20cm,创伤大,手术风险高[2]。随着数字医学技术的发展与推广,术前通过三维重建模型进行骨折复位、内固定模拟操作可提高手术成功率[3]。但三维图像并不能完全给人直观、立体感觉,影响手术方案的制定及医患双方沟通。3D打印技术是以数字模型文件为基础,运用粉末状金属或塑料等可黏合材料,通过逐层打印方式来构造物体的快速成型技术,可大大节省传统模具加工的繁琐步骤。其在骨科临床上的应用可快速为病人定制个性化不规则骨折模型,帮助临床医师准确直观判断骨折移位方向及程度,合理规划手术方案,使手术更精准、安全[4-5]。本研究应用3D打印技术结合术前虚拟手术设计,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。

    • 基础部分研究病例选择2017年3月至2018年2月我院收治的髋臼骨折病人36例,排除陈旧性髋臼骨折及合并神经、血管损伤者。其中男25例,女11例,年龄(38.29±8.21)岁;车祸伤12例,打击伤18例,高处坠落伤6例。临床部分研究病例选择2018年3月至2018年8月收治的髋臼骨折病人13例,男11例,女2例,年龄(38.78±7.95)岁;车祸伤4例,打击伤6例,高处坠落伤3例。入院后完善术前检查,给予骨盆及股骨上端薄层CT扫描,扫描部位选择骨盆及股骨上段,螺距≤1.0mm,管电流200~250mAs,管电压80~130kV,矩阵:512×512,扫描数据以DICOM格式输出保存。于伤后7~14d进行手术。

    • 将CT扫描数据导入三维重建软件Mimics 14.11(Materialise公司,比利时),利用“选定阈值” “区域增长”功能建立骨盆三维模型(包括第五腰椎和股骨头),利用“三维编辑”功能进行图像分割去除股骨头、第五腰椎轮廓信息,生成各自对应“蒙板”,计算“蒙板”信息,生成对应三维模型,用不同颜色显示不同结构三维模型,根据病人实际需求选择任意角度观察骨折情况及髋臼关节面和股骨头骨折累及情况,以Mimics Document(.mcs)格式保存重建三维模型。

    • 利用股骨头三维模型,运用Mimics软件“三维编辑”模块中“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,以Mimics Document(.mcs)格式保存骨折块分离模型。

    • 利用骨折块分离模型通过Mimics软件“simulation”模块“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对侧骨盆为参考调节各骨折块之间相对位置,恢复骨折块及髋臼关节面的正常解剖关系,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。以“STL”格式导出单个骨折块模型与复位骨折模型,并应用于3D打印。

    • 根据最小创伤,最精确、有效内固定原则选择手术入路,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选择K-L入路,同时合并髋臼前后部分骨折选择腹直肌旁入路结合K-L入路。

    • 利用Mimics软件“MedCAD”模块“创建曲线”功能在复位模型上初步确定钢板植入位置,结合虚拟曲线利用“测量”功能按和钢板1∶ 1比例测量并确定钢板植入位置和螺钉位置。利用“创建圆柱体”功能创建和临床手术螺钉直径一致圆柱体模拟螺钉,按手术需要调整螺钉位置和长度。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1~2 mm、宽度增加1 mm,获得局部复位模型,并以STL格式导出。

    • 运用游标卡尺测量骨盆解剖直行钢板宽度、厚度、孔横径、孔直径、孔间距等解剖参数,以“mm”为单位(数据精确至小数点后两位),骨盆解剖钢板由苏州欣荣博尔特医科器城有限公司提供。然后在Solid Works 2012中建立钢板平面模型,利用拉伸、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。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,临床试验骨盆解剖钢板由欣荣博尔特医科器械有限公司提供。

    • 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),使用自带软件调整模型位置至最佳后,选择打印材料“PLA”,打印精度为标准(0.2 mm)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,临床试验部分打印复位骨折模型。

    • (1) 基础实验:利用局部骨折模型结合数字化设计进行钢板预弯,将单一骨折块3D模型按术中复位步骤用强力胶水逐一粘合模拟术中复位,利用折弯钢板指导复杂骨折手动复位困难的骨折块。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比较钢板位置和术前设计位置。利用直径4.0mm克氏针参考虚拟设计螺钉方向植入螺钉,克氏针均穿透双侧皮质,并记录方向偏移情况和植入长度。(2)临床实验: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,利用3D复位骨折模型按虚拟手术设计螺钉长度、方向植入螺钉,观察螺钉位置及骨折块固定情况。

    • 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;临床实验部分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。

    • 采用t检验。

    • 根据病人骨盆薄层CT扫描数据导入Mimics软件成功获得高仿真三维重建模型,明确诊断、了解骨折情况。通过三维重建、虚拟模拟骨折块分离、复位、内固定置入等步骤确定钢板植入位置、螺钉植入方向、螺钉植入长度,为个性化、最优化手术方案设计提供了重要依据和帮助。3D打印技术可成功制作高精度、个性化3D骨折模型,并结合虚拟手术设计进行3D模拟手术,以指导临床手术。

    • 对36例髋臼骨折病人进行虚拟手术设计并3D模拟手术,共植入38块钢板,钢板位置均与数字化设计高度一致;共植入282枚螺钉,278枚方向与数字化设计高度吻合,无螺钉进入关节腔;虚拟手术设计螺钉长度(4.50±0.30)cm与3D模拟手术螺钉长度(4.54±0.33)cm,差异无统计学意义(t=1.51,P>0.05)。

    • 对13例髋臼骨折病人进行虚拟手术设计、3D模拟手术及临床手术,13例病人均按照虚拟手术设计成功完成手术,共植入18块钢板,115枚螺钉,术后与虚拟手术设计钢板、螺钉位置及数量高度一致,虚拟手术设计螺钉长度(4.48±0.35)cm与临床手术螺钉长度(4.52±0.38)cm,差异无统计学意义(t=0.83,P>0.05)。

    • 病人男性,47岁,因高处坠落导致多发性脊柱骨折,左侧股骨转子间和股骨颈骨折,左侧骨盆髋臼骨折伴中心性脱位,左侧肱骨干骨折入院。为了恢复病人完整髋臼,应用数字骨科技术对其骨盆CT数据进行三维重建,利用3D打印技术按照1∶ 1比例打印同等大小骨折模型,先在体外进行模拟手术,确定术中将使用钢板位置、长度、形状和螺钉位置。在伤后18d行髋臼手术,手术成功,与术前设计高度一致,采用微创腹直肌外侧入路切口仅10cm,手术时间缩短至2.5 h,手术出血量约500mL,术后复查X线及CT检查显示骨折复位良好(见图 1)。病人术后恢复理想,术后2d可在病床上做简单功能性锻炼。

      图  1  多发性脊柱骨折的3D打印技术结合术前虚拟手术设计情况

    • 随着临床对骨科疾病认知的逐渐加深,对影像学的要求也越来越高,常规二维X片及普通CT检查已无法满足骨科临床需求,尤其是对于髋臼骨折等复杂骨科疾病。随着计算机技术逐渐融入医学的发展,三维重建技术克服了传统二维图像立体感缺乏、组织间遮挡等缺陷,以直观、立体的三维图像显示病人骨质结构,对骨科领域疾病的诊断及深入认识具深刻意义[6-7]。本研究利用Mimics14.11软件导入骨盆薄层CT扫描数据进行三维重建,得到骨盆三维模型。Mimics软件可提供横断面、矢状面、冠状面、三维重建4个界面图像,同时实现多平面定位、相互参考;通过平移、旋转等功能对三维重建模型进行任意角度观察,放大、缩小细致观察骨折部位及隐藏股骨头,详细了解骨折累及情况,有助于临床医师明确诊断,详细了解骨折类型,指导治疗方案的制定。另外,更加直观立体的三维重建模型有利于医生与病人进行病情介绍,使病人直观了解自身病情及治疗方案,在一定程度上可降低医疗护理风险。

      在计算机技术迅速发展的大背景下,数字化技术亦被广泛用于医学领域。在此基础上诞生的虚拟手术设计等高精尖医疗技术正慢慢改善传统医学模式,成为未来医学发展研究的热点。虚拟手术设计是基于医学图像数据,根据计算机图形学三维重建构建出虚拟的人体组织模型,模拟虚拟的医疗环境,并利用交互设备进行手术模拟,为手术医生创造一个虚拟的3D环境及人机交互操作平台,虚拟模拟临床手术的操作过程,与传统手术教学模拟比较,具直观、无损伤、可视化、可重复等方面优势[8-9]。通过虚拟手术设计,可帮助医生选择最佳手术入路,提前模拟手术整个过程以发现手术方案中存在的问题,及时修改以起到预防风险,减小手术创伤及临近组织损伤的目的,合理、有效地制定个性化手术方案,提高手术精准度及安全性。另外,虚拟手术设计还可以减少对昂贵实验模型的需求,降低培训成本。对于髋臼骨折等复杂骨科手术,术前手术方案的设计是手术的重要组成部分,直接关系手术成功率[10]。本研究利用髋臼骨折病人骨盆薄层CT扫描数据进行三维重建、虚拟骨折块分离、虚拟手术复位、虚拟内固定植入模拟髋臼骨折临床手术操作,从而制定最优化、个性化的手术方案,指导3D模拟手术及临床手术治疗,提高病人临床疗效及预后。

      3D打印是利用粉末状金属或塑料等可粘合材料,采用分层加工、叠加成形等方式逐层增加材料生成3D实体的快速成型技术,已被广泛用于颌面整形外科及口腔科,并逐步应用于骨科领域,具有广阔的发展前景[11-12]。王志标等[13]利用3D打印技术用于骶骨骨折手术,可更好地了解骶骨骨折特点,有助于手术医生术前模拟及手术方案的设计,缩短临床手术时间,降低手术操作难度,通过设计的预弯钢板精准复位骨折,提高手术疗效。李新春等[14]将3D打印技术用于治疗Pilon骨折,根据CT三维重建结果制作的骨折模型有助于最佳手术入路的快速、准确判断,术中直接准确植入合适内固定物,缩短手术时间,减少C臂透视次数,提高手术效率及安全性。黄华军等[15]基于3D打印技术模拟复杂胫骨平台骨折病人的内固定手术数字化设计,优化选择的钢板与骨面匹配良好,钢板模拟植入位置与虚拟手术设计方案高度一致,证实了虚拟手术设计方案的准确性及可靠性。本研究通过数字化设计可获得高仿真骨盆三维模型并进行虚拟骨折块分离、虚拟手术复位、虚拟内固定植入等手术操作,为医生提供一个虚拟的3D环境以及可交互操作平台,逼真的模拟临床手术的全过程,可准确确定手术钢板长度、位置及螺钉长度、方向,通过3D打印技术获得高精度三维模型指导显示手术模拟,可准确进行钢板预弯,提高医生手术操作能力,在行复杂髋臼骨折手术之前进行练习,把通过成像设备获取的病人图像导入仿真系统,对实际手术作出相应的规划,或者对病变缺损部位进行较精确的前期测量和估算,从而预见手术的复杂性,为病人制定个性化的手术方案,可大大降低手术的风险性,对改善病人预后具重要指导作用。本研究采用数字化设计与3D打印技术相结合,根据3D打印骨折模型进行手术模拟,最后采用微创化腹直肌旁入路对髋臼骨折病人进行临床手术治疗,符合外科学微创化、个性化发展趋势,可有效提高髋臼骨折手术治疗安全性及准确性。

      综上所述,通过基础与临床两层面研究,初步证实了3D打印技术结合术前虚拟手术设计对髋臼骨折病人微创化、精确化、个性化治疗的可行性与准确性,具有重要的临床意义及社会价值。

参考文献 (15)

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