3D打印数字化导航模块辅助股骨颈中空拉力螺钉的精准置入

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2016.53.011

中国组织工程研究 ›› 2016, Vol. 20 ›› Issue (53): 7979-7984.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2016.53.011

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3D打印数字化导航模块辅助股骨颈中空拉力螺钉的精准置入

陈旭，余正希，陈宣煌，张国栋，吴献伟，蔡涵华，吴长福，戴玉林

福建医科大学莆田学院附属医院教学医院，南方医科大学附属莆田医院，莆田学院附属医院骨科，福建省莆田市 351100

修回日期:2016-10-12 出版日期:2016-12-23 发布日期:2016-12-23
通讯作者: 陈宣煌，副主任医师，福建医科大学莆田学院附属医院教学医院，南方医科大学附属莆田医院，莆田学院附属医院骨科，福建省莆田市 351100
作者简介:陈旭，男，1987年生，福建省仙游县人，医师，2015年福建医科大学毕业，硕士，主要从事数字化骨科学研究。
基金资助:
福建省莆田学院科研基金项目(2015044)；福建省自然科学基金资助项目(2015J01507)

Three-dimensional printing digital navigation modules-assisted accurate placement of femoral neck hollow lag screws

Chen Xu, Yu Zheng-xi, Chen Xuan-huang, Zhang Guo-dong, Wu Xian-wei, Cai Han-hua, Wu Chang-fu, Dai Yu-lin

Department of Orthopedics, Teaching Hospital of Fujian Medical University; Affiliated Putian Hospital of Southern Medical University; Affiliated Hospital of Putian University, Putian 351100, Fujian Province, China

Revised:2016-10-12 Online:2016-12-23 Published:2016-12-23
Contact: Chen Xuan-huang, Associate chief physician, Department of Orthopedics, Teaching Hospital of Fujian Medical University; Affiliated Putian Hospital of Southern Medical University; Affiliated Hospital of Putian University, Putian 351100, Fujian Province, China
About author:Chen Xu, Physician, Master, Department of Orthopedics, Teaching Hospital of Fujian Medical University; Affiliated Putian Hospital of Southern Medical University; Affiliated Hospital of Putian University, Putian 351100, Fujian Province, China
Supported by:
the Scientific Research Foundation of Putian University, No. 2015044; the Natural Science Foundation of Fujian Province, No. 2015J01507

摘要/Abstract

摘要：

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文题释义：

3D打印技术：出现在20世纪90年代中期，是利用光固化和纸层叠等技术的最新快速成型装置。它与普通打印工作原理基本相同，打印机内装有液体或粉末等“打印材料”，与电脑连接后，通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。

Mimics软件：是Materialise公司发明的一种医学影像控制系统，它是模块化结构的软件，可以根据用户的不用需求有不同的搭配。MIMICS是一套高度整合而且易用的3D图像生成及编辑处理软件，它能输入各种扫描的数据(CT、MRI)，建立3D模型进行编辑，然后输出通用的CAD(计算机辅助设计)、FEA(有限元分析)，RP(快速成型)格式，可以在PC机上进行大规模数据的转换处理。

摘要

背景：计算机辅助骨科技术可以帮助医生制定更加精确的术前计划和手术模拟，而3D打印技术则为虚拟设计和实施中架设了一座桥梁，将设计的手术方案精确地付诸于实施。

目的：研究Mimics软件数字化设计结合3D打印导航模块辅助股骨颈中空拉力螺钉精准置入的关键技术，并在尸体标本上验证，观察效果。

方法：采用成人尸体骨盆标本10个，制作20侧股骨颈骨折模型，经连续薄层CT扫描，采集Dicom格式图像。Mimics软件三维重建、确定中空拉力螺钉置入钉道、三维测量，根据骨面解剖结构设计带钉道的导航模块并3D打印，导向螺钉置入，完成内固定手术。观察卡位、置钉情况，以CT扫描评价置钉效果。

结果与结论：共制作20个导航模块，植入60枚螺钉，观察股骨头及股骨颈周围骨质，未见螺钉穿透。术后行CT扫描重建，发现螺钉与术前设计相比，进钉点，进钉方向、长度均与Mimics软件中模拟的预定理想进钉点、方向和长度一致，准确率100%。导航模块和相对应的股骨大转子骨性结构贴合紧密，嵌合度良好，在应用时卡位及稳定性良好。说明在数字化设计及3D打印导航模块的辅助下，股骨颈中空拉力螺钉能精准置入到理想位置。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程
ORCID: 0000-0001-9441-3014(陈宣煌)

关键词: 骨科植入物, 数字化骨科, 股骨颈骨折, 导航模块, 3D打印, 螺钉, 福建省自然科学基金

Abstract:

BACKGROUND: Computer-assisted orthopedic technique can help physicians develop more accurate preoperative planning and surgical simulation. 3D printing technology erects a bridge for the virtual design and implementation, and the design of the surgical program will be accurately put into practice.

OBJECTIVE: To investigate Mimics software digital design combined with 3D printing navigation modules-assisted accurate placement of femoral neck hollow lag screw, verify on corpse specimen, and observe its effects.

METHODS: Ten adult cadaveric pelvic specimens were used to make 20 models of femoral neck fracture. After continuous thin-slice CT scan, Dicom format images were collected for three-dimensional (3D) reconstruction by using Mimics software to identify the path of hollow lag screw and for 3D measurement. According to anatomic structure of bone surface, navigation modules with screw path were designed for 3D printing. The screw was implanted and the fixation was finished. The position and screw placement were observed. CT scanning was used to evaluate its effects.

RESULTS AND CONCLUSION: Totally 20 navigation modules were designed and 60 screws were implanted to observe the bone around femoral head and femoral neck. No screw penetration occurred. After surgery, reconstruction with CT scanning found that compared with preoperatively, the site, direction and length of screw insertion were consistent with that established by Mimics software. The accuracy rate was 100%. The navigation modules were closely bonded to the corresponding bony structure of greater trochanter of femur. Chimerism was good. The position and stability were good in the application. These results suggested that with the help of digital design and 3D printing navigation module, femoral neck hollow lag screw can be accurately placed into the ideal position.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

Key words: Femoral Neck Fractures, Surgery, Computer-Assisted, Tissue Engineering

中图分类号:

R318

陈旭，余正希，陈宣煌，张国栋，吴献伟，蔡涵华，吴长福，戴玉林. 3D打印数字化导航模块辅助股骨颈中空拉力螺钉的精准置入[J]. 中国组织工程研究, 2016, 20(53): 7979-7984.

Chen Xu, Yu Zheng-xi, Chen Xuan-huang, Zhang Guo-dong, Wu Xian-wei, Cai Han-hua, Wu Chang-fu, Dai Yu-lin. Three-dimensional printing digital navigation modules-assisted accurate placement of femoral neck hollow lag screws[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2016, 20(53): 7979-7984.

图/表（结果） 1

参考文献

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引言

股骨颈骨折是临床上最常见的骨折之一，约占股骨近端骨折的51.97%，占全身骨折的3.53%，其中移位骨折占80%，其高发年龄为71-80岁^[1-4]。中国正进入人口老龄化阶段，现在股骨颈骨折的发病率随着人群平均寿命的提高而显著升高，故可以预见其导致的术后并发症和死亡率也会相应增加。在临床实践中，遇到为数不少的病例，因初次手术不当导致骨折不愈合和股骨头坏死，均需再次手术，甚至髋关节置换，往往伴随有较高的死亡率，给患者及其家庭带来了更多的痛苦和沉重的经济负担^[5-7]。

股骨颈骨折愈合需要保持骨折部位在冠状面和矢状面上的稳定性以及绝对的旋转稳定性，因此，手术内固定物应能保持骨折端的接触，维持牢固的稳定性，并且能抵抗日常的应力，从而保证骨折的愈合。3枚中空拉力螺钉的内固定方法无论在张力侧还是在压力侧均有可靠的抗剪力、抗弯力，而且三维立体固定很好地防止了旋转，因此，它符合生物力学原理的要求^[8-10]。考虑到生物力学的稳定性和对股骨头血供的影响，呈倒“品”字分布固定是较为理想的内固定方式^[11-16]。

近年来，计算机辅助骨科技术发展十分迅速，可以帮助医生制定更加精确的术前计划和手术模拟^[17-22]。经过完善的计算机软件(如Mimics)术前评估、规划和手术方案设计，将手术方案精确地付诸于实施，3D打印技术可作为在虚拟设计和实施中架设的一座桥梁^[23-29]。严斌等^[26]通过数字化设计和3D打印技术研制个体化导航模块，应用个体化腰椎椎弓根螺钉导航模块辅助置入椎弓根螺钉228枚，全部螺钉的进钉点及进钉方向均与虚拟置钉方案相一致，螺钉在椎弓根内位置良好，说明基于数字化设计的3D打印导航模块可以实现个体化的腰椎椎弓根螺钉精确植入。本研究借助Mimics医学软件数字化设计结合3D打印个体化导航模块，辅助股骨颈中空拉力螺钉精准置入，并在尸体标本上验证，观察效果。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

材料方法

1.1 设计 数字化骨科三维重建，尸体标本验证研究。

1.2 时间及地点 实验于2016年5月在莆田学院附属医院骨科完成。

1.3 实施条件

1.3.1 软件环境 Windows 7 Ultimate 64bit；Mimics14.0(Materialise公司，Belgium)，南方医科大学人体解剖学教研室提供。3D打印软件Makerware，免费软件。

1.3.2 硬件环境 3D打印机(美国MakerBot Replicator2)；Dell M6800移动工作站；硬盘-Seagate SATA 1T。

1.3.3 仪器 64排128层容积CT(VCT)。

1.4 方法

1.4.1 模型制作选取成人防腐尸体骨盆标本10个(南方医科大学人体解剖学教研室提供)。前侧入路制作双侧股骨颈骨折模型，用薄钢锯按照人体骨折时最常见的Pauwels角70°锯断，骨折端不移位。

1.4.2 CT扫描进行骨盆薄层螺旋CT扫描，层距0.625 mm，电压为120 kV，电流为54 mA。采集512×512像素的Dicom格式图像。以刻录DVD光盘的形式输出保存。

1.4.3 三维重建 Dicom格式图像输出至Mimics，设定阈值(Thresholding，Bone Scale)，进行三维重建(Calculate 3D，Optimal，Shell 1)，获得骨折三维模型，多角度、方向观察骨折情况。

1.4.4 设计虚拟钉道及支撑柱、分割可剥离骨面在股骨大转子外侧骨面向股骨头方向，利用创建圆柱体(Create cylinder)功能创建直径为7.0 mm(直径可调整)导航杆进行虚拟钉道模拟(图1)。依次移动导航杆，三维测量导针与股骨干的角度及进针点与附近骨性标志点之间的距离进行测量与定位。运行Reposition命令，使螺钉放置于固定的最佳位置，呈等腰倒三角平行固定。旋转三维模型从不同角度观察3枚螺钉的分布是否合理，是否存在位置不良、螺钉穿出等问题，通过进针点选取与导针进针角度相平行的平面，在该平面上测量所需螺钉的长度。在钉道杆的基础上向外反向扩大设计支撑柱。

通过Simulation\Cut orthogonal to Screen切割导航模块卡位面(即实际手术中可剥离骨面)，在其表面建立一个实心体块，作为导航模块基板，该实心体腹侧面与局部骨面解剖形态呈反向结构，完全互补，可以很好地固定在该处，就像一个“凹”和“凸”字完美吻合(图2)。

在Simulation\Reposition菜单中，实心体可以拔模多层平移复制、移位，加层至理想厚度。

1.4.5 设计带钉道的导航模块钉道杆、支撑柱、实心体构成带钉道的导航模块组合，进行布尔减集运算，得到导航模块雏形，剪切无关部分，修整模块边角，得到成型的带钉道的导航模块。

1.4.6 3D打印导航模块实体将导航模块模型以 STL的格式导出到3D打印机相配套的软件MakerWare，采用批量打印的方式进行打印。调整打印属性，使用聚乳酸材料(PLA)，打印出导航模块实体(图3)，作疏通钉道等处理。

1.4.7 尸体标本上验证，确定钉道并置钉见图4。将导航模块实体与尸体标本术野中的周围骨面紧密卡位，手指按压模块固定，另手将克氏针导针经过导航模块通道缓慢刺入达股骨大转子骨质，电钻钻入预计长度后移除导航模板，用空心丝锥扩孔，沿钉道方向拧入已测量好长度和直径的螺钉。

1.5 评价效果 螺钉置入后，观察螺钉的进钉点，螺钉走向及有无螺钉穿破骨皮质情况。通过CT扫描验证螺钉的进钉点、走向、长度、直径是否与Mimics软件中模拟的最佳参数一致。
中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

讨论

关于数字化设计、3D打印个体化导航模块辅助螺钉精准置入，作者所在研究团队进行了系列的相关研究。林海滨等^[30]将成人尸体腰椎标本进行薄层CT扫描，三维编辑设计具有定位面及稳定面的导航模块,然后高精度3D打印导航模块，并在尸体标本上实施导航模块辅助下腰椎椎弓根螺钉置入，术后腰椎标本进行薄层CT扫描及三维重建，与术前设计进行三维配准，结果置入的128根腰椎椎弓根螺钉全部成功，没有穿出骨质外者。在此基础上，陈宣煌等^[31]进行了临床应用研究，利用Mimics软件设计，3D打印带钉道的导航模块辅助60例腰椎手术患者的椎弓根螺钉置入内固定，共置入253枚螺钉，有8枚进钉方向与术前设计稍有偏移，但均在较满意的位置，准确率96.84%，固定后患者的JOA评分升高，Oswestry功能障碍指数低于术前(P < 0.01)，获得了良好的临床效果。

郑锋等^[32]将3D打印导航模块用于胫骨近端骨折内固定，并成功在骨骼模型上进行了手术模拟实施。本文设计针对螺钉的小巧的带钉道的导航模块，付诸3D打印，在术中通过导航模块定点、定位螺钉位置、方向的方式来导向股骨颈中空拉力螺钉的置入，实现将3枚螺钉置入理想位置，有望解决股骨颈骨折临床手术中盲目性、难以实现及不可预见性的缺点，使复杂手术简单化，提高了手术的精准性及规范性。

本文将3D打印导航模块用于辅助股骨颈中空拉力螺钉的精准置入，发现其具有以下优点：①应用一种医用软件(Mimics)即可满足数字化设计过程需要；②实现螺钉一次性成功置入，减少辐射伤害甚至无辐射。术前确定最佳螺钉直径、长度、方向，经模块导航置入，尽量保证使固定效果达到最佳。有望临床手术应用实现手术耗时减少、达到更好的内固定生物性能，体现了手术个体化、精准化。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

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