跟骨骨折3D模型制作的探討

云致碩，黃家生

(1佛山市順德區(qū)勒流醫(yī)院 設(shè)備科;2佛山市順德區(qū)勒流醫(yī)院 骨科，廣東佛山528322)

跟骨骨折3D模型制作的探討

云致碩1，黃家生2

(1佛山市順德區(qū)勒流醫(yī)院 設(shè)備科;2佛山市順德區(qū)勒流醫(yī)院 骨科，廣東佛山528322)

目的:探索跟骨骨折3D模型的制作。方法:將CT掃描層厚1mm的DICOM格式圖像導(dǎo)入Mimisc軟件，經(jīng)過(guò)設(shè)定灰度閾值、蒙罩編輯、應(yīng)用空腔填充等方法逐層對(duì)掃描圖像進(jìn)行填充構(gòu)建兩病例的三維模型。并導(dǎo)出STL格式的文件。結(jié)果:運(yùn)用3D打印機(jī)打印出1∶1的三維模型都能真實(shí)的反映跟骨骨折的情況。討論:Mimics軟件可快速、有效生成三維模型，3D打印機(jī)打印的真骨模型為醫(yī)生提供術(shù)前評(píng)估，模擬手術(shù)，定制植入物等，簡(jiǎn)化了手術(shù)操作，縮短了手術(shù)時(shí)間，提高了手術(shù)質(zhì)量和治療效果，減少了手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。前者投資大，效果好。后者投資小，制作及時(shí)，效果也不錯(cuò)，但操作稍復(fù)雜。

三維打印;跟骨骨折模型;制作方法探討

由于跟骨主要為松質(zhì)骨、形狀復(fù)雜，骨折后，劈裂、粉碎的骨折塊和塌陷缺損的關(guān)節(jié)面令手術(shù)方案的選擇有更多的不確定性。在傳統(tǒng)的手術(shù)修復(fù)中，醫(yī)師是在自己的大腦中進(jìn)行修復(fù)前模擬。但這種修復(fù)方案的質(zhì)量高低依賴于醫(yī)師個(gè)體的外科臨床經(jīng)驗(yàn)和技能，而且這種虛擬手術(shù)無(wú)法被參與操作的的每一位成員共享，術(shù)中往往出現(xiàn)術(shù)前估計(jì)不足的情況，選擇植入的骨塊往往不太合適。通過(guò)3D打印軟件對(duì)組織進(jìn)行計(jì)算機(jī)三維重建及3D打印機(jī)打印真實(shí)的骨模型，骨科醫(yī)師可以在近似真實(shí)的環(huán)境中進(jìn)行模擬及修復(fù)后結(jié)果預(yù)測(cè)，從而為患者制定最佳的修復(fù)方案，實(shí)驗(yàn)可模擬復(fù)雜跟骨骨折骨折塊的復(fù)位，記錄骨折塊的移動(dòng)數(shù)據(jù)和翻轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)，開(kāi)窗撬撥復(fù)位塌陷的骨塊，設(shè)計(jì)植骨模型，并進(jìn)行植骨，估算植骨量。有助于在臨床修復(fù)中對(duì)復(fù)位的精確掌握。

1 資料與方法

主要設(shè)備:采用飛利浦 BrillianceCT(16Slice)獲得基本數(shù)據(jù)，掃描層厚1mm。

3D打印機(jī): (1)常州常森公司的3D－ORTHO骨科專用打印機(jī)，(型號(hào)SRO400，最大構(gòu)建尺寸300×300×400mm)，(2)廣州駿威電子科技有限公司提供的閃鑄三維打印機(jī) Dreamer高精度快速成型機(jī)(雙頭，最大構(gòu)建尺寸 230×150× 150mm)。

電腦配置:i3CPU，內(nèi)存4G，win7操作系統(tǒng)，mimics高度整合而且易用的3D圖像生成及編輯處理軟件，meshmixer或makerware等3D打印軟件。

例一劉××，女，9歲。經(jīng)我院CT掃描及三維重建顯示，診斷為雙側(cè)跟骨粉碎性骨折，并跟距關(guān)節(jié)半脫位。我們于CT室下載該病人的CT醫(yī)學(xué)數(shù)字成像和通信(digital image and communications inmedicine，DICOM)文件，壓縮打包發(fā)給常州常森公司。該公司用其專用軟件及3D－ORTHO骨科專用打印機(jī)為我們免費(fèi)打印了病人的雙腳跟骨模型，三天內(nèi)完成并寄回我院。該模型真實(shí)反映了該病人的狀況，受到我院骨科醫(yī)生的好評(píng)。

例二羅××，男，50歲。因車禍外傷史，左跟部腫痛，站立行走不能1h入院。經(jīng)我院CT掃描及三維重建顯示，診斷為左跟骨粉碎性骨折。我們于CT室下載該病人的CT醫(yī)學(xué)數(shù)字成像和通信DICOM文件。在mimics軟件中通過(guò)“File”菜單下“Import images”導(dǎo)入掃描圖片，點(diǎn)擊“Next”按鈕，點(diǎn)擊“Convert”按鈕，完成轉(zhuǎn)換。設(shè)置“定位參數(shù)”導(dǎo)入并完成圖片的轉(zhuǎn)換之后，MIMICS軟件會(huì)自動(dòng)計(jì)算并生成冠狀面圖和矢狀面圖。

跟骨模型的構(gòu)建步驟具體如下:

(1)閾值分析:斷層圖片中，不同組織的灰度值不同，因此通過(guò)閾值來(lái)提取相應(yīng)的組織，利用軟件自帶的“閾值設(shè)定”(Threshold)選擇需要重建的模型。

(2)編輯處理:利用“圖像編輯(Edit)”功能對(duì)圖像邊界進(jìn)行添加(Draw)或擦除(Erase)操作，生成的跟骨中間有很多的空洞，這在后面的ANSYS處理中會(huì)產(chǎn)生較大的麻煩，要求仔細(xì)地對(duì)每一幅CT圖片進(jìn)行修改，把跟骨中間有空的地方填滿或者擦除，另外在分離跟骨時(shí)，有時(shí)要擦除和跟骨連接的其他骨骼。有時(shí)為了進(jìn)行3D打印，對(duì)破損的骨頭也要充填連接，方便打印。這部分工作需要足夠的細(xì)心和耐心。

(3)區(qū)域增長(zhǎng):點(diǎn)擊“區(qū)域增長(zhǎng)(Region growing)”圖標(biāo)，彈出“Region Growing”對(duì)話框，該命令是對(duì)選定的結(jié)構(gòu)進(jìn)行圖像分割，實(shí)現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)的圖像分離，將骨折跟骨從腳骨模型中分離出來(lái)。

(4)蒙罩:選中視圖窗口股骨“蒙罩”，目標(biāo)“蒙罩(Target)”將會(huì)隨著改變，隨機(jī)選擇不同的顏色，形成不同的蒙罩，這樣方便區(qū)分不同的結(jié)構(gòu)。

(5)計(jì)算 :采用右側(cè)的“三維計(jì)算功能(Calculate)”工具對(duì)跟骨蒙罩(mask)進(jìn)行重建，清楚直觀地再現(xiàn)跟骨結(jié)構(gòu)的三維形態(tài)。

(6)三維模型的優(yōu)化和網(wǎng)格的重新劃分:①采用右側(cè)的“重新劃分網(wǎng)格(Remesh)”工具對(duì)股骨蒙罩(mask)進(jìn)行網(wǎng)格重新劃分，優(yōu)化股骨結(jié)構(gòu)的三維形態(tài);②在上方工具條中選擇“光滑(smoothing)”工具，彈出“光滑”對(duì)話框，點(diǎn)擊“OK”按鈕，細(xì)化網(wǎng)格并且優(yōu)化股骨結(jié)構(gòu);③保存并關(guān)閉“重新劃分網(wǎng)格(Remesh)”界面。

(7)點(diǎn)擊”export”菜單下ASCII STL…導(dǎo)出STL格式的文件。在Start欄下選3D，再點(diǎn)擊add，最后點(diǎn)擊finish鍵。

(8)在電腦中打開(kāi)meshmixer或makerware等3D打印軟件，將前面用mimics軟件生成的STL格式的文件打開(kāi)，找到支撐面或者ABS配合溶解性支撐材料，PLA配合柔性TPU材料互為支撐打印出真實(shí)的三維模型。

2 結(jié)果

在以上兩例中，通過(guò)CT掃描獲取的DICOM數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換、編輯等操作，均成功獲得了與實(shí)際骨骼結(jié)構(gòu)相同的模型，制作時(shí)間2～3d之內(nèi)。由于實(shí)物模型容易理解，能制定出較詳細(xì)的手術(shù)計(jì)劃，模擬手術(shù)操作，縮短手術(shù)時(shí)間，減少病人的痛苦，也便于和患者溝通。

3 討論

(1)我們?cè)诟侵谱鞯倪^(guò)程中，發(fā)現(xiàn)CT掃描的層厚與模型的真實(shí)性有很大關(guān)系，有時(shí)CT室在考慮存儲(chǔ)容量的情況下，多采用2.5～5mm掃描，這樣能夠明確跟骨骨折的部位和類型及關(guān)節(jié)面骨折的情況，但是，對(duì)跟骨3D重建效果是欠理想的，尤其是跟距下關(guān)節(jié)面顯示較粗糙，破碎面不清晰，而影響對(duì)關(guān)節(jié)面骨折形態(tài)的全面分析。本組中我們發(fā)現(xiàn)采用1mm準(zhǔn)直及重建能夠最清晰地顯示關(guān)節(jié)面的形態(tài)，效果明顯優(yōu)于3mm及5mm準(zhǔn)直掃描者［1］。

(2)跟骨主要為松質(zhì)骨，為不規(guī)則的矩形體，前窄后寬，共有4個(gè)關(guān)節(jié)面，即前、中、后距下關(guān)節(jié)和跟骰關(guān)節(jié)，跟骨內(nèi)密度不一，骨小梁排列特殊。以上兩例病人都是跟骨粉碎性骨折。在用mimics軟件重建三維模型的過(guò)程中，分離粉碎性骨折的跟骨比較困難。由于跟骨及周圍解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加上跟骨破損，許多碎骨和跟骨不連接，或者碎骨跟周圍其他骨骼連接，所以要逐層在一些地方做擦除和充填的大量工作，要求操作人員有較豐富的計(jì)算機(jī)知識(shí)及人體的解剖知識(shí)。通過(guò)向骨科的醫(yī)務(wù)人員請(qǐng)教和自己的學(xué)習(xí)。現(xiàn)已基本上能做出完整的跟骨骨折模型。當(dāng)然和骨科的醫(yī)生一起進(jìn)行圖像處理，模型制作等過(guò)程，可以防止對(duì)醫(yī)療有用的信息被剪切丟失。

(3)在進(jìn)行3D打印時(shí)，在醫(yī)療行業(yè)，以骨骼打印為主。由于3D打印采用逐層打印的增材成型技術(shù)，所以打印的成品和原樣版一致性好，能較好的還原掃描出來(lái)的實(shí)物。打印的樣品可以做為教學(xué)用具、作為手術(shù)前預(yù)制或模擬手術(shù)，極大提高手術(shù)的一次成功率。一般來(lái)說(shuō)，選擇合適的打印方向，盡量減少支撐材料的使用，對(duì)打印效果很有幫助;另外，最小壁厚一般要求1.2mm以上，保證打印的模型具有一定的強(qiáng)度;須避免產(chǎn)生類似骨骼內(nèi)部骨髓的絮狀物和懸空的碎屑。處理完后的圖形導(dǎo)出轉(zhuǎn)化為STL格式就可以打印了。

針對(duì)材料的選擇，我們需結(jié)合模型本身來(lái)考慮。如果打印的模型需要很少或者基本不需要支撐材料，可考慮用PLA材料打印。PLA材料成型效果好，顏色亮麗剔透，適用于擺件、裝飾品、工藝品打印。但成型后的工件較脆硬，遇到需要使用支撐材料的場(chǎng)合，支撐材料的去除有點(diǎn)困難，去除后的表面也較粗糙，不容易打磨。如果后續(xù)需要打磨或做鉆孔等加工處理，可以考慮選用ABS材料來(lái)打印。ABS材料綜合性能較好，易于后續(xù)加工和上色，耐溫可達(dá)130℃，為打印工業(yè)件首選，但由于材料本身的結(jié)晶過(guò)程，成型后工件會(huì)稍有收縮，收縮率約為3%以下。打印大件時(shí)如果打印參數(shù)設(shè)置不好，或者機(jī)器內(nèi)外溫差大，工件有可能出現(xiàn)裂紋。打印后工件的尺寸也難以控制。

在購(gòu)買耗材時(shí)需要注意的是，如果材料質(zhì)量不好，打印過(guò)程容易造成3D打印機(jī)噴頭堵頭，從而導(dǎo)致打印失敗。另外也容易導(dǎo)致打印過(guò)程中和底板粘接不牢而翹邊，成型效果不好。

(4)隨著3D技術(shù)在醫(yī)療行業(yè)的發(fā)展，越來(lái)越多的醫(yī)院開(kāi)始關(guān)注并開(kāi)展這項(xiàng)工作。通過(guò)我們的探索，我們認(rèn)為要開(kāi)展這項(xiàng)工作，一般的醫(yī)院可以有兩個(gè)途徑，①和專業(yè)的3D公司聯(lián)合，其優(yōu)勢(shì)是他們有專業(yè)的制作人才，打印的模型比較快也比較好，醫(yī)院方面也比省事。其缺點(diǎn)就是投入比較大，而專用的3D打印設(shè)備造價(jià)相對(duì)昂貴。而打印出來(lái)的模型目前未列入醫(yī)用耗材。醫(yī)院沒(méi)有經(jīng)濟(jì)方面的效益，一般的醫(yī)院都暫時(shí)不愿投入。②降低投入成本可更好的開(kāi)展這項(xiàng)工作。經(jīng)我們了解目前桌面級(jí)3D打印機(jī)的價(jià)格在2萬(wàn)元左右，設(shè)備功率在400W左右。材料價(jià)格一般為200元/kg。從成本來(lái)說(shuō)，按照模型重量100g，耗時(shí)10h來(lái)計(jì)算:設(shè)備按照5年折舊，每月的設(shè)備費(fèi)只有300元，每小時(shí)約0.4元;打印每個(gè)模型設(shè)備費(fèi)用約4元;電費(fèi)400×10 =4kw/h，成本4元;材料0.2元/g，100g的費(fèi)用約20元。整體上，一般打印一個(gè)模型，成本能控制在30元以下。人員制作模型的培訓(xùn)方面，經(jīng)過(guò)短期培訓(xùn)及學(xué)習(xí)也可以運(yùn)用mimics軟件制作出較好的模型。(mimics軟件在其官網(wǎng)上有試用版，也不錯(cuò)。)

應(yīng)用3D打印技術(shù)獲得跟骨骨折損傷模型，將真實(shí)的骨折情況呈現(xiàn)在醫(yī)生面前，通過(guò)模手術(shù)來(lái)完成復(fù)位和內(nèi)固定，進(jìn)一步評(píng)估固定強(qiáng)度和骨折的穩(wěn)定性，從而精確策劃復(fù)位方式和選擇內(nèi)固定裝置，會(huì)使治療策略的選擇更加合理和科學(xué)。計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的術(shù)中導(dǎo)航模板可以通過(guò)3D打印進(jìn)行快速制作。精確的術(shù)中定位明顯減少了X線透視的使用次數(shù)，這對(duì)患者及醫(yī)生的健康都是有利的［4］。總之，3D打印技術(shù)的應(yīng)用給骨科手術(shù)展現(xiàn)了光明的前景，是一項(xiàng)具有推廣價(jià)值的應(yīng)用。

［1］鄭少?gòu)?qiáng)，楊振燕.跟骨骨折CT及3D重建的評(píng)價(jià)［J］.中國(guó)醫(yī)學(xué)影像技術(shù)雜志，2013，19(10):1327－1329.

［2］張?jiān)品澹瑮顥?3D打印骨科模型臨床應(yīng)用的初步探索［J］.中國(guó)臨床研究雜志，2014，27(10):1260－1261.

［3］王彩梅，張衛(wèi)平，李志強(qiáng).3D打印在醫(yī)療器械領(lǐng)域的應(yīng)用［J］.生物骨科材料與臨床研究雜志，2013，27(6):26－28.

［4］張志昌，鄭稼，張新勝，等.3D打印技術(shù)在創(chuàng)傷骨科中的應(yīng)用［J］.河南醫(yī)學(xué)研究雜志，2014，23(3): 159－161.

［5］龔柏茂.淺談3D打印中設(shè)計(jì)模型的導(dǎo)入及相關(guān)參數(shù)調(diào)節(jié)［J］.浙江師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2014，37(4):453－456.

［6］李珈萱，烏日開(kāi)西·艾依提，趙夢(mèng)雅，等.3D打印技術(shù)助力臨床醫(yī)學(xué)的發(fā)展［J］.電腦知識(shí)與技術(shù)雜志，2013，9(32):7323－7326.

［7］秦勉，劉亞雄.數(shù)字化設(shè)計(jì)與3D打印技術(shù)在個(gè)性化醫(yī)療中的應(yīng)用［J］.中國(guó)修復(fù)重建外科雜志，2014，28(3):286－291.

［8］王博.淺談3D打印技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用［J］.機(jī)電技術(shù)雜志，2014，96(5):158－160.

［9］樊樹(shù)峰，曹武強(qiáng).DICOM打印服務(wù)器的臨床應(yīng)用［J］.中國(guó)醫(yī)學(xué)計(jì)算機(jī)成像雜志，2007，13(6).

［10］鄭鐵，尹慶水，王智運(yùn)，等.Mimics 14.0軟件在脛骨螺釘外固定架模型建立的初步應(yīng)用［J］.重慶醫(yī)學(xué)雜志2013，42(7):783－785.

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