曲面定位型髖臼后柱置釘瞄準器的通道規劃及調控

李杰，李必文（通信作者），周意漾，譚文甫，胡良斌，周先陽

1 南華大學機械工程學院 （湖南衡陽 421001）；2 南華大學附屬第二醫院 （湖南衡陽 421001）

依托于3D 打印技術設計、制造曲面定位型置釘瞄準器，保證定位精度及精度穩定性，借助于CAD 技術規劃置釘通道，滿足其科學性、精確性和高效性的需求，避免髖臼后柱螺釘內固定術事故，提升手術響應速度，加速瞄準器的臨床推廣及應用[1-2]。本研究提出以髂結節標志點、臀后線上的角點及進釘點三點表面輪廓定位曲面，以髖骨后柱最大內接圓柱體的同軸圓柱體為安全范圍，調控設計出置釘參數的方法，解決術中瞄準器的定位精度問題，避免瞄準器置釘通道與髂骨翼發生干涉現象，使瞄準器具有良好的結構及結構工藝性。

1 髖臼后柱置釘瞄準器的結構與定位方式

1.1 瞄準器的結構

圖1為髖臼后柱置釘瞄準器使用狀態圖。瞄準器為固定結構，包括本體及帶肩金屬鉆套。

以PLA 材料基于3D 打印制作的本體呈三角形框架結構，包括兩個主定位腳、一個輔定位腳、一面邊角鏤空的主支撐墻和兩面拱形結構的輔助支撐墻；主支撐墻兩端設有凸臺，內孔與鉆套的導套外圓形成過渡配合（形成很小的間隙量或過盈量），以較長的結合面保證了導向精度，而過渡配合既保證了裝配精度又保證了鉆套裝卸的方便性；兩面輔助支撐墻均為拱形結構，保證了剛性及在術中避空肌肉組織；定位腳下端均制有與髖骨特定部位表面輪廓貼附吻合良好的定位曲面。以20 CrMnTi 或T10A 制作的金屬鉆套經過滲碳淬火熱處理及精加工，鉆套內徑與接骨螺釘的螺紋底孔尺寸匹配、導套部位外徑與主支撐墻形成H8/js7或H8/k7的配合，鉆套可重復使用。從結構工藝性出發，主支撐墻邊角鏤空是為了在保證剛性的前提下減少FDM-3D 打印的時間，設置3D 打印模型擺放方式時以瞄準器上表面定位保證定位腳定位曲面的制造精度。

圖 1 髖臼后柱置釘瞄準器使用狀態

1.2 瞄準器的定位方式

將兩個主定位腳的定位曲面設計在髂結節標志點、臀后線上角點的表面區域，將輔定位腳的定位曲面設計在進釘點附近（圖1）。從定位原理的角度分析，以這3個曲面來定位屬于過定位，但通過在Mimics 軟件中進行布爾運算生成骨面的反向曲面、控制好建模數據處理精度及FDM-3D 打印參數，就能有效保證瞄準器定位曲面的設計與制造精度，使之與目標髖骨相應表面輪廓貼附吻合良好[3]，本研究通過復寫紙著色實驗驗證了效果。需要特別說明的是，定位好的瞄準器在使用時是靠人工向下施加按壓力以達到夾緊目的，為避免鉆削產生的振動導致瞄準器產生滑移，保證術中定位精度的穩定性，兩個主定位腳的定位曲面在髂結節標志點、臀后線上角點的表面區域均設計有一定的高度差。盡管這樣的設計對3D 打印的層高工藝參數要求較高，會在一定程度上影響3D 打印效率，但從使用的角度而言是十分必要的，鉆削實驗表明本研究瞄準器的定位精度穩定性遠遠高于頂尖式[4]、小落差曲面式瞄準器。

2 髖臼后柱置釘通道的規劃及調控

2.1 后柱置釘通道安全范圍的確定

在做出髖骨后柱最大內接圓柱體的基礎上，考慮皮質骨厚度及瞄準器的鉆孔偏距，進一步做出該圓柱體的同軸圓柱體，將其作為后柱置釘通道的安全范圍，保證在通道的整個長度范圍內置釘不破壁。操作步驟如下：（1）調取患者診斷前的螺旋CT 檢查數據，選擇手術區域目標髖骨的數據，保存為DICOM 文件格式；（2）在醫學影像軟件Mimics 中依次使用區域增長（Region Growing）、分割（Segmentation）及復位（Reposition）功能重建出髖骨的完整3D 模型[5]，再使用蒙板編輯功能（Edit Mask In 3D）沿髂恥線平行方向，并通過髖臼窩中心去除前柱后，得到只含后柱區域的髖骨3D模型（圖2a）；（3）通過擬合中心線（Fit Centre Line）功能得到髖骨后柱區域3D 模型的中心點點集[6]（圖2b）；（4）在逆向工程軟件Imageware 中根據置釘需要選取并合并后柱區域的中心點點集，再應用直線擬合功能創建出最小二乘直線，確定目標髖骨后柱最大內接圓柱體的軸線方向（圖2c）；（5）以過髖臼窩中心點且與最小二乘直線垂直的截面為起始面，向直線段兩端各做出5個等距正截面，將這11個截面的外輪廓線沿最小二乘直線方向投影在靠近坐骨的最外側正截面上（圖2d）；（6）11個外輪廓線投影疊加后形成封閉區間，分別做出最小區域圓和最小二乘圓，比較兩個圓心分別做出封閉區域的最大內接圓的直徑，以數值大的作為髖骨后柱最大內接圓柱體的直徑，以該圓柱體的軸線確定置釘通道位置參數；（7）以皮質骨厚度的統計值+瞄準器設計、制造、使用引起的鉆孔偏距（一般取0.3～0.5 mm）為半徑偏移量，向內做出該最大內接圓柱體的同軸圓柱體，以此作為后柱置釘通道的安全范圍（圖2e）。

圖2 確定后柱置釘通道安全范圍的操作步驟

2.2 后柱置釘通道的調控

2.2.1 后柱安全置釘通道與髂骨翼的干涉現象

曲面定位型髖臼后柱置釘瞄準器的置釘通道應與其結構形成良好的匹配關系。我們發現，在規劃曲面定位型髖臼前柱置釘瞄準器的置釘通道時，按與后柱置釘通道安全范圍的確定類似的操作步驟得到前柱最大內接圓柱體的同軸圓柱體后，圓柱體的軸線與髂骨翼表面有較大的夾角，進一步將直徑向下圓整至醫藥行業標準YY0018-2002所規定的金屬接骨螺釘的外螺紋直徑尺寸，即可定出安全置釘通道的方向、直徑及位置參數，根據接骨螺釘的外螺紋底孔直徑，可得到瞄準器金屬鉆套的內徑按此方法規劃曲面定位型髖臼后柱置釘瞄準器的置釘通道時，發現安全置釘通道與髂骨翼發生了干涉現象（圖3），即使改用直徑較小的接骨螺釘，干涉現象也無法消除。由于瞄準器主支撐墻內鑲有具有帶肩的金屬鉆套，在鑲套及使用時主支撐墻的強度、尺寸應得到保障，因此干涉現象導致無法設計瞄準器結構尺寸，特別是主支撐墻結構尺寸。

鑒于髖臼后柱遠較前柱粗大，其安全置釘通道的直徑也大得多，因此考慮在安全置釘通道范圍內對置釘通道進行調控，包括方向、直徑、位置的調控。

圖 3 安全置釘通道與髂骨翼的干涉現象

2.2.2 后柱置釘通道的調控方法

可用兩種方法在安全置釘通道范圍內調控出最終的置釘通道。

第一種是直接作圖法：大致找出安全置釘通道圓柱體上距髂骨翼表面最遠的母線，以該母線與髖骨表面輪廓的交點為圓心，在大致與髂骨翼表面垂直的平面內旋轉該母線，以小于安全置釘通道直徑的金屬接骨螺釘外徑作為偏距值做出旋轉后母線的平行線；只要兩平行線處于安全置釘通道范圍，并且角度旋轉調控后滿足主支撐墻的強度及尺寸的設計需要，則可認為調控成功。采用這種方法的主要優點是直觀、方便、快捷，但不夠嚴謹和精確。

第二種是解析法+作圖法，步驟如下：（1）采用解析法建立滿足最小條件的髂骨翼表面的外包容平面（該平面與內包容平面在包容髂骨翼表面時，具有最小寬度），過安全置釘通道圓柱體軸線構建外包容平面的垂直平面，精確地截出安全置釘通道圓柱體上距髂骨翼表面最遠的母線（圖4）；（2）在上述包含了軸線及最遠母線的垂直平面內，設軸線與髖骨表面輪廓的交點為A1和A2、最遠母線與髖骨表面輪廓在入口處的交點為B、安全置釘通道圓柱體被截出的兩條母線為BC 和EF，BE 及過A2點的CF 均垂直于這兩條母線，再做出所形成矩形的外接圓（圖5）；（3）以B點為圓心、以小于安全置釘通道直徑的金屬接骨螺釘外徑d1為半徑作圓，與矩形外接圓交于G、H 兩點，連接F、G，由于三角形FGB 是以直徑FB 做邊的內接三角形，故FG 垂直于BG，FG 是半徑d1圓的切線，亦為該規格接骨螺釘外徑條件下調控出的置釘通道的母線，據此做出內徑為d1的置釘通道的軸線（圖5）；（4）以螺紋d1的底孔直徑d2沿置釘通道軸線建立鉆削通道，延伸后作為鉆套內徑，考察調控效果是否滿足瞄準器結構設計及螺紋底孔鉆削的現實需要，如果不能，則選擇再小一號的接骨螺釘進行調控，如此反復，直至夾角和間隙的增大量滿足設計和操作需要。

圖 4 截出后柱安全置釘通道最遠母線

圖 5 作圖法調控最終置釘通道

3 定位及調控效果的實驗驗證

為驗證髖臼后柱置釘瞄準器的曲面定位效果，我們用兩臺桌面級三角洲式FDM-3D 打印機，分別制作了同一髖骨的PLA、ABS 模型，用PLA 材料制作了曲面定位型髖臼后柱置釘瞄準器。圖6所示的復寫紙著色實驗表明，瞄準器3個定位曲面同時與目標髖骨相應表面輪廓達到了貼附吻合良好的效果，從而驗證了3D 打印技術對于設計制造曲面定位型置釘瞄準器的適應性。

圖 6 復寫紙著色實驗

為驗證后柱置釘通道的調控效果及三曲面定位的精度穩定性，我們在圖1所示虛擬置釘的基礎上，進行了鉆削實操實驗。為簡化實驗，用于實驗的瞄準器主支撐墻內并未鑲嵌金屬鉆套，而是直接按鉆套內徑3D 打印出導向通道。無論是在PLA 還是在ABS 材料的髖骨模型上，在對瞄準器施以約5 kg 的向下壓緊力時，鉆削出后柱接骨螺釘的螺紋底孔。實驗中，電鉆的振動并未引起3個定位曲面相對骨面的滑移，亦未產生鉆頭的引偏現象，鉆出的螺紋底孔位置、尺寸精確及表面質量良好（圖7），驗證了后柱置釘通道調控的有效性及曲面定位的精度穩定性優勢。

圖 7 鉆削實驗效果

4 結論

3D 打印技術的曲面定位型髖臼后柱置釘瞄準器適應了髖臼骨折內固定術精準醫療的發展趨勢，其定位表面區域易于辨識和尋找，定位方式具有精度及精度穩定性的比較優勢。本研究提出的后柱置釘通道調控方法具有精確、高效的特點，滿足了瞄準器結構設計及螺紋底孔鉆削的現實需要，為提高瞄準器的導航精度、最大限度地改善或恢復髖臼的生物力學功能提供了依據。