3D打印技術(shù)輔助骨科手術(shù)關(guān)鍵技術(shù)研究

姬金虎 森干

【摘 要】本文通過(guò)計(jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)與3D打印技術(shù)相結(jié)合的方式，探索出3D打印技術(shù)輔助骨科手術(shù)的途徑，研究3D打印技術(shù)在骨科手術(shù)中的應(yīng)用及意義。本文使用逆向工程與3D打印對(duì)患者手術(shù)區(qū)域骨骼進(jìn)行重建并制作模型，進(jìn)而制定手術(shù)計(jì)劃及術(shù)前模擬手術(shù)操作，增加手術(shù)的精確性、安全性。

【關(guān)鍵詞】3D打印;手術(shù)模擬;骨科手術(shù)

【Abstract】In our work， we combination Three dimensional computer design and 3D printing technology， to explore one new way for 3D printing technology assisted orthopedic surgery， And we can summarize 3D printing technology ?applications and Significance in orthopedic surgery. In this paper， through reverse engineering and 3D printed patients bones，we reconstruction and modeling the surgical area， simulation 、develop plans before surgery ，and increased surgical accuracy， security.

【Key words】3D print; Operation simulation; Department of orthopedics operation

0 引言

近年來(lái)，3D 打印技術(shù)飛速發(fā)展，在制造業(yè)、航空業(yè)乃至醫(yī)學(xué)等諸多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用空間，同時(shí)逆向工程在醫(yī)學(xué)上也應(yīng)用在骨組織重建、假肢設(shè)計(jì)和牙科等方面[1]，從 20 世紀(jì) 70 年代就有研究人員著手于臟器三維數(shù)字化技術(shù)的研究[2]，使用3D 打印技術(shù)制造的牙齒已進(jìn)入市場(chǎng)應(yīng)用， 3D 打印機(jī)在血管、心臟等器官的再造和移植等醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用值得期待，而骨骼組織重建因結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，對(duì)材料要求高，目前尚在研究中。因此，本研究把虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和工程領(lǐng)域的逆向工程思想相結(jié)合，將3D打印技術(shù)引入到外科手術(shù)中來(lái)，制定手術(shù)計(jì)劃及術(shù)前模擬手術(shù)操作來(lái)輔助手術(shù)的開(kāi)展，進(jìn)而增加手術(shù)的精確性、安全性。

1 系統(tǒng)研究?jī)?nèi)容

結(jié)合逆向工程思想，建立患者手術(shù)區(qū)域組織的三維“體數(shù)據(jù)集”，編輯、重建體數(shù)據(jù)集，通過(guò)3D打印技術(shù)制作出實(shí)物模型。使用該模型幫助臨床輔助診斷、復(fù)雜手術(shù)方案的確定、制作個(gè)性化假體等方面使診斷和手術(shù)修復(fù)更加直觀化、實(shí)物化、具體化。

1.1 術(shù)前策劃

根據(jù)患者的CT數(shù)據(jù)來(lái)逆向建模，通過(guò)3D打印技術(shù)建立準(zhǔn)確的手術(shù)部位數(shù)字化實(shí)體模型，并進(jìn)行術(shù)前模擬策劃，供外科醫(yī)生在術(shù)前確定手術(shù)方案、模擬手術(shù)過(guò)程、熟練手術(shù)操作、預(yù)計(jì)手術(shù)結(jié)果，進(jìn)而有針對(duì)性地向患者詳細(xì)講解病變的復(fù)雜性及手術(shù)操作的危險(xiǎn)性，取得患者及家屬的理解與配合。

1.2 手術(shù)輔助器械的應(yīng)用

3D打印技術(shù)使病變部位的解剖形態(tài)具體化，建立需手術(shù)部分的模型，并制作與之相匹配的導(dǎo)板等輔助器械，可有效的保證手術(shù)的質(zhì)量。

1.3 定制假體中的應(yīng)用

患者的骨骼結(jié)構(gòu)因人而異，所以根據(jù)特定患者的CT或MRI數(shù)據(jù)而來(lái)設(shè)計(jì)并制作種植體，實(shí)現(xiàn)假體制造和植入的“個(gè)性化”，減少假體制作的出錯(cuò)幾率。

2 系統(tǒng)研究方案

對(duì)CT DICOM數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，校驗(yàn)DICOM數(shù)據(jù)。合格的體數(shù)據(jù)利用逆向工程方法，建立骨骼的體像素，對(duì)骨骼的體像素進(jìn)行編輯得出患者手術(shù)區(qū)域的1：1模型，或者生產(chǎn)植入物假體，系統(tǒng)的原型構(gòu)架如圖1。

（1）CT資料通過(guò)逆向工程在計(jì)算機(jī)中重建骨骼，并通過(guò)骨骼與軟組織的體素灰度不同，將骨骼分割出來(lái)，對(duì)其中骨折缺損的骨骼進(jìn)行修補(bǔ)，三維編輯操作后導(dǎo)出結(jié)果。

（2）使用STL文件打印骨骼模型，將重建的骨骼數(shù)據(jù)與早前的資料相對(duì)比，分析骨骼模型物理參數(shù)上是否和患者骨骼相近。

（3）利用3D打印的骨骼模型，供外科醫(yī)生在術(shù)前確定手術(shù)方案、模擬手術(shù)過(guò)程、熟練手術(shù)操作、預(yù)計(jì)手術(shù)結(jié)果。

圖1 系統(tǒng)原型構(gòu)架

3 結(jié)束語(yǔ)

3D打印技術(shù)可供外科醫(yī)生在術(shù)前確定手術(shù)方案、模擬手術(shù)過(guò)程、熟練手術(shù)操作、預(yù)計(jì)手術(shù)結(jié)果，使手術(shù)的精確性、安全性得到提升，也為輔助骨科手術(shù)提供了新途徑，能更好的開(kāi)展以開(kāi)展教學(xué)活動(dòng)，培養(yǎng)醫(yī)生，具有巨大的應(yīng)用前景。

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[責(zé)任編輯：湯靜]