術(shù)前計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)三維打印制備舟骨螺釘導(dǎo)向模板置釘精確度的實(shí)驗(yàn)研究

郭陽(yáng) 田光磊 田文 李忠哲 孫麗穎 鐘文耀

. 臨床研究與實(shí)踐 Clinical research and practice .

術(shù)前計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)三維打印制備舟骨螺釘導(dǎo)向模板置釘精確度的實(shí)驗(yàn)研究

郭陽(yáng) 田光磊 田文 李忠哲 孫麗穎 鐘文耀

目的探討術(shù)前計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)結(jié)合三維打印技術(shù)，制備個(gè)體化舟骨螺釘導(dǎo)向模板的可行性，并評(píng)估其輔助置釘?shù)木_度。方法 選取 8 例成人腕關(guān)節(jié)的標(biāo)本，將其 CT 掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)入 VxWork 軟件，對(duì)舟骨進(jìn)行三維重建，選取合適釘?shù)溃⑴c腕關(guān)節(jié)周圍皮膚相貼合的模具，并利用三維打印技術(shù)將其打印為導(dǎo)向模板。將此打印模板安置于尸體標(biāo)本腕關(guān)節(jié)周圍，經(jīng)打印出的預(yù)置孔道打入螺釘導(dǎo)針。術(shù)后行 CT 掃描，對(duì)比術(shù)前術(shù)后的 CT 圖像，對(duì)比導(dǎo)針的位置及打入深度的精確程度。結(jié)果 螺釘導(dǎo)針位置精確度：6 例偏差＜1 mm，2 例偏差＜2 mm。導(dǎo)針打入深度：6 例偏差＜1 mm，2 例偏差＜2 mm。所有操作均為一次成功，且導(dǎo)針均在舟骨內(nèi)，導(dǎo)針位置符合臨床要求。結(jié)論 本研究結(jié)果表明，基于 CT 圖像，使用軟件能夠精確建立舟骨螺釘打入通道，三維打印出的個(gè)體化導(dǎo)航模板，輔助置釘準(zhǔn)確性高、操作簡(jiǎn)單，為舟骨骨折螺釘?shù)木_置入提供了一種可供選擇的新方法。

舟骨；骨折；外科手術(shù)，計(jì)算機(jī)輔助；打印，三維；骨折固定術(shù)，內(nèi)；腕關(guān)節(jié)

對(duì)于骨折無(wú)移位或微小移位的舟骨骨折進(jìn)行經(jīng)皮螺釘固定近年來(lái)有逐步替代保守治療的趨勢(shì)。經(jīng)皮螺釘固定舟骨屬于微創(chuàng)操作，舟骨是個(gè)短小骨，外形比較復(fù)雜，傳統(tǒng)的徒手置釘法有一定的技術(shù)難度，特別是在對(duì)螺釘?shù)奈恢糜幸欢ǖ囊蟮那闆r下，會(huì)延長(zhǎng)手術(shù)時(shí)間與增加術(shù)中放射線曝光量。在計(jì)算機(jī)輔助下置入螺釘最近成為新的研究熱點(diǎn)，近年來(lái)許多學(xué)者報(bào)告利用此類技術(shù)可以縮短術(shù)中曝光時(shí)間，提高手術(shù)的精確度[1-3]。三維打印技術(shù)在臨床不同學(xué)科逐漸得到應(yīng)用推廣的情況下[4]，筆者在計(jì)算機(jī)圖像重建與手術(shù)計(jì)劃軟件中，導(dǎo)入舟骨的 CT流量數(shù)據(jù)，在軟件中設(shè)計(jì)與腕關(guān)節(jié)匹配的模塊，在模塊中計(jì)算出舟骨螺釘導(dǎo)針的通道，將此模塊及通道以三維打印技術(shù)制作為導(dǎo)向模板輔助螺釘導(dǎo)針置入，本研究擬在尸體標(biāo)本上驗(yàn)證其準(zhǔn)確性。

材料與方法

選用 8 具成人新鮮尸體腕關(guān)節(jié)標(biāo)本，性別及民族不詳。對(duì)這些腕關(guān)節(jié)進(jìn)行螺旋 CT 掃描 ( 64 排，日本東芝公司，Aquilion Tsx-101A )，掃描范圍：以月骨為中心，包括腕骨、腕關(guān)節(jié)及前臂遠(yuǎn)端 1 / 3；條件：電壓 120 kv，電流 100 mA，掃描層厚 0.5 mm，螺距 0.938，矩陣 512 512，濾過(guò)參數(shù)為 30 ( 骨算法 )，重建層厚 0.5 mm，層距 0.5 mm。使用 VxWork軟件 ( 北京卓遠(yuǎn)科技 ) 處理 DICOM 格式數(shù)據(jù)，排除腕關(guān)節(jié)疾病后，按以下流程處理：( 1 ) 將腕關(guān)節(jié)整體 ( 包括皮膚軟組織 ) 進(jìn)行容積重建 ( 圖1 )，閾值：-100。( 2 ) 在腕關(guān)節(jié)周圍建立一個(gè)實(shí)心立方體，將腕關(guān)節(jié)完全包圍，與皮膚軟組織完全嵌合成形( 圖2 )。( 3 ) 對(duì)腕關(guān)節(jié)骨與關(guān)節(jié)重新建行表面重建，閾值：98。在舟骨內(nèi)根據(jù)居中的原則，選擇合適的位置[5-6]建立螺釘導(dǎo)針三維影像，即直徑為 1.1 mm的圓柱體 ( 圖3 )。在此圓柱體穿出立方體部分的周圍建立套管 ( 圖4 )，外徑為 3.5 mm，測(cè)量螺釘導(dǎo)針自套筒末端至舟骨最近端皮質(zhì)部分的導(dǎo)針長(zhǎng)度并記錄。( 4 ) 運(yùn)用減集運(yùn)算，將腕關(guān)節(jié)整體及導(dǎo)針移除，即形成陰模 ( 圖5 )。( 5 ) 將設(shè)計(jì)好的模型以 WRL 格式傳輸至桌面三維打印機(jī) ( 美國(guó) Stratasys 公司 )，使用醫(yī)用可降解聚乳酸為材料將陰模分為掌背側(cè)兩部分打印。個(gè)體化舟骨螺釘導(dǎo)針模板即制作完成。( 6 ) 將腕關(guān)節(jié)標(biāo)本置于操作臺(tái)上，將掌背側(cè)導(dǎo)針模板與解凍的腕關(guān)節(jié)標(biāo)本扣好 ( 圖6 )，用膠帶固定。用電鉆將 1.1 mm 導(dǎo)針沿掌側(cè)套筒打入，深度為之前測(cè)量的導(dǎo)針長(zhǎng)度。置針結(jié)束后，再次對(duì)所有標(biāo)本行 CT檢查，重合術(shù)前術(shù)后舟骨 CT 影像，在軟件上測(cè)量并記錄導(dǎo)針位置術(shù)前術(shù)后的最大距離差 ( 圖7 )。另外在軟件中操作，使腕關(guān)節(jié)骨質(zhì)透明度增加，在軟件上測(cè)量導(dǎo)針尖端與舟骨最近端皮質(zhì)的 ( 圖8 )，即為導(dǎo)針實(shí)際打入深度與術(shù)前設(shè)計(jì)的距離差。

圖1 腕關(guān)節(jié)整體 ( 包括皮膚軟組織 ) 進(jìn)行容積重建圖2 在腕關(guān)節(jié)周圍建立一個(gè)實(shí)心立方體，與皮膚軟組織完全嵌合成形Fig.1 Skin and soft tissue of the wrist joint was reconstructedFig.2 A cube surface model was created to surround the wrist joint

圖3 在舟骨表面重建的影像上，建立螺釘導(dǎo)針三維影像圖4 在立方體的掌側(cè)部分套管Fig.3 A guide wire simulation was created and was place in the ideal position in the scaphoid surface modelFig.4 A jig around the guide wire was created in palmar part of the cube

圖5 運(yùn)用減集運(yùn)算將腕關(guān)節(jié)整體及導(dǎo)針移除，形成陰模圖6 在標(biāo)本上操作，從掌側(cè)通道打入導(dǎo)針Fig.5 Surgical template with guide was obtained by Boolean subtractionFig.6 A guide wire was inserted into the cadaver scaphoid from palmar approach

結(jié) 果

CT 檢查確認(rèn) 8 具尸體標(biāo)本的舟骨均符合研究要求，腕關(guān)節(jié)未發(fā)現(xiàn)骨性或軟組織病變，分別對(duì)其行計(jì)算機(jī)重建及三維打印成型，制作個(gè)體化置釘導(dǎo)航模板，并于其輔助下順利置入舟骨螺釘導(dǎo)針共 8 枚。實(shí)際操作中發(fā)現(xiàn)導(dǎo)航模板與腕關(guān)節(jié)皮膚的嵌合度較好，組合后具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性。用膠布固定后，打入導(dǎo)針時(shí)導(dǎo)航模板均未發(fā)生明顯松動(dòng)或移位。螺釘導(dǎo)針位置精確度：6 例偏差＜1 mm，2 例偏差＜2 mm。導(dǎo)針打入深度：6 例偏差＜1 mm，2 例偏差＜2 mm。所有導(dǎo)針均為一次打入，均未穿出舟骨。

圖7 重合術(shù)前術(shù)后 CT 圖像，測(cè)量實(shí)際導(dǎo)針與虛擬導(dǎo)針位置差圖8 在軟件中操作增加腕關(guān)節(jié)骨質(zhì)透明度，測(cè)量導(dǎo)針尖端與舟骨最近端皮質(zhì)的距離Fig.7 Linear and angular deviation were measured after overlapping pre-operative and post-operative CT images of the scaphoidFig.8 The distance between the tip of the guide wire and the insertion point on the scaphoid surface was measured after increasing the transparency of the scaphoid

討 論

對(duì)于無(wú)移位或移位＜1 mm 的新鮮舟骨骨折以及陳舊骨折不愈合以空心螺釘進(jìn)行固定可以縮短制動(dòng)時(shí)間，縮短骨折愈合時(shí)間，提高骨愈合率。影響內(nèi)固定強(qiáng)度的因素有：舟骨骨質(zhì)情況，骨折面自身形態(tài)，骨折是否解剖復(fù)位，內(nèi)固定物的選擇以及手術(shù)的操作技術(shù)，例如放置螺釘是否在舟骨內(nèi)居中，螺釘與骨折線是否垂直，螺釘是否足夠長(zhǎng)等。舟骨的骨質(zhì)情況以及骨折面情況醫(yī)生無(wú)法控制，只能提高手術(shù)中的操作技術(shù)，因此，這也一直是近年來(lái)手外科的一個(gè)熱點(diǎn)話題。不少學(xué)者認(rèn)為將螺釘在舟骨內(nèi)居中放置可以縮短骨折愈合時(shí)間，將螺釘?shù)木又凶鳛樽钪匾牟僮鳎踔敛幌谐糠执蠖嘟枪荹7-8]。也有些學(xué)者認(rèn)為，舟骨螺釘?shù)闹兄没⒉皇潜匦璧?，螺釘與骨折線垂直更有意義[9-10]。對(duì)此尚有爭(zhēng)議。筆者之前的生物力學(xué)研究結(jié)果提示，螺釘?shù)木又行詫?duì)于固定的牢固程度最為重要，且這個(gè)居中性一定要根據(jù)骨折線的位置來(lái)確定[11]。因此筆者在術(shù)前的計(jì)劃中，計(jì)算出居中導(dǎo)針的位置。但在臨床操作中，手術(shù)醫(yī)生想將螺釘置入這個(gè)位置并非易事。傳統(tǒng)經(jīng)皮螺釘固定手術(shù)需要依靠術(shù)中 X 線反復(fù)透視來(lái)獲得滿意的手術(shù)效果。這無(wú)形中增加了手術(shù)時(shí)間和手術(shù)者以及患者的 X 線暴露時(shí)間。有時(shí)，盡管 X 線反復(fù)透視，螺釘仍然偏離正確的位置，術(shù)者只能反復(fù)變換導(dǎo)針在舟骨內(nèi)的位置。這樣的操作無(wú)疑會(huì)降低舟骨內(nèi)的骨量，從而影響固定的牢固性。傳統(tǒng)手術(shù)的另外一個(gè)缺點(diǎn)是舟骨螺釘?shù)拈L(zhǎng)度不好估計(jì)，盡管有專門(mén)設(shè)計(jì)的測(cè)量舟骨螺釘長(zhǎng)度的器械，但由于操作以及舟骨結(jié)節(jié)部位軟組織阻擋等問(wèn)題使得測(cè)量的準(zhǔn)確性受到影響。

計(jì)算機(jī)術(shù)前輔助手術(shù)最初應(yīng)用于神經(jīng)外科，它將計(jì)算機(jī)圖像處理與臨床手術(shù)結(jié)合起來(lái)，通過(guò)在術(shù)前提供患者骨骼的圖像與手術(shù)工具的空間位置，協(xié)助手術(shù)醫(yī)師準(zhǔn)確完成手術(shù)?，F(xiàn)已廣泛應(yīng)用于骨科，特別是脊柱、髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)外科等[12-13]，近年來(lái)在治療舟骨骨折方面的應(yīng)用逐漸增多。Murase[14]較早的報(bào)告了術(shù)前利用舟骨三維 CT 重建圖像指導(dǎo)術(shù)中手術(shù)，但實(shí)際上操作難度也比較大。筆者以前報(bào)告過(guò)運(yùn)用計(jì)算機(jī)術(shù)前計(jì)算輔助術(shù)中置入舟骨螺釘。但用于在術(shù)中徒手操作的程度比較高，也會(huì)有一定的操作誤差。對(duì)于新鮮移位不大的骨折，有些學(xué)者利用術(shù)中導(dǎo)航設(shè)備對(duì)舟骨螺釘?shù)姆胖眠M(jìn)行計(jì)算[1-2,15]，在術(shù)中指導(dǎo)手術(shù)，和傳統(tǒng)的在 C 型臂指導(dǎo)下的手術(shù)相比，可以縮短術(shù)中 X 線暴露時(shí)間，提高手術(shù)的精確度，這些研究多在尸體標(biāo)本上進(jìn)行，臨床應(yīng)用沒(méi)有廣泛開(kāi)展。同時(shí)，由于舟骨體積較小，術(shù)中操作、腕關(guān)節(jié)及示蹤器的微動(dòng)會(huì)造成一定誤差[16]，另外，成本比較高也影響了其技術(shù)的廣泛應(yīng)用。

筆者研發(fā)的這種新型個(gè)體化置釘導(dǎo)向模板，技術(shù)路線可概括為三步：( 1 ) 基于 CT 圖像，使用VxWork 軟件重建舟骨，精確測(cè)量并計(jì)算舟骨的解剖學(xué)參數(shù)，計(jì)算出舟骨的中央?yún)^(qū)，將導(dǎo)針?lè)胖萌胫醒雲(yún)^(qū)，建立包圍腕關(guān)節(jié)的陰模，在陰模中建立虛擬針道；( 2 ) 將 WRL 格式數(shù)據(jù)文件直接輸出至三維打印機(jī)，進(jìn)行三維成型出導(dǎo)針導(dǎo)向板；( 3 ) 將導(dǎo)向模板與腕關(guān)節(jié)組配，在直視下使用手術(shù)器械進(jìn)行置針操作。經(jīng)過(guò)再次 CT 掃描證實(shí)了置針的精度相當(dāng)高。

本研究所提出的方法也存在以下缺陷：( 1 ) 在導(dǎo)針模板的設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要設(shè)計(jì)者具備較高的軟件操作水平和腕關(guān)節(jié)專業(yè)知識(shí)，需要掌握該技術(shù)的學(xué)習(xí)曲線較長(zhǎng)；( 2 ) 三維打印需要時(shí)間較長(zhǎng)，以目前使用的打印設(shè)備和材料，打印過(guò)程要 20 h 左右，如果需要再作 CT 檢查，以及術(shù)前的環(huán)氧乙烷滅菌則需要 24 h，整個(gè)設(shè)計(jì)和成型過(guò)程至少需要3 天；( 3 ) 目前打印材料的成本較低，但三維打印機(jī)及設(shè)計(jì)所用的軟件成本較高；( 4 ) 導(dǎo)向模板成品上的置針通道無(wú)法改動(dòng)，一旦在整個(gè)的設(shè)計(jì)和制作過(guò)程導(dǎo)致誤差出現(xiàn)，難以修正或更改，只能改為傳統(tǒng)的手術(shù)。

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( 本文編輯：李貴存 )

A cadaveric study on the accuracy of an individualized guiding template to assist placement of scaphoid screws using computer-assisted design and three-dimensional printing technique

GUO Yang, TIAN Guang-lei, TIAN Wen, LI Zhong-zhe, SUN Li-ying, ZHONG Wen-yao. Department of Hand Surgery, Beijing Jishuitan Hospital, Beijing, 100035, China

Objective To investigate the feasibility of establishing an individualized guide template for scaphoid screw insertion using computer-assisted design and three dimensional ( 3D ) printing technique, and to evaluate the accuracy and safety of this technique. Methods Eight adult wrist specimens were scanned by computed tomography ( CT ) scanner. All CT volume data of 8 wrists were imported into the VxWork software and surface scaphoid models were reconstructed. We selected a proper tunnel of optimal screw guide wire position and then created a template matching to the wrist. A screw guiding template was created by 3D printing technique. Postoperative CT scans were obtained to evaluate the accuracy of screw position and insertion depth. Results A grading scheme was used to assess the drilling accuracy: Grade 1 ＜ 1 mm deviation, Grade 2 ＜ 2 mm deviation. Scaphoid drilling was conformed to be completely accurate ( Grade 1 ) in 6 specimens, highly accurate ( Grade 2 ) in 2 specimens. No specimen required a repeated drilling of the scaphoid. All the screws were in the scaphoid, whose positions met the clinical requirements. Conclusions This study has shown that a proper tunnel for scaphoid screw insertion can be created bases on CT scanning. Scahpoid screw insertion guided by a 3D printing template has been proved to be accurate and easy to operate and this technique could be a new alternative to conventional technique.

Scaphoid bone; Fractures, bone; Surgery, computer-assisted; Printing, three-dimensional; Fracture fixation, internal; Carpal joints

10.3969/j.issn.2095-252X.2017.04.008

R683.4, R445

首都醫(yī)學(xué)發(fā)展科研專項(xiàng)基金 ( 2014-4-2073 )；北京市衛(wèi)生系統(tǒng)高層次衛(wèi)生技術(shù)人才培養(yǎng)計(jì)劃任務(wù)書(shū)( 2015-3-035 )

100035 北京積水潭醫(yī)院手外科

2017-01-18 )