3D打印個(gè)性化脛骨平臺(tái)內(nèi)固定植入物的智能化參數(shù)設(shè)計(jì)

白金喜 李江平(通訊作者) 鄭小飛 許偉國(guó)

( 1 廣州市南沙區(qū)中醫(yī)醫(yī)院外二科 ， 廣東 廣州 511462 ； 2 暨南大學(xué)附屬第一醫(yī)院運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)中心 ； 3 廣州市番禺區(qū)中醫(yī)院骨科 )

脛骨平臺(tái)骨折當(dāng)前在臨床上比較常見(jiàn)，也是一種常見(jiàn)的致殘性疾病[1-2]。內(nèi)固定植入為該病的主要治療方法，但是該病的類(lèi)型復(fù)雜，無(wú)法確診關(guān)節(jié)損傷情況，所以針對(duì)內(nèi)固定治療提出了較高的要求[3-4]。而骨科醫(yī)生對(duì)于脛骨平臺(tái)骨折主要依靠X線進(jìn)行診斷、三維CT重建、術(shù)前評(píng)估和手術(shù)方式設(shè)計(jì)，然而只能從幾個(gè)截面圖像中獲取有用信息，無(wú)法從多個(gè)角度直接觀察骨折情況，很難制定詳細(xì)的術(shù)前計(jì)劃[5]。術(shù)前以患者影像學(xué)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過(guò)3D打印技術(shù)可以打印出植入物模型，能夠掌握更加規(guī)則及準(zhǔn)確的內(nèi)部和外部結(jié)構(gòu)，便于制定手術(shù)方案[6-7]。特別是當(dāng)前3D打印技術(shù)可實(shí)現(xiàn)術(shù)前設(shè)計(jì)由虛擬圖像模擬到現(xiàn)實(shí)模型模擬的重大轉(zhuǎn)變，以便更直觀明確地做出診斷并制定治療方案，從而指導(dǎo)平臺(tái)內(nèi)固定植入治療[8-10]。本文具體探討了3D打印個(gè)性化脛骨平臺(tái)內(nèi)固定植入物的智能化參數(shù)設(shè)計(jì)方案，以明確3D打印的價(jià)值?，F(xiàn)總結(jié)報(bào)告如下。

臨床資料

1 一般資料：王某某，男，45歲，2017年8月15日來(lái)本院進(jìn)行診治，車(chē)禍傷后脛骨平臺(tái)疼痛急診入院，查體：左膝關(guān)節(jié)外側(cè)皮膚腫脹，壓痛明顯，表面紅腫，皮溫高，右下肢正常，診斷為脛骨平臺(tái)骨折。

2 影像學(xué)數(shù)據(jù)采集：采集該患者左側(cè)下肢膝關(guān)節(jié)X線和CT數(shù)據(jù)，進(jìn)行圖像的三維重建，對(duì)圖像進(jìn)行表面及內(nèi)部的平滑處理，保證組織結(jié)構(gòu)不失真，達(dá)到可以3D模擬打印的要求。

3 脛骨平臺(tái)內(nèi)固定植入物參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1 材料選擇：參考研究對(duì)象的自身脛骨平臺(tái)形狀進(jìn)行植入物的全新設(shè)計(jì)，在關(guān)節(jié)面及截骨截面完全個(gè)性化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，采用三件式植入物結(jié)構(gòu)，組成主要包括了脛骨植入物與脛骨內(nèi)固定桿等。選擇參照主流植入物的材料。中間脛骨襯墊部分選擇的是超高分子量聚乙烯，分子量在2000kg/mol-6000kg/mol，其與普通高密度聚乙烯的參數(shù)差異見(jiàn)表1。

表1 超高分子量聚乙烯與普通高密度聚乙烯的材料屬性差異

由于脛骨平臺(tái)在行走時(shí)承擔(dān)了人體大量沖擊載荷，因此選用超高分子量聚乙烯合適的。

3.2 植入物建模及參數(shù)確定：在3D打印個(gè)性化脛骨平臺(tái)內(nèi)固定植入物，上端為脛骨植入物、脛骨柄，下端為脛骨植入物及傾斜插入脛骨頭的脛骨柄，中間置入脛骨端聚乙烯襯墊。具體建模組件見(jiàn)圖1。

圖1 脛骨平臺(tái)植入物組件圖

參數(shù)確定：脛骨截骨量參考脛骨平臺(tái)植入物，確定脛骨柄長(zhǎng)度40mm、截骨量10mm，脛骨內(nèi)接圓半徑12.134mm，最小半徑10.5456mm，最大半徑14.952mm，植入物脛骨固定桿直徑12mm。

3.3 脛骨平臺(tái)植入物的力學(xué)分析及仿真：完成脛骨平臺(tái)植入物的設(shè)計(jì)與建模后，通過(guò)加載手段，觀察其與正常脛骨平臺(tái)受力情況的差異。裝入植入物后，劃分完成后的脛骨與植入物組件。對(duì)安裝植入物后脛骨平臺(tái)模型導(dǎo)入3D打印技術(shù)系統(tǒng)，然后施加一定量的載荷，展開(kāi)有限的分析。在此分析過(guò)程中的主要研究為脛骨平臺(tái)植入物的應(yīng)力分析等，了解骨骼部分所對(duì)應(yīng)的各種應(yīng)力情況。植入物原始脛骨平臺(tái)系統(tǒng)模型在位移加載13mm 處，反力大小是278.9N，加載脛骨平臺(tái)寬度為50.99mm，其脛骨平臺(tái)變化率為15.3%。原始模型內(nèi)側(cè)前后徑52.5mm，加載后模型內(nèi)側(cè)前后徑42.5mm，內(nèi)側(cè)前后徑變化率為18.3%，不過(guò)處于合理范圍。聚乙烯襯墊及脛骨植入物的應(yīng)力分布如圖2。脛骨植入物最大等效應(yīng)力為34.94MPa，位置處于脛骨關(guān)節(jié)面處，最大等效應(yīng)力在可接受范圍內(nèi)。聚乙烯植入物最大等效應(yīng)力為15.59MPa，位于脛骨平臺(tái)關(guān)節(jié)面處，也在可接受的范圍。

由植入物的應(yīng)力分布可知，應(yīng)力基本上都集中在未倒角的邊緣部分。脛骨聚乙烯襯墊及脛骨植入物接觸應(yīng)力分布，脛骨植入物處接觸應(yīng)力最大為99.42MPa，聚乙烯襯墊處接觸應(yīng)力最大為32.55MPa。由于脛骨平臺(tái)植入物在此處同時(shí)接觸脛骨襯墊和脛骨，并且襯墊彈性模量遠(yuǎn)低于骨骼彈性模量。為此需要對(duì)脛骨平臺(tái)植入物設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，在側(cè)面以鈦合金植入物覆蓋，增加植入物襯墊部分關(guān)節(jié)面面積，擴(kuò)大脛骨內(nèi)側(cè)關(guān)節(jié)面的截骨范圍，使接觸作用發(fā)生于鈦合金處，增加植入物襯墊部分關(guān)節(jié)面面積，也可避免在脛骨截骨末端棱角處產(chǎn)生接觸應(yīng)力。針對(duì)脛骨端的組合彈性模量，通過(guò)復(fù)合材料彈性模量公式可推斷：Ea=(E1V1+E2V2)/(V1+V2)。因?yàn)檎Ｃ劰瞧脚_(tái)關(guān)節(jié)面本身附有0.5mm 軟骨層，彈性模量大概是10Mpa，并且因?yàn)楦叻肿恿烤垡蚁椥阅Ａ考s為550MPa，脛骨植入物剛性部分與襯墊部分比率約為4:7，通過(guò)公式可求出等效彈性模量大概是40350MPa，高于脛骨骼彈性模量。并且脛骨植入物得到的應(yīng)力數(shù)據(jù)相比正常脛骨平臺(tái)有限元分析的數(shù)據(jù)結(jié)果之間具有較大差距，然而與原有骨骼相比具有較高的鈦合金強(qiáng)度，達(dá)到了796MPa的屈服應(yīng)力，所以植入物能夠發(fā)揮出正常功效，可以滿(mǎn)足其日常的生活需求。

3.4 3D打印模型：3D打印模型在本院骨科3D打印手術(shù)設(shè)計(jì)中心打印模型。經(jīng)過(guò)調(diào)整位置、修復(fù)模型和添加支撐等一系列處理后，選擇Shining公司的SLA-4503D打印設(shè)備開(kāi)始打印。

3.5 模型精確度分析：將打印出的模型進(jìn)行CT掃描，并且與相應(yīng)的患者原始骨骼CT數(shù)據(jù)進(jìn)行配對(duì)。分別測(cè)量脛骨平臺(tái)植入物模型的最大長(zhǎng)徑、最大寬徑、最大高度等指標(biāo)，所有數(shù)據(jù)均進(jìn)行3次測(cè)量，選擇平均值。同時(shí)測(cè)量患者影像與模型數(shù)據(jù)間的相對(duì)誤差和絕對(duì)誤差。

5 結(jié)果：3D打印的脛骨平臺(tái)植入物模型最大長(zhǎng)徑、最大寬徑、最大高度與患者膝關(guān)節(jié)影像學(xué)參數(shù)對(duì)比差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)，平均絕對(duì)誤差≤0.40 mm，相對(duì)誤差≤0.9%。見(jiàn)表1。

表1 3D打印模型和患者膝關(guān)節(jié)影像學(xué)參數(shù)對(duì)比

討 論

隨著醫(yī)學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人體測(cè)量得到了廣泛的應(yīng)用，術(shù)前設(shè)計(jì)越來(lái)越趨向于個(gè)性化、精確化[11]。不過(guò)很多脛骨平臺(tái)骨折患者的病情復(fù)雜，依靠現(xiàn)有的影像學(xué)技術(shù)，很難進(jìn)行人體骨骼測(cè)定，對(duì)于確診及確定手術(shù)方法具有一定的難度[12]。CT及X線等影像數(shù)據(jù)只可得到二維平面的圖像，無(wú)法更加全面的反映出脛骨平臺(tái)骨折情況。盡管CT可進(jìn)行三維重建，然而此重建過(guò)程也只是通過(guò)計(jì)算機(jī)二維屏幕呈現(xiàn)出圖像內(nèi)容，很難有效指導(dǎo)進(jìn)行治療[13]。隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，其在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛[14]。3D打印模型可以更直觀地還原骨折部位的真實(shí)情況，可與患部影像學(xué)指標(biāo)進(jìn)行模擬裝配，指導(dǎo)選擇最合適植入物[15]。

由于現(xiàn)成標(biāo)準(zhǔn)化脛骨平臺(tái)固定植入物的設(shè)計(jì)并非植入個(gè)體的具體解剖形態(tài)，在較大植入物的情況下可能導(dǎo)致其體積大于原有骨骼，或是覆蓋原有面積過(guò)小，從而對(duì)其他組織產(chǎn)生負(fù)面影響，也使得脛骨平臺(tái)容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而影響手術(shù)效果[16]。本研究以脛骨平臺(tái)生物解剖學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行植入物設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)植入物的前期，測(cè)量正常脛骨平臺(tái)的解剖學(xué)參數(shù)并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析[17]。在對(duì)植入物進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)有限仿真的手法，對(duì)人體正常脛骨平臺(tái)進(jìn)行力學(xué)反正，對(duì)仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證，明確其可參考性[18]。創(chuàng)建植入物-骨骼系統(tǒng)的三維有限原模型，施加步態(tài)載荷，計(jì)算生物力學(xué)特性。有限元分析顯示該植入物雖未能完全達(dá)到正常脛骨平臺(tái)的應(yīng)力水平，但是植入物部分應(yīng)力水平在安全范圍內(nèi)，植入物關(guān)節(jié)面處最大等效應(yīng)力高于原始正常關(guān)節(jié)處等效應(yīng)力，植入植入物后脛骨平臺(tái)系統(tǒng)總體應(yīng)力水平有所上升，其性能可以滿(mǎn)足其日常的生活需求[19]。脛骨平臺(tái)骨折傳統(tǒng)內(nèi)固定治療有標(biāo)準(zhǔn)化的植入物，但是在實(shí)際的手術(shù)時(shí)，需要根據(jù)患者的具體情況進(jìn)行調(diào)整，導(dǎo)致手術(shù)難度增加，無(wú)法得到更好的手術(shù)效果[20]。當(dāng)前在數(shù)字測(cè)量方面，CT 三維重建意義重大。其可通過(guò)三維重建軟件對(duì)骨骼及軟組織進(jìn)行重建，但是因?yàn)樗膶?duì)象為物體的表面，沒(méi)有內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)的數(shù)據(jù)，因此無(wú)法進(jìn)行內(nèi)部透視[21]。當(dāng)前3D 打印技術(shù)也已有成功運(yùn)用人于人體的案例，特別是3D 打印全膝關(guān)節(jié)置換系統(tǒng)已經(jīng)成功進(jìn)入市場(chǎng)，可對(duì)每個(gè)患者進(jìn)行完全定制服務(wù)，包括股骨關(guān)節(jié)部分和脛骨關(guān)節(jié)部分，植入物的形狀、尺寸完全適配每個(gè)患者獨(dú)有的解剖結(jié)果，有著更好的仿生生物力學(xué)運(yùn)動(dòng)效果[22-23]。本次研究對(duì)3D打印模型進(jìn)行逆向CT掃描，并與患者本身CT數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比測(cè)量，結(jié)果顯示3D打印的脛骨平臺(tái)植入物模型最大長(zhǎng)徑、最大寬徑、最大高度與患者膝關(guān)節(jié)影像學(xué)參數(shù)對(duì)比差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)，平均絕對(duì)誤差≤0.40 mm，相對(duì)誤差≤0.9%，表明患者真實(shí)病損情況與模型高度一致。另外術(shù)前應(yīng)用3D打印技術(shù)輔助診斷，可以掌握更加準(zhǔn)確及規(guī)則的內(nèi)部和外部結(jié)構(gòu)，有利于減少手術(shù)創(chuàng)傷與縮短手術(shù)時(shí)間[24-25]。不過(guò)3D打印技術(shù)也有一定的誤差，特別是需要對(duì)模型與真實(shí)骨骼的結(jié)構(gòu)誤差進(jìn)行深入研究，且3D打印的成本比較高，要將3D打印技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用于臨床還有待深入分析。

總之，3D打印個(gè)性化脛骨平臺(tái)內(nèi)固定植入物可利用精確化與智能化的參數(shù)設(shè)計(jì)，能直觀準(zhǔn)確地進(jìn)行輔助診斷，可為制定治療方案提供參考價(jià)值。