基于数字化设计和3D打印胫骨近端骨折内固定的关键技术

中国组织工程研究第20卷第26期2016–06–24出版ChineseJournalofTissueEngineeringResearchJune24,2016Vol.20,No.26ISSN2095-4344CN21-1581/RCODEN:ZLKHAH3837·研究原著·郑锋，男，1978年生，福建省莆田市人，2002年首都医科大学毕业，硕士，主治医师，主要从事数字化骨科学方面的研究。通讯作者：陈宣煌，硕士，副主任医师，莆田学院附属医院骨科，福建省莆田市351100中图分类号:R318文献标识码:B文章编号:2095-4344(2016)26-03837-06稿件接受：2016-04-23采集胫骨近端骨折连续薄层CT扫描的Dicom格式图像三维重建、骨折复位虚拟内固定、设计导航模块骨骼模型内固定手术导入Mimics软件标准件库中选择螺钉接骨板3D打印通过CT扫描验证接骨板位置，螺钉的进钉点、走向、长度、直径是否与Mimics软件中模拟的最佳参数一致基于数字化设计和3D打印胫骨近端骨折内固定的关键技术郑锋，余正希，陈宣煌，郑祖高，吴长福，吴献伟，林海滨，张国栋，陈旭(莆田学院附属医院骨科，福建省莆田市351100)引用本文：郑锋，余正希，陈宣煌，郑祖高，吴长福，吴献伟，林海滨，张国栋，陈旭.基于数字化设计和3D打印胫骨近端骨折内固定的关键技术[J].中国组织工程研究，2016，20(26):3837-3842.DOI:10.3969/j.issn.2095-4344.2016.26.006ORCID:0000-0001-9441-3014(陈宣煌)文章快速阅读：文题释义：3D打印：是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可黏合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。数字化骨科：将数字医学技术与骨科临床医学紧密结合，充分利用医学领域多模图像数据，在计算机帮助下，对医学图像信息进行处理后结合立体定位系统，显示和定位人体骨骼的解剖结构，再由计算机规划手术路径，制定合理定量的手术方案，术前手术模拟，在适当的图像监视和立体定位系统下，利用一定的导引系统，使用计算机和医用机器人进行模拟手术以及手术干预，辅助医生完成手术。摘要背景：前期实验已经完成了胫骨近端骨折三维重建复位及数字钢板设计、胫骨近端接骨板标准件库的建立以及3D打印后的手术模拟。目的：在前期研究基础上，探讨数字化设计结合3D打印模型进行标准件库接骨板、螺钉在胫骨近端骨折中导航内固定置入方法的可行性及准确性。方法：采集20例临床胫骨近端骨折患者连续薄层CT扫描的Dicom格式图像，分别导入Mimics软件予以三维重建、骨折复位。从标准件库中选择接骨板、螺钉虚拟内固定，设计带钉道的导航模块。3D打印骨骼、接骨板、导航模块，进行骨骼模型内固定手术，导航放置螺钉、接骨板，观察导航模块卡位、板钉位置情况，以术后外观、CT扫描评价效果。结果与结论：20例骨骼模型术后均行CT扫描重建，结合外观，显示接骨板位置、螺钉的进钉点，进钉方向、长度、直径均与Mimics软件中模拟预设的一致。导航模块和相对应的胫骨近端骨性结构贴合紧密，嵌合度良好，在应用时卡位及稳定性良好，可以很好指引接骨板放置、螺钉置入。提示：在导航模块的辅助下，胫骨近端骨折标准件库接骨板内固定置入准确率高，基于数字化设计和3D打印的标准件库接骨板数字化内固定技术有望良好实现骨科内固定物置入导航。关键词：骨科植入物；数字化骨科；胫骨近端骨折；内固定；数字化设计；3D打印；标准件；福建省自然科学基金主题词：胫骨骨折；骨折固定术，内；治疗,计算机辅助；组织工程基金资助：福建省莆田市科技计划课题(2013S03(6))；福建省莆田学院科研基金项目(2014027)；福建省自然科学基金项目(2016J01483)；福建省卫生和计划生育委员会卫生系统中青年骨干人才培养项目(2014-ZQN-JC-39)数字化设计、3D打印模型模拟胫骨近端骨折标准件库接骨板内固定手术的准确性郑锋，等.基于数字化设计和3D打印胫骨近端骨折内固定的关键技术P.O.Box10002,Shenyang110180:ChenXuan-huang,Master,Associatechiefphysician,DepartmentofOrthopedics,AffiliatedHospitalofPutianUniversity,Putian351100,FujianProvince,ChinaKeytechniquesofinternalfixationforproximaltibialfracturesbasedondigitaldesignandthree-dimensionalprintingZhengFeng,YuZheng-xi,ChenXuan-huang,ZhengZu-gao,WuChang-fu,WuXian-wei,LinHai-bin,ZhangGuo-dong,ChenXu(DepartmentofOrthopedics,AffiliatedHospitalofPutianUniversity,Putian351100,FujianProvince,China)AbstractBACKGROUND:Preliminaryexperimentshaveperformedthree-dimensional(3D)reconstructionofproximaltibialfractures,digitalsteelplatedesign,theestablishmentoftheproximaltibiaplatestandardpartslibraryandtheoperationsimulationof3Dprinting.OBJECTIVE:Toexplorefeasibilityandaccuracyofstandardpartslibraryplatesandscrewsintheproximaltibialfractureinternalfixationnavigationindigitaldesigncombinedwith3Dprintingmodelonthebasisofpreliminarystudies.METHODS:DicomformatimagesofcontinuousthinlayerCTscanningwerecollectedin20casesofproximaltibialfractures,anduploadedinMimicssoftwarefor3Dreconstructionandfracturereduction.Plateandscrewselectedfromstandardpartlibrarywereusedforvirtualfixation.Navigationmodulewithscrewchannelwasdesigned.3Dprintingskeleton,boneplate,andnavigationmodulewereusedforskeletonmodelandinternalfixation.Screwandplatewereplacedbynavigation.Navigationmodulecard,nailandboardpositionwereobserved.PostoperativeappearanceandCTscanningwereutilizedtoassessoutcomes.RESULTSANDCONCLUSION:AfterCTscanningandreconstructionin20skeletonmodels,incombinationwithappearance,thepositionofplate,screwinsertionpoint,thedirection,lengthanddiameterofthescrewwereconsistentwiththatinMimicssoftware.Thenavigationmoduleandthecorrespondingproximalendofthetibiawerecloselybondedwithgoodfittingdegree.Intheapplication,cardslotsandstabilityweregood,andcouldperfectlyguideplateandscrewplacement.Thesereusltssuggestthatwiththeaidofnavigationmodule,standardpartslibraryplateinternalfixationforproximaltibiafracturehashighaccuracy.Onthebasisofdigitaldesignand3Dprinting,digitalinternalfixationtechnologyofstandardpartslibraryplateisexpectedtoachievegoodimplantnavigationinthedepartmentoforthopedics.Subjectheadings:TibialFractures;FractureFixation,Internal;Therapy,Computer-Assisted;TissueEngineeringFunding:theProjectofScienceandTechnologyofPutianCityofFujianProvince,No.2013S03(6);theScientificResearchFoundationofPutianUniversityofFujianProvince,No.2014027;theNaturalScienceFoundationofFujianProvince,No.2016J01483;theKeyPersonnelTrainingProjectforYoungandMiddle-AgedPersonofHealthSystemofHealthandFamilyPlanningCommissionofFujianProvince,No.2014-ZQN-JC-39Citethisarticle:ZhengF,YuZX,ChenXH,ZhengZG,WuCF,WuXW,LinHB,ZhangGD,ChenX.Keytechniquesofinternalfixationforproximaltibialfracturesbasedondigitaldesignandthree-dimensionalprinting.ZhongguoZuzhiGongchengYanjiu.2016;20(26):3837-3842.0引言Introduction胫骨骨折要求尽量解剖复位，恢复正常的力线，进行坚强的固定，以便早期进行功能锻炼[1-2]。传统手术内固定物具体的尺寸和外形常常根据术中情况临时决定，一定程度延长了手术时间，术中为使钢板适应骨折情况而反复折弯，致使力学强度下降，常常给术后患者康复埋下隐患，即使通过术中塑形，也难以与骨折端精确贴附，从而影响手术疗效[3-5]。目前CT重建骨折三维模型在技术上已颇为成熟，但影像医师只能提供固定角度的三维重建图像，对于动态的三维模型只能在CT工作站上观察，不能进行骨折虚拟复位，无法完全满足临床骨科医师的需要。数字