用于骨缺损重建的患者特异性植入物的三维规划与打印

摘要

本方案描述了使用三维规划和打印技术修复骨缺损的方法。我们利用分割工具创建三维模型，随后使用三维设计软件为消融手术同期或二期修复手术设计患者特异性植入物。

摘要

在当今生活的诸多方面，我们正处于3D时代，医学领域尤其如此。外科是医学领域中广泛应用持续发展的3D规划与打印技术的主要学科之一。计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助制造（CAM）用于描述产品的3D规划与制造过程。目前，3D手术导板和重建植入物的规划与制造几乎完全由工程师完成。随着技术进步以及软件界面日益用户友好，人们开始思考是否有可能将规划与制造过程转移至临床医生手中。这种转变的理由十分明确：外科医生清楚自己希望设计的结构，并了解哪些方案在手术室中切实可行。这使医生能够为术中可能出现的各种情况或意外结果做好准备，同时也能借助CAD软件发挥创造力，表达新的设计思路。本方法的目的是使临床医生具备自主设计手术导板和重建植入物的能力。本文将提供一份详细的操作方案，介绍如何使用分割软件进行图像分割，以及如何利用3D设计软件进行植入物规划。在通过分割软件完成图像分割并生成stl文件后，临床医生可设计简单的患者特异性重建接骨板，或更复杂的带有骨移植块定位托架的接骨板。此外，还可设计用于精确切除、为重建接骨板准确定位钻孔、取骨移植以及骨块修形的手术导板。本文详细描述了一例下颌骨重建的病例，该患者因创伤导致骨折后接骨板断裂并发生骨不连。

引言

个性化医疗正在医学的许多领域迅速发展¹。肿瘤个体化治疗是备受关注的话题，因此已被公众广泛知晓。3D打印技术最初由Charles Hull提出，他通过立体光刻技术实现了物体的3D打印²。自那时起，多种3D打印技术相继被开发出来。具体采用哪种方法取决于设备的用途。

外科领域正在迅速接纳个性化医疗。外科领域的个性化治疗需要借助计算机辅助设计（CAD）软件进行虚拟规划。第一步始终包括分割处理，以创建三维 STL 文件。计算机辅助制造（CAM）指的是对三维设计部件进行制造的过程。该技术最早的运用是用于术前模型打印，以进行手术规划和模拟手术^3,4,5。随着技术的发展，继虚拟手术规划之后，手术导板的设计与制造以及为患者量身定制、可完美贴合患者骨骼的重建植入物逐渐变得普及^6,7,8,9,10。本方案的目的是使临床医生能够自行设计手术导板和患者特异性重建植入物。该方法比使用标准规格的固定板更为精确，因为它可实现完美贴合，并能根据特定缺损的特征进行设计。此外，该方法还能减少对外科医生经验的依赖，并缩短手术时间。

方案

本研究遵循《赫尔辛基宣言》中的医学研究伦理准则，并经机构伦理审查委员会批准。

1. 使用分割软件进行分割

注意：在弹出窗口中，DICOM 文件的导入过程需要设置轴向、冠状和矢状平面的方向，以完成配置。

1. 在骨分割菜单中，选择通用功能。使用标记"-"标示不需要的区域，使用标记"+"标示目标区域。在扫描过程中通过滚动和移动查看不同横截面，或在三维重建模型上添加标记。
2. 点击设置按钮以显示分割结果。此时可修正标记并添加新标记以提高准确性。点击应用以生成新的分割区域。可采用此方法创建多个分割区域。
3. 完成分割后，将文件导出为stl三维文件，用于三维打印，或在三维设计CAD软件中规划三维重建植入物。

2. 使用3D设计软件设计重建植入物

1. 使用分割软件完成骨组织分割后，将 stl 文件导入 3D 设计软件（参见材料表）。
2. 如果需要进一步分离（例如，某一部分需单独移动），在此处进行操作。在雕刻黏土菜单中，使用削切工具将骨组织分为两部分。在选择/移动黏土菜单中，选择黏土并标记要操作的部分。然后复制该部分，并在对象列表中创建一个相同的新对象，以便在下一阶段调整其位置。
3. 在此阶段执行骨段移动。确保旋转轴设置在骨组织中保持不动的部分上。在选择/移动黏土菜单中，选择重新定位，并按计划设置旋转轴。
4. 由于人类颅骨基本对称，可利用健康侧作为参考，以获得缺失或错位骨段的正确位置。使用镜像技术创建正常侧的镜像图像。在构建黏土菜单中，使用镜像黏土选项，并将镜像平面设置在颅骨中心。
5. 基于镜像后的半侧，如有需要，进行骨段旋转，并在构建黏土菜单中使用添加黏土工具重建撕脱的骨组织部分。此重建旨在为后续阶段制作患者特异性修复植入体，以恢复正确的面部轮廓。
6. 完成骨段重建后，创建患者特异性修复植入体。在曲线菜单中，使用绘制曲线选项，绘制出所需植入体的连续外轮廓形状。
7. 在此阶段，复制骨段，因为后续需执行布尔运算以分离所构建的植入体。在对象列表窗口中，右键点击该骨段，选择复制选项即可完成。
8. 在新复制的骨段上进行操作。在细节黏土菜单中，使用用曲线浮雕选项，生成修复植入体的体积。选择所绘制植入体的外轮廓，然后将圆形光标放置在骨表面所绘制植入体的内部。注意，浮雕效果的方向（向外或向内）取决于光标的位置。随后，设置所需参数，其中最重要的是控制植入体厚度的“距离”选项。
9. 将植入体从骨段中分离。在对象列表中选择步骤 2.7 中先前复制的对象，右键点击并选择布尔运算 → 移除。然后选择包含所创建植入体的对象。
10. 如果需要为螺钉固定或促进血管生成设计孔洞，请选择平面类别 → 创建平面，以创建一个平行平面，用于设计植入体上的孔。通过手动调整，将平面尽可能与植入体保持平行。在草图菜单中，选择圆形工具，在所需位置和尺寸处绘制圆形。可额外绘制一个更大的圆，作为预定螺钉头部的沉头孔。
11. 在曲线菜单中，使用投影草图选项，选择需从平面投影到植入体上的草图。
12. 为生成螺钉的沉头孔，在细节黏土菜单中使用用曲线浮雕选项。选择草图中的外圆，将圆形光标置于植入体表面标记的圆形区域内，并输入控制沉头深度的距离值（例如 0.3 mm）。完成操作时，点击应用和降低，确保浮雕以减法方式执行，而非加法方式。
13. 为完成孔洞制作，在细分曲面菜单中使用线切割细分选项，基于步骤 2.10 中创建的小圆，生成垂直于植入体的杆状结构。
14. 使用这些杆状结构创建孔洞，操作方式与步骤 2.9 相同，使用布尔运算 > 移除。依次选择每一根杆，在对象列表中右键点击 → 布尔运算 → 移除 → 已创建的植入体。
    注意：也可直接创建或扫描所需螺钉模型，并利用布尔运算生成所需孔洞。
15. 若需在植入体上创建网格结构（例如促进血管生成），首先使用曲线工具按步骤 2.6 的方法绘制计划网格的草图。
    1. 在细节黏土菜单中，使用用包裹图像浮雕选项。选择用于生成网格的图像（程序中提供多个模板）。图像中的白色部分将在网格中被移除，黑色部分则保留。
    2. 通过手动控制，调整图案的方向和大小。设置代表所生成孔洞厚度的距离值，然后点击应用。患者特异性植入体现已准备就绪，可投入生产。

结果

一名40岁女性患者因既往外伤导致下颌骨左侧体部骨折不愈合，且原有标准配置的重建固定板断裂，前来本科室就诊。影像学检查显示固定板断裂以及下颌骨左侧骨段位置异常（图1）。通过分割软件对下颌骨进行图像分割，将断裂的固定板分离出来（补充图1 和 补充图2）。利用3D设计软件，将下颌骨左侧骨段复位至正确的解剖位置（补充图3 和 补充图4）。通过对侧健康右侧结构进行镜像处理，实现缺损骨组织的精确重建（补充图5）。根据患者个体情况设计个性化植入体，并预留用于固定螺钉的螺孔（补充图6、7 和 8）。同时设计了网状结构，可根据健康侧下颌轮廓为额外植骨提供支撑，并通过网孔促进血管生成（补充图9）。

讨论

随着计算机在手术方案虚拟规划中的应用不断发展，结合另一项新兴技术——3D打印，推动了外科治疗进入一个全新的时代。这些技术的目标是实现高精度操作，而以患者为中心的个体化治疗作为未来发展方向，正以手术导板和个体化重建植入物的形式得以实现。本文将手术导板作为未来不同手术流程的一部分进行讨论。在本方案中，我们重点介绍如何将DICOM图像分割生成可用于3D打印模型的三维STL文件，并探讨个体化植入物的三维虚拟规划过程。文中展示了多种功能，以辅助重建缺失或移位的骨片段，例如骨段复位和健康侧镜像复制等功能。详细阐述了基于规划所得骨轮廓构建植入物的方法，包括为固定螺钉设计孔洞，以及设计用于植骨材料放置的网状结构或支架结构，以促进血管生成。需始终牢记，植入物的设计尺寸必须受限于可供关闭创口的软组织范围。应充分考虑血管生成需求，在条件允许时尽量采用较大孔径或网孔结构。个体化植入物在术中无需进行物理塑形以适配残留骨结构，这与常规重建钢板不同（后者因术中塑形而强度降低），因此可使用更薄的板材却仍能承受更大的力学负荷。需要注意的是，若3D打印钛合金植入物的制造过程包含对外表面的打磨处理（以避免刺激软组织），则会额外去除部分材料（约0.3 mm）。在设计带有支架结...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
D2P（DICOM 到打印）	3D systems		用于创建 3D stl 文件的分割软件
Geomagic Freeform	3D systems		雕刻式工程设计