Name: 患者特异性植入物重建的三维规划与打印 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2020-08-04T13:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 15 s
Description: 学习使用三维规划与打印技术为患者特异性植入物重建设计手术导板和固定板。该方法基于精确的三维成像，实现完美贴合的植入物，恢复组织解剖结构、对称性和功能，显著缩短手术时间并改善骨缺损修复效果。

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本工作未获得任何资助。

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。
<ol>
	<li>在骨分割菜单中，选择通用功能。使用标记&#34;-&#34;标示不需要的区域，使用标记&#34;+&#34;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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
</ol>
2. 使用3D设计软件设计重建植入物
<ol>
	<li>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）。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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 &#62; 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。</li>
	<li>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。
	<ol>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol><li>Goodsaid, F., Frueh, F., Burczynski, M. E. Personalized Medicine. <a target="_blank" href="https://link.springer.com/referenceworkentry/10.1007%2F978-3-319-56637-5_47-1">Drug Discovery and Evaluation: Methods in Clinical Pharmacology</a>. Hock, F., Gralinski, M. , Springer. (2019).</li>
<li>Hull, C. W. Apparatus for production of three-dimensional objects by stereolithography. Google Patents. , US4575330A (1986).</li>
<li>Petzold, R., Zeilhofer, H. F., Kalender, W. <a target="_blank" href="https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/10638658">Rapid prototyping technology in medicine--basics and applications.</a> Computerized Medical Imaging and Graphics. 23 (5), 277-284 (1999).</li>
<li>Schmauss, D., Gerber, N., Sodian, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Three-dimensional+printing+of+models+for+surgical+planning+in+patients+with+primary+cardiac+tumors%5BTitle%5D)+AND+%22The+Journal+of+Thoracic+and+Cardiovascular+Surgery%22%5BJournal%5D)">Three-dimensional printing of models for surgical planning in patients with primary cardiac tumors.</a> The Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery. 145 (5), 1407-1408 (2013).</li>
<li>Tam, M. D., Laycock, S. D., Bell, D., Chojnowski, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((3-D+printout+of+a+DICOM+file+to+aid+surgical+planning+in+a+6+year+old+patient+with+a+large+scapular+osteochondroma+complicating+congenital+diaphyseal+aclasia%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Radiology+Case+Reports%22%5BJournal%5D)">3-D printout of a DICOM file to aid surgical planning in a 6 year old patient with a large scapular osteochondroma complicating congenital diaphyseal aclasia.</a> Journal of Radiology Case Reports. 6 (1), 31(2012).</li>
<li>Emodi, O., Shilo, D., Israel, Y., Rachmiel, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Three-dimensional+planning+and+printing+of+guides+and+templates+for+reconstruction+of+the+mandibular+ramus+and+condyle+using+autogenous+costochondral+grafts%5BTitle%5D)+AND+%22British+Journal+of+Oral+and+Maxillofacial+Surgery%22%5BJournal%5D)">Three-dimensional planning and printing of guides and templates for reconstruction of the mandibular ramus and condyle using autogenous costochondral grafts.</a> British Journal of Oral and Maxillofacial Surgery. 55 (1), 102-104 (2017).</li>
<li>Leiser, Y., Shilo, D., Wolff, A., Rachmiel, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Functional+reconstruction+in+mandibular+avulsion+injuries%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Craniofacial+Surgery%22%5BJournal%5D)">Functional reconstruction in mandibular avulsion injuries.</a> Journal of Craniofacial Surgery. 27 (8), 2113-2116 (2016).</li>
<li>Mazzoni, S., Bianchi, A., Schiariti, G., Badiali, G., Marchetti, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Computer-aided+design+and+computer-aided+manufacturing+cutting+guides+and+customized+titanium+plates+are+useful+in+upper+maxilla+waferless+repositioning%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Oral+and+Maxillofacial+Surgery%22%5BJournal%5D)">Computer-aided design and computer-aided manufacturing cutting guides and customized titanium plates are useful in upper maxilla waferless repositioning.</a> Journal of Oral and Maxillofacial Surgery. 73 (4), 701-707 (2015).</li>
<li>Rachmiel, A., Shilo, D., Blanc, O., Emodi, O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Reconstruction+of+complex+mandibular+defects+using+integrated+dental+custom-made+titanium+implants%5BTitle%5D)+AND+%22British+Journal+of+Oral+and+Maxillofacial+Surgery%22%5BJournal%5D)">Reconstruction of complex mandibular defects using integrated dental custom-made titanium implants.</a> British Journal of Oral and Maxillofacial Surgery. 55 (4), 425-427 (2017).</li>
<li>Xu, N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Reconstruction+of+the+upper+cervical+spine+using+a+personalized+3D-printed+vertebral+body+in+an+adolescent+with+Ewing+sarcoma%5BTitle%5D)+AND+%22Spine%22%5BJournal%5D)">Reconstruction of the upper cervical spine using a personalized 3D-printed vertebral body in an adolescent with Ewing sarcoma.</a> Spine. 41 (1), E50-E54 (2016).</li>
</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

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...

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。

<table><tbody><tr><td>D2P（DICOM 到打印）</td><td>3D systems</td><td></td><td>用于创建 3D stl 文件的分割软件</td></tr><tr><td>Geomagic Freeform</td><td>3D systems</td><td></td><td>雕刻式工程设计</td></tr></tbody></table>

用于骨缺损重建的患者特异性植入物的三维规划与打印

3D Planning and Printing of Patient Specific Implants for Reconstruction of Bony Defects

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。

一名40岁女性患者因既往外伤后下颌骨左侧体部骨折不愈合，且原有标准供应的重建固定板断裂，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分割处理，将断裂的固定板分离出来（补充图1 和 补充图2）。利用三维设计软件，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）。
<p class="jove_content" fo:keep...

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。

我们正处在生活各个方面的3D时代，尤其是在医学领域。外科手术学科是医学中的主要参与者之一……

该方案可实现对骨缺损患者的虚拟治疗，并创建新型手术导板和固定板。采用此方案可在术中实际可行的前提下，以更高的精度和更短的手术时间，对植入物进行虚拟设计与构建。通过本方案规划的患者个体化植入物基于精确的三维成像，可实现植入物的完美贴合，并恢复正常的组织解剖结构、对称性及功能。本方案允许用户设计并打印由不同材料构成的复杂模型或结构，并可检测其强度或促进骨再生能力等不同参数。尽管这些程序非常易于使用，但掌握计算机辅助设计过程仍需花费一定时间。耐心与实践将帮助用户不断提升操作熟练度并提高效率。由于该方案包含多个虚拟规划步骤，观察各个阶段将非常有帮助。在对三维重建模型进行分割时，在相应的分割软件中选择“骨骼分割”菜单下的“通用”选项，使用加号工具标出感兴趣的区域，同时在浏览和移动扫描图像的过程中，使用减号工具标出不需要的区域。点击“设置”按钮以启动分割过程，然后单击“应用”以创建新的分割区域。为了实现良好的骨组织分割，应在3D重建模型以及所有其他视图中使用大量阳性与阴性标记。当分割完成后，应根据需要校正标记并添加新的标记以提高准确性。将文件导出为STL 3D文件。为设计3D重建植入体，将STL文件导入3D设计软件中，并使用削切工具将骨骼分为两部分。在“选择移动黏土”菜单中，选择黏土工具并标记感兴趣区域。复制标记区域，并在对象列表中创建一个新的相同对象，以调整该区域的位置。为确保旋转轴设置在骨骼中位置保持不变的部分，选择“重新定位”并按计划设置旋转轴。由于人类颅骨基本具有对称性，可使用镜像黏土工具作为参考，以获得缺失或错位骨段的正确位置，并将平面设置在颅骨中心。根据镜像的半侧，按需执行片段旋转，并从“构建黏土”菜单中选择“添加黏土”工具，以重建撕脱的骨性部分。在“曲线”菜单中，选择“绘制曲线”选项，创建所需植入物的连续外轮廓。右键单击该片段，选择“复制”以复制骨性片段。在新复制的片段中，于细节雕刻菜单内选择“使用曲线浮雕”以创建重建植入体的体积。选择草图植入体的外轮廓，并将圆形光标放置在骨表面所绘制植入体的内部。选择所需参数，最重要的是控制植入体厚度的距离，然后在复制的片段上单击右键，选择布尔运算中的“移除”（Remove From），接着选择包含已创建植入体的对象。若需要为螺钉固定或血管生成设计孔洞，请使用“创建平面”功能，在其中设计钢板孔洞的平行平面。当平面与植入物达到最大程度的平行时，在“草图”菜单中选择圆，并在该段内创建所需尺寸和位置的圆。在“曲线”菜单中，使用“投影草图”选项，将草图指定为从平面投射到植入物上。为了生成螺钉的沉孔，在“细节黏土”菜单中选择“沿曲线浮雕”，并将圆形光标放置在片段表面上标记的圆形区域内。要在细分曲面菜单中完成孔洞制作，请使用“线切割细分”选项创建垂直于植入体的杆状结构。利用这些杆状结构创建孔洞时，选择“布尔运算”和“移除”选项，依次选中每根杆，然后在对象列表中右键单击，执行“布尔运算、移除并创建植入体”。要在植入物中创建网格，请使用“绘制曲线”工具生成如示例所示的计划网格草图。在“细节雕刻”菜单中，使用“浮雕”功能并选择“贴图包裹”来选取模板图像，随后将根据该图像设计网格。图像的白色区域将被减去，黑色区域则保留。手动调整设计的方向和大小，并设置生成结构的厚度，然后点击应用。患者特异性植入体随即准备就绪，可进行生产。这些图像来自一名40岁女性患者，该患者因既往损伤导致标准配置的重建固定板断裂，并伴有左侧下颌骨体部骨不连骨折。如下颌骨分割所示，分离断裂的固定板。使用3D设计软件将下颌骨左侧部分复位至正确的解剖位置。通过对右侧健康侧进行镜像处理，实现对缺失骨组织的精确重建。随后可设计患者特异性的植入体，包括用于固定螺钉的孔。根据健康侧下颌的合适轮廓设计了网格结构，以允许额外放置骨移植材料，并通过网格中的孔促进更优的血管生成。该植入体采用钛材料通过选择性激光烧结技术打印而成，术后结果可在这些图像中观察到。注意下颌骨的连续性、左侧下颌骨节段的正确垂直位置，以及通过患者特异性植入物作为外轮廓、髂骨骨移植填充缺损区域所重建的下颌体轮廓对称性。在设计患者特异性植入物时，应考虑设计最小尺寸的接骨板，使其足够坚固，能够承受负载力，同时抵抗剪切力和扭矩力。患者特异性植入物也可用于颅骨成形术、骨科手术，未来还可能用于所有器官软组织结构的设计。该方案目前可用于外科手术和研究项目的新型植入物设计，未来可能有助于植入物的生物打印和外来材料的再生。

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患者特异性植入物重建的三维规划与打印

展示了计算机辅助设计/计算机辅助制造（CAD/CAM）手术导板的设计方法。通过分离、合并和增厚切割平面，可直观显示所需的骨组织转移量。这些设计可进行三维打印，并用于准确性验证。...

采用自主方法设计用于上颌骨重建的CAD/CAM手术导板

本文介绍了一种利用三维打印模型在处理先天性主动脉异常时进行术前规划和术中复杂血管位置重组的方案。...

复杂主动脉畸形的三维打印

随着技术的发展和用户友好性的提升，手术规划以及患者特异性手术导板和固定板的制作应由外科医生完成。本文介绍了一种用于正颌骨性移动的三维规划，以及患者特异性固定板和手术导板的三维设计与打印的实验方案。...

使用三维规划及患者特异性植入物的3D打印治疗面部畸形

基于锥形束计算机断层扫描数据集和口内光学扫描，结合放射影像分割方法与自由曲面建模，设计了一种创建三维（3D）虚拟混合模型的工作流程。数字模型用于牙槽骨重建外科手术的虚拟规划。...

数字化混合模型制备用于牙槽重建手术的虚拟规划

该方法展示了一种基于体素的3D打印工作流程，可直接从医学影像进行打印，具有精确的空间保真度以及空间和对比度分辨率。这使得能够对形态复杂、梯度变化的材料实现精确且渐进的材料分布控制，且材料分布与放射密度相关，同时不丢失或改变原始数据。...

体素打印解剖学：通过位图打印设计与制造用于术前规划的逼真模型

采用定制假体和混合现实技术进行了一例复杂的髋关节翻修成形术。据作者所知，这是文献中首次报道此类手术。<br...

混合现实在定制化翻修髋关节置换术中的应用：首例病例报告

眼眶重建的个性化医疗正在迅速发展。由于眼眶结构精细，骨折修复后即使存在微小差异，也可能导致视觉感知功能受损。本文介绍了三种用于眼眶缺损的虚拟三维重建方法，并阐述了这些方法的适应证以及正确重建过程中可能遇到的潜在问题。...

眶骨骨折的三维重建

我们介绍了使用自主设计的软件进行癫痫手术中图像整合、可视化和手术规划的步骤。...

癫痫手术中三维多模态影像整合与计算机辅助规划的流程

本文提出了一种实用、可行且可重复的下颌骨计算机辅助重建评估指南，旨在统一术后准确性评估方面的研究标准。本方案延续并细化了此前发表的该评估指南。...

下颌骨计算机辅助重建术后评估指南

本方案描述了用于手术模拟的患者特异性解剖颅骨模型全彩三维打印件的制备过程。详细说明了结合不同成像方式、图像分割、三维模型提取以及打印件制作等关键步骤。...

神经外科中复杂颅内肿瘤的多色3D打印

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