阿依古麗·喀斯木，烏日開西·艾依提，亞穆罕默德·阿力克，艾合買提江·玉素甫

（1．新疆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，新疆烏魯木齊 830047；2．新疆醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院，新疆烏魯木齊830054）

3D打印技術(shù)以能制作任意形狀的零件、不需要工具模具等優(yōu)勢，不僅解決了制造業(yè)中傳統(tǒng)加工方法難以解決的復(fù)雜形狀零件加工受限制等問題[1]，而且以可實現(xiàn)定制化制造等特點(diǎn)，給骨科治療提供了為患者“量身定做”的手術(shù)方案和輔助治療器具，提高了手術(shù)的準(zhǔn)確率[2-3]。近年來，3D打印技術(shù)在骨科治療中的應(yīng)用非常廣泛[4-5]，主要有：術(shù)前模擬模型、手術(shù)規(guī)劃、骨科臨床教學(xué)展示、3D打印假肢和支具、骨缺損替代物塑型模具、手術(shù)導(dǎo)板等輔助手術(shù)器械的制作、3D打印人工骨支架的制作等[6-7]。

本文以因骨腫瘤切除而導(dǎo)致肱骨頭缺損的患者為例，分析了骨缺損替代物的設(shè)計方法、制備方式對替代物模型的精度、手術(shù)效率及安全性等方面的影響。

1 骨缺損模型的重構(gòu)

1.1 治療方案

骨腫瘤、骨髓炎、創(chuàng)傷等疾病常會導(dǎo)致骨缺損，對于較小的骨缺損，有可能自行愈合，但骨缺損過大或是在較小的骨頭上的骨缺損，則很難完全愈合。目前對于骨缺損的修復(fù)治療有骨移植、人工骨應(yīng)用、培養(yǎng)組織工程骨、骨搬運(yùn)技術(shù)、抗生素骨水泥填充等多種方法[8-10]。在傳統(tǒng)治療方法中，臨床上通常利用骨水泥替代物來填補(bǔ)缺損部位，以便患者進(jìn)行早期鍛煉及能夠恢復(fù)一定范圍的日常生活需求。

圖1是針對骨缺損替換手術(shù)的臨床常用治療方案示意圖，制備了一個混有抗生素的骨水泥以替代被切除的有骨缺損的肱骨頭。在骨水泥替代物中預(yù)置2根斯氏針，并將斯氏針的一端插入肱骨髓腔內(nèi)，用于限定骨水泥替代物的基本位置；再通過鎖定解剖型接骨板系統(tǒng)，將骨水泥替代物與肱骨連接起來。

圖1 治療方案示意圖

1.2 骨水泥植入物的制備方法

1.2.1 手工制備

傳統(tǒng)方法是醫(yī)生根據(jù)臨床經(jīng)驗，手工捏制骨水泥模型，所制備的骨水泥替代物形狀精度低，且效率較低。關(guān)節(jié)部位的骨替代物對形狀精度要求較高，因此若術(shù)中發(fā)現(xiàn)模型大小、形狀異常，則需通過二次調(diào)整，與周圍組織進(jìn)行匹配。然而，依靠醫(yī)生肉眼觀察骨缺損部位的形狀和大小來制備外形結(jié)構(gòu)與缺損部位外形結(jié)構(gòu)接近的骨水泥模型，不僅會延長手術(shù)時間，而且可能會造成患者的二次創(chuàng)傷。

圖2是一例年齡40歲、因骨腫瘤切除引起肱骨頭缺損的男性患者的術(shù)后兩周復(fù)查的X光片，以手工捏造方式制備患側(cè)的肱骨頭模型，替換放置骨缺損部位?？梢?，該模型與實際的肱骨頭模型形狀相差較大，精度不高。本文將術(shù)后的X光片數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics軟件，并在肱骨頭截面處創(chuàng)建了圖2a所示的相互距離為6 mm的6條參考線，測量其對應(yīng)的截面寬度，結(jié)果見圖2b。

1.2.2 基于3D打印塑型器的制備

（1）骨缺損部位的重建

因骨腫瘤、肱骨頭組織被破壞等原因，無法直接重建患側(cè)肱骨頭的三維模型，因此，需以人體的相似性、對稱性、連續(xù)性等特點(diǎn)，根據(jù)健側(cè)肱骨的三維數(shù)據(jù)，通過鏡像的方式獲取患側(cè)的三維模型數(shù)據(jù)。如圖3所示，通過CT掃描的方式獲取患者的數(shù)據(jù)，本文利用64排螺旋CT掃描患者的病變部位，層厚為1.25 mm，并將獲取的DICOM數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics19.0軟件，將健側(cè)、患側(cè)肱骨組織從其他組織分割出來，并對其進(jìn)行三維重建。

圖2 患者術(shù)后X光片測量

圖3 患者的CT圖像數(shù)據(jù)

利用患者的健側(cè)肱骨頭三維模型，以矢狀面作為鏡像截面進(jìn)行鏡像，創(chuàng)建患側(cè)骨缺損部位的三維模型（圖4）。將病變部位的三維重建數(shù)據(jù)（虛擬鏡像后的肱骨頭數(shù)據(jù)）與肱骨對齊，確定解剖點(diǎn)，再利用截骨平面設(shè)計骨水泥植入物的數(shù)字模型。

圖4 患側(cè)肱骨的虛擬鏡像還原

（2）塑型器的設(shè)計與制備

將虛擬鏡像后的患側(cè)肱骨頭的數(shù)字模型以STL格式保存并導(dǎo)入3-matic軟件中，進(jìn)行表面光滑處理，減少三角面片數(shù)量，以降低塑型器內(nèi)腔的粗糙度。以截骨面為草圖平面，創(chuàng)建大小、高度合適的圓柱體，通過布爾運(yùn)算將骨水泥植入物的三維模型從該圓柱體中求差，形成骨水泥塑型模具的內(nèi)腔模型（圖5a）。為了讓骨水泥植入物整體形狀在取出時不受破壞，利用剖分方法將模具分成3個模塊，且為了避免合并3個模塊時出現(xiàn)錯誤，在模塊上設(shè)計了對齊標(biāo)記（圖5b）。為了保證在塑型骨水泥模型時便于材料的均布以及達(dá)到良好的固定效果，利用鎖緊箍用于填充骨水泥后的定型固定（圖5c）。

圖5 骨水泥塑型器模型的三維設(shè)計

為了便于后期的測量分析，本文對塑型器模型進(jìn)行了改造。在距肱骨頭頂部6 mm處創(chuàng)建截骨平面，以此面為基礎(chǔ)對肱骨頭模型進(jìn)行修剪，作為實物測量的參考平面，然后將塑型器的三維CAD模型以STL格式保存，并導(dǎo)入3D打印軟件中進(jìn)行打印制作。如圖6所示，本文用PLA材料打印出了塑型器的模型，并將骨水泥粉末裝入該塑型器內(nèi)進(jìn)行固化，再用鎖緊箍鎖定，等模型完全固化后取出。

圖6 骨水泥塑型模具以及制備的實物模型

（3）骨水泥肱骨頭模型的截面測量

利用三坐標(biāo)測量儀對骨水泥實物模型進(jìn)行測量，將模型分為相距為6 mm的5個截面，測量截面與圖2所示的術(shù)后X光片上的截面一致。測量結(jié)果顯示，對應(yīng)的截面測量數(shù)值分別為35.52、46.61、48.36、48.26、48.18 mm。

2 手工骨水泥與塑型骨水泥的對比

如圖7所示，對重構(gòu)的肱骨三維模型進(jìn)行形狀測量，測量的位置、投影方向均與圖2所示的截面相同。將測量數(shù)據(jù)與圖2所示的數(shù)據(jù)，以及圖6c所示的塑型后的骨水泥測量數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，分析骨水泥替代物的制備方式對其形狀及精度的影響。

圖7 還原后的患側(cè)肱骨頭數(shù)據(jù)測量

由表1可看出，利用手工制備的骨水泥模型與患側(cè)還原后的肱骨頭尺寸偏差較大，而基于3D打印塑型器制備的定制化模型與患側(cè)還原后的肱骨頭尺寸相差僅在1～2 mm范圍內(nèi)。測量結(jié)果顯示，利用經(jīng)過定制化設(shè)計與制備的3D打印塑型器制作骨水泥模型，其測量數(shù)據(jù)與重構(gòu)的三維模型的誤差小于1.96%，而手工制作的骨水泥與重構(gòu)的三維模型的誤差為24.7%。說明采用3D打印制作定制化骨水泥塑型模具，不但能提高骨水泥模型與患側(cè)部位形狀的相似程度，而且能實現(xiàn)模型制備的快速性，有效避免在術(shù)中多次調(diào)整植入物大小和位置而導(dǎo)致的患者二次創(chuàng)傷，提高手術(shù)的安全性。

表1 不同方法制備的骨水泥模型尺寸與CT圖像尺寸對比

表2是為一名女性肱骨頭缺損患者設(shè)計并在臨床上應(yīng)用之后，該患者肩關(guān)節(jié)功能的恢復(fù)情況評分表。各項測試結(jié)果顯示，該患者的恢復(fù)速度快，恢復(fù)情況良好。圖8是3D打印制作的骨水泥替代物塑型器在手術(shù)中的應(yīng)用過程。

表2 Constant-Murley肩關(guān)節(jié)功能評分（滿分為100分）

圖8 定制化骨水泥塑型模具在術(shù)中的應(yīng)用

3 結(jié)束語

3D打印技術(shù)有利于實現(xiàn)骨缺損部位替代模型的定制化、精確化制作。利用基于正、逆混合建模技術(shù)可設(shè)計骨替代物塑型器的模型，并通過3D打印技術(shù)制備出骨水泥替代物模型。骨水泥植入物的形狀與患側(cè)肱骨頭的形狀相似度高，與接骨面的匹配性好。該方法減少了手術(shù)時間，降低了術(shù)中塑型的難度和患者二次創(chuàng)傷的可能性。

參考文獻(xiàn)：

[1]高乾坤，吳龍飛.特種加工與機(jī)械制造工藝技術(shù)的變革[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2016（2）：154-156.

[2]JAKUS A E，RUTZ A L，SHAH R N.Advancing the field of 3D biomaterial printing [J].Biomedical Materials，2016，11（1）：014102-014112.

[3]吳帆，王立軍，崔慧先.3D打印技術(shù)在創(chuàng)傷骨科中的應(yīng)用進(jìn)展[J].臨床誤診誤治，2015，28（10）：113-116.

[4]SUN Wei，LI Jian，LI Quan，et al.Clinical effectiveness of hempelvic reconstruction using computer-aided custommade prostheses after resection of maligment pelvic tumors[J].The Journal of Arthroplasty，2011，26 （8）：1508-1513.

[5]DAIKerong，YAN Mengning，ZHU Zhen′an，etal.Computer-aided custom-made hemipelvic prosthesis used in extensive pelviclesions[J].The Journal of Arthroplasty，2007，22（7）：981-986.

[6]陸建華，王志剛，黃莉，等.基于健側(cè)三維數(shù)字解剖的橈骨頭假體逆向工程研究 [J].中國臨床解剖學(xué)雜志，2013，31（4）：407-410.

[7]XIN Long，BUNGARTZ M，MAENZ S，et al.Decreased extrusion ofcalcium phosphate cementversushigh viscosity PMMA cement into spongious bone marrow-an ex vivo and in vivo study in sheep vertebrae[J].The Spine Journal，2016，16（12）：1468-1477.

[8]亞穆罕默德·阿力克，阿依古麗·喀斯木，阿里木江·阿不來提，等.3D打印骨水泥塑型器在四肢骨缺損修復(fù)中的應(yīng)用 [J].中國修復(fù)重建外科雜志，2016，30（12）：1447-1451.

[9]陳揚(yáng)，藍(lán)濤，錢文斌.3D打印技術(shù)在修復(fù)骨缺損中的應(yīng)用研究[J].生物骨科材料與臨床研究，2014，11（1）：29-30.

[10]韓青.伴有骨髓炎的復(fù)雜骨缺損治療方案的基礎(chǔ)及臨床研究[D].長春：吉林大學(xué)，2015.