程學(xué)進(jìn)，邢躍剛 ，劉愛(ài)輝,吳 晗

(1.淮陰工學(xué)院 江蘇省介入醫(yī)療器械研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 淮安 223003;2.淮陰醫(yī)院 骨科，江蘇 淮安 223300;3.淮陰工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 淮安 223003)

基于CT圖像的脛骨平臺(tái)骨折三維重建及術(shù)前模擬

程學(xué)進(jìn)1,3*，邢躍剛2，劉愛(ài)輝1,吳 晗3

(1.淮陰工學(xué)院 江蘇省介入醫(yī)療器械研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 淮安 223003;2.淮陰醫(yī)院 骨科，江蘇 淮安 223300;3.淮陰工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 淮安 223003)

將三維重建及3D打印技術(shù)與脛骨平臺(tái)骨折的診斷與治療相結(jié)合，探討其在創(chuàng)傷骨科手術(shù)中的應(yīng)用及意義。采用64排螺旋CT沿脛骨平臺(tái)骨折橫斷面1mm層厚掃描，圖像以DICOM格式保存。通過(guò)對(duì)CT圖像進(jìn)行閾值分割、區(qū)域增長(zhǎng)以及蒙板編輯等完成骨折模型的三維重建，利用3D打印技術(shù)快速制作1：1大小的實(shí)體模型，在此基礎(chǔ)上制定手術(shù)計(jì)劃，術(shù)前模擬手術(shù)固定等操作過(guò)程，增加了手術(shù)的準(zhǔn)確性與安全性。

3D打??；脛骨平臺(tái)；三維重建

0 引言

脛骨平臺(tái)骨折是一種常見(jiàn)的負(fù)重關(guān)節(jié)骨折，復(fù)雜多樣，特別是因暴力產(chǎn)生高能量骨折通常還會(huì)合并半月板及韌帶等軟組織損傷[1-3]，若處理不當(dāng)易出現(xiàn)膝關(guān)節(jié)不穩(wěn)，影響關(guān)節(jié)性能，晚期發(fā)生膝關(guān)節(jié)退行性病變等。

3D打印技術(shù)是一種基于材料累加原理的增材制造技術(shù)，自20世紀(jì)80年代后期出現(xiàn)至今，已廣泛涉及到人們衣、食、住、行、航空、航天及國(guó)防等各個(gè)領(lǐng)域[4]。隨著計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)及材料科學(xué)的不斷進(jìn)步，三維重建及3D打印技術(shù)為傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)診斷、治療等提供了新的技術(shù)支持[5]，其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸成為研究的熱點(diǎn)內(nèi)容[6-9]。

隨著人口的老齡化以及現(xiàn)代交通與建筑業(yè)的高速發(fā)展，因骨質(zhì)疏松產(chǎn)生的輕能量脛骨平臺(tái)骨折與因意外(高空墜落、車禍等)造成的高能量脛骨平臺(tái)骨折均呈明顯多發(fā)、上升趨勢(shì)。如何減少病人的痛苦、提高治療后的生活質(zhì)量一直是人們努力的方向。由于人體的特殊性及個(gè)體之間存在的巨大差異，如何快速準(zhǔn)確地認(rèn)識(shí)特定的骨折結(jié)構(gòu)對(duì)疾病的診斷與治療具有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義，本文以人體脛骨平臺(tái)骨折為例，探討其骨折模型的三維重建以及3D打印技術(shù)在個(gè)性化手術(shù)治療中的應(yīng)用。

1 模型重建及加工

1.1 數(shù)據(jù)采集

采用Philips 64排螺旋CT機(jī)采集患者脛骨平臺(tái)骨折數(shù)據(jù)，掃描條件為120kV、280mA、層厚1mm，掃描數(shù)據(jù)以DICOM格式保存。

1.2 骨折模型三維重建

脛骨平臺(tái)骨折模型三維重建的關(guān)鍵環(huán)節(jié)與步驟如下：

(1)CT圖像的導(dǎo)入及預(yù)處理。將保存的DICOM格式CT圖像全部導(dǎo)入到Mimics軟件中，為了使骨骼的圖像輪廓與周圍的軟組織等能夠較為清楚地區(qū)分開(kāi)來(lái)，需要調(diào)整一個(gè)合適的窗寬窗位，使其在骨的CT值200附近，本文窗寬窗位調(diào)整為0～350，選擇“Bone(CT)”為預(yù)定義分割閾值，將骨骼與其它軟組織分割開(kāi)來(lái)。

(2)區(qū)域增長(zhǎng)與蒙板裁剪。利用閾值分割等功能生成的蒙板不但包含脛骨平臺(tái)部分，還有其它如股骨、髕骨等骨骼組織，因此需要對(duì)蒙板進(jìn)一步處理。首先利用區(qū)域增長(zhǎng)功能將與脛骨平臺(tái)無(wú)骨性連接的骨骼去除，接著通過(guò)蒙板裁剪工具進(jìn)一步縮小編輯的范圍，減少了將要進(jìn)行的蒙板編輯的工作量。

(3)蒙板編輯。利用蒙板編輯工具對(duì)每一張?jiān)嫉腃T斷層圖像進(jìn)行仔細(xì)地校對(duì)、分析，填充內(nèi)部與外部不連通的孔洞和修緣，分離與脛骨平臺(tái)不相關(guān)聯(lián)的軟組織與骨骼，特別注意各骨折塊之間骨折線的位置，如圖1所示。蒙板編輯在三維重建中是最為耗時(shí)也是最為復(fù)雜的，工作量很大，但這一過(guò)程卻很重要，直接影響最終實(shí)物模型的準(zhǔn)確程度。

圖1 蒙板編輯

(4)三維重建及模型光順。蒙板編輯完成后，選擇“Calculate 3D from Mask”工具，模型重建質(zhì)量參數(shù)為“Optimal”完成脛骨平臺(tái)骨折模型的三維重建，如圖2(a)所示。軟件生成的三維模型實(shí)際上是由許多三角片組成的復(fù)雜面網(wǎng)格模型，局部會(huì)存在尖刺等問(wèn)題，還需利用Remesh功能進(jìn)行光滑處理，光滑處理后的模型如圖2(b)所示。

a)光滑處理前 b)光滑處理后

1.3 3D打印加工

模型加工采用的是利用熔積成型(FDM)原理設(shè)計(jì)的Vantage i 3D打印機(jī)，加工材料為打印機(jī)配套使用的工程塑料，模型材料與支撐材料均為ABS，但支撐材料呈弱酸性，主要是為了在模型加工完成后能方便去除，具體步驟如下：

(1)加工前處理。將脛骨平臺(tái)骨折模型以STL格式導(dǎo)入FDM Vantage i 3D打印機(jī)配套軟件Insight8.0中，根據(jù)模型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等因素調(diào)整模型加工的位置與角度，模型加工的精度取決于噴嘴直徑的大小，理論上噴嘴直徑越小，分層的精度就越高，最終加工模型越準(zhǔn)確，但同時(shí)加工的時(shí)間也越長(zhǎng)。本文綜合考慮，模型噴嘴采用的是T16，支撐噴嘴為T12，對(duì)應(yīng)的分層厚度為0.254mm。根據(jù)模型加工工藝性的要求，在實(shí)體的外部和內(nèi)部都需要添加一定的支撐材料。為了減少加工時(shí)間、節(jié)約支撐材料，選擇稀疏支撐(sparse)方式。在保證模型的整體強(qiáng)度及表面質(zhì)量的同時(shí)節(jié)約成型材料、縮短加工時(shí)間，脛骨平臺(tái)骨折模型加工采用多輪廓填充方式，內(nèi)部為雙密度稀疏填充(sparse-double dense)、表面質(zhì)量為增強(qiáng)型，保存生成CMB文件。

(2)加工模型。打開(kāi)控制軟件Control Center8.0，導(dǎo)入上一步生成的CMB文件，經(jīng)過(guò)軟件計(jì)算可知將使用模型材料75.85cm3，支撐材料

19.98cm3，加工時(shí)間約為9小時(shí)11分鐘。打開(kāi)打印機(jī)，加入絲狀的模型材料和支撐材料，設(shè)置加工位置等重要參數(shù)，即可開(kāi)始加工模型。

(3)加工后處理。加工完成后，將模型從打印機(jī)工作腔中取出，利用支撐材料呈弱酸性的特點(diǎn)，將加工好的模型浸入NaOH溶液中去除支撐材料，最終成型的脛骨平臺(tái)骨折模型如圖3所示。

圖3 脛骨平臺(tái)骨折模型

2 制定手術(shù)方案與模擬手術(shù)操作

利用脛骨平臺(tái)骨折模型可以對(duì)患者的骨折部位進(jìn)行全方位觀察、分析，彌補(bǔ)了X線片、CT及MRI等影像學(xué)資料的不足，通過(guò)手術(shù)團(tuán)隊(duì)之間充分的交流以及與患者的溝通，制定手術(shù)方案，術(shù)前在模型上模擬手術(shù)操作過(guò)程，如圖4所示。

圖4 在脛骨平臺(tái)骨折模型上模擬手術(shù)

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)3D打印技術(shù)在脛骨平臺(tái)骨折治療中的應(yīng)用，提供了一種運(yùn)用3D打印技術(shù)輔助骨科手術(shù)的方法，具有較強(qiáng)的臨床應(yīng)用意義。

(1)在患者CT圖像的基礎(chǔ)上完成脛骨平骨折模型的三維重建與3D打印加工，實(shí)物模型能夠清晰的反映骨折的形態(tài)，骨折塊的大小及位置等信息，與X線片、CT及MRI等形成了良好的互補(bǔ)。

(2)借助實(shí)物模型，便于手術(shù)團(tuán)隊(duì)成員之間的交流以及與患者的溝通，有效地減少分岐，制定出個(gè)性化手術(shù)方案。

(3)術(shù)前通過(guò)實(shí)物模型進(jìn)行測(cè)量，模擬手術(shù)固定等操作過(guò)程，了解術(shù)中可能會(huì)遇到一些困難，進(jìn)一步優(yōu)化手術(shù)方案，使其更加合理，有利于提高手術(shù)的準(zhǔn)確性與安全性。

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(責(zé)任編輯：尹曉琦)

Model Reconstruction and Surgical simulation of Tibial Plateau Fracture Based on CT Images

CHENG Xue-jin1, 3*，XING Yue-gang2，LIU Ai-hui1， WU Han3

(1.Jiangsu Provincial Key Laboratory for Interventional Medical devices, Huaiyin Institute of Technology,Huai'an Jiangsu 223003, China;2.Department of Orthopaedic Surgery, Huaiyin Hospital, Huai'an Jiangsu 223300, China;3.Faculty of Mechanical Engineering, Huaiyin Institute of Technology, Huai'an Jiangsu 223003, China)

The application and significance of the three-dimensional reconstruction and 3D printing technology in the diagnosis and treatment of tibial plateau fractures were discussed. The 64 slices spiral CT was used to scan the tibial plateau fracture, and the slice thickness was 1 mm. The image was saved in the DICOM format. The fracture model was completed by threshold segmentation of CT images, region growing and mask editing, and the entity model was printed by using 3D printing technology. Based on the model, surgical planning was accomplished and fix operation was simulated before tibial plateau fracture surgery. The accuracy and safety of the operation were increased by using the fracture model to simulate fix operation.

3D printing; tibial plateau; 3D reconstruction

2014-12-26

江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(12022)；淮安市科技支撐計(jì)劃(工業(yè))項(xiàng)目(HAG2012016)；

程學(xué)進(jìn)(1977-)，男，安徽懷寧人，講師，碩士，主要從事醫(yī)用植入體生物力學(xué)和可靠性分析研究；*為通訊作者。

TH16；R683.42

B

1009-7961(2015)01-0009-03

江蘇省介入醫(yī)療器械研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金重點(diǎn)項(xiàng)目(JR1401)；江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練

計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(201411049014z)