3D打印技术辅助骨科手术关键技术研究

姬金虎 森干

【摘 要】本文通过计算机三维设计与3D打印技术相结合的方式，探索出3D打印技术辅助骨科手术的途径，研究3D打印技术在骨科手术中的应用及意义。本文使用逆向工程与3D打印对患者手术区域骨骼进行重建并制作模型，进而制定手术计划及术前模拟手术操作，增加手术的精确性、安全性。

【关键词】3D打印;手术模拟;骨科手术

【Abstract】In our work， we combination Three dimensional computer design and 3D printing technology， to explore one new way for 3D printing technology assisted orthopedic surgery， And we can summarize 3D printing technology  applications and Significance in orthopedic surgery. In this paper， through reverse engineering and 3D printed patients bones，we reconstruction and modeling the surgical area， simulation 、develop plans before surgery ，and increased surgical accuracy， security.

【Key words】3D print; Operation simulation; Department of orthopedics operation

0 引言

近年来，3D 打印技术飞速发展，在制造业、航空业乃至医学等诸多领域都有广泛的应用空间，同时逆向工程在医学上也应用在骨组织重建、假肢设计和牙科等方面[1]，从 20 世纪 70 年代就有研究人员着手于脏器三维数字化技术的研究[2]，使用3D 打印技术制造的牙齿已进入市场应用， 3D 打印机在血管、心脏等器官的再造和移植等医学领域的应用值得期待，而骨骼组织重建因结构较为复杂，对材料要求高，目前尚在研究中。因此，本研究把虚拟现实技术和工程领域的逆向工程思想相结合，将3D打印技术引入到外科手术中来，制定手术计划及术前模拟手术操作来辅助手术的开展，进而增加手术的精确性、安全性。

1 系统研究内容

结合逆向工程思想，建立患者手术区域组织的三维“体数据集”，编辑、重建体数据集，通过3D打印技术制作出实物模型。使用该模型帮助临床辅助诊断、复杂手术方案的确定、制作个性化假体等方面使诊断和手术修复更加直观化、实物化、具体化。

1.1 术前策划

根据患者的CT数据来逆向建模，通过3D打印技术建立准确的手术部位数字化实体模型，并进行术前模拟策划，供外科医生在术前确定手术方案、模拟手术过程、熟练手术操作、预计手术结果，进而有针对性地向患者详细讲解病变的复杂性及手术操作的危险性，取得患者及家属的理解与配合。

1.2 手术辅助器械的应用

3D打印技术使病变部位的解剖形态具体化，建立需手术部分的模型，并制作与之相匹配的导板等辅助器械，可有效的保证手术的质量。

1.3 定制假体中的应用

患者的骨骼结构因人而异，所以根据特定患者的CT或MRI数据而来设计并制作种植体，实现假体制造和植入的“个性化”，减少假体制作的出错几率。

2 系统研究方案

对CT DICOM数据进行归一化处理，校验DICOM数据。合格的体数据利用逆向工程方法，建立骨骼的体像素，对骨骼的体像素进行编辑得出患者手术区域的1：1模型，或者生产植入物假体，系统的原型构架如图1。

（1）CT资料通过逆向工程在计算机中重建骨骼，并通过骨骼与软组织的体素灰度不同，将骨骼分割出来，对其中骨折缺损的骨骼进行修补，三维编辑操作后导出结果。

（2）使用STL文件打印骨骼模型，将重建的骨骼數据与早前的资料相对比，分析骨骼模型物理参数上是否和患者骨骼相近。

（3）利用3D打印的骨骼模型，供外科医生在术前确定手术方案、模拟手术过程、熟练手术操作、预计手术结果。

图1 系统原型构架

3 结束语

3D打印技术可供外科医生在术前确定手术方案、模拟手术过程、熟练手术操作、预计手术结果，使手术的精确性、安全性得到提升，也为辅助骨科手术提供了新途径，能更好的开展以开展教学活动，培养医生，具有巨大的应用前景。

【参考文献】

[1]R. Racasan，  D. Popescu et al. Integrating the Concept of Reverse Engineering in the medical Applications[J].IEEE International Conference on Automation Qualityand  Testing  Robotics （AQTR）， 2010，2：1-5.

[2]Hutmacher D. Scaffolds in tissne engineering bone and cartilage[J]. Biomaterials， 2000，21：2529-2543.

[3]Christian Herlin， Matthieu Koppe， Jean-Luc Béziat， Arnaud Gleizal. Rapid prototyping in craniofacial surgery： Using a position ingguide af ter zygom atic osteotomy e A case report[J]. Journal of Cranio-M axillo-Faci al Surg ery， 2011（39）.

[4]王殊轶，钱省三，等.基于激光扫描的人脸软组织三维重建研究[J].上海理工大学学报，2008，30（1）：64-68.

[5]朱昱，吴修娟，等.基于通用 CAD 技术的三维假牙模型重建[J].中国组织工程研究与临床复，2011，15（13）：23-45.

[6]鲍春雨，刘晋浩.基于CT图像人体脊柱腰椎节段逆向工程研究[J].机械设计，2008，25（9）：16-18.

[责任编辑：汤静]