术前计算机设计三维打印制备舟骨螺钉导向模板置钉精确度的实验研究

郭阳 田光磊 田文 李忠哲 孙丽颖 钟文耀

. 临床研究与实践 Clinical research and practice .

术前计算机设计三维打印制备舟骨螺钉导向模板置钉精确度的实验研究

郭阳 田光磊 田文 李忠哲 孙丽颖 钟文耀

目的探讨术前计算机辅助设计结合三维打印技术，制备个体化舟骨螺钉导向模板的可行性，并评估其辅助置钉的精确度。方法 选取 8 例成人腕关节的标本，将其 CT 扫描数据导入 VxWork 软件，对舟骨进行三维重建，选取合适钉道，建立与腕关节周围皮肤相贴合的模具，并利用三维打印技术将其打印为导向模板。将此打印模板安置于尸体标本腕关节周围，经打印出的预置孔道打入螺钉导针。术后行 CT 扫描，对比术前术后的 CT 图像，对比导针的位置及打入深度的精确程度。结果 螺钉导针位置精确度：6 例偏差＜1 mm，2 例偏差＜2 mm。导针打入深度：6 例偏差＜1 mm，2 例偏差＜2 mm。所有操作均为一次成功，且导针均在舟骨内，导针位置符合临床要求。结论 本研究结果表明，基于 CT 图像，使用软件能够精确建立舟骨螺钉打入通道，三维打印出的个体化导航模板，辅助置钉准确性高、操作简单，为舟骨骨折螺钉的精确置入提供了一种可供选择的新方法。

舟骨；骨折；外科手术，计算机辅助；打印，三维；骨折固定术，内；腕关节

对于骨折无移位或微小移位的舟骨骨折进行经皮螺钉固定近年来有逐步替代保守治疗的趋势。经皮螺钉固定舟骨属于微创操作，舟骨是个短小骨，外形比较复杂，传统的徒手置钉法有一定的技术难度，特别是在对螺钉的位置有一定的要求的情况下，会延长手术时间与增加术中放射线曝光量。在计算机辅助下置入螺钉最近成为新的研究热点，近年来许多学者报告利用此类技术可以缩短术中曝光时间，提高手术的精确度[1-3]。三维打印技术在临床不同学科逐渐得到应用推广的情况下[4]，笔者在计算机图像重建与手术计划软件中，导入舟骨的 CT流量数据，在软件中设计与腕关节匹配的模块，在模块中计算出舟骨螺钉导针的通道，将此模块及通道以三维打印技术制作为导向模板辅助螺钉导针置入，本研究拟在尸体标本上验证其准确性。

材料与方法

选用 8 具成人新鲜尸体腕关节标本，性别及民族不详。对这些腕关节进行螺旋 CT 扫描 ( 64 排，日本东芝公司，Aquilion Tsx-101A )，扫描范围：以月骨为中心，包括腕骨、腕关节及前臂远端 1 / 3；条件：电压 120 kv，电流 100 mA，扫描层厚 0.5 mm，螺距 0.938，矩阵 512 512，滤过参数为 30 ( 骨算法 )，重建层厚 0.5 mm，层距 0.5 mm。使用 VxWork软件 ( 北京卓远科技 ) 处理 DICOM 格式数据，排除腕关节疾病后，按以下流程处理：( 1 ) 将腕关节整体 ( 包括皮肤软组织 ) 进行容积重建 ( 图1 )，阈值：-100。( 2 ) 在腕关节周围建立一个实心立方体，将腕关节完全包围，与皮肤软组织完全嵌合成形( 图2 )。( 3 ) 对腕关节骨与关节重新建行表面重建，阈值：98。在舟骨内根据居中的原则，选择合适的位置[5-6]建立螺钉导针三维影像，即直径为 1.1 mm的圆柱体 ( 图3 )。在此圆柱体穿出立方体部分的周围建立套管 ( 图4 )，外径为 3.5 mm，测量螺钉导针自套筒末端至舟骨最近端皮质部分的导针长度并记录。( 4 ) 运用减集运算，将腕关节整体及导针移除，即形成阴模 ( 图5 )。( 5 ) 将设计好的模型以 WRL 格式传输至桌面三维打印机 ( 美国 Stratasys 公司 )，使用医用可降解聚乳酸为材料将阴模分为掌背侧两部分打印。个体化舟骨螺钉导针模板即制作完成。( 6 ) 将腕关节标本置于操作台上，将掌背侧导针模板与解冻的腕关节标本扣好 ( 图6 )，用胶带固定。用电钻将 1.1 mm 导针沿掌侧套筒打入，深度为之前测量的导针长度。置针结束后，再次对所有标本行 CT检查，重合术前术后舟骨 CT 影像，在软件上测量并记录导针位置术前术后的最大距离差 ( 图7 )。另外在软件中操作，使腕关节骨质透明度增加，在软件上测量导针尖端与舟骨最近端皮质的 ( 图8 )，即为导针实际打入深度与术前设计的距离差。

图1 腕关节整体 ( 包括皮肤软组织 ) 进行容积重建图2 在腕关节周围建立一个实心立方体，与皮肤软组织完全嵌合成形Fig.1 Skin and soft tissue of the wrist joint was reconstructedFig.2 A cube surface model was created to surround the wrist joint

图3 在舟骨表面重建的影像上，建立螺钉导针三维影像图4 在立方体的掌侧部分套管Fig.3 A guide wire simulation was created and was place in the ideal position in the scaphoid surface modelFig.4 A jig around the guide wire was created in palmar part of the cube

图5 运用减集运算将腕关节整体及导针移除，形成阴模图6 在标本上操作，从掌侧通道打入导针Fig.5 Surgical template with guide was obtained by Boolean subtractionFig.6 A guide wire was inserted into the cadaver scaphoid from palmar approach

结 果

CT 检查确认 8 具尸体标本的舟骨均符合研究要求，腕关节未发现骨性或软组织病变，分别对其行计算机重建及三维打印成型，制作个体化置钉导航模板，并于其辅助下顺利置入舟骨螺钉导针共 8 枚。实际操作中发现导航模板与腕关节皮肤的嵌合度较好，组合后具有较强的稳定性。用胶布固定后，打入导针时导航模板均未发生明显松动或移位。螺钉导针位置精确度：6 例偏差＜1 mm，2 例偏差＜2 mm。导针打入深度：6 例偏差＜1 mm，2 例偏差＜2 mm。所有导针均为一次打入，均未穿出舟骨。

图7 重合术前术后 CT 图像，测量实际导针与虚拟导针位置差图8 在软件中操作增加腕关节骨质透明度，测量导针尖端与舟骨最近端皮质的距离Fig.7 Linear and angular deviation were measured after overlapping pre-operative and post-operative CT images of the scaphoidFig.8 The distance between the tip of the guide wire and the insertion point on the scaphoid surface was measured after increasing the transparency of the scaphoid

讨 论

对于无移位或移位＜1 mm 的新鲜舟骨骨折以及陈旧骨折不愈合以空心螺钉进行固定可以缩短制动时间，缩短骨折愈合时间，提高骨愈合率。影响内固定强度的因素有：舟骨骨质情况，骨折面自身形态，骨折是否解剖复位，内固定物的选择以及手术的操作技术，例如放置螺钉是否在舟骨内居中，螺钉与骨折线是否垂直，螺钉是否足够长等。舟骨的骨质情况以及骨折面情况医生无法控制，只能提高手术中的操作技术，因此，这也一直是近年来手外科的一个热点话题。不少学者认为将螺钉在舟骨内居中放置可以缩短骨折愈合时间，将螺钉的居中作为最重要的操作，甚至不惜切除部分大多角骨[7-8]。也有些学者认为，舟骨螺钉的中置化并不是必需的，螺钉与骨折线垂直更有意义[9-10]。对此尚有争议。笔者之前的生物力学研究结果提示，螺钉的居中性对于固定的牢固程度最为重要，且这个居中性一定要根据骨折线的位置来确定[11]。因此笔者在术前的计划中，计算出居中导针的位置。但在临床操作中，手术医生想将螺钉置入这个位置并非易事。传统经皮螺钉固定手术需要依靠术中 X 线反复透视来获得满意的手术效果。这无形中增加了手术时间和手术者以及患者的 X 线暴露时间。有时，尽管 X 线反复透视，螺钉仍然偏离正确的位置，术者只能反复变换导针在舟骨内的位置。这样的操作无疑会降低舟骨内的骨量，从而影响固定的牢固性。传统手术的另外一个缺点是舟骨螺钉的长度不好估计，尽管有专门设计的测量舟骨螺钉长度的器械，但由于操作以及舟骨结节部位软组织阻挡等问题使得测量的准确性受到影响。

计算机术前辅助手术最初应用于神经外科，它将计算机图像处理与临床手术结合起来，通过在术前提供患者骨骼的图像与手术工具的空间位置，协助手术医师准确完成手术。现已广泛应用于骨科，特别是脊柱、髋关节、膝关节外科等[12-13]，近年来在治疗舟骨骨折方面的应用逐渐增多。Murase[14]较早的报告了术前利用舟骨三维 CT 重建图像指导术中手术，但实际上操作难度也比较大。笔者以前报告过运用计算机术前计算辅助术中置入舟骨螺钉。但用于在术中徒手操作的程度比较高，也会有一定的操作误差。对于新鲜移位不大的骨折，有些学者利用术中导航设备对舟骨螺钉的放置进行计算[1-2,15]，在术中指导手术，和传统的在 C 型臂指导下的手术相比，可以缩短术中 X 线暴露时间，提高手术的精确度，这些研究多在尸体标本上进行，临床应用没有广泛开展。同时，由于舟骨体积较小，术中操作、腕关节及示踪器的微动会造成一定误差[16]，另外，成本比较高也影响了其技术的广泛应用。

笔者研发的这种新型个体化置钉导向模板，技术路线可概括为三步：( 1 ) 基于 CT 图像，使用VxWork 软件重建舟骨，精确测量并计算舟骨的解剖学参数，计算出舟骨的中央区，将导针放置入中央区，建立包围腕关节的阴模，在阴模中建立虚拟针道；( 2 ) 将 WRL 格式数据文件直接输出至三维打印机，进行三维成型出导针导向板；( 3 ) 将导向模板与腕关节组配，在直视下使用手术器械进行置针操作。经过再次 CT 扫描证实了置针的精度相当高。

本研究所提出的方法也存在以下缺陷：( 1 ) 在导针模板的设计过程中，需要设计者具备较高的软件操作水平和腕关节专业知识，需要掌握该技术的学习曲线较长；( 2 ) 三维打印需要时间较长，以目前使用的打印设备和材料，打印过程要 20 h 左右，如果需要再作 CT 检查，以及术前的环氧乙烷灭菌则需要 24 h，整个设计和成型过程至少需要3 天；( 3 ) 目前打印材料的成本较低，但三维打印机及设计所用的软件成本较高；( 4 ) 导向模板成品上的置针通道无法改动，一旦在整个的设计和制作过程导致误差出现，难以修正或更改，只能改为传统的手术。

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( 本文编辑：李贵存 )

A cadaveric study on the accuracy of an individualized guiding template to assist placement of scaphoid screws using computer-assisted design and three-dimensional printing technique

GUO Yang, TIAN Guang-lei, TIAN Wen, LI Zhong-zhe, SUN Li-ying, ZHONG Wen-yao. Department of Hand Surgery, Beijing Jishuitan Hospital, Beijing, 100035, China

Objective To investigate the feasibility of establishing an individualized guide template for scaphoid screw insertion using computer-assisted design and three dimensional ( 3D ) printing technique, and to evaluate the accuracy and safety of this technique. Methods Eight adult wrist specimens were scanned by computed tomography ( CT ) scanner. All CT volume data of 8 wrists were imported into the VxWork software and surface scaphoid models were reconstructed. We selected a proper tunnel of optimal screw guide wire position and then created a template matching to the wrist. A screw guiding template was created by 3D printing technique. Postoperative CT scans were obtained to evaluate the accuracy of screw position and insertion depth. Results A grading scheme was used to assess the drilling accuracy: Grade 1 ＜ 1 mm deviation, Grade 2 ＜ 2 mm deviation. Scaphoid drilling was conformed to be completely accurate ( Grade 1 ) in 6 specimens, highly accurate ( Grade 2 ) in 2 specimens. No specimen required a repeated drilling of the scaphoid. All the screws were in the scaphoid, whose positions met the clinical requirements. Conclusions This study has shown that a proper tunnel for scaphoid screw insertion can be created bases on CT scanning. Scahpoid screw insertion guided by a 3D printing template has been proved to be accurate and easy to operate and this technique could be a new alternative to conventional technique.

Scaphoid bone; Fractures, bone; Surgery, computer-assisted; Printing, three-dimensional; Fracture fixation, internal; Carpal joints

10.3969/j.issn.2095-252X.2017.04.008

R683.4, R445

首都医学发展科研专项基金 ( 2014-4-2073 )；北京市卫生系统高层次卫生技术人才培养计划任务书( 2015-3-035 )

100035 北京积水潭医院手外科

2017-01-18 )