基于3D 打印的胫骨骨折外固定生物力学研究

王 晶，乌日开西·艾依提*，艾合买提江·玉素甫

1 新疆大学机械工程学院，新疆 乌鲁木齐 830047；2 新疆医科大学第一附属医院显微修复外科，新疆 乌鲁木齐 830054

1 引 言

3D 打印技术是通过CAD 设计数据采用材料逐层累加的方法制造实体零件的技术，在消费电子产品、汽车、航天航空、医疗、军工、艺术设计等领域得到了广泛应用[1]。3D 打印技术与医疗相结合在辅助外科手术、个性化医疗器械、组织工程、医学教育与基础科研方面拥有极佳的应用前景[2]，尤其是在骨科中得到了越来越多的关注及应用研究[3-5]。

外固定器固定是治疗骨折时常见的固定方式之一，医生通常根据经验选择外固定的类型、安装位置及Schanz 钉的数量[6-8]，如图1 所示为胫骨骨折的外固定方式。当固定方案不合理时会造成外固定的稳定性差甚至导致Schanz 钉断裂。在传统骨折治疗的生物力学研究中，常使用简化的骨模型或尸体骨通过万能力学试验机、位移传感器、粘贴应变片的方法对外固定的稳定性进行研究[9-11]；简化的骨模型与某一具体病人的骨折情况存在差异，每根尸体骨之间的力学性能也存在差距，且足够数量、尺寸一致的新鲜尸体骨来源有限；测量过程中使用万能力学试验机无法测量单根Schanz 钉的变形量、应变片和位移传感器采集到离散的点在反映变形的完整性方面有所不足。学者们为了使分析结果更接近患者的真实情况，利用逆向工程重构患者的骨骼进行数值模拟分析[12]，运用3D 打印技术制作骨模型进行实验分析并制定了个性化的治疗方案[13-15]。刘豫鑫等[16]采用三维全场变形测量的方法研究了锁定钢板工作长度的生物力学，但所用的简单骨模型与胫骨解剖形态存在差异，对植入物的稳定性结果产生影响。

图1 外固定器固定胫骨示意图Fig.1 Schematic diagram of the external fixator fixing tibia

本文采用逆向工程和3D 打印技术相结合的方法重构了骨折患者的1：1 的胫骨骨折模型，在测量方法上采用了XTDIC 三维全场变形测量系统对Orthofix单边外固定器的整体变形进行精确的测量，以便探索更加合理的、个性化的固定方案，为医生制定手术方案提供依据。

2 骨折模型的建立

合作医院(新疆医科大学第一附属医院)的医生希望针对不同的骨折患者来制定个性化的固定方案，因此可以利用逆向工程建立骨折模型进行针对性地分析。虽然3D 打印骨模型与真实骨的力学性能不同，但是Schanz 钉变形的趋势相同。本研究采用一名34岁女性胫骨骨折患者的腿部CT 数据(经医生与患者沟通，患者同意使用CT 数据，并通过伦理审查)。应用医学影象处理软件Mimics(Materialise Company，比利时)对CT 数据进行阈值分割、区域增长等处理提取胫骨干骨折模型并保存为3D 打印所通用的STL 格式，再导入到3D 打印机(Z18，MakerBot，美国)中进行打印，继而进行生物力学分析，图2 为骨折模型制作流程图。

图2 骨折模型制作流程图Fig.2 The flow chart of the fracture model making

3 实验方案

3.1 设计正交试验方案

本研究主要对胫骨干外固定方式中的Schanz 钉在针夹上的分布A和最外侧Schanz钉到骨折断端的距离B 和胫骨到外固定器的距离C 三种因素综合考虑，根据患者的主治医师所提出的要求确定每个因素的三个水平，采用L9(33)正交表进行正交试验，对外固定器的生物力学进行测试，确定最佳因素水平的固定方案，保证外固定的稳定性。所选因素与水平如表1 所示，Schanz 钉在胫骨上的分布试验方案见表2。

表1 因素与水平表Table 1 Factor and level table

表2 正交试验表Table 2 Orthogonal test table

3.2 三维全场变形测量

本次实验最大轴向载荷为370 N，对应一个体重为74 kg 的成年人双足站立时胫骨所承受的轴向负荷。将骨折模型两端用环氧树脂固化，并用Orthofix 单边外固定器(10119，苏州悦来医疗器械有限公司，中国)固定，确保骨折间隙的两端在轴向加载的过程中没有接触，外固定系统置于自制的压缩试验机上，载荷通过贯通式步进电机的丝杆施加，保证轴向压缩时载荷传递模拟生理条件下力线的传递，其速度可由步进电机手轮控制器调节。根据表2 试验编号依次进行压缩实验，加载至370 N，循环加载5 次，采用由两组Basler相机组成的 XTDIC 三维全场变形测量系统(XTDIC-CONST-SD，新拓三维技术有限公司，中国)，一组测量骨折断端以上的Schanz 钉，一组测量骨折断端以下的Schanz 钉。为了精确得到Schanz 钉的三维点的数据，将两组Basler 相机标定在一个坐标系内，利用其非接触性、无破坏性、高精度、测量速度快的特点，可以得到更加准确的测量结果。实验中以200 Hz的频率同时对外固定器上下的Schanz 钉的变形进行测量，如图3 所示。图4 为三维全场变形测量系统所采集的胫骨到外固定器之间Schanz 钉的位移云图。

图3 实验展示图Fig.3 Experiment display diagram

图4 Schanz 钉位移云图。(a)方案A1B1C1；(b)方案A1B2C2；(c)方案A1B3C3；(d)方案A2B1C2；(e)方案A2B2C3；(f)方案A2B3C1；(g)方案A3B1C3；(h)方案A3B2C1；(i)方案A3B3C2Fig.4 Schanz nail displacement cloud map.(a)Scheme A1B1C1;(b)Scheme A1B2C2;(c)Scheme A1B3C3;(d)Scheme A2B1C2;(e)Scheme A2B2C3;(f)Scheme A2B3C1;(g)Scheme A3B1C3;(h)Scheme A3B2C1;(i)Scheme A3B3C2

4 实验结果与讨论

4.1 实验结果

在正交试验不同因素水平的组合下，利用三维全场变形测量系统得到Schanz 钉的三维点坐标，通过创建截线的方式可输出Schanz 钉上某一条线的三维信息。Schanz 钉变形量与胫骨到外固定距离d的关系如图5 所示，图5(a)～5(i)分别对应试验1～9。总体上来说，外固定器上下两端Schanz 钉的变形量相差较小。当Schanz 钉数量相同时胫骨到外固定器的距离越小，Schanz 钉的变形量越小；当胫骨到外固定器的距离一定时，随着Schanz 钉数量减少，外固定器上每根Schanz 钉的变形量增大。不同的方案Schanz 钉向上或向下变形的趋势不同。

图5 Schanz 钉的变形量与距离的关系图。(a)方案A1B1C1；(b)方案A1B2C2；(c)方案A1B3C3；(d)方案A2B1C2；(e)方案A2B2C3；(f)方案A2B3C1；(g)方案A3B1C3；(h)方案A3B2C1；(i)方案A3B3C2Fig.5 The relationship between the deformation of Schanz′s nails and the distance.(a)Scheme A1B1C1;(b)Scheme A1B2C2;(c)Scheme A1B3C3;(d)Scheme A2B1C2;(e)Scheme A2B2C3;(f)Scheme A2B3C1;(g)Scheme A3B1C3;(h)Scheme A3B2C1;(i)Scheme A3B3C2

各试验组Schanz 钉的变形量见表3。对各试验组的刚度进行比较可以看出A1B2C2的刚度最好，见图6。外固定器在加载方向上的刚度由公式KF=F/X导出，F表示施加在胫骨平台上的外力，X表示Schanz 钉的变形量。

图6 9 组胫骨骨折外固定模型刚度比较Fig.6 Comparison of the stiffness of 9 groups of tibial fracture external fixation models

表3 各试验组Schanz 钉的变形量Table 3 Deformation of Schanz′s nail in each experimental group

4.2 分析与讨论

通过对胫骨外固定系统中Schanz 钉的变形量直观分析表明：极差RC＞RA＞RB，所以实验中各因素对Schanz 钉变形量影响的主次顺序为外固定架到胫骨的距离(C)、Schanz 钉在针夹上的位置(A)、外侧Schanz钉到骨折断端的距离(B)，Schanz 钉变形量越大外固定器的稳定性越差。在A 因素下K1＜K3＜K2，可知A1为因素A 的最佳方案；故分析可知B2、C2为因素B、C的最佳方案，见表4。

表4 变形量直观分析表Table 4 Intuitive analysis table of deformation

通过对变形量数据方差分析表明：FA的伴随概率pA(0.00018)、FB的伴随概率pB(0.013)、FC的伴随概率pC(0.00006)均小于显著性水平(0.05)，即三种因素的不同水平对Schanz 钉的变形量产生了显著影响。同时由pC＜pA＜pB可得出影响Schanz 钉变形量的因素主次顺序为C、A、B，如表5 所示。

表5 实验结果变形量数据方差分析表Table 5 Analysis of variance table of experimental results deformation data

在相同载荷下的条件下，外固定器到胫骨的距离为30 mm时，Schanz钉作为悬臂梁所承受的弯矩最小，其变形也就最小。Schanz 钉的数量增多时，外固定器上每根钉子所承受的载荷减小。当Schanz 钉数量相同时，Schanz 钉在针夹上的分布对外固定器的稳定性也有影响，即Schanz 钉在针夹1、3 位置的变形量小于在1、2 位置的变形量，相邻的Schanz 钉在胫骨上的跨度越小时胫骨所受的约束力越集中，外固定系统越不稳定。当Schanz 钉离骨折断端越远，外固定器的工作长度越大，稳定性越差；但Schanz 钉离骨折断端越近，施加在胫骨平台上的载荷对Schanz 钉的扰动越大，胫骨外固定系统的稳定性越差，所以外侧Schanz钉到骨折断端的距离为120 mm 时，胫骨外固定系统的稳定性最好。经与医生讨论，该实验方案得到的结果与医生前期开展的相似病例治疗的结果吻合，医生认为力学实验能够定量、直观的分析每根Schanz 钉的受力情况，可为医生制定手术方案提供参考。

5 结 论

本文通过逆向工程与3D 打印技术相结合的方法制作了一名34 岁女性患者的胫骨干骨折模型，并对骨折外固定器的生物力学进行了分析，主要结论如下：

1)针对不同骨折的患者利用逆向工程和3D 打印相结合的方式制作1：1 的骨折模型，并进行外固定方式的实验研究，有助于准确地为其提供个性化的治疗方案。

2)Schanz 钉在针夹上的位置、外侧Schanz 钉到骨折断端的距离和外固定器到胫骨的距离三个因素对Schanz 钉的变形量和刚度均有影响，且外固定器到胫骨的距离对其影响最显著。

3)通过对三种因素不同水平下Schanz 钉的变形量分析，当Schanz 钉在针夹上的位置为1、2、3，外侧Schanz 钉到骨折断端的距离为120 mm 和外固定器到胫骨的距离为30 mm 时为最优方案，且外固定器的刚度最大，即6 根Schanz 钉分别置于两截断骨的中部时，外固定器到胫骨的距离越小，外固定器的刚度越好。