跟骨骨折3D模型制作的探讨

云致硕，黄家生

(1佛山市顺德区勒流医院 设备科;2佛山市顺德区勒流医院 骨科，广东佛山528322)

跟骨骨折3D模型制作的探讨

云致硕1，黄家生2

(1佛山市顺德区勒流医院 设备科;2佛山市顺德区勒流医院 骨科，广东佛山528322)

目的:探索跟骨骨折3D模型的制作。方法:将CT扫描层厚1mm的DICOM格式图像导入Mimisc软件，经过设定灰度阈值、蒙罩编辑、应用空腔填充等方法逐层对扫描图像进行填充构建两病例的三维模型。并导出STL格式的文件。结果:运用3D打印机打印出1∶1的三维模型都能真实的反映跟骨骨折的情况。讨论:Mimics软件可快速、有效生成三维模型，3D打印机打印的真骨模型为医生提供术前评估，模拟手术，定制植入物等，简化了手术操作，缩短了手术时间，提高了手术质量和治疗效果，减少了手术风险。前者投资大，效果好。后者投资小，制作及时，效果也不错，但操作稍复杂。

三维打印;跟骨骨折模型;制作方法探讨

由于跟骨主要为松质骨、形状复杂，骨折后，劈裂、粉碎的骨折块和塌陷缺损的关节面令手术方案的选择有更多的不确定性。在传统的手术修复中，医师是在自己的大脑中进行修复前模拟。但这种修复方案的质量高低依赖于医师个体的外科临床经验和技能，而且这种虚拟手术无法被参与操作的的每一位成员共享，术中往往出现术前估计不足的情况，选择植入的骨块往往不太合适。通过3D打印软件对组织进行计算机三维重建及3D打印机打印真实的骨模型，骨科医师可以在近似真实的环境中进行模拟及修复后结果预测，从而为患者制定最佳的修复方案，实验可模拟复杂跟骨骨折骨折块的复位，记录骨折块的移动数据和翻转数据，开窗撬拨复位塌陷的骨块，设计植骨模型，并进行植骨，估算植骨量。有助于在临床修复中对复位的精确掌握。

1 资料与方法

主要设备:采用飞利浦 BrillianceCT(16Slice)获得基本数据，扫描层厚1mm。

3D打印机: (1)常州常森公司的3D－ORTHO骨科专用打印机，(型号SRO400，最大构建尺寸300×300×400mm)，(2)广州骏威电子科技有限公司提供的闪铸三维打印机 Dreamer高精度快速成型机(双头，最大构建尺寸 230×150× 150mm)。

电脑配置:i3CPU，内存4G，win7操作系统，mimics高度整合而且易用的3D图像生成及编辑处理软件，meshmixer或makerware等3D打印软件。

例一刘××，女，9岁。经我院CT扫描及三维重建显示，诊断为双侧跟骨粉碎性骨折，并跟距关节半脱位。我们于CT室下载该病人的CT医学数字成像和通信(digital image and communications inmedicine，DICOM)文件，压缩打包发给常州常森公司。该公司用其专用软件及3D－ORTHO骨科专用打印机为我们免费打印了病人的双脚跟骨模型，三天内完成并寄回我院。该模型真实反映了该病人的状况，受到我院骨科医生的好评。

例二罗××，男，50岁。因车祸外伤史，左跟部肿痛，站立行走不能1h入院。经我院CT扫描及三维重建显示，诊断为左跟骨粉碎性骨折。我们于CT室下载该病人的CT医学数字成像和通信DICOM文件。在mimics软件中通过“File”菜单下“Import images”导入扫描图片，点击“Next”按钮，点击“Convert”按钮，完成转换。设置“定位参数”导入并完成图片的转换之后，MIMICS软件会自动计算并生成冠状面图和矢状面图。

跟骨模型的构建步骤具体如下:

(1)阈值分析:断层图片中，不同组织的灰度值不同，因此通过阈值来提取相应的组织，利用软件自带的“阈值设定”(Threshold)选择需要重建的模型。

(2)编辑处理:利用“图像编辑(Edit)”功能对图像边界进行添加(Draw)或擦除(Erase)操作，生成的跟骨中间有很多的空洞，这在后面的ANSYS处理中会产生较大的麻烦，要求仔细地对每一幅CT图片进行修改，把跟骨中间有空的地方填满或者擦除，另外在分离跟骨时，有时要擦除和跟骨连接的其他骨骼。有时为了进行3D打印，对破损的骨头也要充填连接，方便打印。这部分工作需要足够的细心和耐心。

(3)区域增长:点击“区域增长(Region growing)”图标，弹出“Region Growing”对话框，该命令是对选定的结构进行图像分割，实现不同结构的图像分离，将骨折跟骨从脚骨模型中分离出来。

(4)蒙罩:选中视图窗口股骨“蒙罩”，目标“蒙罩(Target)”将会随着改变，随机选择不同的颜色，形成不同的蒙罩，这样方便区分不同的结构。

(5)计算 :采用右侧的“三维计算功能(Calculate)”工具对跟骨蒙罩(mask)进行重建，清楚直观地再现跟骨结构的三维形态。

(6)三维模型的优化和网格的重新划分:①采用右侧的“重新划分网格(Remesh)”工具对股骨蒙罩(mask)进行网格重新划分，优化股骨结构的三维形态;②在上方工具条中选择“光滑(smoothing)”工具，弹出“光滑”对话框，点击“OK”按钮，细化网格并且优化股骨结构;③保存并关闭“重新划分网格(Remesh)”界面。

(7)点击”export”菜单下ASCII STL…导出STL格式的文件。在Start栏下选3D，再点击add，最后点击finish键。

(8)在电脑中打开meshmixer或makerware等3D打印软件，将前面用mimics软件生成的STL格式的文件打开，找到支撑面或者ABS配合溶解性支撑材料，PLA配合柔性TPU材料互为支撑打印出真实的三维模型。

2 结果

在以上两例中，通过CT扫描获取的DICOM数据，经过转换、编辑等操作，均成功获得了与实际骨骼结构相同的模型，制作时间2～3d之内。由于实物模型容易理解，能制定出较详细的手术计划，模拟手术操作，缩短手术时间，减少病人的痛苦，也便于和患者沟通。

3 讨论

(1)我们在跟骨制作的过程中，发现CT扫描的层厚与模型的真实性有很大关系，有时CT室在考虑存储容量的情况下，多采用2.5～5mm扫描，这样能够明确跟骨骨折的部位和类型及关节面骨折的情况，但是，对跟骨3D重建效果是欠理想的，尤其是跟距下关节面显示较粗糙，破碎面不清晰，而影响对关节面骨折形态的全面分析。本组中我们发现采用1mm准直及重建能够最清晰地显示关节面的形态，效果明显优于3mm及5mm准直扫描者［1］。

(2)跟骨主要为松质骨，为不规则的矩形体，前窄后宽，共有4个关节面，即前、中、后距下关节和跟骰关节，跟骨内密度不一，骨小梁排列特殊。以上两例病人都是跟骨粉碎性骨折。在用mimics软件重建三维模型的过程中，分离粉碎性骨折的跟骨比较困难。由于跟骨及周围解剖结构复杂，加上跟骨破损，许多碎骨和跟骨不连接，或者碎骨跟周围其他骨骼连接，所以要逐层在一些地方做擦除和充填的大量工作，要求操作人员有较丰富的计算机知识及人体的解剖知识。通过向骨科的医务人员请教和自己的学习。现已基本上能做出完整的跟骨骨折模型。当然和骨科的医生一起进行图像处理，模型制作等过程，可以防止对医疗有用的信息被剪切丢失。

(3)在进行3D打印时，在医疗行业，以骨骼打印为主。由于3D打印采用逐层打印的增材成型技术，所以打印的成品和原样版一致性好，能较好的还原扫描出来的实物。打印的样品可以做为教学用具、作为手术前预制或模拟手术，极大提高手术的一次成功率。一般来说，选择合适的打印方向，尽量减少支撑材料的使用，对打印效果很有帮助;另外，最小壁厚一般要求1.2mm以上，保证打印的模型具有一定的强度;须避免产生类似骨骼内部骨髓的絮状物和悬空的碎屑。处理完后的图形导出转化为STL格式就可以打印了。

针对材料的选择，我们需结合模型本身来考虑。如果打印的模型需要很少或者基本不需要支撑材料，可考虑用PLA材料打印。PLA材料成型效果好，颜色亮丽剔透，适用于摆件、装饰品、工艺品打印。但成型后的工件较脆硬，遇到需要使用支撑材料的场合，支撑材料的去除有点困难，去除后的表面也较粗糙，不容易打磨。如果后续需要打磨或做钻孔等加工处理，可以考虑选用ABS材料来打印。ABS材料综合性能较好，易于后续加工和上色，耐温可达130℃，为打印工业件首选，但由于材料本身的结晶过程，成型后工件会稍有收缩，收缩率约为3%以下。打印大件时如果打印参数设置不好，或者机器内外温差大，工件有可能出现裂纹。打印后工件的尺寸也难以控制。

在购买耗材时需要注意的是，如果材料质量不好，打印过程容易造成3D打印机喷头堵头，从而导致打印失败。另外也容易导致打印过程中和底板粘接不牢而翘边，成型效果不好。

(4)随着3D技术在医疗行业的发展，越来越多的医院开始关注并开展这项工作。通过我们的探索，我们认为要开展这项工作，一般的医院可以有两个途径，①和专业的3D公司联合，其优势是他们有专业的制作人才，打印的模型比较快也比较好，医院方面也比省事。其缺点就是投入比较大，而专用的3D打印设备造价相对昂贵。而打印出来的模型目前未列入医用耗材。医院没有经济方面的效益，一般的医院都暂时不愿投入。②降低投入成本可更好的开展这项工作。经我们了解目前桌面级3D打印机的价格在2万元左右，设备功率在400W左右。材料价格一般为200元/kg。从成本来说，按照模型重量100g，耗时10h来计算:设备按照5年折旧，每月的设备费只有300元，每小时约0.4元;打印每个模型设备费用约4元;电费400×10 =4kw/h，成本4元;材料0.2元/g，100g的费用约20元。整体上，一般打印一个模型，成本能控制在30元以下。人员制作模型的培训方面，经过短期培训及学习也可以运用mimics软件制作出较好的模型。(mimics软件在其官网上有试用版，也不错。)

应用3D打印技术获得跟骨骨折损伤模型，将真实的骨折情况呈现在医生面前，通过模手术来完成复位和内固定，进一步评估固定强度和骨折的稳定性，从而精确策划复位方式和选择内固定装置，会使治疗策略的选择更加合理和科学。计算机设计的术中导航模板可以通过3D打印进行快速制作。精确的术中定位明显减少了X线透视的使用次数，这对患者及医生的健康都是有利的［4］。总之，3D打印技术的应用给骨科手术展现了光明的前景，是一项具有推广价值的应用。

［1］郑少强，杨振燕.跟骨骨折CT及3D重建的评价［J］.中国医学影像技术杂志，2013，19(10):1327－1329.

［2］张云峰，杨栋.3D打印骨科模型临床应用的初步探索［J］.中国临床研究杂志，2014，27(10):1260－1261.

［3］王彩梅，张卫平，李志强.3D打印在医疗器械领域的应用［J］.生物骨科材料与临床研究杂志，2013，27(6):26－28.

［4］张志昌，郑稼，张新胜，等.3D打印技术在创伤骨科中的应用［J］.河南医学研究杂志，2014，23(3): 159－161.

［5］龚柏茂.浅谈3D打印中设计模型的导入及相关参数调节［J］.浙江师范大学学报(自然科学版)，2014，37(4):453－456.

［6］李珈萱，乌日开西·艾依提，赵梦雅，等.3D打印技术助力临床医学的发展［J］.电脑知识与技术杂志，2013，9(32):7323－7326.

［7］秦勉，刘亚雄.数字化设计与3D打印技术在个性化医疗中的应用［J］.中国修复重建外科杂志，2014，28(3):286－291.

［8］王博.浅谈3D打印技术的发展与应用［J］.机电技术杂志，2014，96(5):158－160.

［9］樊树峰，曹武强.DICOM打印服务器的临床应用［J］.中国医学计算机成像杂志，2007，13(6).

［10］郑铁，尹庆水，王智运，等.Mimics 14.0软件在胫骨螺钉外固定架模型建立的初步应用［J］.重庆医学杂志2013，42(7):783－785.

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