基于CT图像的胫骨平台骨折三维重建及术前模拟

程学进，邢跃刚 ，刘爱辉,吴 晗

(1.淮阴工学院 江苏省介入医疗器械研究重点实验室，江苏 淮安 223003;2.淮阴医院 骨科，江苏 淮安 223300;3.淮阴工学院 机械工程学院，江苏 淮安 223003)

基于CT图像的胫骨平台骨折三维重建及术前模拟

程学进1,3*，邢跃刚2，刘爱辉1,吴 晗3

(1.淮阴工学院 江苏省介入医疗器械研究重点实验室，江苏 淮安 223003;2.淮阴医院 骨科，江苏 淮安 223300;3.淮阴工学院 机械工程学院，江苏 淮安 223003)

将三维重建及3D打印技术与胫骨平台骨折的诊断与治疗相结合，探讨其在创伤骨科手术中的应用及意义。采用64排螺旋CT沿胫骨平台骨折横断面1mm层厚扫描，图像以DICOM格式保存。通过对CT图像进行阈值分割、区域增长以及蒙板编辑等完成骨折模型的三维重建，利用3D打印技术快速制作1：1大小的实体模型，在此基础上制定手术计划，术前模拟手术固定等操作过程，增加了手术的准确性与安全性。

3D打印；胫骨平台；三维重建

0 引言

胫骨平台骨折是一种常见的负重关节骨折，复杂多样，特别是因暴力产生高能量骨折通常还会合并半月板及韧带等软组织损伤[1-3]，若处理不当易出现膝关节不稳，影响关节性能，晚期发生膝关节退行性病变等。

3D打印技术是一种基于材料累加原理的增材制造技术，自20世纪80年代后期出现至今，已广泛涉及到人们衣、食、住、行、航空、航天及国防等各个领域[4]。随着计算机图像处理技术及材料科学的不断进步，三维重建及3D打印技术为传统的医学诊断、治疗等提供了新的技术支持[5]，其在医学领域的应用逐渐成为研究的热点内容[6-9]。

随着人口的老龄化以及现代交通与建筑业的高速发展，因骨质疏松产生的轻能量胫骨平台骨折与因意外(高空坠落、车祸等)造成的高能量胫骨平台骨折均呈明显多发、上升趋势。如何减少病人的痛苦、提高治疗后的生活质量一直是人们努力的方向。由于人体的特殊性及个体之间存在的巨大差异，如何快速准确地认识特定的骨折结构对疾病的诊断与治疗具有很强的指导意义，本文以人体胫骨平台骨折为例，探讨其骨折模型的三维重建以及3D打印技术在个性化手术治疗中的应用。

1 模型重建及加工

1.1 数据采集

采用Philips 64排螺旋CT机采集患者胫骨平台骨折数据，扫描条件为120kV、280mA、层厚1mm，扫描数据以DICOM格式保存。

1.2 骨折模型三维重建

胫骨平台骨折模型三维重建的关键环节与步骤如下：

(1)CT图像的导入及预处理。将保存的DICOM格式CT图像全部导入到Mimics软件中，为了使骨骼的图像轮廓与周围的软组织等能够较为清楚地区分开来，需要调整一个合适的窗宽窗位，使其在骨的CT值200附近，本文窗宽窗位调整为0～350，选择“Bone(CT)”为预定义分割阈值，将骨骼与其它软组织分割开来。

(2)区域增长与蒙板裁剪。利用阈值分割等功能生成的蒙板不但包含胫骨平台部分，还有其它如股骨、髌骨等骨骼组织，因此需要对蒙板进一步处理。首先利用区域增长功能将与胫骨平台无骨性连接的骨骼去除，接着通过蒙板裁剪工具进一步缩小编辑的范围，减少了将要进行的蒙板编辑的工作量。

(3)蒙板编辑。利用蒙板编辑工具对每一张原始的CT断层图像进行仔细地校对、分析，填充内部与外部不连通的孔洞和修缘，分离与胫骨平台不相关联的软组织与骨骼，特别注意各骨折块之间骨折线的位置，如图1所示。蒙板编辑在三维重建中是最为耗时也是最为复杂的，工作量很大，但这一过程却很重要，直接影响最终实物模型的准确程度。

图1 蒙板编辑

(4)三维重建及模型光顺。蒙板编辑完成后，选择“Calculate 3D from Mask”工具，模型重建质量参数为“Optimal”完成胫骨平台骨折模型的三维重建，如图2(a)所示。软件生成的三维模型实际上是由许多三角片组成的复杂面网格模型，局部会存在尖刺等问题，还需利用Remesh功能进行光滑处理，光滑处理后的模型如图2(b)所示。

a)光滑处理前 b)光滑处理后

1.3 3D打印加工

模型加工采用的是利用熔积成型(FDM)原理设计的Vantage i 3D打印机，加工材料为打印机配套使用的工程塑料，模型材料与支撑材料均为ABS，但支撑材料呈弱酸性，主要是为了在模型加工完成后能方便去除，具体步骤如下：

(1)加工前处理。将胫骨平台骨折模型以STL格式导入FDM Vantage i 3D打印机配套软件Insight8.0中，根据模型的结构特点等因素调整模型加工的位置与角度，模型加工的精度取决于喷嘴直径的大小，理论上喷嘴直径越小，分层的精度就越高，最终加工模型越准确，但同时加工的时间也越长。本文综合考虑，模型喷嘴采用的是T16，支撑喷嘴为T12，对应的分层厚度为0.254mm。根据模型加工工艺性的要求，在实体的外部和内部都需要添加一定的支撑材料。为了减少加工时间、节约支撑材料，选择稀疏支撑(sparse)方式。在保证模型的整体强度及表面质量的同时节约成型材料、缩短加工时间，胫骨平台骨折模型加工采用多轮廓填充方式，内部为双密度稀疏填充(sparse-double dense)、表面质量为增强型，保存生成CMB文件。

(2)加工模型。打开控制软件Control Center8.0，导入上一步生成的CMB文件，经过软件计算可知将使用模型材料75.85cm3，支撑材料

19.98cm3，加工时间约为9小时11分钟。打开打印机，加入丝状的模型材料和支撑材料，设置加工位置等重要参数，即可开始加工模型。

(3)加工后处理。加工完成后，将模型从打印机工作腔中取出，利用支撑材料呈弱酸性的特点，将加工好的模型浸入NaOH溶液中去除支撑材料，最终成型的胫骨平台骨折模型如图3所示。

图3 胫骨平台骨折模型

2 制定手术方案与模拟手术操作

利用胫骨平台骨折模型可以对患者的骨折部位进行全方位观察、分析，弥补了X线片、CT及MRI等影像学资料的不足，通过手术团队之间充分的交流以及与患者的沟通，制定手术方案，术前在模型上模拟手术操作过程，如图4所示。

图4 在胫骨平台骨折模型上模拟手术

3 结论

本文通过对3D打印技术在胫骨平台骨折治疗中的应用，提供了一种运用3D打印技术辅助骨科手术的方法，具有较强的临床应用意义。

(1)在患者CT图像的基础上完成胫骨平骨折模型的三维重建与3D打印加工，实物模型能够清晰的反映骨折的形态，骨折块的大小及位置等信息，与X线片、CT及MRI等形成了良好的互补。

(2)借助实物模型，便于手术团队成员之间的交流以及与患者的沟通，有效地减少分岐，制定出个性化手术方案。

(3)术前通过实物模型进行测量，模拟手术固定等操作过程，了解术中可能会遇到一些困难，进一步优化手术方案，使其更加合理，有利于提高手术的准确性与安全性。

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[5] 焦河.3D重建技术在脑动脉瘤诊疗中的应用探讨[J].实用医学杂志,2007,23(20):3183-3185.

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(责任编辑：尹晓琦)

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

江苏省高等学校大学生实践创新训练计划项目(12022)；淮安市科技支撑计划(工业)项目(HAG2012016)；

程学进(1977-)，男，安徽怀宁人，讲师，硕士，主要从事医用植入体生物力学和可靠性分析研究；*为通讯作者。

TH16；R683.42

B

1009-7961(2015)01-0009-03

江苏省介入医疗器械研究重点实验室开放基金重点项目(JR1401)；江苏省高等学校大学生实践创新训练

计划重点项目(201411049014z)