三维重建技术塑形髋臼后柱钢板的效果观察

周坚锋，苏秀云，李建涛，李志锐，李辰，张浩，尹鹏，5，陈宇翔，唐佩福，张立海

(1中国人民解放军总医院，北京100853；2中国人民解放军第三○七医院；3天津医院；4中国人民解放军第二六四医院；5南开大学医学院)



三维重建技术塑形髋臼后柱钢板的效果观察

周坚锋1，苏秀云2，李建涛1，李志锐1，李辰3，张浩4，尹鹏1，5，陈宇翔1，唐佩福1，张立海1

(1中国人民解放军总医院，北京100853；2中国人民解放军第三○七医院；3天津医院；4中国人民解放军第二六四医院；5南开大学医学院)

摘要：目的观察髋臼后柱钢板的三维重建技术的效果，为术前规划以及有限元模拟生物力学分析奠定基础。方法 用计算机在Mimics软件中重建骨盆三维模型，导出STL格式后选取髋臼后柱置放钢板部位的不规则曲面，将不规则曲面的三角面片格式转换为NURBS曲面，在UG软件中求出不规则曲面纵轴线，建立重建钢板的草图截面，沿轴线扫掠出钢板形状，进行细节修饰及螺钉装配。结果重建的髋臼后柱钢板形态基本与骨表面贴附，钢板位置以及螺钉位置符合手术置入的标准，3D打印出的重建钢板模型与髋臼匹配程度良好。结论 三维建模方式可根据骨折内固定要求术前对后柱钢板预弯塑形，重建的髋臼后柱钢板模型解剖形态良好。

关键词：髋臼后柱钢板；三维重建；3D打印技术

临床上对于解剖形态复杂的骨折，如髋臼前后柱的骨折、锁骨骨折，往往因其表面不规则而难以在术中充分预弯钢板。如果医生能够掌握内固定的三维建模技术，以实现钢板的术前塑形设计，将有利于精准医疗的实现并降低手术难度，提高骨折固定强度[1~5]，对后期进行内固定有限元模拟生物力学分析也起至关重要的作用。2014年6月~2015年6月，我们结合逆向工程和正向工程的方法采用精确且易于掌握的内固定三维建模方案重建髋臼后柱钢板，效果良好。现报告如下。

1材料与方法

1.1材料与仪器模型骨为美国Pacific Research Laboratories生产的第四代人工合成Sawbones半骨盆骨模型(#3405-Hemi-Pelvis-Large-left)；64排多层螺旋CT(SOMATOM Sensation Open, Siemens AG, Erlangen, Germany),扫描条件：电压120 kV，电流300 mA，层厚1 mm；Mimics15.0软件 (Materialise,Leuven, Belgium), 3-matic7.0 (Materialise， Leuven, Belgium), Geomagic Studio2012, UG8.5。

1.2钢板重建将CT扫描的Sawbone半骨盆模型连续断层DICOM数据文件(共254层)导入计算机Mimics 15.0软件，经过阈值分割、区域增长、编辑蒙版等操作，重建出半骨盆三维模型。将重建出的3D模型导入3-matic7.0软件，选用Mark模块的Rectangular Mark功能选择髋臼后柱需要放置钢板区域的不规则曲面，选择后光滑边界，并提取出不规则曲面，导出其STL格式文件。将提取出的髋臼后柱不规则曲面的STL文件导入Geomagic Studio2012软件中，使用“多边形”模块的网格医生、删除钉状物、极度光顺和砂纸等功能进行三角网格修饰。之后选择“精确曲面”模块，点击“自动曲面化”功能，将编辑好的三角面转换为NURBS曲面，导出IGES格式文件。将转换为NURBS曲面的IGES格式文件导入UG软件，建立与其纵向相交的平面，求出相交曲线。在相交曲线顶点处，绘制重建钢板横截面草图。后沿相交曲线进行扫掠，得到重建钢板雏形。对钢板模型进行打孔和细节修饰，并适当调整位置，即可得到髋臼后柱重建钢板模型。后期可进行螺钉的装配置入。采用3D打印机(华森SRT400)打印重建钢板模型。见图1。

图1　髋臼后柱重建钢板模型

2结果

重建出的髋臼后柱钢板，钢板形态基本与骨表面贴附，钢板位置以及螺钉位置符合手术置入的标准。3D打印出的重建钢板模型与髋臼匹配程度良好。见图2。

注：a、b：髋臼后柱钢板的3D打印模型；c：髋臼后柱钢板与髋臼匹配良好。

图23D打印出的重建钢板模型与髋臼匹配程度

3讨论

目前国内针对具体的内固定建模方法的报道相对较少，且有关数字医学类文献针对内固定三维模型的重建多是通过CT扫描内固定器械，通过将DICOM数据导入Mimics软件进行三维重建[6~8]。Mimics的三维重建是基于体素级的三维重建，重建的精确性依赖于CT扫描数据原始图像的分辨率。但分割蒙版时个人习惯差异较大，往往造成重建的模型精度低、失真度较高，且CT扫描内固定器材成本高。国外也有结合三维重建软件[9]、3D打印[10~12]或者运用增强现实技术[13~15]实现术前规划或者钢板预弯处理的报道，但均没有涉及内固定模型重建的方法学描述。

本文所描述的建模方案，首先通过逆向工程技术提取髋臼后柱的不规则曲面，后转换成NURBS曲面。转换成的NURBS曲面无需进行太多的修饰和曲面片调整，只提供一个钢板的轴线。在UG工作环境下，建立和不规则曲面纵轴相交的平面。此时求出交线即为所建解剖钢板的扫掠引导线。如存在交线不平滑的情况，可选择“圆形圆角曲线”命令，进行曲线段平滑处理。后期细节的修饰可根据实际钢板的形态特征进行补充。此方法简单易行，并不需要专业的工科背景知识，且又能实现髋臼骨折手术中后柱钢板精确建模。方案中正向和逆向工程技术的联合应用为我们研究提供了便利。建立的内固定钢板模型可应用于临床和计算机辅助外科的各个方面：①通过UG的工程图板块导出二维工程图，参与工业设计。②导出的STL格式文件作为应用最为广泛的三角面片描述语言，可以起到3D打印桥梁的作用;打印出的内固定模型可作为骨科手术计划系统的一部分，指导临床医生术前规划，也可为术中的钢板预弯提供参考，促进精准医疗的实现。③可导出内固定的有限元前处理模型，进行后期有限元生物力学分析。在建模过程中，有以下几点值得注意：①建模过程中工作坐标系尽量不要更改，否则内固定和骨盆相对位置将发生改变。②在Geomagic Studio工作环境中，在使用“自动曲面化”命令前尽量调整三角面片的光顺程度。③使用“圆形圆角曲线”命令时，先对需要光顺的线段进行切割，之后使用该命令效果更好。④UG中“实例几何体”命令可实现线段和实体位置调整，合理使用可以准确置放钢板。⑤UG中“点集”命令可以使钢板表面均匀附着点集，配合“拟合曲线”命令做到模型孔的建立。

综上所述，此建模方式简单，容易掌握，重建的模型解剖形态良好，可满足术中钢板预弯的要求，为后期生物力学研究和模型制作奠定基础。

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(收稿日期：2015-10-24)

中图分类号：R683

文献标志码：B

文章编号：1002-266X(2016)09-0053-02

doi：10.3969/j.issn.1002-266X.2016.09.020

通信作者：张立海(E-mail:zhanglihai301@gmail.com)