3D打印骨水泥植入物塑型器的设计

阿依古丽·喀斯木，乌日开西·艾依提，亚穆罕默德·阿力克，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，新疆乌鲁木齐830054）

3D打印技术以能制作任意形状的零件、不需要工具模具等优势，不仅解决了制造业中传统加工方法难以解决的复杂形状零件加工受限制等问题[1]，而且以可实现定制化制造等特点，给骨科治疗提供了为患者“量身定做”的手术方案和辅助治疗器具，提高了手术的准确率[2-3]。近年来，3D打印技术在骨科治疗中的应用非常广泛[4-5]，主要有：术前模拟模型、手术规划、骨科临床教学展示、3D打印假肢和支具、骨缺损替代物塑型模具、手术导板等辅助手术器械的制作、3D打印人工骨支架的制作等[6-7]。

本文以因骨肿瘤切除而导致肱骨头缺损的患者为例，分析了骨缺损替代物的设计方法、制备方式对替代物模型的精度、手术效率及安全性等方面的影响。

1 骨缺损模型的重构

1.1 治疗方案

骨肿瘤、骨髓炎、创伤等疾病常会导致骨缺损，对于较小的骨缺损，有可能自行愈合，但骨缺损过大或是在较小的骨头上的骨缺损，则很难完全愈合。目前对于骨缺损的修复治疗有骨移植、人工骨应用、培养组织工程骨、骨搬运技术、抗生素骨水泥填充等多种方法[8-10]。在传统治疗方法中，临床上通常利用骨水泥替代物来填补缺损部位，以便患者进行早期锻炼及能够恢复一定范围的日常生活需求。

图1是针对骨缺损替换手术的临床常用治疗方案示意图，制备了一个混有抗生素的骨水泥以替代被切除的有骨缺损的肱骨头。在骨水泥替代物中预置2根斯氏针，并将斯氏针的一端插入肱骨髓腔内，用于限定骨水泥替代物的基本位置；再通过锁定解剖型接骨板系统，将骨水泥替代物与肱骨连接起来。

图1 治疗方案示意图

1.2 骨水泥植入物的制备方法

1.2.1 手工制备

传统方法是医生根据临床经验，手工捏制骨水泥模型，所制备的骨水泥替代物形状精度低，且效率较低。关节部位的骨替代物对形状精度要求较高，因此若术中发现模型大小、形状异常，则需通过二次调整，与周围组织进行匹配。然而，依靠医生肉眼观察骨缺损部位的形状和大小来制备外形结构与缺损部位外形结构接近的骨水泥模型，不仅会延长手术时间，而且可能会造成患者的二次创伤。

图2是一例年龄40岁、因骨肿瘤切除引起肱骨头缺损的男性患者的术后两周复查的X光片，以手工捏造方式制备患侧的肱骨头模型，替换放置骨缺损部位。可见，该模型与实际的肱骨头模型形状相差较大，精度不高。本文将术后的X光片数据导入Mimics软件，并在肱骨头截面处创建了图2a所示的相互距离为6 mm的6条参考线，测量其对应的截面宽度，结果见图2b。

1.2.2 基于3D打印塑型器的制备

（1）骨缺损部位的重建

因骨肿瘤、肱骨头组织被破坏等原因，无法直接重建患侧肱骨头的三维模型，因此，需以人体的相似性、对称性、连续性等特点，根据健侧肱骨的三维数据，通过镜像的方式获取患侧的三维模型数据。如图3所示，通过CT扫描的方式获取患者的数据，本文利用64排螺旋CT扫描患者的病变部位，层厚为1.25 mm，并将获取的DICOM数据导入Mimics19.0软件，将健侧、患侧肱骨组织从其他组织分割出来，并对其进行三维重建。

图2 患者术后X光片测量

图3 患者的CT图像数据

利用患者的健侧肱骨头三维模型，以矢状面作为镜像截面进行镜像，创建患侧骨缺损部位的三维模型（图4）。将病变部位的三维重建数据（虚拟镜像后的肱骨头数据）与肱骨对齐，确定解剖点，再利用截骨平面设计骨水泥植入物的数字模型。

图4 患侧肱骨的虚拟镜像还原

（2）塑型器的设计与制备

将虚拟镜像后的患侧肱骨头的数字模型以STL格式保存并导入3-matic软件中，进行表面光滑处理，减少三角面片数量，以降低塑型器内腔的粗糙度。以截骨面为草图平面，创建大小、高度合适的圆柱体，通过布尔运算将骨水泥植入物的三维模型从该圆柱体中求差，形成骨水泥塑型模具的内腔模型（图5a）。为了让骨水泥植入物整体形状在取出时不受破坏，利用剖分方法将模具分成3个模块，且为了避免合并3个模块时出现错误，在模块上设计了对齐标记（图5b）。为了保证在塑型骨水泥模型时便于材料的均布以及达到良好的固定效果，利用锁紧箍用于填充骨水泥后的定型固定（图5c）。

图5 骨水泥塑型器模型的三维设计

为了便于后期的测量分析，本文对塑型器模型进行了改造。在距肱骨头顶部6 mm处创建截骨平面，以此面为基础对肱骨头模型进行修剪，作为实物测量的参考平面，然后将塑型器的三维CAD模型以STL格式保存，并导入3D打印软件中进行打印制作。如图6所示，本文用PLA材料打印出了塑型器的模型，并将骨水泥粉末装入该塑型器内进行固化，再用锁紧箍锁定，等模型完全固化后取出。

图6 骨水泥塑型模具以及制备的实物模型

（3）骨水泥肱骨头模型的截面测量

利用三坐标测量仪对骨水泥实物模型进行测量，将模型分为相距为6 mm的5个截面，测量截面与图2所示的术后X光片上的截面一致。测量结果显示，对应的截面测量数值分别为35.52、46.61、48.36、48.26、48.18 mm。

2 手工骨水泥与塑型骨水泥的对比

如图7所示，对重构的肱骨三维模型进行形状测量，测量的位置、投影方向均与图2所示的截面相同。将测量数据与图2所示的数据，以及图6c所示的塑型后的骨水泥测量数据进行对比，分析骨水泥替代物的制备方式对其形状及精度的影响。

图7 还原后的患侧肱骨头数据测量

由表1可看出，利用手工制备的骨水泥模型与患侧还原后的肱骨头尺寸偏差较大，而基于3D打印塑型器制备的定制化模型与患侧还原后的肱骨头尺寸相差仅在1～2 mm范围内。测量结果显示，利用经过定制化设计与制备的3D打印塑型器制作骨水泥模型，其测量数据与重构的三维模型的误差小于1.96%，而手工制作的骨水泥与重构的三维模型的误差为24.7%。说明采用3D打印制作定制化骨水泥塑型模具，不但能提高骨水泥模型与患侧部位形状的相似程度，而且能实现模型制备的快速性，有效避免在术中多次调整植入物大小和位置而导致的患者二次创伤，提高手术的安全性。

表1 不同方法制备的骨水泥模型尺寸与CT图像尺寸对比

表2是为一名女性肱骨头缺损患者设计并在临床上应用之后，该患者肩关节功能的恢复情况评分表。各项测试结果显示，该患者的恢复速度快，恢复情况良好。图8是3D打印制作的骨水泥替代物塑型器在手术中的应用过程。

表2 Constant-Murley肩关节功能评分（满分为100分）

图8 定制化骨水泥塑型模具在术中的应用

3 结束语

3D打印技术有利于实现骨缺损部位替代模型的定制化、精确化制作。利用基于正、逆混合建模技术可设计骨替代物塑型器的模型，并通过3D打印技术制备出骨水泥替代物模型。骨水泥植入物的形状与患侧肱骨头的形状相似度高，与接骨面的匹配性好。该方法减少了手术时间，降低了术中塑型的难度和患者二次创伤的可能性。

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