曲面定位型髋臼后柱置钉瞄准器的通道规划及调控

李杰，李必文（通信作者），周意漾，谭文甫，胡良斌，周先阳

1 南华大学机械工程学院 （湖南衡阳 421001）；2 南华大学附属第二医院 （湖南衡阳421001）

依托于3D打印技术设计、制造曲面定位型置钉瞄准器，保证定位精度及精度稳定性，借助于CAD技术规划置钉通道，满足其科学性、精确性和高效性的需求，避免髋臼后柱螺钉内固定术事故，提升手术响应速度，加速瞄准器的临床推广及应用[1-2]。本研究提出以髂结节标志点、臀后线上的角点及进钉点三点表面轮廓定位曲面，以髋骨后柱最大内接圆柱体的同轴圆柱体为安全范围，调控设计出置钉参数的方法，解决术中瞄准器的定位精度问题，避免瞄准器置钉通道与髂骨翼发生干涉现象，使瞄准器具有良好的结构及结构工艺性。

1 髋臼后柱置钉瞄准器的结构与定位方式

1.1 瞄准器的结构

图1为髋臼后柱置钉瞄准器使用状态图。瞄准器为固定结构，包括本体及带肩金属钻套。

以PLA材料基于3D打印制作的本体呈三角形框架结构，包括两个主定位脚、一个辅定位脚、一面边角镂空的主支撑墙和两面拱形结构的辅助支撑墙；主支撑墙两端设有凸台，内孔与钻套的导套外圆形成过渡配合（形成很小的间隙量或过盈量），以较长的结合面保证了导向精度，而过渡配合既保证了装配精度又保证了钻套装卸的方便性；两面辅助支撑墙均为拱形结构，保证了刚性及在术中避空肌肉组织；定位脚下端均制有与髋骨特定部位表面轮廓贴附吻合良好的定位曲面。以20 CrMnTi或T10A制作的金属钻套经过渗碳淬火热处理及精加工，钻套内径与接骨螺钉的螺纹底孔尺寸匹配、导套部位外径与主支撑墙形成H8/js7或H8/k7的配合，钻套可重复使用。从结构工艺性出发，主支撑墙边角镂空是为了在保证刚性的前提下减少FDM-3D打印的时间，设置3D打印模型摆放方式时以瞄准器上表面定位保证定位脚定位曲面的制造精度。

图1 髋臼后柱置钉瞄准器使用状态

1.2 瞄准器的定位方式

将两个主定位脚的定位曲面设计在髂结节标志点、臀后线上角点的表面区域，将辅定位脚的定位曲面设计在进钉点附近（图1）。从定位原理的角度分析，以这3个曲面来定位属于过定位，但通过在Mimics软件中进行布尔运算生成骨面的反向曲面、控制好建模数据处理精度及FDM-3D打印参数，就能有效保证瞄准器定位曲面的设计与制造精度，使之与目标髋骨相应表面轮廓贴附吻合良好[3]，本研究通过复写纸着色实验验证了效果。需要特别说明的是，定位好的瞄准器在使用时是靠人工向下施加按压力以达到夹紧目的，为避免钻削产生的振动导致瞄准器产生滑移，保证术中定位精度的稳定性，两个主定位脚的定位曲面在髂结节标志点、臀后线上角点的表面区域均设计有一定的高度差。尽管这样的设计对3D打印的层高工艺参数要求较高，会在一定程度上影响3D打印效率，但从使用的角度而言是十分必要的，钻削实验表明本研究瞄准器的定位精度稳定性远远高于顶尖式[4]、小落差曲面式瞄准器。

2 髋臼后柱置钉通道的规划及调控

2.1 后柱置钉通道安全范围的确定

在做出髋骨后柱最大内接圆柱体的基础上，考虑皮质骨厚度及瞄准器的钻孔偏距，进一步做出该圆柱体的同轴圆柱体，将其作为后柱置钉通道的安全范围，保证在通道的整个长度范围内置钉不破壁。操作步骤如下：（1）调取患者诊断前的螺旋CT检查数据，选择手术区域目标髋骨的数据，保存为DICOM文件格式；（2）在医学影像软件Mimics中依次使用区域增长（Region Growing）、分割（Segmentation）及复位（Reposition）功能重建出髋骨的完整3D 模型[5]，再使用蒙板编辑功能（Edit Mask In 3D）沿髂耻线平行方向，并通过髋臼窝中心去除前柱后，得到只含后柱区域的髋骨3D模型（图2a）；（3）通过拟合中心线（Fit Centre Line）功能得到髋骨后柱区域3D模型的中心点点集[6]（图2b）；（4）在逆向工程软件Imageware中根据置钉需要选取并合并后柱区域的中心点点集，再应用直线拟合功能创建出最小二乘直线，确定目标髋骨后柱最大内接圆柱体的轴线方向（图2c）；（5）以过髋臼窝中心点且与最小二乘直线垂直的截面为起始面，向直线段两端各做出5个等距正截面，将这11个截面的外轮廓线沿最小二乘直线方向投影在靠近坐骨的最外侧正截面上（图2d）；（6）11个外轮廓线投影叠加后形成封闭区间，分别做出最小区域圆和最小二乘圆，比较两个圆心分别做出封闭区域的最大内接圆的直径，以数值大的作为髋骨后柱最大内接圆柱体的直径，以该圆柱体的轴线确定置钉通道位置参数；（7）以皮质骨厚度的统计值+瞄准器设计、制造、使用引起的钻孔偏距（一般取0.3～0.5 mm）为半径偏移量，向内做出该最大内接圆柱体的同轴圆柱体，以此作为后柱置钉通道的安全范围（图2e）。

图2 确定后柱置钉通道安全范围的操作步骤

2.2 后柱置钉通道的调控

2.2.1 后柱安全置钉通道与髂骨翼的干涉现象

曲面定位型髋臼后柱置钉瞄准器的置钉通道应与其结构形成良好的匹配关系。我们发现，在规划曲面定位型髋臼前柱置钉瞄准器的置钉通道时，按与后柱置钉通道安全范围的确定类似的操作步骤得到前柱最大内接圆柱体的同轴圆柱体后，圆柱体的轴线与髂骨翼表面有较大的夹角，进一步将直径向下圆整至医药行业标准YY0018-2002所规定的金属接骨螺钉的外螺纹直径尺寸，即可定出安全置钉通道的方向、直径及位置参数，根据接骨螺钉的外螺纹底孔直径，可得到瞄准器金属钻套的内径按此方法规划曲面定位型髋臼后柱置钉瞄准器的置钉通道时，发现安全置钉通道与髂骨翼发生了干涉现象（图3），即使改用直径较小的接骨螺钉，干涉现象也无法消除。由于瞄准器主支撑墙内镶有具有带肩的金属钻套，在镶套及使用时主支撑墙的强度、尺寸应得到保障，因此干涉现象导致无法设计瞄准器结构尺寸，特别是主支撑墙结构尺寸。

鉴于髋臼后柱远较前柱粗大，其安全置钉通道的直径也大得多，因此考虑在安全置钉通道范围内对置钉通道进行调控，包括方向、直径、位置的调控。

图3 安全置钉通道与髂骨翼的干涉现象

2.2.2 后柱置钉通道的调控方法

可用两种方法在安全置钉通道范围内调控出最终的置钉通道。

第一种是直接作图法：大致找出安全置钉通道圆柱体上距髂骨翼表面最远的母线，以该母线与髋骨表面轮廓的交点为圆心，在大致与髂骨翼表面垂直的平面内旋转该母线，以小于安全置钉通道直径的金属接骨螺钉外径作为偏距值做出旋转后母线的平行线；只要两平行线处于安全置钉通道范围，并且角度旋转调控后满足主支撑墙的强度及尺寸的设计需要，则可认为调控成功。采用这种方法的主要优点是直观、方便、快捷，但不够严谨和精确。

第二种是解析法+作图法，步骤如下：（1）采用解析法建立满足最小条件的髂骨翼表面的外包容平面（该平面与内包容平面在包容髂骨翼表面时，具有最小宽度），过安全置钉通道圆柱体轴线构建外包容平面的垂直平面，精确地截出安全置钉通道圆柱体上距髂骨翼表面最远的母线（图4）；（2）在上述包含了轴线及最远母线的垂直平面内，设轴线与髋骨表面轮廓的交点为A1和A2、最远母线与髋骨表面轮廓在入口处的交点为B、安全置钉通道圆柱体被截出的两条母线为BC和EF，BE及过A2点的CF均垂直于这两条母线，再做出所形成矩形的外接圆（图5）；（3）以B点为圆心、以小于安全置钉通道直径的金属接骨螺钉外径d1为半径作圆，与矩形外接圆交于G、H两点，连接F、G，由于三角形FGB是以直径FB做边的内接三角形，故FG垂直于BG，FG是半径d1圆的切线，亦为该规格接骨螺钉外径条件下调控出的置钉通道的母线，据此做出内径为d1的置钉通道的轴线（图5）；（4）以螺纹d1的底孔直径d2沿置钉通道轴线建立钻削通道，延伸后作为钻套内径，考察调控效果是否满足瞄准器结构设计及螺纹底孔钻削的现实需要，如果不能，则选择再小一号的接骨螺钉进行调控，如此反复，直至夹角和间隙的增大量满足设计和操作需要。

图4 截出后柱安全置钉通道最远母线

图5 作图法调控最终置钉通道

3 定位及调控效果的实验验证

为验证髋臼后柱置钉瞄准器的曲面定位效果，我们用两台桌面级三角洲式FDM-3D打印机，分别制作了同一髋骨的PLA、ABS模型，用PLA材料制作了曲面定位型髋臼后柱置钉瞄准器。图6所示的复写纸着色实验表明，瞄准器3个定位曲面同时与目标髋骨相应表面轮廓达到了贴附吻合良好的效果，从而验证了3D打印技术对于设计制造曲面定位型置钉瞄准器的适应性。

图6 复写纸着色实验

为验证后柱置钉通道的调控效果及三曲面定位的精度稳定性，我们在图1所示虚拟置钉的基础上，进行了钻削实操实验。为简化实验，用于实验的瞄准器主支撑墙内并未镶嵌金属钻套，而是直接按钻套内径3D打印出导向通道。无论是在PLA还是在ABS材料的髋骨模型上，在对瞄准器施以约5 kg的向下压紧力时，钻削出后柱接骨螺钉的螺纹底孔。实验中，电钻的振动并未引起3个定位曲面相对骨面的滑移，亦未产生钻头的引偏现象，钻出的螺纹底孔位置、尺寸精确及表面质量良好（图7），验证了后柱置钉通道调控的有效性及曲面定位的精度稳定性优势。

图7 钻削实验效果

4 结论

3D打印技术的曲面定位型髋臼后柱置钉瞄准器适应了髋臼骨折内固定术精准医疗的发展趋势，其定位表面区域易于辨识和寻找，定位方式具有精度及精度稳定性的比较优势。本研究提出的后柱置钉通道调控方法具有精确、高效的特点，满足了瞄准器结构设计及螺纹底孔钻削的现实需要，为提高瞄准器的导航精度、最大限度地改善或恢复髋臼的生物力学功能提供了依据。