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3D建模和3D打印可以改善THA診斷、分類和手術(shù)計(jì)劃

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在線電子演示系統(tǒng)（EPOS）是歐洲放射學(xué)會(huì)科學(xué)展覽的電子數(shù)據(jù)庫(kù)。一組研究人員在EPOS上發(fā)表了有關(guān)他們使用3D建模和3D打印工具診斷，分類和進(jìn)行外科手術(shù)計(jì)劃以修復(fù)假體周圍髖臼骨折的研究工作，髖臼假體是全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)（THA）的困難但常見(jiàn)的并發(fā)癥。研究人員寫道：“假肢周圍髖臼骨折與創(chuàng)傷事件和病理性下凸情況有關(guān)，這些情況降低了支撐骨的結(jié)構(gòu)完整性[1]，并常常與無(wú)菌性松動(dòng)，假體周圍骨溶解和嚴(yán)重的骨質(zhì)流失[2]相關(guān)?！?/span>

“僅基于標(biāo)準(zhǔn)射線照相的分析不適合可靠地檢測(cè)植入物的殘余穩(wěn)定性并測(cè)量骨折程度和骨盆骨丟失[3]?！?/span>

圖1：（a）骨盆前后骨

（b）右髖部X光片側(cè)視圖顯示髖臼周圍骨質(zhì)溶解的輕度跡象，沒(méi)有植入物松動(dòng)和髖臼骨折的跡象。

在定義骨折類型時(shí)，CT掃描是“黃金標(biāo)準(zhǔn)”，當(dāng)需要3D虛擬渲染以幫助進(jìn)行手術(shù)預(yù)計(jì)劃時(shí)，基于CT掃描的3D建模軟件使臨床醫(yī)生可以通過(guò)分割去除虛擬植入物，從而獲得“骨表面的三維重建”的精確圖像。其他分析工具包括測(cè)量剩余的骨量，評(píng)估植入物的穩(wěn)定性和表征骨折，并且3D圖像也可以用于3D打印解剖模型以進(jìn)行手術(shù)計(jì)劃和模擬。

研究人員說(shuō)，他們的論文將表明，使用3D建模軟件可以改善骨骼質(zhì)量和骨折形態(tài)評(píng)估，并揭示3D建模和3D打印對(duì)于THA周圍假體髖臼骨折的診斷過(guò)程以及使真人大小成為可能的實(shí)用性。術(shù)前植入物模板，仿真和尺寸確定的模型。

圖2：骨盆的CT掃描。（a）冠狀視圖顯示髖臼杯略向內(nèi)側(cè)突出；

（b）髖關(guān)節(jié)矢狀面顯示髖臼后壁骨折。骨折的三維重建是可見(jiàn)的（c），但是其擴(kuò)展被圖像偽影隱藏了。

他們以一名75歲的女性為例，該女性在家庭創(chuàng)傷事件發(fā)生后進(jìn)入急診室。該患者有右髖嚴(yán)重髖關(guān)節(jié)病的病史，在使用非骨水泥THA治療前已有十年治療。醫(yī)生對(duì)她的骨盆進(jìn)行了AP射線照相，對(duì)她的臀部進(jìn)行了盤腿掃描，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)髖臼或莖周圍骨折或松弛的跡象。但是，“通過(guò)MAR協(xié)議對(duì)骨盆進(jìn)行CT掃描”顯示，盡管髖臼杯未移位，但髖臼后壁確實(shí)有骨折。

使用Materialize Mimics軟件根據(jù)CT掃描數(shù)據(jù)創(chuàng)建骨盆的3D數(shù)字模型。通過(guò)分割，骨骼與周圍的軟組織和患者的假體有所區(qū)別。

圖3：使用3D建模軟件制作的三維圖像。（a，b）保留髖臼杯的整個(gè)骨盆。在分割過(guò)程中股骨和股骨干被去除。（c，d）骨質(zhì)量圖顯示了具有正常骨質(zhì)量的區(qū)域（綠色）和具有低骨質(zhì)量和厚度的區(qū)域（紅色）。

（e，f）骨缺損區(qū)域和骨折擴(kuò)展的測(cè)量。

“第一階段是閾值化，其中包括密度在Hounsfield Unit（HU）值的指定范圍內(nèi)的所有體素。為了排除金屬和陶瓷植入物，包括松質(zhì)骨和皮質(zhì)骨，我們使用了HU范圍為130至1750的面罩。最后的分割，去除了軟組織和偽影，是使用軟件的其他工具手動(dòng)執(zhí)行的（圖3a，b）。最終，從相應(yīng)的骨盆中以數(shù)字方式去除股骨和金屬植入物，并創(chuàng)建了孤立的目標(biāo)區(qū)域（ROI）的3D圖像。”根據(jù)各個(gè)區(qū)域的皮質(zhì)和整體骨厚度，將具有顏色梯度的骨質(zhì)量圖用于髖臼。隨后分析了骨折的面積，形狀和空間位置，以及“與對(duì)側(cè)髖臼相比，髖臼骨丟失和旋轉(zhuǎn)中心”。最后，在Form 3L系統(tǒng)上3D打印了患者整個(gè)骨盆的真人大小模型。

圖4：（a）整個(gè)骨盆的3D打印真人大小的塑料模型。（b，c）特別是內(nèi)壁和后柱骨折。

在分析了3D圖像和3D打印的模型之后，他們將后壁骨折重新分類為不完整的后柱和內(nèi)壁髖臼骨折。此外，發(fā)現(xiàn)骨折是“自發(fā)性的”，骨儲(chǔ)備損失少于50％。最后，骨骼質(zhì)量圖確定了整體骨丟失，顯示后壁和內(nèi)壁的質(zhì)量均較差。 3D打印模型還用于執(zhí)行操作前模板。“治療策略是根據(jù)Simon等人提出的算法選擇的。 [14，15，16]，這表明髖臼翻修手術(shù)可以橋接或分散骨折，而無(wú)需固定骨折?！毖芯咳藛T解釋說(shuō)。

圖5：（a）術(shù)后3個(gè)月骨盆的AP射線照相和（b，c）骨盆的CT掃描顯示出良好的植入物定位和完全的骨折愈合。

對(duì)骨盆和術(shù)后右髖部進(jìn)行的X射線照相顯示，植入物“定位良好且固定”。三個(gè)月后，對(duì)患者的骨盆進(jìn)行了CT掃描，結(jié)果顯示“小梁杯骨融合”并“形成了愈傷組織”，完成了骨折愈合。使用DICOM圖像構(gòu)建的3D數(shù)字模型證實(shí)了這一點(diǎn)。