術前計算機設計三維打印制備舟骨螺釘導向模板置釘精確度的實驗研究

郭陽 田光磊 田文 李忠哲 孫麗穎 鐘文耀

. 臨床研究與實踐 Clinical research and practice .

術前計算機設計三維打印制備舟骨螺釘導向模板置釘精確度的實驗研究

郭陽 田光磊 田文 李忠哲 孫麗穎 鐘文耀

目的探討術前計算機輔助設計結合三維打印技術，制備個體化舟骨螺釘導向模板的可行性，并評估其輔助置釘的精確度。方法 選取 8 例成人腕關節的標本，將其 CT 掃描數據導入 VxWork 軟件，對舟骨進行三維重建，選取合適釘道，建立與腕關節周圍皮膚相貼合的模具，并利用三維打印技術將其打印為導向模板。將此打印模板安置于尸體標本腕關節周圍，經打印出的預置孔道打入螺釘導針。術后行 CT 掃描，對比術前術后的 CT 圖像，對比導針的位置及打入深度的精確程度。結果 螺釘導針位置精確度：6 例偏差＜1 mm，2 例偏差＜2 mm。導針打入深度：6 例偏差＜1 mm，2 例偏差＜2 mm。所有操作均為一次成功，且導針均在舟骨內，導針位置符合臨床要求。結論 本研究結果表明，基于 CT 圖像，使用軟件能夠精確建立舟骨螺釘打入通道，三維打印出的個體化導航模板，輔助置釘準確性高、操作簡單，為舟骨骨折螺釘的精確置入提供了一種可供選擇的新方法。

舟骨；骨折；外科手術，計算機輔助；打印，三維；骨折固定術，內；腕關節

對于骨折無移位或微小移位的舟骨骨折進行經皮螺釘固定近年來有逐步替代保守治療的趨勢。經皮螺釘固定舟骨屬于微創操作，舟骨是個短小骨，外形比較復雜，傳統的徒手置釘法有一定的技術難度，特別是在對螺釘的位置有一定的要求的情況下，會延長手術時間與增加術中放射線曝光量。在計算機輔助下置入螺釘最近成為新的研究熱點，近年來許多學者報告利用此類技術可以縮短術中曝光時間，提高手術的精確度[1-3]。三維打印技術在臨床不同學科逐漸得到應用推廣的情況下[4]，筆者在計算機圖像重建與手術計劃軟件中，導入舟骨的 CT流量數據，在軟件中設計與腕關節匹配的模塊，在模塊中計算出舟骨螺釘導針的通道，將此模塊及通道以三維打印技術制作為導向模板輔助螺釘導針置入，本研究擬在尸體標本上驗證其準確性。

材料與方法

選用 8 具成人新鮮尸體腕關節標本，性別及民族不詳。對這些腕關節進行螺旋 CT 掃描 ( 64 排，日本東芝公司，Aquilion Tsx-101A )，掃描范圍：以月骨為中心，包括腕骨、腕關節及前臂遠端 1 / 3；條件：電壓 120 kv，電流 100 mA，掃描層厚 0.5 mm，螺距 0.938，矩陣 512 512，濾過參數為 30 ( 骨算法 )，重建層厚 0.5 mm，層距 0.5 mm。使用 VxWork軟件 ( 北京卓遠科技 ) 處理 DICOM 格式數據，排除腕關節疾病后，按以下流程處理：( 1 ) 將腕關節整體 ( 包括皮膚軟組織 ) 進行容積重建 ( 圖1 )，閾值：-100。( 2 ) 在腕關節周圍建立一個實心立方體，將腕關節完全包圍，與皮膚軟組織完全嵌合成形( 圖2 )。( 3 ) 對腕關節骨與關節重新建行表面重建，閾值：98。在舟骨內根據居中的原則，選擇合適的位置[5-6]建立螺釘導針三維影像，即直徑為 1.1 mm的圓柱體 ( 圖3 )。在此圓柱體穿出立方體部分的周圍建立套管 ( 圖4 )，外徑為 3.5 mm，測量螺釘導針自套筒末端至舟骨最近端皮質部分的導針長度并記錄。( 4 ) 運用減集運算，將腕關節整體及導針移除，即形成陰模 ( 圖5 )。( 5 ) 將設計好的模型以 WRL 格式傳輸至桌面三維打印機 ( 美國 Stratasys 公司 )，使用醫用可降解聚乳酸為材料將陰模分為掌背側兩部分打印。個體化舟骨螺釘導針模板即制作完成。( 6 ) 將腕關節標本置于操作臺上，將掌背側導針模板與解凍的腕關節標本扣好 ( 圖6 )，用膠帶固定。用電鉆將 1.1 mm 導針沿掌側套筒打入，深度為之前測量的導針長度。置針結束后，再次對所有標本行 CT檢查，重合術前術后舟骨 CT 影像，在軟件上測量并記錄導針位置術前術后的最大距離差 ( 圖7 )。另外在軟件中操作，使腕關節骨質透明度增加，在軟件上測量導針尖端與舟骨最近端皮質的 ( 圖8 )，即為導針實際打入深度與術前設計的距離差。

圖1 腕關節整體 ( 包括皮膚軟組織 ) 進行容積重建圖2 在腕關節周圍建立一個實心立方體，與皮膚軟組織完全嵌合成形Fig.1 Skin and soft tissue of the wrist joint was reconstructedFig.2 A cube surface model was created to surround the wrist joint

圖3 在舟骨表面重建的影像上，建立螺釘導針三維影像圖4 在立方體的掌側部分套管Fig.3 A guide wire simulation was created and was place in the ideal position in the scaphoid surface modelFig.4 A jig around the guide wire was created in palmar part of the cube

圖5 運用減集運算將腕關節整體及導針移除，形成陰模圖6 在標本上操作，從掌側通道打入導針Fig.5 Surgical template with guide was obtained by Boolean subtractionFig.6 A guide wire was inserted into the cadaver scaphoid from palmar approach

結 果

CT 檢查確認 8 具尸體標本的舟骨均符合研究要求，腕關節未發現骨性或軟組織病變，分別對其行計算機重建及三維打印成型，制作個體化置釘導航模板，并于其輔助下順利置入舟骨螺釘導針共 8 枚。實際操作中發現導航模板與腕關節皮膚的嵌合度較好，組合后具有較強的穩定性。用膠布固定后，打入導針時導航模板均未發生明顯松動或移位。螺釘導針位置精確度：6 例偏差＜1 mm，2 例偏差＜2 mm。導針打入深度：6 例偏差＜1 mm，2 例偏差＜2 mm。所有導針均為一次打入，均未穿出舟骨。

圖7 重合術前術后 CT 圖像，測量實際導針與虛擬導針位置差圖8 在軟件中操作增加腕關節骨質透明度，測量導針尖端與舟骨最近端皮質的距離Fig.7 Linear and angular deviation were measured after overlapping pre-operative and post-operative CT images of the scaphoidFig.8 The distance between the tip of the guide wire and the insertion point on the scaphoid surface was measured after increasing the transparency of the scaphoid

討 論

對于無移位或移位＜1 mm 的新鮮舟骨骨折以及陳舊骨折不愈合以空心螺釘進行固定可以縮短制動時間，縮短骨折愈合時間，提高骨愈合率。影響內固定強度的因素有：舟骨骨質情況，骨折面自身形態，骨折是否解剖復位，內固定物的選擇以及手術的操作技術，例如放置螺釘是否在舟骨內居中，螺釘與骨折線是否垂直，螺釘是否足夠長等。舟骨的骨質情況以及骨折面情況醫生無法控制，只能提高手術中的操作技術，因此，這也一直是近年來手外科的一個熱點話題。不少學者認為將螺釘在舟骨內居中放置可以縮短骨折愈合時間，將螺釘的居中作為最重要的操作，甚至不惜切除部分大多角骨[7-8]。也有些學者認為，舟骨螺釘的中置化并不是必需的，螺釘與骨折線垂直更有意義[9-10]。對此尚有爭議。筆者之前的生物力學研究結果提示，螺釘的居中性對于固定的牢固程度最為重要，且這個居中性一定要根據骨折線的位置來確定[11]。因此筆者在術前的計劃中，計算出居中導針的位置。但在臨床操作中，手術醫生想將螺釘置入這個位置并非易事。傳統經皮螺釘固定手術需要依靠術中 X 線反復透視來獲得滿意的手術效果。這無形中增加了手術時間和手術者以及患者的 X 線暴露時間。有時，盡管 X 線反復透視，螺釘仍然偏離正確的位置，術者只能反復變換導針在舟骨內的位置。這樣的操作無疑會降低舟骨內的骨量，從而影響固定的牢固性。傳統手術的另外一個缺點是舟骨螺釘的長度不好估計，盡管有專門設計的測量舟骨螺釘長度的器械，但由于操作以及舟骨結節部位軟組織阻擋等問題使得測量的準確性受到影響。

計算機術前輔助手術最初應用于神經外科，它將計算機圖像處理與臨床手術結合起來，通過在術前提供患者骨骼的圖像與手術工具的空間位置，協助手術醫師準確完成手術?，F已廣泛應用于骨科，特別是脊柱、髖關節、膝關節外科等[12-13]，近年來在治療舟骨骨折方面的應用逐漸增多。Murase[14]較早的報告了術前利用舟骨三維 CT 重建圖像指導術中手術，但實際上操作難度也比較大。筆者以前報告過運用計算機術前計算輔助術中置入舟骨螺釘。但用于在術中徒手操作的程度比較高，也會有一定的操作誤差。對于新鮮移位不大的骨折，有些學者利用術中導航設備對舟骨螺釘的放置進行計算[1-2,15]，在術中指導手術，和傳統的在 C 型臂指導下的手術相比，可以縮短術中 X 線暴露時間，提高手術的精確度，這些研究多在尸體標本上進行，臨床應用沒有廣泛開展。同時，由于舟骨體積較小，術中操作、腕關節及示蹤器的微動會造成一定誤差[16]，另外，成本比較高也影響了其技術的廣泛應用。

筆者研發的這種新型個體化置釘導向模板，技術路線可概括為三步：( 1 ) 基于 CT 圖像，使用VxWork 軟件重建舟骨，精確測量并計算舟骨的解剖學參數，計算出舟骨的中央區，將導針放置入中央區，建立包圍腕關節的陰模，在陰模中建立虛擬針道；( 2 ) 將 WRL 格式數據文件直接輸出至三維打印機，進行三維成型出導針導向板；( 3 ) 將導向模板與腕關節組配，在直視下使用手術器械進行置針操作。經過再次 CT 掃描證實了置針的精度相當高。

本研究所提出的方法也存在以下缺陷：( 1 ) 在導針模板的設計過程中，需要設計者具備較高的軟件操作水平和腕關節專業知識，需要掌握該技術的學習曲線較長；( 2 ) 三維打印需要時間較長，以目前使用的打印設備和材料，打印過程要 20 h 左右，如果需要再作 CT 檢查，以及術前的環氧乙烷滅菌則需要 24 h，整個設計和成型過程至少需要3 天；( 3 ) 目前打印材料的成本較低，但三維打印機及設計所用的軟件成本較高；( 4 ) 導向模板成品上的置針通道無法改動，一旦在整個的設計和制作過程導致誤差出現，難以修正或更改，只能改為傳統的手術。

[1] Smith EJ, Ellis RE, Pichora DR. Computer-assisted percutaneous scaphoid fixation: concepts and evolution[J]. J Wrist Surg, 2013, 2(4):299-305.

[2] Walsh E, Crisco JJ, Wolfe SW. Computer-assisted navigation of volar percutaneous scaphoid placement[J]. J Hand Surg Am, 2009, 34(9):1722-1728.

[3] Liverneaux P. Scaphoid percutaneous osteosynthesis by screw using computer assisted surgery:an experimental study[J]. Chir Main, 2005, (3-4):169-173.

[4] Anssari Moin D, Derksen W, Verweij JP, et al. A novel approach for computer-assisted template-guided autotransplantation of teeth with custom 3D designed / printed surgical tooling. An ex vivo proof of concept[J]. Oral Maxillofac Surg, 2016, 74(5):895-902.

[5] 郭陽, 田光磊, 姜保國, 等. 舟骨螺旋 CT 影像中央區的確立與舟骨螺釘位置的選擇[J]. 北京大學學報醫學版, 2011, 43(5):686-689.

[6] 郭陽, 田光磊, 姜保國, 等. 舟骨骨折的螺釘居中固定: 生物力學試驗[J]. 北京大學學報醫學版, 2013, 45(5):684-687.

[7] Merrell G, Slade J. Technique for percutaneous fixation of displaced and nondisplaced acute scaphoid fractures and selectnonunions[J]. J Hand Surg Am, 2008, 33(6):966-973.

[8] Geurts G, van Riet R, Meermans G, et al. Incidence of scaphotrapezial arthritis following volar percutaneous fixation of nondisplaced scaphoid waist fractures using a transtrapezial approach[J]. J Hand Surg Am, 2011, 36(11):1753-1758.

[9] Luria S, Hoch S, Liebergall M, et al. Optimal fixation of acute scaphoid fractures: finite element analysis[J]. J Hand Surg, 2010, 35(8):1246-1250.

[10] Shai Luria, Lenart L, Lenart B, et al. Optimal fixation of oblique scaphoid fractures: a cadaver model[J]. J Hand Surg, 2012, 37(7):1400-1404.

[11] Guo Y, Tian GL. Establishing a central zone in scaphoid surgery: a computational approach[J]. Int Orthop, 2014, 38(1): 95-99.

[12] La Marca F, Zubay G, Morrison T, et al. Cadaveric study for placement of occipital condyle screws: technique and effects on urrounding anatomicstructures[J]. J Neurosurg Spine, 2008, 9(4):347-353.

[13] Le TV, Vivas AC, Baaj AA, et al. Optimal trajectory for the occipital condyle screw[J]. J Spinal Disord Tech, 2014, 27(2): 93-97.

[14] Murase T, Moritomo H, Goto A, et al. Does three-dimensional computer simulation improve results of scaphoid nonunion surgery[J]? Clin Orthop Relat Res, 2005, (434):143-150.

[15] Kam CC, Greenberg JA. Computer-assisted navigation for dorsal percutaneous scaphoid screw placement: a cadaveric study[J]. J Hand Surg Am, 2014, 39(4):613-620.

[16] Citak M, Knobloch K. Computer-assisted navigation of volar percutaneous scaphoid placement[J]. J Hand Surg Am, 2010, 35(3):511.

( 本文編輯：李貴存 )

A cadaveric study on the accuracy of an individualized guiding template to assist placement of scaphoid screws using computer-assisted design and three-dimensional printing technique

GUO Yang, TIAN Guang-lei, TIAN Wen, LI Zhong-zhe, SUN Li-ying, ZHONG Wen-yao. Department of Hand Surgery, Beijing Jishuitan Hospital, Beijing, 100035, China

Objective To investigate the feasibility of establishing an individualized guide template for scaphoid screw insertion using computer-assisted design and three dimensional ( 3D ) printing technique, and to evaluate the accuracy and safety of this technique. Methods Eight adult wrist specimens were scanned by computed tomography ( CT ) scanner. All CT volume data of 8 wrists were imported into the VxWork software and surface scaphoid models were reconstructed. We selected a proper tunnel of optimal screw guide wire position and then created a template matching to the wrist. A screw guiding template was created by 3D printing technique. Postoperative CT scans were obtained to evaluate the accuracy of screw position and insertion depth. Results A grading scheme was used to assess the drilling accuracy: Grade 1 ＜ 1 mm deviation, Grade 2 ＜ 2 mm deviation. Scaphoid drilling was conformed to be completely accurate ( Grade 1 ) in 6 specimens, highly accurate ( Grade 2 ) in 2 specimens. No specimen required a repeated drilling of the scaphoid. All the screws were in the scaphoid, whose positions met the clinical requirements. Conclusions This study has shown that a proper tunnel for scaphoid screw insertion can be created bases on CT scanning. Scahpoid screw insertion guided by a 3D printing template has been proved to be accurate and easy to operate and this technique could be a new alternative to conventional technique.

Scaphoid bone; Fractures, bone; Surgery, computer-assisted; Printing, three-dimensional; Fracture fixation, internal; Carpal joints

10.3969/j.issn.2095-252X.2017.04.008

R683.4, R445

首都醫學發展科研專項基金 ( 2014-4-2073 )；北京市衛生系統高層次衛生技術人才培養計劃任務書( 2015-3-035 )

100035 北京積水潭醫院手外科

2017-01-18 )