数字化设计及3D打印技术精准治疗多发肋骨骨折的应用研究

发布时间：2020-05-29 05:54

【摘要】：背景随着社会建设和汽车工业的发展,胸部创伤的发生率逐渐升高,而肋骨骨折最为常见;伴有反常呼吸的多根多处肋骨骨折(连枷胸),是严重的胸部创伤,病死率高达16%~20%~([1])。临床上一般对于肋骨骨折移位不明显,对胸廓稳定无明显影响的,多数采取镇痛、胸廓外固定治疗(胸带包扎、胸部护板固定、牵引固定)、呼吸机支持等保守治疗。由于采用非手术的治疗周期长,患者要长期忍受疼痛,限制日常活动,容易导致患者发生并发症,且对患者的心理与生理均构成严重的影响~([2])。随着记忆合金、可吸收多聚左旋乳酸等新型内固定材料的出现,再到《injury》2016年版“肋骨骨折手术治疗指南”的发布,用手术内固定肋骨骨折来治疗多发性肋骨骨折的方法在国内外已广泛开展,并且日益倾向于操作简单化和微创化~([3])。然而,传统手术和胸腔镜辅助手术均存在以下几个缺点:较长的皮肤切口;多发肋骨或肌肉附着处骨折不可避免离断胸壁肌肉;皮下固定材料会导致局部异物感;特殊部位如脊柱旁横突关节、肩胛骨下的肋骨骨折暴露困难~([4])。《injury》2016年版“肋骨骨折手术治疗指南”共识声明指出:关于肋骨骨折的手术计划及定位,许多作者提倡三维重建,包括使用3D打印技术导航定位,代表对肋骨骨折外科治疗的新进展;然而,并没有相应的临床数据可以判断其对定位和手术切口的直接影响及手术操作影响。因此,本课题组成员长期从事胸外科临床工作,结合临床需要解决的关键问题,尝试利用数字医学技术及3D打印技术诊治多发肋骨骨折,并取得了精准化、个性化、微创化的预期临床效果。然而,使用数字化设计及3D打印技术诊治多发肋骨骨折,国内外未有相关文献报道。技术路线研究一、数字化设计及3D打印技术精准治疗多发肋骨骨折的实验研究目的1.通过数字医学技术及3D打印技术充分了解多发肋骨骨折的立体解剖结构;2.利用MIMICS 19.0软件行三维重建,设计个性化、精准化治疗方案:模拟最佳手术切口及手术路径;模拟肋骨骨折复位;选择合适的肋骨接骨器,并模拟肋骨骨折内固定。方法1.研究对象:根据纳入标准及排除标准,选取2016年1月至2018年2月广州中医药大学顺德医院住院手术治疗的多发肋骨骨折患者40例,均采用全麻下多发肋骨骨折内固定术,视胸腔探查需要,选择联合胸腔镜下胸腔探查术;前期20例患者未使用数字化设计及3D打印技术作为对照组,后期20例患者使用数字化设计及3D打印技术作为实验组。该研究通过医院医学伦理委员会审议并同意按计划开展,并向患者签署知情同意书。2.技术路线2.1数据采集:64排CT平扫胸部(包含所有肋骨)及各类型号肋骨接骨器,CT扫描参数:120 k V,150 m A,扫描层厚1~5 mm,层距1.25mm,螺距1.375,以DICOM格式文件储存。2.2三维重建:导入MIMICS 19.0计算机辅助设计软件,进行阈值分割、区域增长、三维编辑等操作,依次重建肋骨骨折三维模型及相对应区域的皮肤软组织三维模型。其中皮肤软组织三维模型采用可视化设计。2.3数字化设计:利用重建好的三维骨折模型,在MIMICS软件中对相应骨折块进行模拟术中平动、旋转等操作,对骨折处进行虚拟复位,对复位好的三维模型进行以下解剖形态学测量。2.3.1肋骨骨折处肋骨高度(最大径h)及肋骨弯曲度(d:以肋骨骨折为中心,每5cm长度上弯曲的弦高为每5cm弯曲度)。2.3.2肋骨骨折处对应的体表皮肤位置,测量该位置在水平面至前正中线或后正中线的垂直距离(L_1)。2.4 3D打印三维骨折模型:利用重建好的三维骨折模型,导入3D打印机所配套的软件MakerWare中,进行3D打印。2.5根据以上数据设计手术方案。结果1.三维重建及数字化设计结果:实验组均获得了清晰的立体解剖结构及可视化3D图像模型,骨折定位准确。2.将皮肤设置为半透明状态,在可视状态下对肋骨骨折处进行水平距离的测量,合理设置皮肤切口及手术入路,达到更微创的治疗效果。3.实验组20例患者,总共77处肋骨骨折模拟复位均达解剖复位要求,肋骨接骨器的高度及弯曲度完全符合肋骨骨折处肋骨高度及弯曲度的要求,贴合紧密,模拟固定良好。4.实验组5例重度多发多处肋骨骨折患者均打印出与三维重建肋骨骨折模型高度一致的1:1 3D物理模型。用于体外模拟手术,也用于术前医患沟通及临床教学,并获得良好效果。结论1.数字医学技术有助于充分了解肋骨骨折的立体解剖关系,有助于肋骨骨折的精准定位,有助于个性化手术方案的微创设计。2.通过3D打印技术,可以更直观立体的了解骨折情况,有助于术前安全评估及医患沟通,有助于术中操作导航,也有助于年轻医生的临床教学。3.根据解剖参数的测量,有助于为后续个性化多发性肋骨骨折接骨器械的研发提供参数依据,对新型医疗产品的开发具有重要指导意义。研究二、数字化设计及3D打印技术精准治疗多发肋骨骨折的临床应用研究目的将基于数字化设计及3D打印模型的个性化、精准化的治疗方案应用于临床多发肋骨骨折患者,检验其可行性及临床疗效,实现多发性肋骨骨折的精准治疗。方法1.收集实验组20例患者多发肋骨骨折的64排CT数据资料,将CT数据导入软件Mimics l9.0,依次三维重建肋骨骨折模型及相对应区域的皮肤软组织模型,其中皮肤软组织模型采用可视化设计。根据实验研究部分测得的数据及个性化治疗方案,应用于临床。2.根据手术需要,患者完成麻醉及摆好体位后,根据测得的数据进行体表定位肋骨骨折处,并规划手术切口及手术入路,备好消毒过的肋骨接骨器(模拟骨折复位内固定所选取的型号),进行手术。通过手术切口长度评估肋骨骨折精准定位的效果,通过术中观察备选的肋骨接骨器型号是否符合目标肋骨骨折要求的符合率评估精准化个性化的效果,通过观察术中出血、手术时间、住院时间、疼痛指数、肺部感染、术后血气胸恢复情况等判断其临床疗效,通过胸片或CT随访评估其长期疗效。3.统计学分析:采用SPSS 22.0统计软件分析,计量资料用(x±s)表示,变量资料用率(%)表示;虚拟切口长度及实际切口长度采用Pearson等级相关分析,P0.05认为差异有统计学意义。结果1.实验组20例患者手术切口长度为(5.05±1.90)cm,对照组手术切口长度为(6.50±1.95)cm,两者具有统计学差异(P=0.022)。2.实验组手术时间为(126.95±47.92)min,对照组手术时间为(141.65±39.87)min,虽然无统计学差异(P0.05);但实验组手术时间平均值短于对照组,具有一定的临床意义。3.实验组备选的肋骨接骨器完全符合目标肋骨骨折的要求,而对照组全部需要多次更换肋骨接骨器型号,直至符合要求为止;具有明显的临床意义。4.实验组固定的肋骨接骨器数量为(3.85±2.21)个,术中出血量为(40.25±30.93)mL,住院时间(16.25±4.19)d,术后疼痛药使用时间(2.35±3.39)d,术后胸管拔除时间(3.10±1.77)d;与对照组对比,均无统计学差异(P0.05)。5.随访1~6个月,两组患者均无肋骨接骨器滑脱移位。结论通过数字化设计及3D打印技术,为多发肋骨骨折患者制定的治疗方案,可实现个性化、精准化、微创化的要求。根据解剖参数的测量,有助于为后续个性化多发性肋骨骨折接骨器械的研发提供参数依据,对新型医疗产品的开发具有重要指导意义。
【图文】：

矢状面,水平面

2015 级硕士学位文数字化计及 3D 打印技术精准治疗发肋折的应用研究2.3.6 优化模型:在获取 CT 扫描数据时，虽然规定了扫描参数，尽可能的避免患者运动、衣物上金属造成的伪影，仍有可能造成影响，如肋骨接骨器表面不够光滑、平整，CT 扫描的层厚不够薄等，都可能造成成像质量差，重建的 3D 模型不够真实。Geomagic 软件刚好可以弥补上述不足，Geomagic studio 13.0 软件主要通过以下步骤完成形态学的优化：网格医生，自动分析模型中的错误并纠正；通过快速光顺将表面变得光滑，，如果通过以上操作处理后存在形态上的失真，可进行相应的手动处理如：去除特征、砂纸等。将生成的三位模型 Binary Stl 格式文件导入 Geomagicstudio 13.0 软件，进行形态学优化。

蒙板,所指,平面显示,阈值

选择同阈值时，红色箭头所指为三平面显示的组织蒙板。Figure1-2．when selecting different thresholds, the red arrow refers to the bone mask inthree different planes.
【学位授予单位】：广西医科大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：R687.3

【参考文献】