多种3D打印导板在骨肿瘤切除重建手术中的应用

2015-04-14   文章来源:付军,郭征*,王臻,栗向东,范宏斌,李靖,裴延军,裴国献,李丹    点击量:424 我要说

1 引言

对于骨肿瘤手术而言,因患者肿瘤生长部位、类型、大小不同,手术方式差异性很大,再加之患者间年龄、体型、体质等差异,十分有必要为患者进行一对一的个体化手术设计。现代计算机技术为手术前设计提供良好的工作平台,能够让骨科医生很容易的进行数字化的、精准的手术设计,但将术前设计准确的还原应用于实际手术却是一个难题。

随着3D打印技术的推广使用,基于3D打印技术的手术导板设计、制作工艺孕育而生。手术方案设计是结果,而导板则是达到这种结果的方式,因此,导板是手术设计的逆向工程产物。在手术设计的同时,即可在设计方案的基础上完成导板的设计,生成文件用于3D打印加工。加工好的导板能够在手术过程中还原手术设计方案,引导手术者顺利的按照手术前的设计进行手术操作。

目前较为常用的3D打印技术包括:熔融沉积成型技术、光固化立体成型技术、三维印刷工艺技术、选择性激光烧结技术,并相应的支持多种不同的材质,如光敏树脂、ABS树脂、石膏、铝合金等等。这些技术方式、材质均能完成导板的加工,但因加工工艺、材质的差异,所加工导板的力学、生物学性能各不相同。

本文探索了骨肿瘤个体化手术导板设计、加工、使用的方法,对手术效果进行了验证,并针对不同材质导板在手术操作过程中应用的优缺点进行了对比分析。

2 材料与方法

2.1纳入标准及手术前的数据准备

在2012年9月至2014年1月间,选取就诊于第四军医大学西京医院骨肿瘤科住院的骨组织肿瘤患者,经手术前初步诊断,完成患处X线片、CT、MR、全身骨扫描以及患处SPECT/CT,初步确定手术中需要并可以显露一定范围的骨组织,同时要求骨组织的的外形具有一定形态特异性,对于满足以上要求的骨肿瘤患者,可纳入本研究。

纳入患者符合条件患者共31例,其中男19例、女12例、年龄6-67岁,平均27.3岁。其中恶性肿瘤13例,包括:骨肉瘤7例、尤文氏肉瘤2例、转移癌4例;良性肿瘤18例,骨巨细胞瘤3例、骨软骨瘤2例、骨样骨瘤9例、骨囊肿4例。肿瘤所在部位包括:脊柱7例、骨盆5例、肱骨3例、股骨9例、胫骨6例、腓骨1例。

手术前对手术所操作部位进行薄层CT平扫,层距要求0.625mm,必要时同时扫面健侧骨组织,将扫描所得的数据以Dicom3.0格式存储与移动介质(光盘或移动硬盘)中,转存到手术设计所使用的电脑中,同时准备MR及SPECT/CT的Dicom3.0格式文件,储存在电脑中。

2.2 手术前设计及导板加工

手术设计使用Materialise Mimics10.01,将薄层CT以lossless格式导入软件,对手术区域进行表面三维重建,结合MR、SPECT/CT等其他影像学资料协助确定肿瘤边缘,再根据肿瘤性质确定切除或刮除范围。使用定位线标记切除范围,将骨组织与标记线的三维模型以STL文件格式导入到Materialise Magics 16.0。在软件中选取手术时能够显露的骨组织表面,通过逆向工程技术求得反向模型,确保导板模型可以直接吻合于骨表面,将标记线的位置设计成圆孔(图1e),如使用金属材质,可设计成方形扁槽(图2c)。重建设计需要大段异体骨时,同时在数字化骨库中选取合适的异体骨(图1b),比对截骨后缺损情况设计修整方案,使用如上方法再次设计异体骨截骨导板。设计好的导板生成STL文件转入3D打印设备。

本研究使用的4种3D打印技术设备分别为:熔融沉积成型 Inspire S250(北京太尔),光固化立体成型ProJet 3510SD(ProJet),三维印刷工艺ProJet 460Plus(ProJet),选择性激光烧结LSF-IV(西安铂力特),所使用材料分别对应为ABS树脂9例、光敏树脂14例、石膏5例、铝合金3例。导板加工完成后,使用对应方法除去支撑材料,贴骨面及导孔与手术前设计方案比对无误后,消毒封装。

2.3 手术中应用

手术操作按照正常流程消毒铺无菌单,按计划做切口并显露骨面,将导板贴附于骨面后,使用克氏针将导板固定于骨面,再打入标记位置所需的定位针,使用手术中透视确定克氏针位置及标记范围无误差。去除导板,依据定位针所指示位置进行截骨或刮除病灶。术后重建过程中,大段异体骨的修整也按照术前计划使用导板进行。重建结束后,透视证实肿瘤切除完整、内固定位置确实后,逐层关创,无菌包扎。

2.4 术后验证及统计学分析

分别记录每类导板的制作加工周期, stl文件交接时间起开始计时,得到去除支撑的成型导板结束计时,通过导板加工周期对比分析4种3D打印方法的效率。同时记录术前设计时间(min)、手术时间(min)、术中透视次数等数据,选择我院同期、同部位、同类手术作为对照组,分别使用配对T检验分析,统计分析使用SPSS19.0。手术后拍摄患者X线片及CT验证肿瘤切除及重建效果。

3 结果

全部31例患者均计划进行手术前设计、导板设计,并成功进行导板制作,消毒合格后,应用于手术。所有手术的骨面显露范围均达到手术前涉及范围,全部导板均能正常安装于骨面,其中3例在术中操作时发生导板断裂变形,ABS树脂1例,石膏2例,导板断裂后,严重影响定位精度,转变成按照常规方法继续行手术治疗。

4种导板3D打印方法的加工时间分别为:熔融沉积成型平均为19.3h、光固化立体成型平均为5.2h、三维印刷工艺平均为8.6h、选择性激光烧结平均为51.6h,通过对比可见金属导板加工周期耗时最长。

28例患者分别与我院同期部位同类手术对比分析可见:术前设计时间明显延长,手术时间明显缩短,术中透视次数明显减少。(表1)

表1 两组间数据分析配对T检验结果

术前设计时(min)

手术时间(min)

术中透视次数

P

0.000703

0.0253

0.0163

通过手术后X线片(28例)及CT(7例),全部患者肿瘤均得到完整切除,术后重建稳定。

4 讨论

众所周知,人体结构在个体间具有差异,传统手术方式以普遍经验为基础,忽视了个体间的差异。特别对于骨肿瘤患者,除患者年龄、性别、体质的差异外,还有肿瘤种类、部位、大小的众多差异,仅采取传统手术方式,很难满足骨肿瘤患者的个人具体要求。现代影像学技术可以帮助医生在手术前清楚的的了解患者身体内部的解剖、病理情况,避免了以往的盲目性。结合数字化技术,更可以在医生个人电脑上直观的展现术前病情,同时可以准确的设计手术,并预计术后效果。目前在骨科医生群体中,较为常用的术前设计方式是,将术前薄层CT的数据以Dicom3.0格式导入Mimics软件中,进行三维表面重建,再行切割、移动等手术设计,手术中根据手术前设计的方案进行手术。但是在实际操作过程中,经常遇到术前设计的非常充分,长度、角度都很精确,但是无法完整的应用到实际手术中。

数字化的手术辅助定位系统,可以帮助医生将手术前的设计方案完整、准确的导入到手术中。目前较为流行的手术定位系统有:术中计算机辅助导航、术中导板等,这些辅助定位系统各有利弊,在不同部位的不同手术中各有优缺点。总体来说,计算机辅助导航定位精确,术中操作灵活性强,具有很强的应变性,术中可以给与实时的图像支持,切除后可验证范围;但其硬件投资较大,操作学习曲线长,术中定位装置的安装会照成二次损伤。导板的优势在于设备价格低廉,术中定位准确,不造成过多损伤;但对术前设计环节要求较高,设计耗时较长,且术中一旦手术方案变化,导板将不能继续使用。两种系统互有长处,只要能够依据具体手术部位和方式做出选择,就可以充分发挥二者的优势。

作为一种简单可行的方式,术中导板系统可以很好的将手术前的设计方案带入手术中,辅助医生按照设计完成手术操作。在手术前的个体化设计中,使用定位线可以轻松而简单的标记肿瘤范围、确定截骨角度、引导内固定安装等等,但术前精确到毫米级的手术设计很难在手术时实现。手术导板的设计原理就是设计出一个曲面,使得这个曲面能够很好的贴附于手术中显露出的骨面,贴附应具有位置唯一性,固定好的导板应不易移动位置,同时导板上还带有引导细克氏针的孔洞,通过引导,将克氏针固定于骨组织,去除导板后,可使用磨钻或摆锯进行截骨,范围较小的良性病变也可定位后直接使用刮勺刮除。总之,设计导板合理的导板可以将手术前的设计准确的带入手术中,而且随着3D打印技术的逐步普及,导板的加工难度逐渐降低,因此手术导板技术已成为基层骨科医生的最佳选择。

手术导板系统的最重要环节是设计,在导板的设计阶段需要同时关注几个方面问题:1、手术方式、部位,2、显露部位软组织,3、加工工艺。并非所有类型手术都适合使用导板,要根据手术的方式决定是否需要手术前设计以及术中的准确定位,患处骨组织的表面唯一性也是导板设计的关键,一般来说,长骨中段手术不适用导板。一般导板的设计均直接贴附于骨面,手术过程中软组织的成功剥离尤为重要,有些手术部位的软组织无法剥离,需要在导板设计阶段考虑回避。导板的不同材质也决定了导板的设计,使用ABS树脂及石膏时,厚度应不小于5mm,以保证强度,光敏树脂不小于3mm,金属可以更薄;定位孔的设计也不同,非金属材料一般做孔引导克氏针,金属导板因强度大可以在手术中直接引导摆锯。

在本文所涉及手术中,实践证实,全部31例患者手术中均使用手术导板,在手术过程中,所有导板均按手术设计贴附于骨面,除3例导板发生断裂变形外,其余28例定位针均能成功导入,按照定位针的指引,可以准确的按手术设计截骨。通过对比分析,手术前设计时间因导板的设计有所延长,但通过手术时间的对比,可以发现,使用导板后,手术时间缩短,透视时间延长。对于传统手术方式,手术设计环节经常被忽视,但经过合理设计并使用导板,可以将节省手术中的宝贵时间,所消耗时间转移至术前,有利于患者利益及手术周转。术中透视次数的明显减少也同时有利于患者和医护人员。同时,手术后X线片及CT证实全部患者肿瘤均得到完整切除,术后重建稳定,与传统方法在手术效果上一致。

通过本文中对于4种导板材料设计、加工、使用环节的对比,并结合3例导板断裂病例,我们发现,对于导板制作,4种材料各有优缺点。ABS树脂材料、设备均便宜,加工速度适中,成型的材料在一定方向具有韧性,但精度较低,适合打印体积较大的导板;石膏材料材料便宜、设备较贵,加工速度快,成型精度高,可呈现真彩色,有利于手术设计信息标记,但材质较脆,不宜加工成薄、细的导板;光敏树脂材料材料、设备均较贵,且设备维护成本高,加工速度快,成型精度极高,具有一定强度,适合加工成体积较小、有一定应力的导板;金属材料包括钛合金、医用不锈钢、铝合金,其材料昂贵,设备价格高昂,操作及维护成本均较高,加工周期较长,精度高,强度极高,可加工成导板直接引导钻头、摆锯甚至骨刀。

表2

材料

设备费用

材料费用

加工时间

强度

FDM

ABS树脂

适中

SLA

光敏树脂

适中

适中

较高

3DP

石膏

适中

SLS

金属

非常高


5 结论

作为一种新技术,3D打印手术导板技术在骨肿瘤个体化手术方面具有得天独厚的优势。该技术能够在手术中准确的实现术前设计,缩短手术时间,减少手术中透视曝光次数,提高手术效率。而不同3D打印技术在导板设计、加工及应用过程中具有各自的优势,手术者在手术设计阶段就需要根据具体手术方式、3D打印技术优缺点进行选择。

1a

1b

1c

1d

1e

1f

1g

1h

1:患儿10岁,男性,右髂骨尤文肉瘤。a手术前MRb匹配的异体骨,c设计的截骨形态,d截骨标记线,e导板设计方案,f导板在异体骨表面贴附情况,g切除的肿瘤与修整好的异体骨,h手术后骨盆平片可见肿瘤切除完整,重建稳定。

2a

2b

2c

2d

2e

2f

图2:患儿6岁,男性,右肱骨近端骨软骨瘤。a手术前X线片,可见右肱骨外侧骨软骨瘤,b手术设计切除肿瘤并最大程度保留骨骺,并设计金属导板,c3D打印加工好的金属导板及ABS试模,d术中导板引导摆锯截骨,e肿瘤切除后验证,可见按手术设计完整切除,f术后X线片可见肿瘤切除彻底,重建稳定。


参考文献略


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