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3D建模和3D打印可以改善THA診斷、分類和手術計劃

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在線電子演示系統(tǒng)（EPOS）是歐洲放射學會科學展覽的電子數(shù)據(jù)庫。一組研究人員在EPOS上發(fā)表了有關他們使用3D建模和3D打印工具診斷，分類和進行外科手術計劃以修復假體周圍髖臼骨折的研究工作，髖臼假體是全髖關節(jié)置換術（THA）的困難但常見的并發(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，這些情況降低了支撐骨的結構完整性[1]，并常常與無菌性松動，假體周圍骨溶解和嚴重的骨質流失[2]相關。”

“僅基于標準射線照相的分析不適合可靠地檢測植入物的殘余穩(wěn)定性并測量骨折程度和骨盆骨丟失[3]。”

圖1：（a）骨盆前后骨

（b）右髖部X光片側視圖顯示髖臼周圍骨質溶解的輕度跡象，沒有植入物松動和髖臼骨折的跡象。

在定義骨折類型時，CT掃描是“黃金標準”，當需要3D虛擬渲染以幫助進行手術預計劃時，基于CT掃描的3D建模軟件使臨床醫(yī)生可以通過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量剩余的骨量，評估植入物的穩(wěn)定性和表征骨折，并且3D圖像也可以用于3D打印解剖模型以進行手術計劃和模擬。

研究人員說，他們的論文將表明，使用3D建模軟件可以改善骨骼質量和骨折形態(tài)評估，并揭示3D建模和3D打印對于THA周圍假體髖臼骨折的診斷過程以及使真人大小成為可能的實用性。術前植入物模板，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側突出；

（b）髖關節(jié)矢狀面顯示髖臼后壁骨折。骨折的三維重建是可見的（c），但是其擴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)生后進入急診室。該患者有右髖嚴重髖關節(jié)病的病史，在使用非骨水泥THA治療前已有十年治療。醫(yī)生對她的骨盆進行了AP射線照相，對她的臀部進行了盤腿掃描，沒有發(fā)現(xiàn)髖臼或莖周圍骨折或松弛的跡象。但是，“通過MAR協(xié)議對骨盆進行CT掃描”顯示，盡管髖臼杯未移位，但髖臼后壁確實有骨折。

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）保留髖臼杯的整個骨盆。在分割過程中股骨和股骨干被去除。（c，d）骨質量圖顯示了具有正常骨質量的區(qū)域（綠色）和具有低骨質量和厚度的區(qū)域（紅色）。

（e，f）骨缺損區(qū)域和骨折擴展的測量。

“第一階段是閾值化，其中包括密度在Hounsfield Unit（HU）值的指定范圍內的所有體素。為了排除金屬和陶瓷植入物，包括松質骨和皮質骨，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執(zhí)行的（圖3a，b）。最終，從相應的骨盆中以數(shù)字方式去除股骨和金屬植入物，并創(chuàng)建了孤立的目標區(qū)域（ROI）的3D圖像。”根據(jù)各個區(qū)域的皮質和整體骨厚度，將具有顏色梯度的骨質量圖用于髖臼。隨后分析了骨折的面積，形狀和空間位置，以及“與對側髖臼相比，髖臼骨丟失和旋轉中心”。最后，在Form 3L系統(tǒng)上3D打印了患者整個骨盆的真人大小模型。

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

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壁髖臼骨折。此外，發(fā)現(xiàn)骨折是“自發(fā)性的”，骨儲備損失少于50％。最后，骨骼質量圖確定了整體骨丟失，顯示后壁和內壁的質量均較差。 3D打印模型還用于執(zhí)行操作前模板?！爸委煵呗允歉鶕?jù)Simon等人提出的算法選擇的。 [14，15，16]，這表明髖臼翻修手術可以橋接或分散骨折，而無需固定骨折?！毖芯咳藛T解釋說。