3D打印技術(shù)在踝關(guān)節(jié)骨折手術(shù)中的應(yīng)用

李健偉，佘黎平，周世梅，栗志輝，劉俊杰，李翔，何其泉，陳能

3D打印技術(shù)在踝關(guān)節(jié)骨折手術(shù)中的應(yīng)用

李健偉，佘黎平，周世梅，栗志輝，劉俊杰，李翔，何其泉，陳能

目的探討3D打印技術(shù)在踝關(guān)節(jié)骨折手術(shù)中的應(yīng)用價值。方法 選取5例踝關(guān)節(jié)骨折患者的薄層CT掃描數(shù)據(jù)，在Mimics 14.0軟件中三維建模，然后將所有骨折塊進(jìn)行3D打印，并在3D打印實體模型基礎(chǔ)上結(jié)合鋼板預(yù)彎，模擬內(nèi)固定植入手術(shù)，最終將模擬鋼板位置、螺釘方向和長度等參數(shù)應(yīng)用于實際手術(shù)。結(jié)果3D打印實物模型立體感強，可多角度、多方向顯示踝關(guān)節(jié)骨折部位的形態(tài)學(xué)外觀特點；能在術(shù)前明確鋼板植入位置、螺釘方向和長度并完成鋼板預(yù)塑形。手術(shù)過程順利，共植入鋼板9塊、螺釘58枚，鋼板、螺釘?shù)闹踩敕较蚣伴L度均與術(shù)前設(shè)計高度吻合。手術(shù)時間（48±10）min、X線照射次數(shù)（6.3±1.7）次。術(shù)后復(fù)查X線片檢查顯示踝關(guān)節(jié)骨折復(fù)位固定滿意，鋼板及螺釘在位良好。結(jié)論 應(yīng)用3D打印技術(shù)制作的踝關(guān)節(jié)骨折模型可初步用于踝關(guān)節(jié)骨折的手術(shù)模擬及手術(shù)方案設(shè)計。

骨折；踝損傷；3D打印；圖像處理，計算機輔助；治療，計算機輔助；計算機模擬；骨折固定術(shù)，內(nèi)；骨板；骨釘

踝關(guān)節(jié)是人體重要的活動和負(fù)重關(guān)節(jié)。踝關(guān)節(jié)骨折臨床常見，處理不當(dāng)可能造成關(guān)節(jié)畸形、力線或穩(wěn)定問題，以及關(guān)節(jié)面不平和關(guān)節(jié)不穩(wěn)，導(dǎo)致踝關(guān)節(jié)活動功能障礙、下肢殘疾等的發(fā)生[1-2]。制定合理優(yōu)化的手術(shù)策略是保證踝關(guān)節(jié)骨折手術(shù)成功的重要環(huán)節(jié)。以往的手術(shù)設(shè)計多采用二維圖像，缺乏三維立體結(jié)構(gòu)顯示及精準(zhǔn)的骨折結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，無法進(jìn)一步與手術(shù)器械精確擬合。近年來隨著計算機技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，數(shù)字醫(yī)學(xué)應(yīng)運而生并蓬勃發(fā)展，精確化、個性化的術(shù)前設(shè)計成為可能，尤其是隨著3D打印技術(shù)的出現(xiàn)，數(shù)字化術(shù)前設(shè)計更是實現(xiàn)了從虛擬模擬到現(xiàn)實模擬的跨越[3-4]。利用3D打印技術(shù)模擬精確腓骨截骨治療下頜骨缺損[5]，或設(shè)計前置椎弓根螺釘導(dǎo)板以實現(xiàn)頸椎前路椎弓根螺釘?shù)臏?zhǔn)確植入[6]等臨床研究已見諸報道，并取得了較好的療效。本研究著重探討3D打印技術(shù)在踝關(guān)節(jié)骨折術(shù)前設(shè)計和實施過程中應(yīng)用的可行性，為踝關(guān)節(jié)骨折個性化治療提供依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 一般資料

采集2014年8—10月我科收治的5例踝關(guān)節(jié)骨折患者的薄層CT掃描數(shù)據(jù)，其中男3例，女2例；年齡25～58歲，平均年齡（39.7±11.3）歲；AO分型[7]：A型1例、B型3例、C型1例；左側(cè)2例、右側(cè)3例；傷后7～10 d進(jìn)行手術(shù)。

1.2 CT掃描參數(shù)

CT機型：LightSpeed 16深藍(lán)版（美國GE公司）；掃描部位：踝關(guān)節(jié)；掃描螺距0.5～1.0 mm；掃描電流35～264 mA；掃描電壓80～120 kV。掃描數(shù)據(jù)以DVD光盤形式輸出。

1.3 主要硬件和軟件

Windows 7 Ultimate 64 bit操作系統(tǒng)；Mimics 14.0醫(yī)學(xué)三維重建軟件（比利時Materialise公司）；Dell T7500、Dell M6600圖形工作站 （美國Dell公司）；MakerBot Replicator 2 3D打印機 （美國MakerBot公司）。

1.4 三維重建和3D打印

1.4.1 CT平掃加重建 采集患者踝關(guān)節(jié)骨折薄層CT掃描數(shù)據(jù)，以DICOM格式導(dǎo)入Mimics 14.0軟件中進(jìn)行三維重建，獲得骨折三維模型，多角度、多方向觀察骨折情況（圖1）。

1.4.2 3D打印骨折模型 將DICOM格式掃描數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為STL格式文件，以STL格式導(dǎo)入3D打印軟件MarkerBot中，調(diào)整打印方位并打印出1∶1實物模型。

1.5 骨折模擬復(fù)位及虛擬內(nèi)固定植入

將骨折打印模型按照術(shù)中復(fù)位步驟用強力膠水逐一粘合，模擬術(shù)中復(fù)位情況[8]；利用復(fù)位骨折模型進(jìn)行鋼板預(yù)彎；根據(jù)骨折AO治療原則，選擇合適手術(shù)入路，簡化多平面三維測量踝關(guān)節(jié)后按1∶1比例 （釘孔中心間距11 mm）在復(fù)位骨折模型上畫線，確定預(yù)設(shè)鋼板位置及每個釘孔的位置；將預(yù)彎鋼板貼合到復(fù)位骨折模型上，調(diào)整后確定鋼板的惟一位置；利用直徑2.5 mm克氏針參考虛擬設(shè)計螺釘方向進(jìn)行模擬螺釘植入，記錄螺釘方向和螺釘植入長度（圖2）。

1.6 手術(shù)操作

患者取仰臥位，患側(cè)踝部墊枕。常規(guī)消毒鋪巾后先予手法復(fù)位，盡可能恢復(fù)下肢力線、長度及旋轉(zhuǎn)畸形，必要時可采用復(fù)位鉗經(jīng)皮鉗夾協(xié)助復(fù)位。根據(jù)骨折類型選擇手術(shù)入路，內(nèi)外踝骨折通常選用踝關(guān)節(jié)內(nèi)、外側(cè)入路，合并后踝骨折者據(jù)其位置選取踝關(guān)節(jié)后內(nèi)或后外側(cè)切口。顯露骨折端后根據(jù)術(shù)前確定的位置置入預(yù)塑形鋼板，對于較大骨塊且移位明顯者，先利用打印模型模擬復(fù)位，通過預(yù)彎鋼板協(xié)助進(jìn)行術(shù)中骨折復(fù)位及臨時固定，C型臂X線機透視確認(rèn)鋼板長度及位置滿意后，依據(jù)術(shù)前設(shè)計的螺釘長度及方向進(jìn)行螺釘固定（圖3，4）。若骨折塊較大，可在透視下行拉力螺釘固定；若存在骨缺損則予以有限切開并行同種異體骨（北京鑫康辰醫(yī)學(xué)科技發(fā)展有限公司）植骨；骨折如涉及關(guān)節(jié)面，則力求關(guān)節(jié)面達(dá)到解剖復(fù)位。術(shù)畢置引流管，關(guān)閉切口。

圖1 右踝關(guān)節(jié)骨折患者術(shù)前CT三維重建圖片（女，58歲，AO分型44B-3）1A正位片1B側(cè)位片

圖2 踝關(guān)節(jié)骨折3D打印實物模型復(fù)位模擬手術(shù)圖片 2A，2B鋼板預(yù)彎 2C 模擬進(jìn)針

2 結(jié)果

2.1 踝關(guān)節(jié)骨折3D實物模型打印

基于患者CT掃描數(shù)據(jù)、利用3D打印技術(shù)打印出的1∶1實物模型立體感強，可多角度、多方向顯示踝關(guān)節(jié)骨折部位的形態(tài)學(xué)外觀特點（圖5）。

圖3 術(shù)中透視確認(rèn)鋼板、螺釘長度及位置（患者同圖1）3A 正位片 3B側(cè)位片

2.2 手術(shù)效果

手術(shù)過程順利，共植入鋼板9塊、螺釘58枚，鋼板、螺釘植入方向及長度均與術(shù)前設(shè)計高度吻合。手術(shù)時間（48±10）min、X線照射次數(shù)（6.3± 1.7）次。術(shù)后復(fù)查X線片顯示踝關(guān)節(jié)骨折復(fù)位固定滿意，鋼板及螺釘在位良好（圖6）。

圖4 踝關(guān)節(jié)骨折患者復(fù)位固定術(shù)中圖片 （患者同圖1） 圖5踝關(guān)節(jié)骨折3D實物打印模型 圖6踝關(guān)節(jié)骨折術(shù)后X線片（患者同圖1）6A，6B術(shù)后2 d正側(cè)位片示復(fù)位固定滿意6C，6D術(shù)后2個月正側(cè)位片示鋼板、螺釘在位良好

3 討論

近年來，隨著現(xiàn)代高速交通運輸及建筑行業(yè)的迅速發(fā)展，踝關(guān)節(jié)骨折的發(fā)病率逐年上升，復(fù)雜程度亦有所增加。如何獲得精確復(fù)位以及解剖結(jié)構(gòu)的良好恢復(fù)，是足踝外科領(lǐng)域的熱點和難點問題。數(shù)字技術(shù)的發(fā)展為踝關(guān)節(jié)骨折患者個性化、精確化手術(shù)的目標(biāo)提供了技術(shù)條件。3D打印又稱三維打印、增材制造、快速成型等，誕生于20世紀(jì)80年代后期，是基于材料累加原理進(jìn)行快速成型操作，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料制作三維物體的技術(shù)。通過3D打印模型，可以在術(shù)前即直觀了解患者骨折移位情況，并在計算機上進(jìn)行手術(shù)模擬，據(jù)此制定精確的個性化手術(shù)方案并指導(dǎo)手術(shù)操作，增強了手術(shù)的準(zhǔn)確性和安全性，提高了術(shù)者的手術(shù)水平和手術(shù)效率[9-11]。

傳統(tǒng)手術(shù)設(shè)計主要以X線片和二維CT圖像為依據(jù)，結(jié)合患者具體情況制定手術(shù)方案，其不足體現(xiàn)在：①X線片對于復(fù)雜類型的踝關(guān)節(jié)骨折無法做出具體的診斷；二維CT所能提供的信息有限，無法對骨折碎片進(jìn)行準(zhǔn)確的三維定位[12]。②雖然三維重建圖像可以了解骨折立體結(jié)構(gòu)的情況，但閱片工作站大多只能瀏覽若干截面的立體結(jié)構(gòu)的圖像，無法以任意角度、任意方向動態(tài)觀察骨折情況。③骨折內(nèi)固定具有個性化應(yīng)用特點，傳統(tǒng)手術(shù)設(shè)計的效果依賴于術(shù)者的經(jīng)驗，設(shè)計過程無法準(zhǔn)確共享。因此臨床上需要診斷明確、通用性高、重復(fù)性好、可共享設(shè)計過程的數(shù)字化設(shè)計，以滿足不同患者、不同術(shù)式的不同需求[13]。

3D打印技術(shù)治療踝關(guān)節(jié)骨折恰好滿足了上述需求：①可以幫助術(shù)者清晰了解患者踝關(guān)節(jié)的解剖結(jié)構(gòu)、骨折情況和損傷程度，全面掌握骨折復(fù)位前后情況，從而制定更為客觀精確的術(shù)前方案。②傳統(tǒng)手術(shù)中鋼板塑形時需要借助鋁板貼合骨面折出預(yù)彎雛形，然后依照鋁板模型進(jìn)行鋼板塑形，不僅耗費大量時間，而且塑形精確度低，位置也存在不確定性。利用局部復(fù)位骨折模型于術(shù)前精確預(yù)彎鋼板，具有位置惟一、精度高的優(yōu)勢，在縮短手術(shù)時間的同時也提高了內(nèi)固定效果的確切性[14]。③可于術(shù)前明確螺釘方向和長度，節(jié)省術(shù)中測量時間，避免C型臂X線機反復(fù)檢查的繁瑣步驟，減少患者、術(shù)者X線照射量。

國內(nèi)外相關(guān)研究亦表明，3D打印骨折模型對于選擇適宜規(guī)格的內(nèi)固定材料、制定個性化手術(shù)方案、快速提高臨床醫(yī)生水平、縮短學(xué)習(xí)曲線、提高治療效果具有積極意義[13，15]。國內(nèi)章瑩等[12]采用計算機輔助設(shè)計快速成型技術(shù)個體化治療三踝骨折，認(rèn)為該技術(shù)可全面立體地顯示骨折線走行、骨折移位程度、骨折塊大小、關(guān)節(jié)面損傷狀況以及隱匿的撕脫骨折塊，為制定術(shù)前計劃、選擇內(nèi)固定物提供詳細(xì)的依據(jù)。研究還表明，3D打印技術(shù)的應(yīng)用不僅減輕了術(shù)中骨折范圍的剝離程度，還可縮短手術(shù)時間，減少術(shù)后感染，利于骨折早期愈合；它還能為足踝部畸形矯正提供良好的術(shù)前設(shè)計及術(shù)中參考，為提高臨床療效奠定基礎(chǔ)[16-17]。

本研究采用3D打印技術(shù)對5例踝關(guān)節(jié)骨折患者進(jìn)行術(shù)前設(shè)計和手術(shù)模擬，結(jié)果提示，基于3D打印技術(shù)的實物模型能清晰顯示骨折塊位置和尺寸，精確模擬螺釘、鋼板的置入過程，準(zhǔn)確測量螺釘、鋼板長度及角度等參數(shù)，為手術(shù)策略的制定提供直觀可靠的參考依據(jù)。術(shù)后復(fù)查骨折復(fù)位及內(nèi)固定結(jié)果與術(shù)前模擬手術(shù)一致性較好，虛擬手術(shù)設(shè)計與真實手術(shù)基本相符。本研究的不足在于術(shù)前模擬時未考慮對軟組織的影響，但術(shù)中遵循損傷控制原理，即待腫脹消退后（傷后7～10d）行手術(shù)治療，這在一定程度上也為3D模型的制備提供了充足的時間。本組樣本量偏小，后期將加大樣本量，開展隨機對照試驗研究，以增強結(jié)論的可靠性。該技術(shù)需要3D打印機、小型圖形處理工作站等硬件，模型制作費用也較高，目前推廣應(yīng)用尚有一定難度。

總之，本研究采用的3D打印技術(shù)能夠滿足踝關(guān)節(jié)骨折治療的精確化、個性化需求，可用于踝關(guān)節(jié)骨折手術(shù)模擬及手術(shù)方案設(shè)計。我們相信，隨著影像學(xué)、數(shù)字醫(yī)學(xué)和新材料技術(shù)的發(fā)展，3D打印技術(shù)的臨床應(yīng)用前景必定更加廣闊。

[1] Griffin D,Parsons N,Shaw E,et al.Operative versus non-operative treatment for closed,displaced,intra-articular fractures of the calcaneus:randomised controlled trial[J]. BMJ,2014,349:g4483.

[2] WillettK,Keene DJ,Morgan L,etal.AnkleInjury Management (AIM):design of a pragmatic multi-centre equivalence randomised controlled trial comparing Close Contact Casting (CCC)to Open surgical Reduction and Internal Fixation (ORIF)in the treatment of unstable ankle fractures in patients over 60 years [J].BMC Musculoskelet Disord,2014,15:79.

[3] FlüggeTV,Nelson K,Schmelzeisen R,etal.Threedimensional plotting and printing of an implant drilling guide:simplifying guided implant surgery [J].J Oral Maxillofac Surg,2013,71(8):1340-1346.

[4] Kozakiewicz M,ElgalalM,Loba P,etal.Clinical application of 3D pre-bent titanium implants for orbital floor fractures[J].J Craniomaxillofac Surg,2009,37(4):229-234.

[5] Rohner D,Guijarro-Martinez R,Bucher P,et al.Importance of patient-specific intraoperative guides in complex maxillofacial reconstruction [J].J Craniomaxillofac Surg,2013,41 (5):382-390.

[6] Fu M,Lin L,Kong X,et al.Construction and accuracy assessment of patient-specific biocompatible drill template for cervical anterior transpedicular screw(ATPS)insertion:an in vitro study[J].PLos One,2013,9(1):e53580.

[7] 張世民,李海豐,黃軼剛.骨折分類與功能評定 [M].北京:人民軍醫(yī)出版社,2008:334-335.

[8] Bagaria V,Deshpande S,Rasalkar DD,et al.Use of rapid prototyping and three-dimensional reconstruction modeling in the management of complex fractures [J].Eur J Radiol, 2011,80(3):814-820.

[9] Brown GA,Firoozbakhsh K,DeCoster TA,et al.Rapid prototyping:the future of trauma surgery?[J].J Bone Joint Surg Am,2003,85-A:49-55.

[10]金丹,王丹,蘇秀云,等.踝關(guān)節(jié)骨折數(shù)字化虛擬手術(shù)設(shè)計系統(tǒng)的建立及其初步臨床應(yīng)用 [J].中國骨與關(guān)節(jié)損傷雜志,2009,24(10):880-883.

[11]章瑩,夏遠(yuǎn)軍,萬磊,等.計算機三維仿真技術(shù)在復(fù)雜足踝部骨折手術(shù)中的應(yīng)用[J].中國骨科臨床與基礎(chǔ)研究雜志, 2010,2(2):98-101.

[12]章瑩,萬磊,尹慶水,等.計算機快速成型輔助個體化三踝骨折的手術(shù)治療[J].中華創(chuàng)傷骨科雜志,2009,11(6):509-511.

[13]GiovincoNA,DunnSP,DowlingL,etal.A novel combination of printed 3-dimensional anatomic templates and computer-assisted surgical simulation for virtual preoperative planning in Charcot foot reconstruction[J].J Foot Ankle Surg,2012,51(3):387-393.

[14]朱智敏,岑怡彪,鐘華,等.計算機輔助快速成型技術(shù)在復(fù)雜性跟骨骨折方面的應(yīng)用[J].中國數(shù)字醫(yī)學(xué),2012,7(6):22-32.

[15]Rengier F,Mehndiratta A,von Tengg-Kobligk H,et al.3D printing based on imaging data: review of medical applications[J].Int J Comput Assist Radiol Surg,2010,5(4): 335-341.

[16]RankinTM,GiovincoNA,CucherDJ,etal.Threedimensional printing surgical instruments:are we there yet? [J].J Surg Res,2014,189(2):193-197.

[17]Chung KJ,Kim YT,Yang I,et al.Preshaping plates for minimally invasive fixation of calcaneal fractures using a real-size 3D-printed model as a preoperative and intraoperative Tool[J].Foot Ankle Int,2014,35(11):1231-1236.

（本文編輯：張 輝）

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Application of 3D printing technique for ankle fractures

ObjectiveTo evaluate the application value of 3D printing technique for patients with ankle fractures.MethodsFive patients with ankle fractures were enrolled in this study.Data of lamellar CT scanning were imported into Mimics 14.0 software for 3D anatomical modeling,and then internal fixation weresimulated based on all theprinted bonesand prebended plates.Finally,therealoperation was accomplished according to the parameters in virtual preoperative design,such as fixation position of the plates,as well as the direction and the length of screws.ResultsWith stereo perception,3D-printed model revealed precise morphology and anatomic relationship of ankle fractures at different angles and different directions,confirmed the position of plate insertion,screw direction and length precisely and helped to preshape the plate before the operation.After successful operations,9 plates and 58 screws were implanted, directions and lengths of plates and screws were in high accordance with the preoperative digital design. The average operation time was(48±10)min,and the X-ray exposure frequency was(6.3±1.7)times.Postoperative X-ray re-examination showed good reduction and internal fixation for ankle fractures,and the plates and the screws in good position.ConclusionWith 3D printing technique,ankle fracture model could be used perliminarily for virtual simulation surgery as well as for protocol design of surgery for patients with ankle fractures.

Fractures,bone;Ankle injuries;3D printing;Image processing,computer-assisted;Therapy, computer-assisted;Computer simulation;Fracture fixation,internal;Bone plates;Bone nails

R683.42，R319.1，R687.32

A

1674-666X（2014）06-0333-06

2014-10-25；

2014-11-20）

10.3969/j.issn.1674-666X.2014.06.002

深圳市衛(wèi)生計生系統(tǒng)科研項目（201402137）

518067廣東，深圳市南山區(qū)蛇口人民醫(yī)院骨科（李健偉，佘黎平，周世梅，栗志輝，劉俊杰，何其泉，陳能）；200240上海交通大學(xué)（李翔）

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