3D打印技術(shù)在復(fù)雜脛骨平臺骨折治療中的臨床應(yīng)用

王欣文，張堃，朱養(yǎng)均，宋哲

(西安交通大學(xué)附屬紅會醫(yī)院創(chuàng)傷骨科，陜西 西安 710054)

3D打印技術(shù)在復(fù)雜脛骨平臺骨折治療中的臨床應(yīng)用

王欣文，張堃，朱養(yǎng)均，宋哲

(西安交通大學(xué)附屬紅會醫(yī)院創(chuàng)傷骨科，陜西 西安 710054)

目的 探討3D打印技術(shù)在復(fù)雜脛骨平臺骨折手術(shù)治療中的可行性和臨床應(yīng)用價值。方法 對臨床上復(fù)雜脛骨平臺骨折的患者進(jìn)行螺旋CT掃描，將其DICOM數(shù)據(jù)輸入計算機中，采用Mimics軟件數(shù)據(jù)處理，應(yīng)用3D打印技術(shù)打印骨折三維模型。按脛骨平臺三柱分型重新進(jìn)行分型，在3D打印模型上確定手術(shù)入路及手術(shù)體位，并進(jìn)行骨折的準(zhǔn)確復(fù)位及鋼板放置的選擇等模擬手術(shù)。結(jié)果 重建的脛骨平臺骨折三維模型能準(zhǔn)確反映出骨折移位的方向和程度，可準(zhǔn)確的進(jìn)行骨折的三柱分型，可初步實現(xiàn)脛骨平臺骨折的術(shù)前手術(shù)設(shè)計。結(jié)論 3D打印技術(shù)應(yīng)用于復(fù)雜脛骨平臺骨折的治療，臨床可行性良好，可作為術(shù)前準(zhǔn)備的常規(guī)項目。

3D打??；脛骨平臺骨折；模擬手術(shù)

治療復(fù)雜脛骨平臺骨折一直是創(chuàng)傷骨科的一大難題，因其是一種高能量復(fù)雜關(guān)節(jié)內(nèi)骨折，常伴有嚴(yán)重的關(guān)節(jié)面塌陷、膝關(guān)節(jié)周圍韌帶損傷及關(guān)節(jié)不穩(wěn)，故而術(shù)后常出現(xiàn)皮膚缺血壞死、感染、切口愈合不良、骨與內(nèi)固定物外露等早期并發(fā)癥[1-2]以及長期疼痛、關(guān)節(jié)不穩(wěn)定、創(chuàng)傷性骨關(guān)節(jié)炎等晚期并發(fā)癥[3]。如何在術(shù)中盡可能的恢復(fù)關(guān)節(jié)面的平整，同時又達(dá)到對軟組織的最小損傷，是擺在術(shù)者面前的首要問題。因此，全面的術(shù)前評估及規(guī)劃對于復(fù)雜脛骨平臺骨折的治療顯得尤為重要。術(shù)者在術(shù)前應(yīng)充分了解骨折的情況，以便術(shù)中能夠?qū)钦圻M(jìn)行準(zhǔn)確有效的復(fù)位和固定。本研究利用3D打印技術(shù)進(jìn)行復(fù)雜脛骨平臺骨折病例的術(shù)前骨折復(fù)位、植骨內(nèi)固定等模擬操作，制定復(fù)雜脛骨平臺骨折的術(shù)前設(shè)計，獲得了較好的臨床效果。

1 對象與方法

1.1 對象 復(fù)雜脛骨平臺骨折23 例，男18 例，女5 例，平均年齡39 歲，均為閉合性骨折，無血管神經(jīng)損傷，無膝關(guān)節(jié)脫位。按Schatzker分型：Ⅱ型5 例，Ⅳ型4 例，Ⅴ型7 例，Ⅵ型7 例(見表1)。

1.2 三維圖像的構(gòu)建及3D打印技術(shù) 所有患者行膝關(guān)節(jié)CT掃描檢查，構(gòu)建三維數(shù)字模型，由影像科專業(yè)人員將其DICOM數(shù)據(jù)輸入計算機中采用Mimics軟件進(jìn)行處理，然后將數(shù)據(jù)交由院外專業(yè)3D打印公司采用選擇性激光燒結(jié)技術(shù)按1︰1比例打印脛骨平臺骨折模型。打印機器為選擇性激光燒結(jié)設(shè)備Farsoon401，打印材料為用于激光燒結(jié)的尼龍粉末材料。模型打印時間一般需24 h。

1.3 手術(shù)方法

1.3.1 模擬手術(shù) 術(shù)前根據(jù)骨折影像學(xué)資料及3D可視模型對骨折重新進(jìn)行三柱分型(見表1)，準(zhǔn)確評估骨折塊的移位方向，關(guān)節(jié)面的塌陷部位，然后制定手術(shù)入路、體位及鋼板植入數(shù)量。按照手術(shù)方案在3D模型上對骨折塊進(jìn)行復(fù)位操作，鋼板的放置等模擬手術(shù)。

1.3.2 實際手術(shù) 按照術(shù)前制定手術(shù)方案進(jìn)行，術(shù)后行X線和CT三維重建檢查對骨折復(fù)位及關(guān)節(jié)面的平整度情況進(jìn)行評估。將術(shù)前設(shè)計手術(shù)方案和實際手術(shù)過程相比較，比較內(nèi)容包括手術(shù)入路、體位及鋼板放置，同時記錄實際手術(shù)所需的時間(見表2)。

2 結(jié) 果

23 例復(fù)雜脛骨平臺骨折術(shù)前均利用3D打印模型對骨折重新進(jìn)行三柱分型，而后制定手術(shù)方案，模擬操作手術(shù)步驟。23 例復(fù)雜脛骨平臺骨折按術(shù)前手術(shù)方案進(jìn)行手術(shù)，手術(shù)入路及鋼板數(shù)量均與術(shù)前方案一致，手術(shù)完成所需平均時間為80.5 min。術(shù)后CT顯示關(guān)節(jié)面解剖復(fù)位18 例，滿意復(fù)位5 例，沒有螺釘穿入關(guān)節(jié)腔。

2.1 骨折分型結(jié)果 除了Schatzker分型，本組病例均采用羅從風(fēng)等[4]提出的脛骨平臺骨折三柱分型予以重新分型，其中單柱骨折6 例，雙柱骨折13 例，三柱骨折4 例(見表1)。

表1 Schatzker分型與三柱骨折分型(例)

2.2 手術(shù)入路、體位及鋼板的選擇 前外側(cè)入路適用于外側(cè)柱骨折，后內(nèi)側(cè)入路用于內(nèi)側(cè)柱骨折，倒L形入路用于后側(cè)柱骨折。內(nèi)外側(cè)柱的骨折一般應(yīng)用前外+后內(nèi)聯(lián)合入路，涉及后柱的骨折采用前外側(cè)聯(lián)合后內(nèi)側(cè)或后側(cè)倒L形入路[5]。前外側(cè)采用高爾夫鎖定鋼板或LISS鋼板，內(nèi)側(cè)或后側(cè)采用3.5系統(tǒng)或4.5系統(tǒng)橈骨遠(yuǎn)端T形接骨板或重建接骨板。后側(cè)鋼板根據(jù)骨折形態(tài)放置在內(nèi)后側(cè)、外后側(cè)或者正后側(cè)[6]。對于采取前后聯(lián)合入路的患者采用漂浮體位，可減少術(shù)中再次消毒所帶來的風(fēng)險，詳細(xì)資料見表2。

表2 三柱分型指導(dǎo)手術(shù)入路、體位及鋼板放置

2.3 典型病例 43 歲女性患者，車禍傷致左膝部腫痛活動受限2 d。術(shù)前X線片及CT顯示骨折波及脛骨平臺外側(cè)、內(nèi)側(cè)及后側(cè)三柱(見圖1～2)。術(shù)前3D打印模型可全方位、立體的展現(xiàn)骨折移位的方向及程度(見圖3)。術(shù)后正側(cè)位X線片顯示骨折復(fù)位滿意，關(guān)節(jié)面平整(見圖4)。

3 討 論

復(fù)雜脛骨平臺骨折是高能量損傷所導(dǎo)致的，屬于脛骨近段的關(guān)節(jié)內(nèi)骨折。骨折粉碎，關(guān)節(jié)面嚴(yán)重毀損，同時可合并有不同程度的軟組織挫裂傷及半月板及韌帶的損傷，嚴(yán)重影響膝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性與運動。對于復(fù)雜脛骨平臺骨折，尤其是關(guān)節(jié)面塌陷的骨折，無論開放還是閉合，均應(yīng)進(jìn)行手術(shù)治療。脛骨平臺骨折復(fù)位滿意的三要素為脛骨平臺骨折的關(guān)節(jié)面達(dá)到解剖復(fù)位，塌陷骨折復(fù)位后的植骨和堅強的固定，以便術(shù)后獲得一個穩(wěn)定、對位良好、活動正常且無痛的膝關(guān)節(jié)，從而最大限度地減少膝關(guān)節(jié)創(chuàng)傷性關(guān)節(jié)炎的發(fā)生。

為了達(dá)到良好的手術(shù)效果，術(shù)前我們需要充分了解復(fù)雜脛骨平臺骨折的形態(tài)，準(zhǔn)確的對骨折進(jìn)行分型，從而制定正確的手術(shù)方案。Schatzker分型方法是目前被廣泛接受的脛骨平臺骨折分型，但是這種分型方法主要是基于骨折正位X線片，由于平臺的解剖特點，通常X線片不能反映出骨折的全部特征。張國柱等[7]報道以X線片為基礎(chǔ)的Schatzker分型結(jié)合CT檢查后更改率為22.1%。如僅采用Schatzker分型作為指導(dǎo)，在一些情況下臨床效果不好。張貴林等[8]總結(jié)復(fù)位不佳的原因，認(rèn)為沒有很好的理解骨折的臨床特征，錯誤的修復(fù)入路選擇導(dǎo)致了骨折復(fù)位的不滿意。三柱分型理論將脛骨平臺骨折分為零柱骨折、內(nèi)側(cè)柱骨折、外側(cè)柱骨折、后側(cè)柱骨折、雙柱骨折、三柱骨折，并強調(diào)對每柱骨折均需堅強固定，以利更方便、更有效地指導(dǎo)臨床治療[9]。三柱分型不是單獨的一種分型，而是對現(xiàn)有分型的一種補充。而三柱固定技術(shù)是一種治療復(fù)雜性脛骨平臺骨折的新概念[10]，尤其適用于伴有脛骨平臺后側(cè)柱骨折的多發(fā)骨折。本組病例中，一部分Schatzker Ⅳ型骨折在三維數(shù)字化模型中顯示僅累及后側(cè)柱，此時若采取常規(guī)入路將無法良好顯露及修復(fù)后側(cè)骨塊，而根據(jù)三柱分型，后內(nèi)側(cè)髁的劈裂壓縮骨折為后柱骨折，建議采用后內(nèi)側(cè)入路效果較好[11]。本組病例我們采用Schatzker分型，同時結(jié)合三柱分型來更好的指導(dǎo)手術(shù)入路、體位及鋼板的選擇。

圖1 術(shù)前正側(cè)位X線片示脛骨平臺骨折

圖2術(shù)前CT顯示骨折波及脛骨平臺外側(cè)、內(nèi)側(cè)及后側(cè)三柱

圖3 術(shù)前3D打印模型可全方位、立體的展現(xiàn)骨折移位的方向及程度

圖4 術(shù)后正側(cè)位X線片示骨折復(fù)位滿意，關(guān)節(jié)面平整

面對復(fù)雜脛骨平臺骨折，骨折醫(yī)生需要全面了解脛骨平臺三柱的骨折情況，3D打印的骨折模型有望成為一種最有效的工具。僅憑X線片很難對骨折的特征進(jìn)行全面的診斷分析[12]，多層螺旋CT的應(yīng)用對術(shù)前增進(jìn)骨折形態(tài)的了解起到了良好的推動作用[13]，但其缺點在于靜態(tài)化、平面圖像化。盡管現(xiàn)在已經(jīng)有學(xué)者在研發(fā)與骨折塊動態(tài)觀察和計算機模擬手術(shù)操作相關(guān)的軟件[14]，但仍停留在研發(fā)階段，且相關(guān)軟件和設(shè)備費用昂貴。而3D打印技術(shù)則可以實現(xiàn)骨折部位的真實重現(xiàn)，讓術(shù)者能夠在術(shù)前對骨折的分型有充分的理解，了解骨折塊間的位置關(guān)系，從而完成手術(shù)方案的模擬操作。我們在臨床工作中對復(fù)雜脛骨平臺骨折患者術(shù)前進(jìn)行CT三維重建檢查，然后由放射科專業(yè)技術(shù)人員在計算機上應(yīng)用Mimics軟件處理CT數(shù)據(jù)，將處理好的數(shù)據(jù)交由專業(yè)3D打印公司。應(yīng)用3D打印技術(shù)將患者脛骨平臺打印成1︰1仿真模型，真實還原了骨折的具體情況，有利于術(shù)者對骨折嚴(yán)重程度理解，同時也有利于醫(yī)患之間的溝通。借助3D打印模型，一方面能夠很好的了解骨折的具體情況并對骨折進(jìn)行分型，指導(dǎo)選擇合適的手術(shù)方案，初步確定術(shù)中可能存在的難點；另一方面可以在模型上進(jìn)行手術(shù)方案的模擬操作，結(jié)合骨折類型選擇手術(shù)入路，制定骨折的復(fù)位計劃及采用的內(nèi)固定方式，從而在實際手術(shù)過程中可以做到有條不紊的進(jìn)行骨折復(fù)位固定，術(shù)中還可以隨時參考模型，減少術(shù)中透視次數(shù)，縮短了手術(shù)時間，減少了不必要的手術(shù)創(chuàng)傷，在一定程度上提高了手術(shù)成功率和降低了手術(shù)并發(fā)癥發(fā)生率。

本組采用3D打印技術(shù)輔助治療的23 例脛骨平臺骨折，平均手術(shù)時間為80.5 min，術(shù)后無感染發(fā)生?；颊咝g(shù)中透視、術(shù)后X線檢查及三維CT掃描均顯示骨折復(fù)位滿意，關(guān)節(jié)面平整。但由于開展的病例數(shù)量及隨訪時間有限，該項輔助技術(shù)在降低術(shù)后并發(fā)癥、提高手術(shù)成功率等方面的具體作用仍需擴(kuò)大病例數(shù)及長期隨訪才能得出準(zhǔn)確結(jié)論。另外由于本院并未購置3D打印機，所有3D打印工作均由院外專業(yè)公司完成，完成模型打印的時間平均24 h，模型打印的價格偏高，平均價格在2 500元左右，增加了患者的支出，這或許是該項技術(shù)與傳統(tǒng)治療方法相比的不足之處。

總體而言，復(fù)雜脛骨平臺骨折治療對術(shù)者的技術(shù)要求高，術(shù)前計劃的正確制定對手術(shù)快速準(zhǔn)確的完成起著決定性作用。3D打印技術(shù)可明確脛骨平臺的三柱損傷，將骨折實體化呈現(xiàn)并允許對骨折塊進(jìn)行操作，從而大大縮短了手術(shù)時間，可作為術(shù)前準(zhǔn)備的常規(guī)項目。

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Clinical Application of 3D Printing Technology in the Treatment of Complex Tibial Plateau Fracture

Wang Xinwen，Zhang Kun，Zhu Yangjun，etal

(Departmen of Orthopedic Trauma，Honghui Hospital，Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710054，China)

Objective To explore the feasibility and clinical value of three-dimension (3D) printing technology in the treatment of complex tibial plateau fracture.Methods Spiral CT scan was performed in patients with complex tibial plateau fracture.DICOM data were imported into Mimics software.The 3D printing technology was used to print the fracture models.The reclassilifcation was performed on the basis of three-dimensional measurements.According to 3D printing models，we decided the surgical approach and position，the reducted of fractures and choose the internal fixation.Results Reconstructed 3D printing models of complex tibial plateau fracture could show the characteristics of fracture accurately，help doctors to reclassify the fracture from the three-column，and decide preoperative plan in the tibial plateau fracture.Conclusion The 3D printing technology is helpful for the treatment of complex tibial plateau fracture，which should be a conventional step in the management of complex tibial plateau fracture.

3D printing；tibial plateau fracture；surigical stimulation

1008-5572(2015)10-0887-04

R683.42

B

2015-07-15

王欣文(1983- )，男，主治醫(yī)師，西安交通大學(xué)附屬紅會醫(yī)院創(chuàng)傷骨科，710054。