3D打印技術(shù)在復(fù)雜骨折治療中的作用研究

潘德悅，李學(xué)良，石 峰，姜向東，趙文志

(大連醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院 創(chuàng)傷骨科，遼寧 大連 116027)

論 著 doi:10.11724/jdmu.2016.06.14

3D打印技術(shù)在復(fù)雜骨折治療中的作用研究

潘德悅，李學(xué)良，石 峰，姜向東，趙文志

(大連醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院 創(chuàng)傷骨科，遼寧 大連 116027)

目的 探討3D打印技術(shù)在復(fù)雜骨折個性化治療中的作用。方法 將1例髖臼骨折、1例踝關(guān)節(jié)骨折患者骨折處，經(jīng)CT掃描得到dicom格式數(shù)據(jù)，Mimics軟件處理后，3D 打印機(jī)打印成1∶1骨折模型，進(jìn)行模型上復(fù)位與固定預(yù)演，并按照術(shù)前預(yù)演目標(biāo)進(jìn)行手術(shù)。結(jié)果 術(shù)后骨折得到滿意復(fù)位及有效固定，與術(shù)前手術(shù)預(yù)演基本吻合，患者無血管和神經(jīng)損傷等并發(fā)癥發(fā)生。結(jié)論 3D打印技術(shù)在復(fù)雜性骨折手術(shù)治療中可延展術(shù)前設(shè)計(jì)、精準(zhǔn)手術(shù)過程、縮短手術(shù)時(shí)間、并減少并發(fā)癥的發(fā)生。

3D打?。粡?fù)雜骨折；內(nèi)固定

3D打印(3D printing)，也稱快速成型(rapid prototyping)技術(shù)，是基于粉末狀粘合材料累加原理的增材制造技術(shù)。近年來，3D打印技術(shù)廣泛應(yīng)用于工業(yè)各種零部件甚至整體機(jī)械的制造，在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越多[1]。隨著現(xiàn)代交通業(yè)、建筑業(yè)的發(fā)展，復(fù)雜骨折患者明顯增多，如何針對每一個外傷患者“量體裁衣”，設(shè)計(jì)最佳手術(shù)方案，以減少手術(shù)時(shí)間及對患者創(chuàng)傷，達(dá)到“個性化、精準(zhǔn)化”治療，是一個巨大的挑戰(zhàn)。3D打印技術(shù)的到來，很好地解決了這個難題。

大連醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院骨科自2014年開始應(yīng)用3D打印技術(shù)輔助手術(shù)治療，應(yīng)用于骨盆骨折5例，踝關(guān)節(jié)骨折4例，脛骨平臺骨折4例，其他部位共5例。本研究回顧性分析了本院收治的2例復(fù)雜骨折的患者，1例為高處墜落傷致髖臼骨折，1例因車禍傷致Pilon骨折。骨折均關(guān)節(jié)面粉碎嚴(yán)重，為更好的設(shè)計(jì)手術(shù)方案，減輕患者的創(chuàng)傷，3D打印了骨折模型，在3D打印模型上預(yù)復(fù)位及內(nèi)固定，取得了良好的效果。

1 資料與方法

1.1 一般資料

病例1：患者，男，58歲，從2米高處墜落致髖部疼痛、腫脹、活動受限于2016年6月就診，入院查體：右髖部腫脹，未見明顯瘀斑，右髖部壓痛、叩痛，右髖關(guān)節(jié)活動受限，骨盆擠壓分離實(shí)驗(yàn)(+)，右下肢短縮2.0 cm。X線示：右側(cè)髖臼骨折，右髂骨骨折，右恥骨骨折(圖1)。診斷：右髖臼骨折(雙柱骨折—Judet-Letournel分類；C3型—AO分類)。入院后監(jiān)測血液動力學(xué)穩(wěn)定，予以右下肢股骨髁上骨牽引，完善CT檢查及術(shù)前準(zhǔn)備。

圖1 病例1骨盆正位片F(xiàn)ig 1 Pelvic frontal photograph of case 1

病例2：患者，男，59歲，因“車禍傷致左小腿畸形、腫痛伴活動受限3周”于2016年2月轉(zhuǎn)入本院，外院X線：左脛腓骨遠(yuǎn)端粉碎性骨折，予以牽引治療3周后轉(zhuǎn)入本院。查體：左小腿輕度腫脹，前側(cè)可見片狀皮膚擦傷，局部無明顯滲出，左踝腫脹明顯，外踝可見3.0 cm×4.0 cm皮膚破潰，表面少量膿性滲出，左跟部可見牽引針，針道無明顯滲出，左踝廣泛壓痛，左踝關(guān)節(jié)屈伸活動因痛受限，左足背動脈搏動可觸及，左下肢觸痛覺無減退。診斷：左Pilon骨折(Rüedi和Allg?wer分型 Ⅲ型；AO分型C3型)、左外踝開放性骨折(AO分型 C1型)(圖2) 左外踝軟組織感染 左脛前皮膚擦傷。入院后予以預(yù)防血栓、抗感染、骨牽引治療，待外踝創(chuàng)面結(jié)痂干燥后，行手術(shù)治療。

圖2 病例2 X線片F(xiàn)ig 2 Radiograph of case 2A：正位片；B：側(cè)位片

1.2 三維數(shù)據(jù)采集

將患者骨盆部位進(jìn)行1 mm薄層CT(西門子64層螺旋CT)掃描，保存為DICOM格式，導(dǎo)入Mimics軟件進(jìn)行三維編輯，將編輯后的骨折模型輸入3D打印機(jī)實(shí)施打印，打印出患者1∶1比例的仿真骨折模型。見圖3。

圖3 CT重建和3D打印模型Fig 3 3D CT and 3D printing modelA、B: 病例1；C、D: 病例2

1.3 手術(shù)計(jì)劃

在模型上進(jìn)行模擬手術(shù)，并將接骨板進(jìn)行預(yù)彎，決定最佳的接骨板位置、大小以及螺釘位置、方向、數(shù)量，并作記錄，同時(shí)向患者及家屬講解。

1.4 手術(shù)經(jīng)過

病例1：全身麻醉后，患者仰臥位，術(shù)區(qū)消毒，取右髂窩入路，逐層切開，牽開髂腰肌，沿肌間隙進(jìn)入骶髂關(guān)節(jié)，見髂骨自外上方至髖臼骨折線，骨折分離移位，右下肢牽引，依據(jù)預(yù)演練方式，頂棒輔助手法復(fù)位后柱骨折，1枚克氏針臨時(shí)固定，置入接骨板及螺釘。再取Stoppa入路，自腹正中臍下5 cm至恥骨聯(lián)合上切口，自腹白線切開，牽開腹外斜肌及腹直肌，保護(hù)并牽開腹腔臟器，探及并結(jié)扎“死亡之冠”，于四面體處觸及骨折線，下肢牽引狀態(tài)下，復(fù)位鉗復(fù)位髖臼前柱骨折，2枚克氏針臨時(shí)固定，置入2塊接骨板，螺釘固定。檢查髖關(guān)節(jié)活動度良好，內(nèi)固定位置滿意后，充分止血，沖洗，縫合。

病例2：全身麻醉后，患者仰臥位，左下肢消毒、鋪單，氣壓止血帶止血，壓力50 kPa，清除外踝痂皮，取外踝外側(cè)約8 cm切口，暴露骨折端，復(fù)位骨折塊，恢復(fù)外踝長度及外展角，自遠(yuǎn)端1枚骨圓針?biāo)鑳?nèi)固定。再取踝關(guān)節(jié)前內(nèi)側(cè)切口，長15 cm，暴露骨折端，分別復(fù)位后側(cè)、前側(cè)、內(nèi)側(cè)骨塊，取自體髂骨填充骨缺損，內(nèi)外側(cè)各放置1枚鎖定接骨板固定。C臂透視見骨折復(fù)位滿意，下脛腓聯(lián)合分離，查Hook試驗(yàn)(+)，復(fù)位下脛腓聯(lián)合，由腓骨向脛骨置入1枚皮質(zhì)骨螺釘固定。因外踝痂皮揭除后皮膚缺損，縫合后以VSD覆蓋外踝創(chuàng)面。

2 結(jié) 果

病例1手術(shù)時(shí)間2 h 30 min，術(shù)中出血約1000 mL，輸血6 U、血漿640 mL。術(shù)中發(fā)現(xiàn)術(shù)前預(yù)折彎鋼板與復(fù)位后骨盆貼附欠佳，再次折彎后貼附良好。術(shù)后予以常規(guī)預(yù)防血栓等治療，臥床功能鍛煉。術(shù)后影像(圖4)評估內(nèi)固定情況與術(shù)前模擬基本一致，未見螺釘突入關(guān)節(jié)。術(shù)后無血管神經(jīng)損傷表現(xiàn)，切口愈合良好，患側(cè)髖關(guān)節(jié)活動無受限。術(shù)后隨訪4個月，已臨床愈合。

圖4 病例1術(shù)后X線Fig 4 Post operation of case 1

病例2手術(shù)時(shí)間3 h 30 min，術(shù)中出血約200 mL。術(shù)后予以常規(guī)預(yù)防血栓等治療，無負(fù)重功能鍛煉。術(shù)后影像(圖5)評估內(nèi)固定情況與術(shù)前模擬基本一致。術(shù)后無血管神經(jīng)損傷表現(xiàn)，內(nèi)踝切口愈合良好，外踝VSD放置2周后創(chuàng)面愈合，患側(cè)踝關(guān)節(jié)活動度良好。術(shù)后3個月取出下脛腓聯(lián)合螺釘，隨訪6個月，骨折已臨床愈合。

圖5 病例2術(shù)后X線Fig 5 Post operation of case 2

3D打印模型預(yù)演手術(shù)治療患者，均較普通手術(shù)治療患者(同一骨折分型、同一術(shù)者)手術(shù)時(shí)間均明顯縮短，切口長度普遍減小?；颊咝g(shù)中、術(shù)后均未見明確血管、神經(jīng)損傷。

3 討 論

3D打印技術(shù)是一項(xiàng)“成名已久”的技術(shù)，目前在工業(yè)上的應(yīng)用已臻成熟，但在醫(yī)學(xué)上，尤其是骨科領(lǐng)域的應(yīng)用，正方興未艾。Hurson等[2]于2007年報(bào)道對20例髖臼骨折依據(jù)CT數(shù)據(jù)獲得3D打印模型，與傳統(tǒng)的影像學(xué)檢查(骨盆正位、CT)相比，依據(jù)三維模型進(jìn)行髖臼骨折分型時(shí)一致性明顯升高。在國內(nèi)，積水潭醫(yī)院吳新寶教授[3]將3D打印技術(shù)應(yīng)用于陳舊性骨盆骨折的治療，取得了顯著療效。不僅如此，3D打印的內(nèi)置物應(yīng)用于骨折、關(guān)節(jié)置換、骨腫瘤領(lǐng)域，也被紛紛報(bào)道，但目前尚未廣泛應(yīng)用。

本例髖臼骨折患者，常規(guī)手術(shù)入路為“髂腹股溝入路”。但髂腹股溝入路存在一定的缺陷：創(chuàng)傷大，操作復(fù)雜，需要多窗口顯露；神經(jīng)血管損傷幾率高(如股神經(jīng)、坐骨神經(jīng)、股外側(cè)皮神經(jīng)、“死亡之冠”)；鋼板塑形困難；對四邊體暴露困難。近年來，越來越多的創(chuàng)傷科醫(yī)生提倡“Stoppa入路”，獲益于：暴露容易、可直視整個前柱，尤其四邊體、可直接處理死亡之冠、可直視并達(dá)到后柱、可以重建鋼板周定并支撐四邊體[4]。本例患者合并髂骨骨折，故增加髂窩切口，以輔助復(fù)位、有效固定。

本例髖臼骨折患者術(shù)中使用預(yù)彎接骨板固定時(shí)，發(fā)現(xiàn)接骨板與骨盆不貼附現(xiàn)象，術(shù)后分析，存在以下可能：3D打印技術(shù)依靠CT掃描的數(shù)據(jù)，而CT掃描的精度可能影響接骨板塑形；術(shù)前設(shè)計(jì)僅針對骨性骨盆，而實(shí)際上骨盆由筋膜、肌肉等軟組織覆蓋；因切口暴露原因，術(shù)中接骨板放置位置與術(shù)前設(shè)計(jì)置入點(diǎn)可能有偏差。

對于3D打印技術(shù)的使用，作者認(rèn)為有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)3D打印技術(shù)可以制作出骨折部位模型，讓術(shù)者更直觀的了解骨折形態(tài)；(2)以前的術(shù)前規(guī)劃是在影像片子(二維)上完成，而3D打印可以三維立體的制定手術(shù)方案，進(jìn)行逼真的術(shù)前模擬。術(shù)者可嘗試不同的復(fù)位及固定方法，從而選擇最佳的個體化手術(shù)方案，減少術(shù)中失誤，向個體化治療更加邁進(jìn)一步；(3)可增加團(tuán)隊(duì)默契，使助手明確術(shù)者思路，更好地輔助手術(shù)；(4)可提前對內(nèi)置物塑形，可測量內(nèi)置物的大小及螺釘?shù)拈L度；(5)可制作內(nèi)固定手術(shù)導(dǎo)向模版，以增加螺釘準(zhǔn)確性，減少術(shù)中透視及患者創(chuàng)傷；(6)如有必要，還可通過3D打印模型向患者詳細(xì)介紹病情及治療經(jīng)過。

3D打印技術(shù)作為個體化治療、精準(zhǔn)化手術(shù)的體現(xiàn)，成為了一種“時(shí)髦”的輔助治療放置。但是3D打印技術(shù)也不是十全十美的，在作者看來，之所以3D打印技術(shù)還未普及到各大醫(yī)院，是因?yàn)樗嬖谝欢ǖ南拗疲?1)3D打印機(jī)比較昂貴，一般醫(yī)療單位很難有條件購置，而且還需額外培養(yǎng)一名技術(shù)人員；(2)即使可以與其他單位合作，也需要一定的費(fèi)用，單純一個骨盆模型，就需要將近3000元，一般經(jīng)濟(jì)條件的患者承受不起；(3)3D打印模型無法顯示神經(jīng)、血管、肌腱等重要組織器官，所以設(shè)計(jì)方案與實(shí)際方案難以100%匹配，如本髖臼骨折病例；(4)因3D打印技術(shù)人員大多非醫(yī)學(xué)專業(yè)，需多次溝通修改，才能打印出骨折醫(yī)師滿意的作品；(5)對于簡單骨折及長管骨骨折作用不顯著。

盡管如此，隨著科技的發(fā)展以及對3D打印的進(jìn)一步應(yīng)用，相信上述這些問題都會得到很好的解決?？蒲腥藛T與骨科醫(yī)生們共同努力下，已經(jīng)實(shí)踐或正在設(shè)計(jì)著3D打印應(yīng)用的更多領(lǐng)域，如：3D打印的內(nèi)固定器械、支架、填充材料、人工皮膚、骨細(xì)胞等[5-6]。

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[6] 鮑立杰,張志平,吳培斌. 3D打印技術(shù)在骨科的研究及應(yīng)用進(jìn)展[J].中國矯形外科雜志,2015,23(4):325-327.

Primary application of 3D printing technology in the treatment of complex fractures

PAN De-yue, LI Xue-liang, SHI Feng, JIANG Xiang-dong, ZHAO Wen-zhi

(TraumaDepartmentofOrthopedics，theSecondAffiliatedHospitalofDalianMedicalUniversity,Dalian116027,China)

Objective To explore the role of 3D printing technology in the individualized treatment of complex fractures. Methods The study included 1 case of acetabular fracture and 1 cases of ankle fracture. CT scan was used to obtain DICOM data. After processed by Mimics software, 3D printer was used to print 1∶1 model, preview model reduction and fixation. Operation was performed according to preoperative rehearsal. Results Fractures received satisfactory reduction and fixation, and preoperative surgical rehearsal are basically consistent, with no blood vessel and nerve damage and other complications. Conclusion 3D printing technology in complex fracture can extend preoperative design, precise operation, shorten operation time, intuit the degree of communicate, and reduce the occurrence of complications. Thus, it has more practical clinical significance in surgical treatment.

3D printing; complex fracture;internal fixation

潘德悅(1987-)，男，遼寧大連人，醫(yī)師。E-mail：yuedepan@163.com

李學(xué)良，主任醫(yī)師。E-mail：lixueliang0000@126.com

R687.1

A

1671-7295(2016)06-0579-04

潘德悅，李學(xué)良，石峰，等.3D打印技術(shù)在復(fù)雜骨折治療中的作用研究[J].大連醫(yī)科大學(xué)學(xué)報(bào)，2016,38(6)：579-582.

2016-09-07；

2016-11-10)