3D打印技術在肘關節(jié)骨折治療中的應用

馬旭鄔波*柳椰劉素媛譚成波楊政博王譯晗王佳媛

（1.沈陽市骨科醫(yī)院骨科研究所病房；2.遼寧省創(chuàng)傷性骨關節(jié)病重點實驗室，沈陽110044）

3D打印技術在肘關節(jié)骨折治療中的應用

馬旭1,2鄔波1,2*柳椰1,2劉素媛2譚成波1楊政博1王譯晗2王佳媛2

（1.沈陽市骨科醫(yī)院骨科研究所病房；2.遼寧省創(chuàng)傷性骨關節(jié)病重點實驗室，沈陽110044）

背景：當肘關節(jié)出現(xiàn)肱骨髁間粉碎性骨折或尺骨鷹嘴粉碎性骨折等復雜骨折時，骨折碎塊隱蔽分布于關節(jié)附近的韌帶、關節(jié)囊中，手術治療難度大，不易復位。目的：探討3D打印實體模型應用于肘關節(jié)骨折疾病中的臨床效果。方法：選擇我院2014年10月至2015年10月收治的患有肱骨髁間粉碎性骨折、尺骨鷹嘴粉碎性骨折、肱骨髁間粉碎性骨折合并尺骨鷹嘴粉碎性骨折需行肘關節(jié)骨折手術的患者42例，隨機分為實體模型組（16例）和對照組（26例）。實體模型組術前采集CT掃描數(shù)據(jù)，并通過3D打印機制作患者患處實體模型。對照組使用傳統(tǒng)方法進行手術操作。對兩組患者術前、術后3個月進行Mayo標準評分；記錄所有病例手術時間、術中失血量；比較兩組關節(jié)活動度及骨折愈合時間。結果：實體模型組手術前后Mayo肘關節(jié)評分分別為（42.6±6.7）分和（96.2±3.8）分。對照組手術前后Mayo肘關節(jié)評分分別為（44.3±5.5）分和（91.1±4.3）分。兩組術后Mayo肘關節(jié)評分均較術前顯著提高，且術后實體模型組的Mayo肘關節(jié)評分顯著高于對照組（P＜0.05）。術后實體模型組的優(yōu)良率較對照組亦有所提高（P＜0.05）。實體模型組平均手術時間和術中失血量均顯著少于對照組（P＜0.05）。實體模型組關節(jié)活動范圍明顯大于對照組（P＜0.05），但兩組骨折愈合時間未見明顯差異（P＞0.05）。結論：在肘關節(jié)骨折疾病的治療中應用3D打印實體模型，可以取得更好的臨床療效。

3D打印技術；實體模型；肘關節(jié)骨折

肘關節(jié)骨折在臨床上較為常見，其發(fā)生率約占全部骨折的14%。由于其解剖結構特殊，上下關節(jié)面的接觸弧度大，術后很容易受到限制，發(fā)生骨性活動障礙[1]。這要求術者對骨折情況有充足的了解，因此，肘關節(jié)骨折的術前評估及分型是選擇手術方案的基礎。3D打印技術可以幫助醫(yī)師了解患者骨折的程度、類型及各個骨折塊的移位情況，做出明確的術前診斷，為術中的骨折復位提供依據(jù)。另外，可通過嘗試不同手術方法進行術前模擬，進一步調整手術方案，制定出個體化的操作方法，使手術操作更為精準。

1 資料與方法

1.1 臨床資料

選擇我院2014年10月至2015年10月收治的42例肘關節(jié)骨折患者作為研究對象，所有患者均經(jīng)我院倫理委員會批準并遵循自愿的原則入選。納入標準：①符合嚴重的肱骨髁間粉碎性骨折、尺骨鷹嘴粉碎性骨折及二者合并骨折等復雜肘關節(jié)骨折診斷標準；②受傷至手術時間小于3周；③無心肺功能障礙等明顯手術禁忌證。排除標準：①不符合診斷及納入標準者；②合并嚴重器質性疾病者；③隨訪資料不完整或不配合治療的患者。

根據(jù)患者是否自愿行3D打印模型進行分組。實體模型組：利用3D打印患處實體模型進行術前評估及術前模擬手術操作。對照組：使用傳統(tǒng)方法進行手術操作。實體模型組16例，男10例，女6例，年齡21～61歲，平均（34.8±16.5）歲。其中9例為肱骨髁間粉碎性骨折，4例為尺骨鷹嘴粉碎性骨折，3例為肱骨髁間粉碎性骨折合并尺骨鷹嘴粉碎性骨折。對照組26例，男14例，女12例，年齡24～67歲，平均（37.4± 13.2）歲。其中13例為肱骨髁間粉碎性骨折，7例為尺骨鷹嘴粉碎性骨折，6例為肱骨髁間粉碎性骨折合并尺骨鷹嘴粉碎性骨折。兩組在年齡、性別、骨折部位等方面無統(tǒng)計學差異（P＞0.05），具有可比性。

1.2 肘關節(jié) 3 D打印實體模型的制備

手術實施前，對患者肘關節(jié)行64排螺旋CT連續(xù)掃描，掃描條件：電壓120 kV、電流150 mA、層厚0.625 mm、矩陣512×512。將CT連續(xù)掃描數(shù)據(jù)以“DICOM”格式保存，導入三維重建軟件Mimics，對Mimics斷層圖像編輯完成后，運用Mimics軟件的動態(tài)區(qū)域生成功能初步建立患者膝關節(jié)的三維模型（圖1A），于Mimics上對患者骨折處模擬復位（圖1B～D），處理完畢后模型以STL文件格式輸出。利用CatalystEX軟件將STL文件輸出轉化為三維模型打印指令（包括支撐結構），以引導打印頭，從下到上逐層打印三維模型及其支撐材料。從工作艙中取出打印好的模型（圖1E），從成型板上取下，溶解支撐材料。

1.3 手術操作的精細化（以肱骨髁間粉碎性骨折為例）

術前對比3D實體模型，通過手術團隊之間的交流溝通，行術前評估及術前模擬手術操作，骨折端復位，預彎接骨板，制定出手術方案。麻醉后，患者側臥位。自肘上沿后側正中縱行切口，直至鷹嘴下逐層切開，首先在肘后內(nèi)側找出尺神經(jīng)，分離并牽引向內(nèi)，橡皮條保護，顯露肱尺關節(jié)后側關節(jié)囊，切開關節(jié)囊后找到半月形切跡的裸區(qū)，行尺骨鷹嘴“V”形截骨，尖端朝向上肢遠端，將鷹嘴尖端連同三頭肌向近側掀起，顯露折端，術中見肱骨髁部骨質斷裂，可見多處骨折線及骨折碎塊，肘關節(jié)失去正常對位關系，肱骨外髁向外側翻轉。清理折端，依據(jù)3D實體模型骨折情況，試行復位滿意后，大量慶大霉素生理鹽水脈沖加壓沖洗折端周圍組織。用兩根克氏針交叉固定折端，肱骨遠端后外側用后外側鎖定接骨板固定，肱骨遠端內(nèi)側用內(nèi)側鎖定接骨板固定。確認骨折復位及內(nèi)固定確實有效。將肘關節(jié)復位后，用兩枚克氏針及張力帶鋼絲固定尺骨鷹嘴。將尺神經(jīng)前置，與內(nèi)固定接骨板之間用肌肉與筋膜組織分隔，逐層縫合，關閉切口。

1.4 隨訪計劃及評價指標

術前、術后3個月按Mayo標準評分評價肘關節(jié)功能，并測量肘關節(jié)活動度。肘關節(jié)功能評分≥90分為優(yōu)，75～89分為良，60～74分為中，＜60分為差；關節(jié)活動范圍可通過量角器測量得到。記錄所有病例手術時間、術中失血量。術后影像學觀察比較兩組骨折愈合時間。

1.5 統(tǒng)計學方法

采用SPSS 19.0軟件進行統(tǒng)計學分析，計量資料以均數(shù)±標準差表示，組間比較采用t檢驗，P＜0.05為有統(tǒng)計學差異。

2 結果

全部患者均成功實施肘關節(jié)骨折復位手術，圍手術期未出現(xiàn)嚴重并發(fā)癥，所有患者傷口均愈合良好。術后隨訪未出現(xiàn)關節(jié)感染跡象。

2.1 Mayo肘關節(jié)評分

術前對照組及實體模型組Mayo肘關節(jié)評分差異無統(tǒng)計學意義（P＞0.05）；術后3個月，兩組Mayo肘關節(jié)評分較術前均有明顯改善，屈伸活動功能好，疼痛減弱，均有統(tǒng)計學差異（P＜0.05）；術后實體模型組較對照組Mayo肘關節(jié)評分改善更為明顯，優(yōu)良率高于對照組（P＜0.05，表1）。

2.2 相關指標評價

兩組切口均愈合良好。實體模型組平均手術時間和術中失血量均少于對照組（P＜0.05，表2）。

2.3 療效評價

本組患者均獲得至少3個月隨訪。實體模型組關節(jié)活動范圍明顯大于對照組，均有統(tǒng)計學意義（P＜0.05，表3），但兩組骨折愈合時間未見明顯差異。兩組患者均無感染、肘關節(jié)不穩(wěn)等并發(fā)癥發(fā)生（圖1F、G）。

圖1 典型病例

表 1 兩組手術前后Mayo肘關節(jié)評分及優(yōu)良率比較

表 1 兩組手術前后Mayo肘關節(jié)評分及優(yōu)良率比較

與術前比較△P＜0.05；與對照組比較▲P＜0.05

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表 2 兩組手術時間、術中失血量的比較

表 2 兩組手術時間、術中失血量的比較

與對照組比較，△P＜0.05

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表 3 兩組肘關節(jié)活動度、骨折愈合時間的比較（

表 3 兩組肘關節(jié)活動度、骨折愈合時間的比較（

與對照組比較，△P＜0.05

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3 討論

肘關節(jié)屬于人類機體中穩(wěn)定性極強的一類關節(jié)，有著復雜的骨性結構及軟組織結構，是機體中易受創(chuàng)傷的部位[2,3]。當肘關節(jié)出現(xiàn)肱骨髁間粉碎性骨折或尺骨鷹嘴粉碎性骨折等復雜骨折時，維持肘關節(jié)穩(wěn)定的骨和關節(jié)附近韌帶、關節(jié)囊等遭受損傷，骨折塊呈不規(guī)則狀隱蔽分布且大部分較為碎小，使得治療難度極大提升[4-6]。在傳統(tǒng)手術過程中，在很大程度上不能使骨折部位完全的復位，造成整個關節(jié)面的不平整，進而影響到整個關節(jié)的功能[7]。3D打印技術則可以實現(xiàn)骨折部位的真實重現(xiàn)，使術者在術前對骨折的分型有充分的理解，熟悉骨折塊固有位置，于術前進行模擬操作，方便術者實現(xiàn)術中更快、更精準的復位固定[8]。

3D打印技術是基于物體三維數(shù)字模型，采取逐層加工、疊加成形方式的制作工藝[9]。近年來，該技術已廣泛應用于臨床醫(yī)學領域尤其是骨病的治療中。隨著影像學和數(shù)字化醫(yī)學的快速發(fā)展，個體化、精確化是骨科發(fā)展的一個重要方向，3D打印技術作為數(shù)字化技術的集中體現(xiàn)，是實現(xiàn)各種骨科手術個體化、精確化的有效手段[10-12]。其在骨科臨床應用領域主要包括：①3D打印患者實體模型進行術前評估及分型并模擬手術操作[13]；②個性化定制3D打印術中導航模板，輔助手術操作[14]；③內(nèi)置物的制作等方面[15]。

本研究數(shù)據(jù)顯示，應用3D打印實體模型后與對照組相比，術中失血量及手術時間均降低，提示應用3D打印實體模型可減少患者關節(jié)損傷，及對皮膚的血供破壞，并極大程度地降低了感染的發(fā)生率，且3D打印實體模型幫助術者于術前模擬骨折復位，在術中得到精確的實施，可明顯縮短手術時間，進一步減少術中出血及麻醉藥物的使用。術后3個月，實體模型組較對照組Mayo肘關節(jié)評分改善更為明顯，關節(jié)活動范圍增大，提示應用3D打印實體模型可提高患者術后屈伸活動功能，減弱疼痛，使患者得到穩(wěn)定的肱骨遠端骨性三角區(qū)解剖結構。綜合以上數(shù)據(jù)，制作3D打印實體模型，避免了骨折塊丟失，關節(jié)面不平造成的畸形，減少手術創(chuàng)傷，縮短手術時間，提高患者滿意度。

本研究具有一定的局限性，應用3D打印實體模型可輔助術前進行術前評估及模擬操作，但不能應用于術中輔助接骨，仍有待進一步完善。根據(jù)本研究結果的提示，將進一步對其改善，先于三維空間模擬復位，再根據(jù)實物模型設計內(nèi)固定材料，“量身定制”個體化數(shù)字解剖鎖定接骨板輔助術中操作，從而實現(xiàn)為每位患者的個性化治療。

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Application off 3D printing technology in elbow fracture

MAXu1,2,WU Bo1,2*,LIU Ye1,2,LIU Suyuan2,TAN Chengbo1,YANG Zhengbo1,WANG Yihan2,WANG Jiayuan2

(1.The Ward of Orthopaedics,Institute of Shenyang Orthopaedic Hospital;2.Liaoning Traumatic Osteoarthropathy Key Laboratory,Shenyang 110044,China)

【Absttrraactt】Background::When humeral condylar comminuted fracture or comminuted olecranon fracture at elbow happens, the fracture fragments are snugly distributed in ligaments and capsules,which will increase the difficulties of surgical treatment and restoration.Objecttiivee::To explore the clinical efficacy of 3D printing entity model in elbow fracture.Methodss::Forty-two patients who suffered from humeral condylar comminuted fracture,comminuted olecranon fractures,or humeral condylar comminuted fracture combined with comminuted olecranon fractures and underwent surgical treatment in our hospital between October 2014 and October 2015 were randomly divided into two groups:entity model group(n=16)and control group(n=26).Before surgery,the entity model was printed out based on CT scan results in entity model group.Conventional surgical operation was performed in control group.The Mayo score was assessed before operation and 3 months after operation.The operation time,intraoperative blood loss and the range of motion of elbow joint,fracture healing time were compared between the two groups.Resullttss::The Mayo score was 42.6±6.7 and 96.2±3.8 before and after surgery in the entity model group.The Mayo score was 44.3±5.5 and 91.1±4.3 before and after surgery in the control group.Postoperative Mayo score was significantly higher than preoperative one in both groups(P＜0.05).The Mayo score and excellent rate of treatment in the entity model group were significantly higher than those in the control group(P＜0.05).The operation time and intraoperative blood loss in the entity model group were significantly less than those in the control group(P＜0.05).The range of motion of elbow joint in the entity model group was significantly greater than that in the control group(P＜0.05), but no significant difference was found in the fracture healing time between the two groups(P＞0.05).Conclusiionss::3D Printing entity model plays a good role in complex elbow fracture.

3D Printing Technology;Entity Model;Elbow Fracture

2095-9958（2017）06-0 228-04

10.3969/j.issn.2095-9958.2017.03-12

*通信作者：鄔波，E-mail：wabc967@126.com