3D打印技術(shù)在復(fù)雜髖臼骨折手術(shù)中的應(yīng)用

邱宇辰，莊懷偉，馬雅昌，閆 石，韓 棟，苗 偉，張擎柱

(1.承德醫(yī)學(xué)院 研究生學(xué)院，河北 承德 067000；2.承德醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院 創(chuàng)傷骨科，河北 承德 067000)

邱宇辰(1990-)，男，碩士研究生。E-mail：1039186207@qq.com

閆 石，主任醫(yī)師。E-mail: yanshi1967@163.com

論著

10.11724/jdmu.2017.05.15

3D打印技術(shù)在復(fù)雜髖臼骨折手術(shù)中的應(yīng)用

邱宇辰1，莊懷偉1，馬雅昌1，閆 石2，韓 棟1，苗 偉1，張擎柱2

(1.承德醫(yī)學(xué)院 研究生學(xué)院，河北 承德 067000；2.承德醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院 創(chuàng)傷骨科，河北 承德 067000)

目的探討3D打印技術(shù)應(yīng)用于復(fù)雜髖臼骨折手術(shù)治療中的可行性和臨床價(jià)值。方法回顧性分析承德醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院創(chuàng)傷骨科2015年8月至2017年1月行手術(shù)治療的復(fù)雜髖臼骨折35例患者的臨床資料。其中10例患者采用3D打印技術(shù)制定手術(shù)方案，男8例，女2例，平均年齡(43.0±12.9)歲，均于術(shù)前模擬骨折的復(fù)位及固定過程。25例患者采取常規(guī)手術(shù)治療，男21例，女4例；平均年齡(45.5±12.8)歲。記錄兩組的手術(shù)時(shí)間、術(shù)中失血量、術(shù)中C型臂透視次數(shù)，同時(shí)記錄圍手術(shù)期輸血量、術(shù)后引流量，并使用Matta評分對兩組手術(shù)復(fù)位滿意程度進(jìn)行比較。結(jié)果10例患者手術(shù)與術(shù)前計(jì)劃一致，3D組和常規(guī)組手術(shù)時(shí)間平均分別為(177.0±51.2)min、(234.0±72.5)min，術(shù)中失血量平均分別為(1150.0±250.6)mL、(1528.0±399.5)mL，圍手術(shù)期輸血量平均為(880.0±214.9)mL、(1328.8±642.6)mL，術(shù)中透視次數(shù)平均為(8.8±2.1)次、(11.4±3.1)次，以上項(xiàng)目兩組間比較差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(均P<0.05)。術(shù)區(qū)引流量平均為(329.0±111.7)mL、(394.4±267.3)mL，采用Matta評分結(jié)果：優(yōu)良率分別為70%(7/10)、72%(18/25)，兩組間比較差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。結(jié)論3D打印技術(shù)應(yīng)用于復(fù)雜髖臼骨折的治療臨床可行性良好，有助于術(shù)者制定詳細(xì)的術(shù)前計(jì)劃，縮短手術(shù)時(shí)間，減少失血量，提高圍手術(shù)期安全性。

3D打印技術(shù)；髖臼；骨折；內(nèi)固定

骨盆和髖臼的解剖結(jié)構(gòu)已經(jīng)得到廣泛的研究，但是骨盆的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，準(zhǔn)確地識(shí)別各種骨折類型對很多骨科醫(yī)生來說仍然很困難。當(dāng)發(fā)生骨盆骨折，特別是當(dāng)髖臼受累時(shí)，選擇正確的手術(shù)入路以及將骨折塊進(jìn)行解剖復(fù)位是手術(shù)的關(guān)鍵。充分的術(shù)前計(jì)劃對于取得良好的臨床效果至關(guān)重要。

術(shù)前利用3D打印技術(shù)建立等比例骨折塊模型，能更準(zhǔn)確更有效的進(jìn)行術(shù)前診斷，同時(shí)術(shù)前可以進(jìn)行手術(shù)模擬操作[1]。近年來，三維重建等影像學(xué)檢查技術(shù)的發(fā)展為術(shù)前手術(shù)規(guī)劃提供了得力有效的工具[2]。但仍存在其局限性，僅限于在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行操作，是一種視覺的平面化的操作過程。三維打印技術(shù)出現(xiàn)于20世紀(jì)90年代中期，該技術(shù)用途廣泛，在臨床上可用于術(shù)前規(guī)劃、臨床教學(xué)以及與病人溝通。三維打印技術(shù)是準(zhǔn)確的，依據(jù)亞毫米級的薄層CT掃描數(shù)據(jù)[3]，打印出實(shí)物模型，骨折實(shí)物模型可以方便診斷，改進(jìn)及修正骨折的分型。術(shù)者利用實(shí)物模型可以制定詳盡的術(shù)前計(jì)劃、模擬手術(shù)操作、打造個(gè)體化的內(nèi)置物或者預(yù)先選擇內(nèi)固定物的型號(hào)[4-5]。本研究擬探討3D打印技術(shù)應(yīng)用于復(fù)雜髖臼骨折手術(shù)治療的可行性。

1 資料與方法

1.1 一般資料

收集2015年8月至2017年1月承德醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院創(chuàng)傷骨科收治的復(fù)雜髖臼骨折患者的臨床資料。納入標(biāo)準(zhǔn)：Letournel-Judet分型為復(fù)合骨折類患者；受傷至手術(shù)時(shí)間≤3周的新鮮髖臼骨折患者；年齡≥19歲。本研究總共納入病例35例，依據(jù)是否采取3D打印技術(shù)分為兩組。3D組10例，男8例，女2例，平均年齡(43.0±12.9)歲；致傷原因：交通傷7例，墜落傷2例，砸傷1例。髖臼骨折Letournel-Judet分型：后柱伴后壁骨折2例，橫斷伴后壁骨折4例，T型骨折1例，雙柱骨折3例，3例合并頭顱或胸腹臟器損傷。受傷至手術(shù)時(shí)問平均為6～13 d。常規(guī)組25例，男21例，女4例；平均年齡(45.5±12.8)歲；致傷原因：交通傷17例，墜落傷6例，砸傷2例。后柱伴后壁骨折5例，橫斷伴后壁骨折9例，T型骨折2例，前柱伴后半橫行骨折1例，雙柱骨折8例，10例合并頭顱或胸腹臟器損傷。受傷至手術(shù)時(shí)間4～20 d。兩組患者術(shù)前一般資料的比較差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05，表1)，具有可比性。

1.2 術(shù)前規(guī)劃

患者入院后行血生化、心電圖、肺CT、雙下肢深靜脈多普勒、骨盆X線片及骨盆CT三維重建等檢查，如懷疑有神經(jīng)損傷可行MRI、肌電圖等檢查，如懷疑重要血管損傷可行CTA檢查。

表1 3D組與常規(guī)手術(shù)組一般資料比較

A為后柱伴后壁骨折，B為橫斷伴后壁骨折，C為T型骨折，D為前柱伴后半橫行骨折，E為雙柱骨折。兩組患者術(shù)前一般資料的比較差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，P>0.05

1.2.1 3D組

三維圖像的構(gòu)建及3D打印技術(shù)：所有納入患者行骨盆CT平掃及三維重建檢查，構(gòu)建三維數(shù)字模型，光盤拷貝髖臼薄層掃描數(shù)據(jù)，由影像科專業(yè)人員將其DICOM數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)中，采用Mimics軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，圖像重建，將處理后的數(shù)據(jù)以STL格式輸入我科實(shí)驗(yàn)室3D打印機(jī)，打印機(jī)按1∶1比例打印髖臼骨折模型。打印機(jī)器為熔融層積成型(FDM)技術(shù)，打印材料為聚乳酸(PLA)，是一種新型的生物降解塑料。半頁骨盆模型打印時(shí)間一般需要24 h。

模擬手術(shù)：術(shù)前根據(jù)骨折影像學(xué)資料及3D實(shí)物模型對骨折進(jìn)行準(zhǔn)確分型，將骨折塊模型拆分，記錄主要骨折塊的復(fù)位順序。然后選定合適長度鋼板、螺釘，重建鋼板塑性后固定模型，記錄重建鋼板長度，螺釘?shù)臄?shù)量、長度及鉆入角度。塑型后的重建鋼板及選定的螺釘消毒備用。

1.2.2 常規(guī)組

常規(guī)組患者依據(jù)常規(guī)影像學(xué)檢查結(jié)果進(jìn)行術(shù)前計(jì)劃，根據(jù)患者的骨折的具體情況選擇不同的手術(shù)入路、骨折復(fù)位順序、內(nèi)固定方法等。

1.3 實(shí)際手術(shù)及觀測指標(biāo)

觀察兩組的手術(shù)時(shí)間、術(shù)中失血量、圍手術(shù)期血液制品輸入量、術(shù)中透視次數(shù)、術(shù)區(qū)引流量。使用Matta評分評定髖臼骨折復(fù)位情況，其具體評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為：骨折無移位為優(yōu)，骨折移位<1 mm為良，骨折移位1～3 mm為一般，骨折移位>3 mm為差。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

2 結(jié) 果

3D組和常規(guī)組患者手術(shù)時(shí)間分別為130～280 min、170～450 min，術(shù)中失血量分別為800～2200 mL、1200～2800 mL，圍手術(shù)期血液制品輸入量分別為600～1200 mL、600～3600 mL，術(shù)中透視次數(shù)為6～13次、7～20次，以上項(xiàng)目兩組間比較差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0．05，表2)；術(shù)后引流量平均為240～425 mL、210～1355 mL。Matta評分結(jié)果：優(yōu)良率分別為70%(7/10)、72%(18/25)，兩組間比較差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05，表2)。10例髖臼骨折均按術(shù)前手術(shù)方案進(jìn)行手術(shù)，手術(shù)入路、鋼板長度、螺釘?shù)臄?shù)量及長度與術(shù)前規(guī)劃相同，沒有螺釘穿入關(guān)節(jié)腔或盆腔。典型病例圖片見圖1。

表2 3D組與常規(guī)組患者手術(shù)時(shí)間、術(shù)中失血量、圍手術(shù)期血液制品輸入量、術(shù)中透視次數(shù)的比較

Tab 2 Comparison of operation time, intraoperative blood loss, perioperative blood product input and intraoperative fluoroscopy in 3D group and conventional group

組別例數(shù)手術(shù)時(shí)間(min)術(shù)中失血量(mL)圍手術(shù)期輸血量(mL)術(shù)中透視次數(shù)(次)術(shù)后術(shù)區(qū)引流量(mL)Matta評分優(yōu)良率(%,例)3D組10177.0±51.21150.0±250.6880.0±214.98.8±2.1329.0±111.770(7/10)常規(guī)組25234.0±72.51528.0±399.51328.8±642.611.4±3.1394.4±267.372(18/25) P0.0210.0070.0190.0180.8120.606

3 討 論

治療髖臼骨折需要將骨折塊解剖復(fù)位才能獲得理想的功能和預(yù)后。但是髖臼骨性解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜以及周圍軟組織結(jié)構(gòu)的限制，導(dǎo)致髖臼關(guān)節(jié)面無法暴露，同時(shí)難以獲得令人滿意的復(fù)位。解剖復(fù)位需要復(fù)雜的手術(shù)入路，需要冒著失血、感染、神經(jīng)損傷及異位性骨化的風(fēng)險(xiǎn)[6]。當(dāng)面對髖臼骨折時(shí)，手術(shù)最具挑戰(zhàn)性的一步就是骨折的復(fù)位，為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，外科醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)和手術(shù)技巧是手術(shù)最關(guān)鍵的方面[7]。術(shù)前對骨折的分型及骨折塊的空間位置熟悉有利于術(shù)中對骨折塊準(zhǔn)確并有效的復(fù)位及固定。在臨床工作中，髖臼骨折的間隙或階梯如果< 2 mm通常是可以接受的[8]。如果骨折的間隙為10 mm或者更大則意味著預(yù)后不佳， 因?yàn)槠鋾?huì)加速創(chuàng)傷后骨性關(guān)節(jié)炎發(fā)生[9]。本研究對3D打印技術(shù)在復(fù)雜髖臼骨折手術(shù)中應(yīng)用的可行性及價(jià)值進(jìn)行評估。利用3D打印技術(shù)針對不同類型髖臼骨折制定手術(shù)方案，術(shù)前利用模型模擬手術(shù)過程，可以使術(shù)者實(shí)現(xiàn)對骨折的更快更精確的復(fù)位固定。

髖臼解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，復(fù)位困難，要求骨科醫(yī)生具備較高的空間思維能力，3D骨折模型有望成為一種有效的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練工具。雖然CT平掃及三維重建影像學(xué)檢查對于髖臼骨折的治療有指導(dǎo)作用[10]，但缺點(diǎn)在于其圖像的靜態(tài)化、平面化。而3D打印技術(shù)克服了這一弊端，三維打印技術(shù)可以制造等比例模型，實(shí)現(xiàn)骨折的“真實(shí)重現(xiàn)”，讓術(shù)者在術(shù)前能夠?qū)钦蹓K的位置關(guān)系進(jìn)行充分了解，并可以對骨折塊進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)術(shù)前手術(shù)的模擬操作。

使用3D打印模型的術(shù)前規(guī)劃已被用于治療復(fù)雜解剖部位的多發(fā)性骨折，如眼眶骨折后遺癥[11]。它也被用于治療下頜骨缺損[12-13]和復(fù)雜的脊柱手術(shù)[14]。Bagaria等[14]報(bào)道了運(yùn)用3D 打印技術(shù)制作復(fù)雜的髖臼骨折模型，并在3D模型上模擬手術(shù)，明確骨折塊的復(fù)位順序，鋼板的型號(hào)、長度并塑型，確定螺釘?shù)姆较蚝烷L度，節(jié)約了手術(shù)及麻醉時(shí)間，減少了術(shù)中出血量，減少了術(shù)中C型臂透視次數(shù)，術(shù)后CT平掃見骨折端復(fù)位良好，內(nèi)固定物位置合適，螺釘長度適中。陳玉兵等[15]利用3D 打印出的手術(shù)導(dǎo)向模板術(shù)前在 3 例外傷后頸椎脫位的椎體模型上進(jìn)行模擬置釘打入，以尋找最佳入釘點(diǎn)，術(shù)中均通過手術(shù)導(dǎo)向模板順利置入螺釘，術(shù)后復(fù)查影像學(xué)提示螺釘位置準(zhǔn)確，未出現(xiàn)血管、神經(jīng)損傷等并發(fā)癥。吳新寶[16]報(bào)道了利用3D 打印技術(shù)制作陳舊性骨盆骨折模型，在模型上確認(rèn)截骨水平、復(fù)位標(biāo)記以及固定部位等，手術(shù)按照術(shù)前計(jì)劃進(jìn)行，最終如愿完成了手術(shù)。

A：術(shù)前骨盆正位X線片示骨折Letournel-Judet分型為橫斷伴后壁骨折，右側(cè)恥骨、坐骨骨折，骨折呈粉碎性；B：術(shù)前骨盆三維重建示左側(cè)髖臼形態(tài)喪失，右側(cè)恥骨、坐骨骨折；C：mimics軟件重建髖臼圖像；D：術(shù)前制作3D打印骨折模型，觀察骨折形態(tài)，可見骨折Letournel-Judet分型為橫斷伴后壁骨折，骨折呈粉碎性；E：根據(jù)3D打印模型制定手術(shù)方案,模擬骨折塊復(fù)位；F：模擬重建鋼板預(yù)彎及內(nèi)固定；G：術(shù)后骨盆正位X線片示骨折復(fù)位滿意，髖臼形態(tài)基本恢復(fù)圖1 患者，男，41歲，交通傷致左側(cè)髖臼骨折，合并胸部閉合性損傷Fig 1 Patient， male, 41 years old, due to traffic injury caused by left acetabular fracture, combined with chest closed injury

借助3D打印等比例模型，一方面可以對髖臼骨折進(jìn)行準(zhǔn)確的分型，并能很好的了解骨折的具體情況，指導(dǎo)選擇最佳的手術(shù)方案，初步評估術(shù)中骨折復(fù)位可能存在的難點(diǎn)；另一方面在模型上可以實(shí)現(xiàn)術(shù)前手術(shù)的模擬操作，結(jié)合骨折的類型及特點(diǎn)選擇手術(shù)入路，制定骨折塊的復(fù)位順序、決定內(nèi)固定方式，確定內(nèi)固定物長度及放置位置，術(shù)中還可以隨時(shí)參考模型，從而縮短了手術(shù)時(shí)間，減少術(shù)中出血及透視次數(shù)，減少不必要的手術(shù)創(chuàng)傷，在一定程度上降低了手術(shù)并發(fā)癥的發(fā)生率。本組采用3D打印技術(shù)輔助治療的10例髖臼骨折，平均手術(shù)時(shí)間為177 min，平均出血量為1150 mL，術(shù)后未發(fā)現(xiàn)感染、神經(jīng)血管損傷等并發(fā)癥。

但是由于本研究病例數(shù)不足，隨訪時(shí)間有限，3D打印技術(shù)在降低術(shù)后并發(fā)癥、提高手術(shù)安全性等方面的作用，仍需要在擴(kuò)大病例數(shù)、長期隨訪的基礎(chǔ)上才能得出結(jié)論。模型打印的費(fèi)用與材料的類型及重量有關(guān)，經(jīng)過軟件處理后，增大模型的空腔率，從而減輕模型重量，降低模型打印費(fèi)用，但仍然偏高，增加了患者的治療費(fèi)用，這是該輔助技術(shù)的一個(gè)不足之處。髖臼骨折手術(shù)難度大，畢竟是脫離肌肉、韌帶等軟組織附著的一個(gè)孤立標(biāo)本，實(shí)際手術(shù)中依然會(huì)遇到解剖、復(fù)位困難等問題[17]。

綜上所述，基于CT掃描數(shù)據(jù)的3D骨折模型和計(jì)算機(jī)輔助虛擬外科手術(shù)的組合有助于更好地了解骨盆的解剖，提供更好的術(shù)前規(guī)劃，縮短手術(shù)時(shí)間，減少失血量，提高圍手術(shù)期安全性，改善髖臼骨折手術(shù)的臨床效果，并為外科手術(shù)醫(yī)師提供培訓(xùn)平臺(tái)。

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Applicationof3Dprintingtechniqueincomplicatedacetabularfracture

QIU Yuchen1，ZHUANG Huaiwei1，MA Yachang1，YAN Shi2，HAN Dong1，MIAO Wei1，ZHANG Qingzhu2

(1.GraduateSchool，ChengdeMedicalCollege,Chengde067000，China；2.DepartmentofOrthopedics,AffiliatedHospitalofChengdeMedicalCollege，Chengde067000，China)

ObjectiveTo evaluate the feasibility and clinical value of 3D printing technique in the treatment of complex acetabular fractures.MethodsWe collected 35 patients' clinical information of Chengde Medical College Affiliated Hospital in August 2015 to January 2017 with surgical treatment of complex acetabular fractures. Ten cases were treated with 3D printing technique, 8 cases were male patients and 2 cases were female patients. The mean age was (43.0±12.9) years old, and in the preoperative simulation of fracture reduction and fixation process. Twenty-five patients underwent conventional surgery, 21 males and 4 females with an average age of (45.5±12.8) years. The operation time, intraoperative blood loss, intraoperative C-arm fluoroscopy were recorded, and the perioperative blood transfusion and postoperative drainage were recorded.ResultsTen patients were consistent with preoperative planning. The average operation time of the 3D group and the conventional group were (177.0±51.2)min and (234.0±72.5)min respectively. The average blood loss was (1150.0±250.6)mL and (1528.0±399.5)mL respectively. The average blood transfusion was (880.0±214.9)mL, (1328.8±642.6)mL, the average number of intraoperative fluoroscopy was (8.8±2.1) times, (11.4±3.1) times, the difference between the two groups were statistically significant (P<0.05). The average drainage rate was (329.0±111.7)mL and (394.4±267.3)mL. The radiographic findings of acetabular fractures were evaluated by Matta score. The excellent and good rates were 70% (7/10) and 72% (18/25) respectively. There was no significant difference between the two groups (P>0.05).ConclusionThe application of 3D printing technique in the treatment of complex acetabular fractures is of good clinical feasibility, which can help the patients to develop detailed preoperative planning, shorten the operation time, reduce the blood loss and improve the perioperative safety.

3D printing technology; acetabulum; fracture; internal fixation

R683

A

1671-7295(2017)05-0482-05

邱宇辰，莊懷偉，馬雅昌，等.3D打印技術(shù)在復(fù)雜髖臼骨折手術(shù)中的應(yīng)用[J].大連醫(yī)科大學(xué)學(xué)報(bào)，2017,39(5)：482-486.

2017-07-21；

2017-09-29)

數(shù)字的表達(dá)方式

數(shù)字的表達(dá)方式執(zhí)行GB/T 15835-1995《出版物上數(shù)字用法的規(guī)定》。公歷世紀(jì)、年代、年、月、日、時(shí)刻和計(jì)數(shù)、計(jì)量均用阿拉伯?dāng)?shù)字。數(shù)字≥4位數(shù)時(shí)，每三位一組，組間空1/4個(gè)漢字空，如：“51,200”應(yīng)寫成“51 200”。但序數(shù)詞和年份、頁數(shù)、部隊(duì)番號(hào)、儀表型號(hào)、標(biāo)準(zhǔn)號(hào)不分節(jié)。百分?jǐn)?shù)的范圍和偏差，前一個(gè)數(shù)字的百分符號(hào)不能省略，如：5%～95%，不能寫成5～95%；(31.8±0.6)%，不能寫成31.8±0.6%。附帶尺寸單位的數(shù)值相乘，按下列方式寫成：4 cm×3 cm×5 cm，不能寫成4×3×5 cm3。