3D 打印技術輔助復雜髖臼骨折治療的臨床研究

漆啟華 鮑坤旺 肖強 鄧亮 李晨 曾紀煥 袁中平 董謝平

江西省人民醫(yī)院骨二科（南昌 330006）

隨著社會經(jīng)濟發(fā)展，高能量創(chuàng)傷日益增多，髖臼骨折的發(fā)生率也呈逐年上升的趨勢，且骨折創(chuàng)傷程度越來越嚴重。對不穩(wěn)定、明顯移位的髖臼骨折進行手術治療已達成共識［1?3］。髖臼骨折的移位如果超過3 mm而不整復，髖關節(jié)的功能將受影響，最終導致創(chuàng)傷性骨關節(jié)炎，因此術中骨折塊高質(zhì)量的復位是獲得髖關節(jié)良好功能的基礎。術前精密的影像學檢查及分析，充分了解骨折粉碎及移位程度是術中骨折塊良好復位關鍵。但目前X線、CT檢查因各自的局限性，手術者術前仍難以對骨折做出準確的分型及構建良好的復位計劃。

3D打印技術（3D printing technology）是一種以數(shù)字模型為基礎，運用粉末塑料或金屬等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構建物體的技術［4］。通過3D打印技術打印出復雜髖臼骨折的樹脂三維立體模型，逼真的再現(xiàn)骨折分離，移位狀態(tài)［5］，便于全面掌握骨折粉碎程度、類型及各個骨折塊的移位情況，做出準確分型，還可通過區(qū)域增長，閾值分割等技術實現(xiàn)骨折塊的虛擬復位，結合3D打印技術進行術前模擬手術中骨塊復位、固定，鋼板預彎，螺釘置入，達到優(yōu)化手術流程的目的。

本研究采用3D打印技術輔助復雜髖臼骨折手術治療，并以傳統(tǒng)髖臼骨折手術治療為對照，目的在于：（1）探討3D打印技術輔助骨盆骨折手術治療的優(yōu)越性；（2）評估3D打印技術輔助髖臼骨折手術治療效果。

1 材料與方法

1.1 3D打印髖臼骨折樹脂模型制備及術前規(guī)劃

1.1.1 3D打印髖臼骨折三維實體物理模型所需硬件及軟件：操作系統(tǒng)Windows 7 Ultimate 64bit；醫(yī)學三維重建軟件Mimics 14.0（Materialise公司）。硬件設備：Dell T7500、Dell M6600圖形工作站，3D打印機（華森公司生產(chǎn)）及相配套3D?OR?THO骨科三維手術規(guī)劃系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集：利用我院具備的國內(nèi)首臺西門子四維螺旋雙源CT對患者骨盆進行掃描，需包括雙側髖臼，掃描電流35～264 mAs不等，掃描電壓80～120 kV不等，掃描螺距0.6 mm，所得數(shù)據(jù)以DICOM格式保留。

建立復位骨折三維模型：利用上述系統(tǒng)軟件進行三維編輯，對每個骨塊分離并指定顏色，運用閾值分割（Thresholding）和區(qū)域增長（Region Grow?ing）功能快速分離骨折塊，通過對單個骨折塊進行移動、旋轉(zhuǎn)等操作完成髖臼骨折的虛擬復位，定型復位骨折三維模型，將所有復位骨折塊合并成一個復位模型，并可見骨折塊間骨折線。所得三維模型保存數(shù)據(jù)格式為STL。3D打?。簩⒐钦勰Ｐ屯總€單一骨折塊以STL格式導入3D打印軟件，調(diào)整打印方位并打印出樹脂實物模型，并依據(jù)健側髖臼打印出完整髖臼作為參照。

1.1.2 術前骨折分型及模擬手術仔細分析骨折塊形態(tài)及移位情況，對髖臼骨折行Letournel和Ju?det分型，決定手術入路。將單一骨折塊打印模型按照復位步驟用強力膠水逐一粘合模擬術中復位情況，在模型上標示出骨折線形狀及走形。確定鋼板、螺釘放置位置，位置確定后利用直徑2.5 mm克氏針參考虛擬設計螺釘方向進行模擬螺釘植入，記錄螺釘長度及方向，摸索最佳復位及固定方案。

1.2 納入標準復雜髖臼骨折入選條件：（1）髖臼前后柱移位均大于3 mm；（2）髖臼前柱移位大于3 mm，合并后柱嚴重粉碎骨折或后壁骨折；（3）合并股骨頭脫位或半脫位；（4）合并關節(jié)內(nèi)游離骨塊。2014年3月至2016年8月，35例復雜髖臼患者納入本研究，采用非隨機對照研究的方法分為傳統(tǒng)組（A組）和3D打印輔助組（B組），非隨機對照方法為完成全部篩查程序后將符合入組標準的患者按照受試者本人意愿分為傳統(tǒng)組和3D打印輔助組。本研究取得醫(yī)院倫理委員會批準，告知患者并與患者簽署知情同意書。A組22例，男16例，女6例；年齡16～54歲，平均38.6歲。左側14例，右側8例。其中雙柱骨折10例，T形骨折8例，前方伴后半橫形骨折4例。B組13例，男9例，女4例；年齡18～56歲，平均40.3歲。左側7例，右側6例。其中雙柱骨折4例，T形骨折5例，前方伴后半橫形骨折4例。兩組在年齡、病程、骨折復雜程度等比較無差異，具有可比性。

1.3 手術方法及術后處理兩組均采取全身麻醉，采用漂浮體位，將前后兩個術區(qū)及患肢都進行消毒，前后均鋪單，以便術中能根據(jù)需要經(jīng)后方入路對后柱骨折進行復位。術中采取髂腹股溝入路切開皮膚、皮下，分層切開腹股溝韌帶。術中注意保護股動、靜脈，股神經(jīng)及股外側皮神經(jīng)。在髂前上棘和恥骨結節(jié)之間的中部辨認出髂恥梳筋膜，它將外側的腰大肌和股神經(jīng)與內(nèi)側的髂外動靜脈分隔開，小心地將此筋膜與內(nèi)外側結構分開，游離此筋膜到骨盆入口緣，將其切斷，這樣可進入到四邊體表面和真骨盆腔。術中沿骨盆入口緣、四邊體表面以及恥骨上支進行剝離，依次暴露3個窗口，此時可充分顯露前柱骨折，并可在中間窗口內(nèi)觸摸后柱骨折的移位程度。必要時加做后方入路，切口起于髂后上棘，經(jīng)股骨大轉(zhuǎn)子頂點向遠端延長10 cm，逐層切開、剝離后，將臀大肌向后內(nèi)側牽開，分離、牽開短外旋肌，保護坐骨神經(jīng)，顯露整個后壁和后柱。

利用骨盆常規(guī)復位器械進行復位操作，前柱、后柱復位可分開進行或聯(lián)合進行，相互留有余地，予術前預彎的重建接骨板及合適長度螺釘固定。術后常規(guī)傷口內(nèi)置引流管24～48 h，應用抗生素48 h。術后置患肢于輕度屈髖、屈膝位。24 h后開始功能鍛煉，包括股四頭肌及屈髖、屈膝練習等。4周后扶雙拐下地，8周部分負重，12周后根據(jù)骨折愈合情況完全負重行走。

1.4 觀察指標及療效評價

1.4.1 創(chuàng)傷指標比較兩組患者手術創(chuàng)傷指標：包括手術時間、術中出血量、術后引流量。比較兩組全身炎性反應及肌肉損傷程度指標：記錄術后24 h外周血白細胞計數(shù)和C反應蛋白的動態(tài)變化，全自動生化分析儀檢測術后24 h外周血肌型肌酸激酶（creatine kinase MM，CK?MM）。

1.4.2 術后即刻復位評價術后第3天行骨盆正位，髂骨斜位，閉孔斜位X線檢查，按Matta影像學評定標準評價骨折復位情況：骨折移位小于1 mm為解剖復位，骨折移位為2～3 mm為滿意復位，骨折移位大于3 mm為不滿意復位［1］。

1.4.3 功能評定改良的Merled′Aubigne和Postel評分及Harris髖關節(jié)功能評分評估臨床結果［3］。

1.5 統(tǒng)計學方法結果評估分別由3位資深創(chuàng)傷外科醫(yī)師獨立進行3遍計算，最終結果取其平均值，采用SPSS 17.0統(tǒng)計軟件包進行分析，計量資料數(shù)據(jù)以均數(shù)±標準差表示，組間比較采用獨立樣本t檢驗，計數(shù)資料兩組間采用卡方檢驗，以P＜0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結果

兩組患者均由同一組手術醫(yī)生完成手術，3D打印輔助組未發(fā)生醫(yī)源性股神經(jīng)和坐骨神經(jīng)損傷，以及股動、靜脈損傷，術后股外側皮神經(jīng)損傷1例。傳統(tǒng)手術組發(fā)生切口表淺感染2例，下肢深靜脈血栓1例，股外側皮神經(jīng)損傷2例。A組隨訪時間平均16.2個月，B組19.8個月，兩組患者術后3 d行髖臼CT檢查看骨折復位情況，分別術后1、2、3、6、12個月分別行閉孔斜位，髂骨斜位看骨折愈合情況，必要時行髖臼CT掃描。兩組手術時間、術中出血量、術后切口引流量比較有統(tǒng)計學差異（P＜0.01），B組優(yōu)于A組（表1）。B組術后24 h C反應蛋白、白細胞計數(shù)、MM型肌酸激酶優(yōu)于A組（P＜ 0.01，表2）。

表1 兩組手術時間、術中出血量、術后引流量比較Tab.1 Comparisons of operation time，intraoperative blood loss，postoperative drainage between 3D printing group and traditional open surgery group ±s

表1 兩組手術時間、術中出血量、術后引流量比較Tab.1 Comparisons of operation time，intraoperative blood loss，postoperative drainage between 3D printing group and traditional open surgery group ±s

手術時間（min）術中出血量（mL）術后引流量（mL）A組178±16.96 668.5±37.93 314.1±27.07 B組116.8±13.81 408.1±38.86 205.9±19.45 P值0.0002 0.001 0.001

表2 兩組手術術后24 h C反應蛋白、白細胞、肌酸激酶比較Tab.2 The comparison of C reactive protein，leucocyte and creatine kinase MM in peripheral blood between 3D printing group and traditional open surgery group ±s

表2 兩組手術術后24 h C反應蛋白、白細胞、肌酸激酶比較Tab.2 The comparison of C reactive protein，leucocyte and creatine kinase MM in peripheral blood between 3D printing group and traditional open surgery group ±s

C反應蛋白（mg/L）白細胞計數(shù)（109/L）肌酸激酶（IU/L）A組45.4±10.5 14.6±3.7 312.8±76.3 B組34.8±9.7 11.6±2.5 202.4±53.2 P值0.0003 0.001 0.000

Matta影像學評定標準術后即刻復位效果：A組解剖復位4例，良好復位6例，差12例，復位優(yōu)良率45.5%。B組解剖復位7例，良好復位4例，差2例，復位優(yōu)良率84.6%。兩組比較差異有統(tǒng)計學意義（P=0.034）。

末次隨訪改良的Merled′Aubigne和Postel評分A組優(yōu)5例，良6例，差11例，優(yōu)良率為50%。B組優(yōu)7例，良5例，差1例，優(yōu)良率為92.3%。兩組比較差異有統(tǒng)計學意義（P=0.013）。

末次隨訪Harris髖關節(jié)功能評分A組優(yōu)4例，較好6例，良2例，差10例，優(yōu)良率為54.5%。B組優(yōu)8例，較好2例，良2例，差1例，優(yōu)良率為92.3%，兩組比較差異有統(tǒng)計學意義（P=0.027）。典型病例見圖1。

3 討論

筆者研究發(fā)現(xiàn)，3D打印輔助髖臼骨折手術治療組，手術時間明顯縮短，以往手術耗時3 h左右，現(xiàn)在手術時間縮短至2 h左右。與其他研究中手術所花時間相似［6］。復雜髖臼骨折移位形式復雜、合并傷多、髖臼解剖部位深而且特殊，決定了髖臼骨折治療難度大，手術時間長，髖關節(jié)復位不良，髖關節(jié)的功能將受影響［7-8］。3D打印可以讓醫(yī)生全面掌握骨折粉碎程度、類型及各個骨折塊的移位情況，做出準確的術前診斷，選擇恰當手術入路從而做出完備的術前規(guī)劃。在復雜的骨折手術中，做到解剖復位及精確的固定是比較困難的，尤其是髖臼骨折，有時為了獲得較好的復位，不得不采取較大的手術切口，長時間暴露，而大切口，手術時間長意味著術后并發(fā)癥的增多［9］。以往術前手術計劃骨折復位模擬多在術者的腦海中進行，這種模擬往往帶有很大的局限性和主觀性。術中復位往往憑借經(jīng)驗進行操作，不確定因素多，準確性差，為髖臼骨折的治療帶來較大的創(chuàng)傷。3D打印技術所具有的優(yōu)點能夠滿足構建3D模型的需求，在手術設計、操作演練和預后等方面具有極高的應用價值［10-11］。與三維數(shù)字模型相比，3D打印的實物模型更加直觀［12］。術者可在術前作出更準確診斷，制定更多，更詳細的手術方案，評估術中可能存在的風險，并在實物模型上操作、練習，預測手術效果等。復雜的外科手術，術前的手術演練，可以在一定程度上提高手術的成功率。此外，3D打印技術結合鋼板及手術輔助器械可以實施術前的模擬手術，在充分了解術中骨折復位固定要點的基礎上，模擬術中骨塊復位固定方式，術前完整的實施一遍模擬手術，根據(jù)骨折移位特點，復位后確定鋼板最佳放置位置，并進行術前精確預彎鋼板，減少術中反復預彎鋼板的時間，根據(jù)鋼板固定常規(guī)操作，記錄每顆螺釘?shù)拈L度及植入方向，可以確保避免螺釘植入關節(jié)腔。重建鋼板的精確預彎增加了鋼板與骨面的貼敷程度，固定生物力學性能更穩(wěn)定。術中如為多塊粉碎的骨折塊，按解剖結構預彎的鋼板還可以引導骨塊的復位。與其他研究中的研究結果相似，我們通過3D打印技術也實現(xiàn)了髖臼骨折手術的微創(chuàng)化。手術切口較前縮小，術中出血量也明顯減少，較以往減少200 mL左右，術中使用自體血液回輸機可做到無需同種異體輸血。術后引流量也明顯減少，避免了術后需再次輸血，提高機體抵抗力，減少感染發(fā)生率。3D打印輔助組無一例出現(xiàn)股外側皮神經(jīng)損傷，這可能與術前通過3D打印模型，做到了有的放矢，無需過大的切口，精準顯露，無需強力牽拉暴露有關。

圖1 典型病例Fig.1 Typical case

骨折塊的解剖復位對于髖臼骨折是至關重要的，雖然解剖復位和糟糕的復位早期臨床結果可能沒有明顯的區(qū)別，但隨著術后時間的延長，解剖復位的優(yōu)勢將逐漸顯現(xiàn)。吳新寶等［13］對112例髖臼骨折治療效果分析發(fā)現(xiàn)解剖及良好復位的臨床結果明顯好于差的復位。與其他臨床研究85%左右的復位優(yōu)良率相比［14］，我們的髖臼骨折復位優(yōu)良率在50%左右，這可能本研究納入的樣本有限，且所納入的臨床研究病例骨折移位程度較復雜有關。本研究傳統(tǒng)手術組髖關節(jié)Harris功能評分及Merled′Aubigne和Postel評分優(yōu)良率在50%左右，尚有較大的提升空間。

3D打印輔助髖臼骨折手術治療患者術后影像顯示骨折復位效果良好，較傳統(tǒng)手術組優(yōu)良率明顯提高。術后即刻復位優(yōu)良率達85%左右，雖然并不比一些研究報道的復位滿意率高［13］，但3D打印輔助手術組未出現(xiàn)嚴重的術中，術后并發(fā)癥，特別是螺釘穿入關節(jié)腔，傷及血管等嚴重并發(fā)癥?？祻椭委熓求y關節(jié)功能康復的重要環(huán)節(jié)，骨折塊良好的復位，牢固的固定是允許患者早日的康復運動的前提。本研究中3D打印組改良的Merled′Aubigne和Postel評分及Harris髖關節(jié)功能評分明顯優(yōu)于對照組，功能優(yōu)良率達92%，且明顯高于文獻報道髖臼骨折治療優(yōu)良率在80%左右［9］。因此3D打印技術是實現(xiàn)骨折塊牢固固定的有效輔助技術。3D打印技術輔助髖臼骨折治療中，復位更為高效，準確，手術操作準確度的提高也明顯減少了術中X線增強透視的應用次數(shù)，即保護了患者，也有利于醫(yī)生的健康。本研究的不足在于納入病例數(shù)較少，研究證據(jù)等級不高，復雜髖臼骨折界定范圍有待商榷，中遠期療效評價，有待進一步的隨訪，但我們的初步研究顯示3D打印技術輔助髖臼骨折手術治療，手術創(chuàng)傷小，術后即刻復位率高，術后近期臨床效果滿意，是一項很有發(fā)展前景的數(shù)字技術。

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