3D打印技術及導向模板在老年股骨粗隆間骨折治療中的應用

劉永明 梅 剛 徐亞非 梁國光 黃冠就 張 樂 朱欣陽

南方醫(yī)科大學南海醫(yī)院骨科，廣東佛山 528244

隨著我國人均壽命的延長、老齡化人口的增加，導致股骨粗隆間骨折發(fā)病人數(shù)劇增，而以往的保守治療方案常伴隨較多并發(fā)癥，如壓瘡、墜積性肺炎、下肢深靜脈血栓等，嚴重者可危及生命，為此國內外專家已達成共識，手術治療已成為老年股骨粗隆間重要治療方法[1-3]。股骨近端防旋髓內釘（proximal femoral nail anti-rotation，PFNA）可以為老年股骨粗隆間骨折提供堅強的髓內固定，有利于術后患者早期活動[4-5]，股骨粗隆間骨折閉合復位PFNA 內固定術已成為老年股骨粗隆間骨折重要手術方式之一[6-8]。但其技術要求高，對低年資醫(yī)生來說仍然有一定的難度，需要豐富的手術經(jīng)驗，尤其是牽引床輔助下閉合復位PFNA 內固定術，往往由于復雜的解剖結構，導致內固定置入不精準或者需要多次反復置釘，導致手術時間延長，增加手術風險[9-10]。近年來，隨著數(shù)字化技術的發(fā)展，尤其是在醫(yī)學領域的應用逐漸增加，看到了新技術給手術醫(yī)生帶來的便利[11-12]，3D 打印骨折實物模型可在立體層面提供骨折的形態(tài)，可從360°觀察骨折的局部解剖結構，導向模板在3D 打印骨折實物模型上進行手術模擬，可以在術前體驗到較為真實的手術環(huán)境，為手術的順利開展提供技術支持，從而使股骨粗隆間骨折閉合復位PFNA 內固定術更加快速和精準[13-14]。為探討3D 打印技術及導向模板技術在老年股骨粗隆間骨折治療中的應用效果，促進該技術在骨科中應用的發(fā)展，對其治療效果進一步分析，現(xiàn)報道如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選 取2018 年6 月 至2019 年9 月 南 方 醫(yī) 科大學南海醫(yī)院收治的46 例老年股骨粗隆間骨折患者作為研究對象，根據(jù)是否使用3D 打印及導向模板技術分為3D 打印組與非3D 打印組，每組各23 例，3D 打印組中男9 例，女14 例，平均年齡（78.3±9.2）歲；骨折Evans-Jensen 分型：Ⅱ型8 例，Ⅲ型10 例，Ⅳ型5 例；發(fā)病原因：21 例跌傷，2 例交通傷；非3D 打印組中男10 例，女13 例，平均年齡（76.7±8.5）歲；骨折Evans-Jensen 分型：Ⅱ型5 例，Ⅲ型12 例，Ⅳ型6 例；發(fā)病原因：20 例跌傷，3 例交通傷。兩組患者一般資料比較，差異無統(tǒng)計學意義（P＞0.05），具有可比性。本研究通過南方醫(yī)科大學南海醫(yī)院醫(yī)學倫理委員會批準，所有患者均簽署知情同意書。

1.2 納入與排除標準

納入標準：①患者年齡60 ～95 歲；②單側閉合性不穩(wěn)定骨折（Evans-Jensen Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ）。排除標準：①術區(qū)存在皮膚疾病及感染者；②既往存在患髖關節(jié)活動受限、不能行走者；③陳舊性及病理性骨折、開放性骨折患者；④經(jīng)多學科評估無法耐受手術者；⑤其他創(chuàng)傷骨折。

1.3 治療方法

術前對兩組患者行患髖側位照片及CT 三維重建，完善相關檢查，經(jīng)多學科評估、處理相關合并疾病后行手術治療。3D 打印組將CT 掃描數(shù)據(jù)以Dicom 格式輸入到Mimics 17.0 數(shù)字醫(yī)學軟件，通過域值分割和區(qū)域增長等功能得到股骨粗隆間骨折的三維模型。并將文件存為STL 文件，將文件導入到Raise 3D 打印機進行實物模型的打印。通過對實物模型進行三維空間的觀察及研究，設計導向模板，已經(jīng)過國家專利中心批準，獲得了1 項實用新型專利，已生產(chǎn)出可為股骨粗隆間骨折置釘導航的導向模板。同時在三維實物模型上進行股骨直徑、股骨頸長度測量，以確定PFNA 主釘?shù)闹睆?、主釘長度及螺旋刀片長度；通過三維實物模型及導向模板進行術前模擬及規(guī)劃，設計并實施手術（圖1）。3D 打印組患者麻醉成功后仰臥于骨科牽引床上，C 臂透視下進行復位，骨折復位良好后在大粗隆近端約5 cm 處做一長為6 cm 的手術切口，依次切開皮膚、深淺筋膜，鈍性分離肌肉，顯露股骨大粗隆，以大粗隆頂點作為進針點，導向器置于進針點，沿著導向器打入2 ～3 枚克氏針，再次透視，選取1枚合適克氏針，以克氏針為導向使用常規(guī)3.2 mm螺紋導針鉆孔，擴髓后插入PFNA 主釘，經(jīng)瞄準器置入1 枚螺旋加壓刀片，然后通過遠端瞄準器打入PFNA 遠端鎖定螺釘，最后擰入尾帽，沖洗后逐層縫合。非3D 打印組患者釆用同樣的麻醉及手術方式，術前未做手術模擬及手術規(guī)劃，術中未用導向模板。兩組患者術后24 h 內予以使用抗生素，術后定期復查照片，待骨折愈合才可下地負重。

圖1 術前X 線及3D 打印實物模型（A），術前應用導向模板在3D 實物模型上進行手術模擬（B-C），術中根據(jù)術前設計應用3D 導向模板進行手術及術中透視圖片（D-E），導向模板樣板圖、已申請實用新型專利（F-G），術后X 線（H）

1.4 觀察指標

兩組患者術后經(jīng)過8 ～12 個月隨訪評估，主要評價指標包括疼痛視覺模擬評分（VAS）[15]，髖關節(jié)功能（Harris）評分[16]；術前術后頸干角；手術時間、術中出血量、住院時間；3D 打印組術前及術中主釘長度、主釘直徑、螺旋刀片長度；并發(fā)癥發(fā)生情況。

1.5 統(tǒng)計學處理

應用SPSS 17.0 統(tǒng)計學軟件分析兩組股骨粗隆間骨折患者的相關資料，計量資料以（）表示，采用t檢驗，計數(shù)資料以[n（%）]表示，采用χ2檢驗，P＜0.05 為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結果

2.1 兩組患者術后末次隨訪時VAS、Harris評分比較

兩組術后隨訪VAS、Harris 評分比較，差異無統(tǒng)計學意義（P＞0.05）。見表1。

表1 兩組患者術后末次隨訪時VAS、Harris評分比較（±s，分）

表1 兩組患者術后末次隨訪時VAS、Harris評分比較（±s，分）

組別 n VAS 評分 Harris 評分3D 打印組 23 8.391±0.656 85.608±5.349非3D 打印組 23 8.304±0.702 85.521±3.894 t 值 0.434 0.063 P 值 0.667 0.950

2.2 兩組患者影像學上頸干角測量結果比較

兩組患者術后隨訪，術后頸干角均優(yōu)于術前（P＜0.05），骨折順利愈合，無畸形愈合；兩組末次隨訪頸干角比較，差異無統(tǒng)計學意義（P＞0.05）。見表2。

表2 兩組患者影像學上頸干角測量結果比較（±s，°）

表2 兩組患者影像學上頸干角測量結果比較（±s，°）

組別 n 術前 末次隨訪 t 值 P 值3D 打印組 23 114.913±7.476 137.390±3.299 13.191 0.000非3D 打印組 23 113.695±8.025 135.826±3.915 11.886 0.000 t 值 0.532 1.466 P 值 0.597 0.150

2.3 3D打印組患者術前設計、術中使用PFNA相關指標比較

3D 打印組患者術中所用PFNA 內固定主釘?shù)闹睆?、主釘?shù)拈L度及螺旋刀片的長度與術前測量比較，差異均無統(tǒng)計學意義（P＞0.05）。見表3。

表3 3D打印組患者術前設計、術中使用PFNA相關指標比較（±s，mm）

表3 3D打印組患者術前設計、術中使用PFNA相關指標比較（±s，mm）

組別 n 主釘直徑 主釘長度 螺旋刀片長度3D 打印組術前規(guī)劃數(shù)值23 9.826±0.650 211.304±24.735 97.826±5.399 23 9.565±0.506 209.565±24.022 98.913±6.207 t 值 1.517 0.242 0.634 P 值 0.137 0.810 0.530 3D 打印組術中實際應用數(shù)值

2.4 兩組患者手術相關指標比較

3D 打印組患者的手術時間明顯短于非3D 打印組，術中出血量明顯少于非3D 打印組（P＜0.05），兩組的住院時間比較，差異無統(tǒng)計學意義（P＞0.05）。見表4。

表4 兩組患者手術相關指標比較（±s）

表4 兩組患者手術相關指標比較（±s）

組別 n 手術時間（min）術中出血量（ml）住院時間（d）3D 打印組 23 47.782±5.869 115.217±38.242 18.260±4.308非3D 打印組 23 65.478±5.583 204.347±20.851 16.869±1.486 t 值 10.476 9.814 1.464 P 值 0.000 0.000 0.150

2.5 兩組并發(fā)癥發(fā)生情況

兩組患者骨折均得到良好的愈合，無內固定失敗、髖內翻畸形等并發(fā)癥發(fā)生。

3 討論

股骨粗隆間骨折多發(fā)生于老年人，尤其是65 歲以上老年人發(fā)病率較高，65 ～70 歲以上人群由于骨質疏松、走路動作協(xié)調性下降、反應速度減慢等多種原因，導致股骨粗隆間骨折發(fā)病率急劇上升[17]。長期臥床和失能將帶來巨大的家庭和社會負擔，手術治療能獲得堅強固定，患者術后早期即可進行功能鍛煉、從而減少并發(fā)癥的發(fā)生，因此手術治療已成為股骨粗隆間骨折的主要治療方式[18-19]，目前諸多文獻顯示，老年髖部骨折如果決定手術，通常在傷后24～48 h內進行可明顯降低病死率[20-21]。

由于老年患者普遍存在骨質疏松，鋼板螺釘內固定難以獲得好的力學穩(wěn)定性，容易出現(xiàn)內固定松動、骨折移位等并發(fā)癥，PFNA 內固定可為股骨頸骨折提供良好的支撐，螺旋刀片在頭頸部骨質量最好的部位可獲得最大強度的支撐。目前研究認為股骨頭頸的中央或稍偏下后方是PFNA 螺旋刀片置入的理想位置，可獲得良好的力學支撐[22]。以往只能依靠術前對影像的閱讀及術中的反復透視，在二維層面進行判斷，以獲取較好的置釘位置，這就需要較為豐富的臨床經(jīng)驗。本研究發(fā)現(xiàn)3D 打印實物模型可以讓手術醫(yī)生在術前對骨折部位進行360°全方位觀察，在腦海中形成各骨折塊之間的空間結構，對術中指導快速而準確的復位有極大的幫助，可減少手術復位時間、減少透視次數(shù)。術前對骨折模型進行相關測量，模擬手術過程，可初步確定主釘?shù)闹睆健⒅麽旈L度及螺旋刀片長度，助手提前做好準備，明顯減少手術時間。術前模擬手術可明確進針點是否位于骨折間隙，如何避免主釘置入導致骨折塊的移位，通過使用三維實物模型及導向模板模擬手術可明確進針方向，以達到快速置入主釘?shù)哪康?。本研究結果提示，3D 打印股骨粗隆間骨折實物模型及導向模板的設計對手術中內固定物的選擇有參考價值，對術中復位、內固定物的置入有很好的指導意義，可明顯縮短手術時間、減少手術出血量，有利于患者早期功能鍛煉，加速患者康復。

數(shù)字化技術輔助PFNA 內固定治療老年股骨粗隆間骨折有很好的效果，但仍然存在一定局限性：①本研究采用的3D 打印技術不能顯示軟組織，因此在置釘過程中可能會存在一定的誤差；②3D 打印技術由于操作流程具有一定的復雜性，需要精通相關軟件的專業(yè)技術人員，臨床醫(yī)生學會這套流程，需要較多的時間及精力。

綜上所述，3D 打印股骨粗隆間骨折實物模型及導向模板的設計可以在術前進行模擬手術，使術中置釘更加快速及精準，從而提高PFNA 內固定治療股骨粗隆間骨折手術的精準度。