3D打印結(jié)合橋接固定系統(tǒng)進行有限元分析在治療粉碎性復(fù)雜髖臼骨折中的應(yīng)用

黃佳軍, 藍孝全, 董德鵬, 黃智勇, 馬建林, 趙敦旭

(山東第一醫(yī)科大學附屬青島醫(yī)院, 1. 創(chuàng)傷顯微外科, 2. 3D打印醫(yī)學轉(zhuǎn)化中心, 山東 青島, 266000)

粉碎型復(fù)雜髖臼骨折多采取切開復(fù)位內(nèi)固定治療，但術(shù)中需反復(fù)復(fù)位，存在手術(shù)創(chuàng)傷大、時間長、術(shù)后恢復(fù)慢等問題[1-2]。橋接系統(tǒng)是一套多元化支架復(fù)合體，能克服應(yīng)力集中的問題，并用彈性固定代替剛性固定，生物力學性能良好[3]。研究[4]證實，橋接固定系統(tǒng)具有三維、彈性、橋接固定等特點，結(jié)合3D打印技術(shù)可在術(shù)前個性化預(yù)構(gòu)橋接內(nèi)固定系統(tǒng)，并通過有限元分析調(diào)整螺釘位置與深度，優(yōu)化復(fù)位模型，強化手術(shù)效果。本研究選取112例粉碎型復(fù)雜髖臼骨折患者，創(chuàng)新性地將3D打印結(jié)合橋接固定系統(tǒng)用于患者的治療，并建立有限元模型，現(xiàn)將結(jié)果報告如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料

本研究為前瞻性研究，采取隨機對照設(shè)計。選取2017年1月—2020年5月山東第一醫(yī)科大學附屬青島醫(yī)院收治的112例粉碎性復(fù)雜髖臼骨折患者，隨機分為觀察組和對照組，每組56例。納入標準: ① 年齡18～60歲者; ② 符合《實用骨科學》[5]中粉碎性復(fù)雜髖臼骨折診斷標準并經(jīng)影像學檢查證實者; ③ 患者受傷時間10 d內(nèi); ④ 無骨折手術(shù)史者; ⑤ 受傷前雙側(cè)髖關(guān)節(jié)活動度正常者; ⑥ 符合手術(shù)指征、單側(cè)手術(shù)、精神狀態(tài)正常者; ⑦ 簽署知情同意書者。排除標準: ① 過度肥胖或營養(yǎng)不良者; ② 病理性骨折、合并血管神經(jīng)損傷者; ③ 入組前使用大劑量激素類、免疫抑制劑類藥物者; ④ 伴骨質(zhì)疏松、血友病、自身免疫性疾病、肝腎功能障礙、腫瘤者。

1.2 方法

1.2.1 設(shè)備與軟件: Windows 10(64位)操作系統(tǒng)，醫(yī)學三維重建軟件Mimics 20.0(Materialise公司), Dell M6600圖形工作站，光敏樹脂3D打印機(聯(lián)泰公司)及配套3D-ORTHO三維手術(shù)規(guī)劃系統(tǒng)，螺旋雙源CT(西門子)。

1.2.2 術(shù)前準備: 患者入院后行抗休克治療，處理開放傷及臟器損傷，病情穩(wěn)定后行骨盆X線片、CT檢查，明確髖臼骨折分型[6]。

1.2.3 對照組: 采取傳統(tǒng)鋼板內(nèi)固定，全身麻醉下手術(shù)，漂浮體位，常規(guī)消毒、鋪單。雙柱骨折采取髂腹股溝及K-L聯(lián)合入路，前柱骨折采取髂腹股溝入路，后壁骨折采取K-L入路。術(shù)中注意保護股動、靜脈，股神經(jīng)及股外側(cè)皮神經(jīng)，辨認髂恥束筋膜，將筋膜與內(nèi)外側(cè)結(jié)構(gòu)分開，游離筋膜至骨盆入口緣后切斷，進入四邊體表面和真骨盆腔。沿骨盆入口緣、四邊體表面及恥骨上支剝離，依次暴露3個窗口，顯露骨折部位。利用骨盆復(fù)位器械進行復(fù)位，采用術(shù)前預(yù)彎的內(nèi)固定鋼板及合適長度的螺釘進行固定(鈦合金材料)。

1.2.4 觀察組: 采取3D打印結(jié)合橋接固定系統(tǒng)，術(shù)前進行個體化有限元分析并預(yù)構(gòu)橋接固定系統(tǒng)。① 建立復(fù)位模型。采取雙源CT進行骨盆掃描，電流35～264 mAs, 電壓80～120 kV, 螺距0.6 mm, 數(shù)據(jù)以DICOM格式保存。通過三維編輯分離粉碎骨塊并指定顏色，虛擬復(fù)位并合成三維復(fù)位模型，保留骨折線，保存STL格式。② 3D打印。以STL格式導(dǎo)入3D打印軟件中打印等比例樹脂實物模型，光固化成型法成型。③ 橋接固定系統(tǒng)。結(jié)合打印的復(fù)位模型，微調(diào)、預(yù)彎處理內(nèi)固定物，模擬內(nèi)固定物密切貼合骨面并精準定位螺絲釘部位與擰入深度，構(gòu)建復(fù)位模型。④ 有限元分析。掃描復(fù)位模型并導(dǎo)入Mimics 20.0軟件，將模型各部分建立對應(yīng)元件，經(jīng)quick edit處理后劃分體網(wǎng)格，有限元模型共生成789 543個結(jié)點、48 312個單元。模型材料屬性及韌帶強度見表1, 材料特性被認為是均勻和各向同性。

表1 材料屬性賦值與韌帶強度

模擬人體狀態(tài)對模型施加個性化邊界條件和載荷: ① 骨盆上端施加500 N力模擬直立。② 骨盆上端施加500 N力、在+X、-X方向施加7.5 Nm力矩模擬前屈、后伸。③ 骨盆上端施加500 N力、+Y方向施加7.5 Nm力矩模擬前屈側(cè)彎。④ 骨盆上端施加500 N力、+Z方向施加7.5 Nm力矩模擬旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。坐標系基于股骨定義, X軸指向股骨內(nèi)側(cè), Y軸指向股骨前方, Z軸豎直向上。根據(jù)模擬狀態(tài)得到內(nèi)固定物應(yīng)力分布及位移，并調(diào)整螺絲釘部位與擰入深度，減小應(yīng)力與位移，實現(xiàn)模型優(yōu)化。觀察組在對照組基礎(chǔ)上采取有限切開復(fù)位，根據(jù)術(shù)前模擬的內(nèi)固定方案將內(nèi)固定物精準植入人體。

1.2.5 術(shù)后處理: C臂機透視滿意后采用生理鹽水沖洗，術(shù)后常規(guī)傷口內(nèi)放置引流管48 h, 應(yīng)用抗生素48 h。24 h后開始股四頭肌及屈髖、屈膝練習, 4周后扶雙拐下地, 8周部分負重, 12周后完全負重行走。

1.3 觀察指標

① 比較2組住院時間、骨折愈合時間。② 2組術(shù)后第3天行骨盆正位、髂骨及閉孔斜位X線檢查，復(fù)位標準參照Matta影像學標準[7]。骨折移位<1 mm判定為解剖復(fù)位，骨折移位1～3 mm判定為復(fù)位良好，骨折移位>3 mm判定為復(fù)位不佳。復(fù)位滿意率=(解剖復(fù)位+復(fù)位良好)/總例數(shù)×100%。③ 術(shù)后隨訪6個月，采用Harris評分[8]評估髖關(guān)節(jié)功能，包括疼痛、功能、關(guān)節(jié)活動度、肢體畸形等項目，總分100分, ≥90分為優(yōu), 80～<90分為良, 70～<80分為可, <70分為差。④ 統(tǒng)計患者術(shù)后6個月內(nèi)并發(fā)癥發(fā)生情況，計算并發(fā)癥發(fā)生率。

1.4 統(tǒng)計學方法

2 結(jié) 果

2組一般資料比較，差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05), 見表2。觀察組住院時間、骨折愈合時間短于對照組，差異有統(tǒng)計學意義(P<0.05), 見表3。觀察組復(fù)位滿意率高于對照組，差異有統(tǒng)計學意義(P<0.05), 見表4。觀察組術(shù)后3、6個月的Harris評分高于對照組，差異有統(tǒng)計學意義(P<0.05), 見表5。觀察組并發(fā)癥發(fā)生率低于對照組，差異有統(tǒng)計學意義(P<0.05), 見表6。

表2 2組一般資料比較

表3 2組術(shù)后恢復(fù)情況比較

表4 2組復(fù)位效果比較[n(%)]

表5 2組髖關(guān)節(jié)Harris評分比較

表6 2組術(shù)后并發(fā)癥發(fā)生情況比較[n(%)]

典型病例分析: 患者男性, 38歲，Letournel-Judet分型為“T”型骨折，采取3D打印結(jié)合橋接固定系統(tǒng)治療，取得滿意的復(fù)位效果，隨訪結(jié)果顯示骨折愈合良好。術(shù)前X線檢查提示骨盆及髖臼骨折，術(shù)前CT檢查顯示骨盆及髖臼骨折情況, 3D打印骨折模型直觀顯示骨盆及髖臼骨折情況; 術(shù)前骨折模擬復(fù)位，有限元分析設(shè)計內(nèi)固定物大小、形狀及固定位置的正位效果; 術(shù)前骨折模擬復(fù)位，有限元分析設(shè)計內(nèi)固定物大小、形狀及固定位置的側(cè)位效果; 3D打印骨折復(fù)位模型，進行手術(shù)固定設(shè)計制作; 術(shù)后X線片提示骨折復(fù)位固定良好; 術(shù)后2個月復(fù)查X線片提示骨折愈合良好。見圖1。

A: 術(shù)前X線檢查; B: 術(shù)前CT檢查; C: 3D打印骨折模型; D: 術(shù)前骨折復(fù)位模擬;E: 復(fù)位模型的有限元分析; F: 基于骨折復(fù)位模型的手術(shù)固定設(shè)計; G: 術(shù)后即刻X線檢查; H: 術(shù)后2個月X線復(fù)查。

3 討 論

粉碎性復(fù)雜髖臼骨折移位形式復(fù)雜，手術(shù)難度大，復(fù)位與固定是手術(shù)成功的關(guān)鍵。傳統(tǒng)鋼板內(nèi)固定存在較大局限性及主觀性，術(shù)中復(fù)位效果依賴于術(shù)者臨床經(jīng)驗，存在創(chuàng)傷大、復(fù)位不理想等缺點[9]。醫(yī)學3D打印多基于CT或MRI原始數(shù)據(jù)來建立三維模型并完成打印。有限元分析是建立三維數(shù)字模型后進行的模擬力學測試，近年來已逐漸用于膝關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)骨折手術(shù)患者治療中[10]。有限元分析可模擬不同咬合狀態(tài)下的力學效應(yīng)，運算骨折內(nèi)固定取出前的骨愈合模型及內(nèi)固定取出后的穩(wěn)定性，同時預(yù)判內(nèi)固定斷裂風險。

本研究創(chuàng)新性地將3D打印與橋接固定系統(tǒng)結(jié)合，根據(jù)術(shù)前模型個性化預(yù)構(gòu)橋接組合內(nèi)固定系統(tǒng)，依據(jù)解剖部位、應(yīng)力強度等實施個性化手術(shù)，術(shù)后3、6個月觀察組的Harris評分均高于對照組，髖關(guān)節(jié)功能恢復(fù)優(yōu)于對照組，差異均有統(tǒng)計學意義(P<0.05), 考慮與橋接系統(tǒng)通過多方向螺釘置入實現(xiàn)多維固定，具有更強的抗剪切、抗旋轉(zhuǎn)及抗彎曲作用，精確預(yù)彎可增強橋接固定系統(tǒng)與骨面的貼合程度，以及獲得更高的固定生物力學性能有關(guān)[11-12]。本研究中，觀察組復(fù)位滿意率達83.93%, 高于對照組的66.07%, 差異有統(tǒng)計學意義(P<0.05), 與既往研究[13-14]結(jié)論一致。

觀察組采用3D打印技術(shù)在術(shù)前打印出原始骨折模型及復(fù)位模型，預(yù)測手術(shù)難度及演練手術(shù)操作，同時使用復(fù)位模型精準預(yù)構(gòu)橋接組合式系統(tǒng)，并進行醫(yī)學有限元分析，而后精準植入機體，有利于減輕手術(shù)創(chuàng)傷。觀察組僅需要進行有限切開復(fù)位，實現(xiàn)了微創(chuàng)治療[15]，因此住院時間及骨折愈合時間較對照組縮短。本研究中，對照組2例內(nèi)固定彎曲或折斷主要是因內(nèi)固定放置不當導(dǎo)致應(yīng)力過分集中以及與骨質(zhì)接觸不良造成。橋接鋼板安裝更為靈活，經(jīng)有限元分析定位螺絲釘部位，減小了應(yīng)力集中，避免了術(shù)后內(nèi)固定彎曲或折斷。創(chuàng)傷性關(guān)節(jié)炎的發(fā)生多因移位的髖臼骨折未能準確復(fù)位，術(shù)后在肢體行走與活動過程中不斷摩擦周圍相關(guān)關(guān)節(jié)及組織而誘發(fā)[16]。異位骨化、切口感染等多因軟組織創(chuàng)傷大引起，觀察組采取有限切開復(fù)位，減輕手術(shù)創(chuàng)傷，是觀察組并發(fā)癥發(fā)生率低于對照組的主要原因。

本研究的不足有: ① 研究證據(jù)等級不高，缺乏中遠期療效評價; ② 3D打印制備骨折模型、預(yù)彎橋接固定系統(tǒng)等均是在排除骨折周圍血管、神經(jīng)的情況下進行的，實際上過多地暴露、分離軟組織可能會造成“二次創(chuàng)傷”; ③ 研究樣本量較少，缺乏大宗數(shù)據(jù)結(jié)果。值得注意的是, 3D打印結(jié)合橋接固定系統(tǒng)的術(shù)前準備時間較長，患者術(shù)前住院時間會相應(yīng)延長，增加了住院花費; 個性化預(yù)構(gòu)橋接固定系統(tǒng)需針對患者實際情況進行個性化設(shè)計與優(yōu)化，治療費用也會明顯增加，會加重部分患者經(jīng)濟負擔，臨床應(yīng)用可能受限。

綜上所述, 3D打印結(jié)合橋接固定系統(tǒng)進行有限元分析在治療粉碎性復(fù)雜髖臼骨折患者中效果顯著，可獲得滿意的復(fù)位與固定效果，減少術(shù)后并發(fā)癥，促進髖關(guān)節(jié)恢復(fù)。