數(shù)字化設(shè)計(jì)結(jié)合3D打印技術(shù)精準(zhǔn)治療復(fù)雜肩胛骨骨折的應(yīng)用研究*

孫基鍇 吳琦明 唐文成 程喜紅 曾潔潔 鄧劍平

肩胛骨位于胸廓后外側(cè)，由岡上肌、岡下肌、小圓肌等肌肉覆蓋。由于軟組織的保護(hù)作用，肩胛骨骨折發(fā)生率較低，占全身骨折的0.5%～1%，肩部骨折的3%～5%，多為高能量損傷所致[1-2]。對(duì)于移位不明顯的肩胛骨體部骨折，保守治療多能達(dá)到滿意治療效果；但對(duì)于移位較大的復(fù)雜肩胛骨骨折，非手術(shù)治療難以獲得滿意的復(fù)位和堅(jiān)強(qiáng)的固定，易使患側(cè)肩關(guān)節(jié)遺留慢性疼痛，關(guān)節(jié)功能受限[3]。所以對(duì)于移位較大的復(fù)雜肩胛骨骨折，手術(shù)治療可以獲得滿意的復(fù)位效果及有效固定，對(duì)于達(dá)到良好的治療效果和減少骨折并發(fā)癥至關(guān)重要[4]。隨著數(shù)字骨科的興起和材料科學(xué)的不斷進(jìn)步，可以為復(fù)雜肩胛骨骨折患者進(jìn)行術(shù)前精確模擬，制定個(gè)體化的治療方案，為高難度肩胛骨手術(shù)治療提供有力保障。本研究前瞻性分析通過數(shù)字化設(shè)計(jì)結(jié)合3D打印技術(shù)制定個(gè)體化的手術(shù)方案，取得較好效果，現(xiàn)報(bào)告如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料

以本科2018年6月至2020年6月收治的40例復(fù)雜肩胛骨骨折患者作為觀察對(duì)象。依據(jù)骨折分型接近的原則，隨機(jī)分為試驗(yàn)組和對(duì)照組，每組20例。試驗(yàn)組采用數(shù)字化設(shè)計(jì)結(jié)合3D打印技術(shù)進(jìn)行個(gè)體化術(shù)前設(shè)計(jì)，其中男15例，女5例；年齡（36.8±5.2）歲；依據(jù)Hardegger分型[5]：Ⅰ型7例，Ⅰ型合并Ⅱ型3例，Ⅰ型合并Ⅵ型3例，Ⅰ型合并Ⅶ型2例，Ⅶ型3例，Ⅵ型合并Ⅷ型2例；對(duì)照組采用傳統(tǒng)方法進(jìn)行術(shù)前規(guī)劃，其中男13例，女7例；年齡（34.4±4.9）歲；依據(jù)Hardegger分型[5]：Ⅰ型5例，Ⅰ型合并Ⅱ型2例，Ⅰ型合并Ⅵ型1例，Ⅰ型合并Ⅶ型5例，Ⅲ型合并Ⅵ型3例，Ⅵ型合并Ⅶ型4例。兩組患者的一般資料比較，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（>0.05），具有可比性。

1.2 手術(shù)方法

1.2.1 試驗(yàn)組

①數(shù)字化設(shè)計(jì)：對(duì)所有病例進(jìn)行16排CT平掃肩關(guān)節(jié)及周圍骨連接，CT掃描參數(shù)：120kV，150 mA，掃描層厚1.0 mm，層距1.0 mm，螺距0.9375，以DICOM格式文件儲(chǔ)存（見圖1A、B）。導(dǎo)入Mimics 15.0計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，進(jìn)行閾值分割、區(qū)域增長(zhǎng)、三維編輯等操作，依次重建復(fù)雜肩胛骨骨折三維模型。利用重建好的三維骨折模型，在Mimics軟件中對(duì)相應(yīng)骨折塊進(jìn)行模擬平移、旋轉(zhuǎn)等操作，對(duì)骨折端實(shí)施模擬復(fù)位（見圖1C、D）。②打印3D實(shí)物模型：將患者所復(fù)位好的三維模型數(shù)據(jù)以STL格式文件發(fā)送給院外的3D打印公司，采用多材料全彩色微滴噴射式技術(shù)按1∶1比例打印出復(fù)位好的肩胛骨骨折模型，打印機(jī)為多材料全彩噴射式設(shè)備J300或J400，材料為彩色液態(tài)樹脂材料（見圖1E）。③根據(jù)3D實(shí)物模型制定手術(shù)方案：依據(jù)3D實(shí)物模型精準(zhǔn)模擬鋼板、螺釘?shù)闹踩脒^程，提前選擇合適的手術(shù)入路，確定所需鋼板及螺釘?shù)臄?shù)量、長(zhǎng)度，并根據(jù)3D實(shí)物模型顯示的具體骨折走形對(duì)接骨板加以預(yù)彎和塑形，為手術(shù)方案的制定提前進(jìn)行規(guī)劃（見圖1F）。④實(shí)際手術(shù)操作過程：手術(shù)均由同一手術(shù)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行，采用氣管插管下全麻，術(shù)前30 min常規(guī)應(yīng)用一代頭孢預(yù)防感染?；颊呷〗?cè)臥位。手術(shù)切口采用后方Judet入路：沿肩胛岡體表外緣向內(nèi)下方至肩胛骨內(nèi)上角，順肩胛骨內(nèi)側(cè)緣向下至肩胛下角。依次切開皮膚、皮下組織及肩胛岡上筋膜，掀開皮瓣將斜方肌牽向內(nèi)上方，于肩胛岡處分離并切斷部分三角肌，將三角肌牽向外側(cè)，剝離部分岡下肌后顯露肩胛骨體部骨折端。復(fù)位骨折后于肩胛骨邊緣、肩胛岡等骨質(zhì)致密部位置入術(shù)前塑形好的接骨板及螺釘內(nèi)固定。

1.2.2 對(duì)照組

根據(jù)術(shù)前影像學(xué)資料進(jìn)行術(shù)前評(píng)估，采用傳統(tǒng)手術(shù)方式，由同一手術(shù)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行術(shù)前規(guī)劃，仍通過Judet手術(shù)入路實(shí)施手術(shù)操作，術(shù)中根據(jù)骨折具體形態(tài)選擇并塑形鋼板，通過C臂透視情況，調(diào)整螺釘置入角度及長(zhǎng)度。

1.3 術(shù)后處理及觀察指標(biāo)

記錄兩組手術(shù)時(shí)間、術(shù)中出血量、骨折愈合時(shí)間的具體數(shù)據(jù)。術(shù)后24 h繼續(xù)應(yīng)用抗生素預(yù)防感染，術(shù)后留置引流管24～48 h。術(shù)后2 d起指導(dǎo)患者進(jìn)行肌肉收縮練習(xí)，術(shù)后2周起鼓勵(lì)患者進(jìn)行關(guān)節(jié)功能主動(dòng)鍛煉，視骨折愈合情況逐步增加活動(dòng)量。術(shù)后次日、3個(gè)月、半年、1年分別復(fù)查影像學(xué)檢查，了解骨折對(duì)位及愈合情況。末次隨訪時(shí)通過Hardegger評(píng)分[6]，從肩關(guān)節(jié)活動(dòng)度、疼痛、肌力情況對(duì)患者肩關(guān)節(jié)功能進(jìn)行評(píng)定。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

采用SPSS 22.0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。計(jì)量資料用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示，組間比較用 檢驗(yàn)；計(jì)數(shù)用n（%）表示，組間比較用2檢驗(yàn)。<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 手術(shù)及臨床效果比較

所有患者均順利完成手術(shù)，試驗(yàn)組實(shí)際手術(shù)操作與術(shù)前模擬復(fù)位相一致，所有預(yù)塑形鋼板均能與實(shí)際骨骼相匹配，術(shù)中無需二次調(diào)整，實(shí)際使用螺釘數(shù)量、長(zhǎng)度與術(shù)前設(shè)計(jì)無差別。對(duì)照組中有1例出現(xiàn)螺釘進(jìn)入關(guān)節(jié)腔，經(jīng)二次手術(shù)調(diào)整后未造成不良后果，患者順利康復(fù)。與對(duì)照組相比，試驗(yàn)組手術(shù)時(shí)間短，術(shù)中出血量少，兩組間比較差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（<0.05，見表1）。所有患者均未出現(xiàn)神經(jīng)、血管損傷及傷口感染、壞死等早期并發(fā)癥。全部患者隨訪5～13個(gè)月，平均9個(gè)月，所有骨折均順利愈合，兩組間比較骨折愈合時(shí)間比較差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（>0.05，見表1）。無內(nèi)固定物松脫折斷，無骨折端二次移位、畸形愈合、關(guān)節(jié)僵硬等并發(fā)癥發(fā)生。

表1 兩組患者具體觀察指標(biāo)及統(tǒng)計(jì)結(jié)果（±s）

表1 兩組患者具體觀察指標(biāo)及統(tǒng)計(jì)結(jié)果（±s）

組別 n 手術(shù)時(shí)間（min）術(shù)中出血（mL）骨折愈合時(shí)間（周）試驗(yàn)組 20 113.25±16.3 331.5±55.3 12.5±1.1對(duì)照組 20 127.5±18.9 369±56.7 12.8±0.9值images/BZ_57_274_922_298_947.png值2.5530 2.1170 0.9653<0.05 <0.05 >0.05

2.2 隨訪情況比較

末次隨訪時(shí)，根據(jù)Hardegger肩關(guān)節(jié)功能評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)兩組患者進(jìn)行療效評(píng)價(jià)：肩關(guān)節(jié)活動(dòng)正常，無疼痛，外展肌力正常者（優(yōu)）；肩關(guān)節(jié)活動(dòng)基本正常，劇烈運(yùn)動(dòng)時(shí)偶有疼痛，外展肌力Ⅳ級(jí)者（良）。肩關(guān)節(jié)活動(dòng)中度受限，外展功能喪失30°～40°，日?；顒?dòng)時(shí)肩周疼痛，外展肌力Ⅲ～Ⅳ級(jí)（可）。肩關(guān)節(jié)活動(dòng)嚴(yán)重受限，外展功能喪失>40°，肩周持續(xù)疼痛，外展肌力Ⅱ級(jí)（差）。兩組間比較，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（<0.05，見表2）。

表2 兩組患者臨床療效對(duì)比[n（%）]

典型病例：患者，男，53歲。左肩胛骨骨折（HardeggerⅠ型），見圖1。

圖1 A.術(shù)前X線；B.術(shù)前CT三維重建；C、D.在Mimics 15.0軟件中對(duì)相應(yīng)骨折塊進(jìn)行模擬復(fù)位；E.根據(jù)模型數(shù)據(jù)打印3D實(shí)物模型；F.根據(jù)3D實(shí)物模型制定手術(shù)方案；G.術(shù)中C臂透視；H.術(shù)后即刻X線；I、J.術(shù)后即刻CT三維重建；K.術(shù)后半年隨訪X線；L.術(shù)后半年隨訪CT三維重建

3 討論

3.1 肩胛骨骨折的診療特點(diǎn)

肩胛骨骨折臨床發(fā)病率較低，致傷因素多為高能量損傷，易合并多發(fā)肋骨骨折、血?dú)庑?、肺挫傷、顱腦損傷等其他部位損傷[7]。在治療過程中，應(yīng)首先處理危及患者生命的主要臟器損傷。大部分肩胛骨骨折移位輕微，通過患肢制動(dòng)、逐步功能鍛煉等保守治療可達(dá)到滿意療效[8]。但如果肩胛骨骨折端存在明顯移位，手術(shù)治療能夠在最大程度上恢復(fù)肩胛骨的正常解剖形態(tài)，降低骨折畸形愈合的發(fā)生幾率，減少因治療不充分導(dǎo)致的肩關(guān)節(jié)慢性疼痛、活動(dòng)受限等并發(fā)癥發(fā)生。但由于肩胛骨周圍解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，神經(jīng)血管豐富，損傷后正常解剖標(biāo)志不易辨識(shí)，通過常規(guī)的X線、CT等影像資料難以對(duì)骨折進(jìn)行全面、系統(tǒng)、充分的認(rèn)識(shí)與辨析。實(shí)際手術(shù)過程中常需要更改手術(shù)方案，不僅延長(zhǎng)手術(shù)時(shí)間、增大創(chuàng)傷，更會(huì)對(duì)骨折患者的預(yù)后增加不確定因素。因而，客觀、準(zhǔn)確、完善的術(shù)前規(guī)劃對(duì)于手術(shù)的成敗與患者的康復(fù)意義重大[9]。

3.2 肩胛骨骨折手術(shù)切口設(shè)計(jì)和內(nèi)植入物的選擇

復(fù)雜肩胛骨骨折患者手術(shù)方案的制定，需考慮骨折損傷的具體類型、局部軟組織條件、患者的手術(shù)耐受程度、全身狀況等多方面因素。在實(shí)際操作中，除對(duì)肩胛骨喙突骨折采用喙突上直切口外，對(duì)于所涉及肩胛體、關(guān)節(jié)盂、肩峰骨折所需固定時(shí)均采用后方Judet入路[10]。該手術(shù)切口顯露廣泛、無需專門解剖具體血管、神經(jīng)，能充分滿足鋼板放置、固定要求，但此切口創(chuàng)傷較大，需嚴(yán)格控制手術(shù)時(shí)間[11]。因肩胛骨骨骼形態(tài)不規(guī)則，目前臨床尚無專用解剖鋼板，傳統(tǒng)手術(shù)需要在術(shù)中根據(jù)骨折具體形態(tài)對(duì)重建鋼板予以塑形，使其與肩胛骨的骨面貼合，從而達(dá)到堅(jiān)強(qiáng)固定的效果。但在實(shí)踐中，這一過程多需要反復(fù)調(diào)整，不僅效率低下，也延長(zhǎng)了手術(shù)時(shí)間，增大了創(chuàng)傷，甚至?xí)?dǎo)致一些不必要的醫(yī)源性損害和手術(shù)并發(fā)癥[12]。因此，制定個(gè)體化的手術(shù)方案，能夠使手術(shù)更加安全、微創(chuàng)、精準(zhǔn)[13]。

3.3 數(shù)字化設(shè)計(jì)及3D打印技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值

近年來，3D打印技術(shù)已廣泛應(yīng)用于骨科臨床實(shí)踐之中[14]，有學(xué)者根據(jù)復(fù)雜肩胛骨骨折患者的CT圖像直接打印出3D實(shí)物模型，再在呈現(xiàn)骨折具體形態(tài)的實(shí)物模型上進(jìn)行術(shù)前規(guī)劃[15]，但由于術(shù)中將骨折復(fù)位后的情況與模型存在一定偏差，使其術(shù)中仍需對(duì)術(shù)前所塑形的鋼板進(jìn)行微調(diào)，在精準(zhǔn)性方面存在一定缺陷。

數(shù)字醫(yī)學(xué)作為一種新興技術(shù)，可將傳統(tǒng)二維影像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)榱Ⅲw三維圖像。利用這項(xiàng)技術(shù)能夠準(zhǔn)確地診斷、精確地規(guī)劃和指導(dǎo)手術(shù)[16]。筆者所進(jìn)行的這項(xiàng)研究，首先使用Mimics 15.0軟件對(duì)肩胛骨骨折進(jìn)行模擬復(fù)位，可提前確定手術(shù)入路、復(fù)位計(jì)劃和內(nèi)固定方案，改變傳統(tǒng)的依靠個(gè)人經(jīng)驗(yàn)和操作技巧的經(jīng)典模式，縮短復(fù)雜手術(shù)的學(xué)習(xí)曲線。根據(jù)復(fù)位后的STL文件打印出1∶1的3D實(shí)物模型。其模型與人體實(shí)際骨骼在外觀上高度相似，實(shí)現(xiàn)了從平面到立體、從靜態(tài)到動(dòng)態(tài)的提升。選取復(fù)位好的肩胛骨骨骼模型在體外進(jìn)行模擬手術(shù)，根據(jù)骨折端的具體形態(tài)選擇合適的鋼板并加以預(yù)塑形，并可在體外模擬骨折內(nèi)固定過程。術(shù)前即可確定鋼板放置的具體位置、數(shù)量和所需螺釘?shù)木唧w長(zhǎng)度，使術(shù)前計(jì)劃更加細(xì)化、精準(zhǔn)。這樣通過對(duì)每一位患者制定個(gè)體化的手術(shù)方案，能夠使術(shù)者在術(shù)前充分認(rèn)識(shí)手術(shù)過程并進(jìn)行詳細(xì)準(zhǔn)備，從而有效縮短手術(shù)時(shí)間并提高手術(shù)的安全性。

本項(xiàng)研究表明，通過數(shù)字化設(shè)計(jì)及3D打印技術(shù)對(duì)患者制定個(gè)體化的治療方案,可以使復(fù)雜肩胛骨骨折術(shù)中操作更加精準(zhǔn)、有效，同時(shí)也可以縮短手術(shù)操作時(shí)間、降低手術(shù)實(shí)施難度、減少術(shù)中出血及透視次數(shù),提高圍手術(shù)期的安全性，從而為復(fù)雜肩胛骨骨折患者的康復(fù)創(chuàng)造良好的條件。