3D打印技术在复杂骨盆及髋臼骨折手术中的应用

聂喜增　刘金辉　李　锋　刘　博　谢　磊

(河北省 石家庄市第三医院关节外科 050031)



3D打印技术在复杂骨盆及髋臼骨折手术中的应用

聂喜增刘金辉李锋刘博谢磊

(河北省 石家庄市第三医院关节外科 050031)

[摘要]目的探讨3D打印技术在复杂骨盆及髋臼骨折手术中的应用价值。方法回顾分析自2008年4月至2013年4月于我院行手术治疗的不稳定型98例复杂骨盆、髋臼骨折病例的患者资料。其中30例患者术前行螺旋CT技术对复杂骨盆及髋臼骨折病例进行扫描后行影像学三维重建解剖学模型,将所得数据输入快速成型机制作出与实体1:1大小的骨盆模型，将螺钉、钢板内固定与骨盆模型拟合，明确内固定置入的方向、长度、角度等数据。依此对骨盆及髋臼骨折做出明确的诊断、分型,制定手术方案,术前模拟手术,指导手术治疗(3D技术组);68例患者常规术前检查及手术(常规技术组).对比两组的术前、术中各项指标以及术后2年生活满意度和6个月、1年和2年的SF36评分(n=98)。结果术前、术中各项指标两组间比较差异有统计学意义(P<0.05)，术后2年生活满意度和6个月、1年和2年的SF36评分(n=98)两组间比较差异有统计学意义(P<0.05)。结论3D打印技术术前模拟能全面、直观、精确地显示骨盆的立体形态和各部位解剖结构的空间关系,对于骨盆及髋臼骨折的诊断、分型及治疗均有很强的临床指导作用,手术创伤小，手术时间快，康复快，提高了内固定物置入的安全性和准确性。它在复杂骨盆及髋臼骨折的治疗中有着广阔应用前景.

[关键词]3D打印技术；快速成型技术；骨盆；髋臼；骨折

[DOI编码]10.3969/j.issn.2095-9559.2016.03.012

骨盆骨折的形态部位复杂多样，细微的骨折、结构错位以及骶骨、骶髂关节、髋臼等处的重叠部分骨折易漏诊，及时正确的做出诊断和分型对于临床诊断、选择适当的外科治疗路径、精确的导航复位、治疗后的疗效评价有指导意义。使用3D打印技术立体多方位显示骨折部位，术前有利于术者对复杂骨盆及髋臼骨折分类的判断，有助于骨科医生精确判断病变，采用相应的方案进行治疗。快速成型技术打造1：1大小的骨盆模型，术前预先确定内固定螺丝钉和钢板的位置，并对钢板进行预成型，模拟手术流程，指导术者准确复位及进行合理的内固定，术中使用3D骨盆重建图像和1:1大小3D骨盆模型可保证内固定物的准确定位，缩短手术时间，减小手术创伤。

1 材料与方法

1.1 一般资料 本研究选取2008年1月1日～2014年1月1日共98例不稳定型复杂骨盆及髋臼骨折患者，男52例，女46例，年龄26～75岁，平均35岁，其中38例患者术前采取CT三维重建、血管造影、3D打印快速成型、计算机模拟与个体化标本模拟手术，术中按术前计划手术(3D组)；60例患者常规术前检查及手术(常规组)。

1.2 扫描方法及重建步骤

1.2.1 所有患者均行骨盆前后位X线片检查及CT薄层扫描。

1.2.2 30例患者均使用螺旋CT机(GE Lightspeed Ultra 18)行螺旋扫描，全程层厚2～3mm，层距2mm，螺距1.5:1，13～5mm准直，扫描时间3s,球管电压120kV,电流160～250mA。均行回顾性重建，重建间隔1.25mm，重建在VQ工作站进行，采用VoxelQ软件包(Version4.1,Picker),在获取的二维图像的基础上通过表面遮盖成像(shaded surface display,SSD),最大密度投影(maxium intensity projection,MIP),多平面重建(multiple plane reformation,MPR)和容积重建技术(VR)对复杂骨折进行多方位观察。SSD根据需要选择不同阙值(threshold)最低阙值200HU。通过对SSD图像的旋转，根据需要从任一角度进行切割。VR对4种组织类型不同阙值分别调节，使气体、脂肪和软组织的透明度接近零，从而获得图像。MPR的矢状面和冠状面图像从各个方向显示病变的立体及其周围组织。并可根据要求消隐影响观察的组织。如髋关节可使用切割程序，去除股骨头，直接观察髋臼窝，或去除髋臼，直接观察股骨头，对术后复查病例采用调节下限值技术，消除金属内固定物伪影。

1.2.3 将CT扫描断层数据以Dicom格式导入计算机，利用Mimies软件重建骨盆三维图像，通过三维重建模型可精确确定骨盆及髋臼骨折的部位、诊断及分型。再将转换后的数据转换成快速成型机器可督学的数据(STL)。

1.2.4 将所得STL数据输入快速成型机。于术前制作出与实体1:1大小的骨盆模型。

1.3 术前准备

1.3.1 根据骨盆模型明确骨盆或髋臼骨折的类型。

1.3.2 根据骨盆模拟制定治疗方法(手术或非手术)、选择手术入路切口，并在模型上模拟合适的内固定类型和安装方法(预弯钢板、选择合适长度的螺丝钉)。

1.4 手术 记录3D组和常规组患者术中出血量、输血量、手术时间等。

1.5 术后 记录3D组合常规组患者术后2年生活满意度和6个月、1年和2年的SF36评分。

2 结果

2.1 各组术中指标检测结果比较3D组与常规组相比，术中出血量、输血量、手术时间明显减少差异有统计学意义(P<0.05)。见表1

表1 各组术中指标的检测结果及其比较±s)

2.2 术后两年生活质量调查比较 3D组与常规组相比，3D组：优8例,良12例,可5例,差2例，二次手术2例，多次手术1例，优良率达83.3%。常规组：优6例,良23例,可18例,差13例,二次手术6例，多次手术2例，优良率达69.1%,两组间比较差异有统计学意义(P<0.05)。3D组骨盆及髋臼骨折复位质量：0-1mm 27例，2-3mm 3例，>3mm 0例，解剖复位率(0-1mm)90%。常规组骨盆及髋臼骨折复位质量：0-1mm 35例，2-3mm 25例, >3mm 8例，解剖复位率(0-1mm)51.4%。两组间骨折复位质量比较差异有统计学意义(P<0.05)。见表2

表2 术后两年患者生活质量调查比较

2.3 98位患者在三个时间点全部参加了SF36评分问卷调查，通过对比分析常规组在8个领域中低于3D组。两组间比较差异有统计学意义(P<0.05)。

表3 常规组与3D组术后三个时间点的

3 讨论

3.1 3D打印技术的价值和优点。3D技术通过对螺旋CT的数据采用表面遮盖法SSD,最大密度投影法MIP,多平面重建发MPR,容积重建技术VR，作回顾性处理，使重叠图像的生成成为可能，从而产生高质量的三维图像，弥补了常规CT检查的不足。3D技术三维重建可以直观病变及其周围结构的立体关系，全面、清晰的显示骨折情况，减少漏诊；还可以利用任意轴向和角度旋转，选择暴露病变的最佳视角进行观察，以及利用图像再处理功能消除某一骨性结构，以便更好的观察骨折及碎骨片。为骨盆和髋臼的骨折提供了精确可靠的依据。从而有助于术者准确判断病变，采用相应的手术入路，指导术中准确复位及选择合理的内固定。 快速成型技术RP于术前制作出与实体1:1大小的骨盆模型，预先确定内固定螺钉或钢板的位置，并对钢板进行术前预成型。对减少手术创伤，缩短手术时间，创造了有利条件。术后3D技术科观察手术是否成功，有无周围软组织损伤，以便可以及时进行二次手术纠正内固定器的错位，有利于术后复查和随访。

3.2 3D打印技术的局限和问题。螺旋CT扫描层厚1～2mm的三维图像较清晰，层厚≥5mm图像则不清晰。螺旋CT三维重建扫描一般需扫40～60层，层数越多，螺旋CT机的工作耗损就越大，检查的费用就越高。快速成型机打印材料费用昂贵，打印材料选择少。本研究材料费用平均3000元人民币。打印出的食物模型机械强度差，无法适应高强度长期使用。此外，作为临床应用的3D打印模型，起材料必须具有生物相容性、可降解性，而目前很多材料不能满足这些要求。因此，开发能够适合医学应用的3D打印材料是当务之急。

总之，3D打印技术可以减少手术创伤、有利于术后恢复，适合于骨盆、髋臼骨折的治疗。3D打印技术辅助下治疗复杂骨盆、髋臼骨折，是一种安全，有效的治疗方法，手术创伤小，手术时间短，康复快，提高了内固定物置入的安全性和准确性。3D打印技术是目前骨科领域中最佳的手术辅助工具，拥有极其广阔的应用前景。

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[中图分类号]R472.9

[文献标识码]B[学科分类代码]320.2799

[文章编号]2095—9559(2016)03—2089—02

[收稿日期]2015-09-22