3D打印技术在复杂骨折治疗中的作用研究

潘德悦，李学良，石 峰，姜向东，赵文志

(大连医科大学附属第二医院 创伤骨科，辽宁 大连 116027)

论 著 doi:10.11724/jdmu.2016.06.14

3D打印技术在复杂骨折治疗中的作用研究

潘德悦，李学良，石 峰，姜向东，赵文志

(大连医科大学附属第二医院 创伤骨科，辽宁 大连 116027)

目的 探讨3D打印技术在复杂骨折个性化治疗中的作用。方法 将1例髋臼骨折、1例踝关节骨折患者骨折处，经CT扫描得到dicom格式数据，Mimics软件处理后，3D 打印机打印成1∶1骨折模型，进行模型上复位与固定预演，并按照术前预演目标进行手术。结果 术后骨折得到满意复位及有效固定，与术前手术预演基本吻合，患者无血管和神经损伤等并发症发生。结论 3D打印技术在复杂性骨折手术治疗中可延展术前设计、精准手术过程、缩短手术时间、并减少并发症的发生。

3D打印；复杂骨折；内固定

3D打印(3D printing)，也称快速成型(rapid prototyping)技术，是基于粉末状粘合材料累加原理的增材制造技术。近年来，3D打印技术广泛应用于工业各种零部件甚至整体机械的制造，在医疗领域的应用也越来越多[1]。随着现代交通业、建筑业的发展，复杂骨折患者明显增多，如何针对每一个外伤患者“量体裁衣”，设计最佳手术方案，以减少手术时间及对患者创伤，达到“个性化、精准化”治疗，是一个巨大的挑战。3D打印技术的到来，很好地解决了这个难题。

大连医科大学附属第二医院骨科自2014年开始应用3D打印技术辅助手术治疗，应用于骨盆骨折5例，踝关节骨折4例，胫骨平台骨折4例，其他部位共5例。本研究回顾性分析了本院收治的2例复杂骨折的患者，1例为高处坠落伤致髋臼骨折，1例因车祸伤致Pilon骨折。骨折均关节面粉碎严重，为更好的设计手术方案，减轻患者的创伤，3D打印了骨折模型，在3D打印模型上预复位及内固定，取得了良好的效果。

1 资料与方法

1.1 一般资料

病例1：患者，男，58岁，从2米高处坠落致髋部疼痛、肿胀、活动受限于2016年6月就诊，入院查体：右髋部肿胀，未见明显瘀斑，右髋部压痛、叩痛，右髋关节活动受限，骨盆挤压分离实验(+)，右下肢短缩2.0 cm。X线示：右侧髋臼骨折，右髂骨骨折，右耻骨骨折(图1)。诊断：右髋臼骨折(双柱骨折—Judet-Letournel分类；C3型—AO分类)。入院后监测血液动力学稳定，予以右下肢股骨髁上骨牵引，完善CT检查及术前准备。

图1 病例1骨盆正位片Fig 1 Pelvic frontal photograph of case 1

病例2：患者，男，59岁，因“车祸伤致左小腿畸形、肿痛伴活动受限3周”于2016年2月转入本院，外院X线：左胫腓骨远端粉碎性骨折，予以牵引治疗3周后转入本院。查体：左小腿轻度肿胀，前侧可见片状皮肤擦伤，局部无明显渗出，左踝肿胀明显，外踝可见3.0 cm×4.0 cm皮肤破溃，表面少量脓性渗出，左跟部可见牵引针，针道无明显渗出，左踝广泛压痛，左踝关节屈伸活动因痛受限，左足背动脉搏动可触及，左下肢触痛觉无减退。诊断：左Pilon骨折(Rüedi和Allgöwer分型 Ⅲ型；AO分型C3型)、左外踝开放性骨折(AO分型 C1型)(图2) 左外踝软组织感染 左胫前皮肤擦伤。入院后予以预防血栓、抗感染、骨牵引治疗，待外踝创面结痂干燥后，行手术治疗。

图2 病例2 X线片Fig 2 Radiograph of case 2A：正位片；B：侧位片

1.2 三维数据采集

将患者骨盆部位进行1 mm薄层CT(西门子64层螺旋CT)扫描，保存为DICOM格式，导入Mimics软件进行三维编辑，将编辑后的骨折模型输入3D打印机实施打印，打印出患者1∶1比例的仿真骨折模型。见图3。

图3 CT重建和3D打印模型Fig 3 3D CT and 3D printing modelA、B: 病例1；C、D: 病例2

1.3 手术计划

在模型上进行模拟手术，并将接骨板进行预弯，决定最佳的接骨板位置、大小以及螺钉位置、方向、数量，并作记录，同时向患者及家属讲解。

1.4 手术经过

病例1：全身麻醉后，患者仰卧位，术区消毒，取右髂窝入路，逐层切开，牵开髂腰肌，沿肌间隙进入骶髂关节，见髂骨自外上方至髋臼骨折线，骨折分离移位，右下肢牵引，依据预演练方式，顶棒辅助手法复位后柱骨折，1枚克氏针临时固定，置入接骨板及螺钉。再取Stoppa入路，自腹正中脐下5 cm至耻骨联合上切口，自腹白线切开，牵开腹外斜肌及腹直肌，保护并牵开腹腔脏器，探及并结扎“死亡之冠”，于四面体处触及骨折线，下肢牵引状态下，复位钳复位髋臼前柱骨折，2枚克氏针临时固定，置入2块接骨板，螺钉固定。检查髋关节活动度良好，内固定位置满意后，充分止血，冲洗，缝合。

病例2：全身麻醉后，患者仰卧位，左下肢消毒、铺单，气压止血带止血，压力50 kPa，清除外踝痂皮，取外踝外侧约8 cm切口，暴露骨折端，复位骨折块，恢复外踝长度及外展角，自远端1枚骨圆针髓内固定。再取踝关节前内侧切口，长15 cm，暴露骨折端，分别复位后侧、前侧、内侧骨块，取自体髂骨填充骨缺损，内外侧各放置1枚锁定接骨板固定。C臂透视见骨折复位满意，下胫腓联合分离，查Hook试验(+)，复位下胫腓联合，由腓骨向胫骨置入1枚皮质骨螺钉固定。因外踝痂皮揭除后皮肤缺损，缝合后以VSD覆盖外踝创面。

2 结 果

病例1手术时间2 h 30 min，术中出血约1000 mL，输血6 U、血浆640 mL。术中发现术前预折弯钢板与复位后骨盆贴附欠佳，再次折弯后贴附良好。术后予以常规预防血栓等治疗，卧床功能锻炼。术后影像(图4)评估内固定情况与术前模拟基本一致，未见螺钉突入关节。术后无血管神经损伤表现，切口愈合良好，患侧髋关节活动无受限。术后随访4个月，已临床愈合。

图4 病例1术后X线Fig 4 Post operation of case 1

病例2手术时间3 h 30 min，术中出血约200 mL。术后予以常规预防血栓等治疗，无负重功能锻炼。术后影像(图5)评估内固定情况与术前模拟基本一致。术后无血管神经损伤表现，内踝切口愈合良好，外踝VSD放置2周后创面愈合，患侧踝关节活动度良好。术后3个月取出下胫腓联合螺钉，随访6个月，骨折已临床愈合。

图5 病例2术后X线Fig 5 Post operation of case 2

3D打印模型预演手术治疗患者，均较普通手术治疗患者(同一骨折分型、同一术者)手术时间均明显缩短，切口长度普遍减小。患者术中、术后均未见明确血管、神经损伤。

3 讨 论

3D打印技术是一项“成名已久”的技术，目前在工业上的应用已臻成熟，但在医学上，尤其是骨科领域的应用，正方兴未艾。Hurson等[2]于2007年报道对20例髋臼骨折依据CT数据获得3D打印模型，与传统的影像学检查(骨盆正位、CT)相比，依据三维模型进行髋臼骨折分型时一致性明显升高。在国内，积水潭医院吴新宝教授[3]将3D打印技术应用于陈旧性骨盆骨折的治疗，取得了显著疗效。不仅如此，3D打印的内置物应用于骨折、关节置换、骨肿瘤领域，也被纷纷报道，但目前尚未广泛应用。

本例髋臼骨折患者，常规手术入路为“髂腹股沟入路”。但髂腹股沟入路存在一定的缺陷：创伤大，操作复杂，需要多窗口显露；神经血管损伤几率高(如股神经、坐骨神经、股外侧皮神经、“死亡之冠”)；钢板塑形困难；对四边体暴露困难。近年来，越来越多的创伤科医生提倡“Stoppa入路”，获益于：暴露容易、可直视整个前柱，尤其四边体、可直接处理死亡之冠、可直视并达到后柱、可以重建钢板周定并支撑四边体[4]。本例患者合并髂骨骨折，故增加髂窝切口，以辅助复位、有效固定。

本例髋臼骨折患者术中使用预弯接骨板固定时，发现接骨板与骨盆不贴附现象，术后分析，存在以下可能：3D打印技术依靠CT扫描的数据，而CT扫描的精度可能影响接骨板塑形；术前设计仅针对骨性骨盆，而实际上骨盆由筋膜、肌肉等软组织覆盖；因切口暴露原因，术中接骨板放置位置与术前设计置入点可能有偏差。

对于3D打印技术的使用，作者认为有以下优点：(1)3D打印技术可以制作出骨折部位模型，让术者更直观的了解骨折形态；(2)以前的术前规划是在影像片子(二维)上完成，而3D打印可以三维立体的制定手术方案，进行逼真的术前模拟。术者可尝试不同的复位及固定方法，从而选择最佳的个体化手术方案，减少术中失误，向个体化治疗更加迈进一步；(3)可增加团队默契，使助手明确术者思路，更好地辅助手术；(4)可提前对内置物塑形，可测量内置物的大小及螺钉的长度；(5)可制作内固定手术导向模版，以增加螺钉准确性，减少术中透视及患者创伤；(6)如有必要，还可通过3D打印模型向患者详细介绍病情及治疗经过。

3D打印技术作为个体化治疗、精准化手术的体现，成为了一种“时髦”的辅助治疗放置。但是3D打印技术也不是十全十美的，在作者看来，之所以3D打印技术还未普及到各大医院，是因为它存在一定的限制：(1)3D打印机比较昂贵，一般医疗单位很难有条件购置，而且还需额外培养一名技术人员；(2)即使可以与其他单位合作，也需要一定的费用，单纯一个骨盆模型，就需要将近3000元，一般经济条件的患者承受不起；(3)3D打印模型无法显示神经、血管、肌腱等重要组织器官，所以设计方案与实际方案难以100%匹配，如本髋臼骨折病例；(4)因3D打印技术人员大多非医学专业，需多次沟通修改，才能打印出骨折医师满意的作品；(5)对于简单骨折及长管骨骨折作用不显著。

尽管如此，随着科技的发展以及对3D打印的进一步应用，相信上述这些问题都会得到很好的解决。科研人员与骨科医生们共同努力下，已经实践或正在设计着3D打印应用的更多领域，如：3D打印的内固定器械、支架、填充材料、人工皮肤、骨细胞等[5-6]。

[1] Mcgurk M,Amis AA,Potamianos P,et al. Rapid prototyping techniques for anatomical modelling in medicine[J]. Ann Royal Coll Surg Engl, 1997, 79(3):169-174.

[2] Hurson C, Tansey A, O’Donnchadha B,et al.(2007) Rapid prototyping in the assessment, classification and preoperative planning of acetabular fractures[J]. Injury, 38(10):1158-1162.

[3] 吴新宝. 利用3D打印技术辅助治疗陈旧性骨盆骨折[J]. 中华创伤骨科杂志, 2015, 17(1):10-12.

[4] Hirvensalo E, Lindahl J, Kiljunen V. Modified and new approaches for pelvic and acetabular surgery[J]. Injury, 2007,38(4):431-441.

[5] 王燎, 戴尅戎. 骨科个体化治疗与3D打印技术[J]. 医用生物力学, 2014, 29(3)：193-199.

[6] 鲍立杰,张志平,吴培斌. 3D打印技术在骨科的研究及应用进展[J].中国矫形外科杂志,2015,23(4):325-327.

Primary application of 3D printing technology in the treatment of complex fractures

PAN De-yue, LI Xue-liang, SHI Feng, JIANG Xiang-dong, ZHAO Wen-zhi

(TraumaDepartmentofOrthopedics，theSecondAffiliatedHospitalofDalianMedicalUniversity,Dalian116027,China)

Objective To explore the role of 3D printing technology in the individualized treatment of complex fractures. Methods The study included 1 case of acetabular fracture and 1 cases of ankle fracture. CT scan was used to obtain DICOM data. After processed by Mimics software, 3D printer was used to print 1∶1 model, preview model reduction and fixation. Operation was performed according to preoperative rehearsal. Results Fractures received satisfactory reduction and fixation, and preoperative surgical rehearsal are basically consistent, with no blood vessel and nerve damage and other complications. Conclusion 3D printing technology in complex fracture can extend preoperative design, precise operation, shorten operation time, intuit the degree of communicate, and reduce the occurrence of complications. Thus, it has more practical clinical significance in surgical treatment.

3D printing; complex fracture;internal fixation

潘德悦(1987-)，男，辽宁大连人，医师。E-mail：yuedepan@163.com

李学良，主任医师。E-mail：lixueliang0000@126.com

R687.1

A

1671-7295(2016)06-0579-04

潘德悦，李学良，石峰，等.3D打印技术在复杂骨折治疗中的作用研究[J].大连医科大学学报，2016,38(6)：579-582.

2016-09-07；

2016-11-10)