3D打印技术在髋臼骨折手术中的应用

陆俭军+秦豪+陆声榆+李晓+甘智+何锦威+林鑫欣+李颖+谭海涛

【摘要】目的探讨3D打印技术辅助治疗髋臼骨折的疗效。方法选取2014年1月至2016年6月诊治的髋臼骨折患者70例，按随机数字表分为A组（3D打印辅助手术组）35例和B组（传统手术组）35例， 比较两组的手术时间、术中出血量、术后引流量、复位效果、髋关节功能等。结果所有患者获得随访，随访时间6～24个月，平均12.6个月。A组手术时间（115.0±25.3）min、术中出血量（350.0±126.5）ml、术后引流量（120.0±15.1）ml均少于B组，A组用改良Matta影像学评分标准评价复位效果，优良率为94.3%，按照改良 Merle DAubigné and Postel评分标准评估髋关节功能优良率为88.6%，均优于B组，差异有统计学意义（P<0.05）。结论3D打印技术应用于髋臼骨折手术可提升髋臼骨折整体手术效果。

【关键词】髋臼骨折；3D 打印；术前规划

中图分类号：R683.42文献标识码：ADOI：10.3969/j.issn.10031383.2016.05.006

【Abstract】ObjectiveTo evaluate the effect of 3D printing technology in the adjuvant therapy of acetabular fracture.Methods70 cases of acetabular fractures receiving treatment from January，2014 to June，2016 were selected，and they were divided into group A（3D printing assisted surgical group） and group B（traditional surgery group） according to random number table with 35 cases in each group.And then，operative time，bleeding volume，postoperative drainage volume，reset effect and the function of hip joint，etc.were compared between the two groups.ResultsAll patients were given followup visit for 6～24 months with an average of 12.6 months.In the group A，operation time was（115.0±25.3）min，intraoperative bleeding volume was（350.0±126.5）ml，account of postoperative drainage was（120.0±15.1）ml，all significantly less than those in the group B.In the group A，Matta radiographic scoring criteria was used to evaluate reduction effects，and fineness rate was 943%，and modified Merle Merle D'Aubigné and Postel scoring criteria showed that fineness rate of hip joint function was 88.6%，all significantly better than those of the group B，so difference was statistically significant（P<0.05）.Conclusion3D printing technology for acetabular fracture surgery can improve the overall surgical results of acetabular fractures.

【Key words】acetabular fracture；3D printing；preoperative planning

髖臼骨折为高能量损伤所致的关节内骨折，髋臼解剖的复杂性及功能的重要性使髋臼骨折诊断分型及治疗较为困难，成了创伤骨科医生的一个挑战，也一直是临床研究的热点[1]。髋臼骨折发生后，由于髋臼解剖位置深，形态复杂，常难以有效复位与固定，手术过程中易出现螺钉进入关节、骨折块移位等并发症[2]。传统的手术方案设计中术者对骨折线的判断以及重建钢板的植入位置、螺钉的选择，缺少三维空间的判断，完全依赖于医生个体的外科临床经验与技能，手术创伤大、术中出血多、康复周期长。因此，完善的术前方案制定与手术效果密切相关，可以决定手术成败。随着数字医学与3D打印技术的发展，2006年我国首先提出了“精准外科”的概念，得到了国内、国际医学界的认可[3]，实现了从虚拟到现实的转变，医生可直接根据3D打印模型对骨折线进行分型，术前虚拟复位手术方案设计，确定个体化、最优化的手术方案及模拟操作，以确保手术的成功，减少并发症的发生。我院自2014年1月至2016年1月使用3D打印技术辅助治疗髋臼骨折，并与传统手术方法进行比较，现报道如下。

1资料与方法1.1一般资料2014年1月至2016年1月髋臼骨折病例70例，经医院医学伦理学委员会批准，受试对象或其亲属知情同意并签署同意书，按随机数字表分为A组（3D打印辅助手术组）35例和B组（传统手术组）35例。其中A组男25例，女10例，平均年龄（45.2±5.3）岁；致伤原因：车祸挤压伤20例，高处坠落伤9例，压砸伤6例；合并休克、内脏损伤5例，伴其他部位骨折4例，坐骨神经损伤2例；按照AO分型进行分类，A型10例，B型14例，C型11例；受伤距手术时间平均（6.8±1.2）天。B组男24例，女11例，平均年龄（46.1±4.8）岁；致伤原因：车祸挤压伤21例，高处坠落伤10例，压砸伤4例；合并休克、内脏损伤6例，伴其他部位骨折5例，坐骨神经损伤1例；按照AO分型进行分类，A型11例，B型15例，C型9例；受伤距手术时间平均（7.0±11）天。两组病例在性别、年龄、受伤原因及骨折分型、手术时机方面的差异无统计学意义（P>0.05），具有可比性。

1.2手术方法所有病例术前均进行X线检查，并用荷兰飞利浦公司生产的64排螺旋CT进行薄层扫描骨盆及股骨上段，扫描螺距0.5 mm，扫描电流100 mAs，扫描电压100 kV。

1.2.1手术入路所有病例均采用气管插管全身麻醉，手术由同一手术组、同一主刀医师完成。根据不同的骨折类型采用不同的手术入路：（1）KL入路用于后壁、后柱骨折及简单横行骨折、横行骨折合并后壁、后柱骨折；（2）髂腹股沟入路用于髋臼前壁、前柱骨折、横行骨折、“T”形骨折及前壁、前柱骨折合并髋关节中心型脱位、耻骨联合分离或同侧骨盆环骨折；（3）KL及髂腹股沟联合入路用于复杂横行、“T”形骨折、前柱伴后半横行骨折、双柱骨折。髂腹股沟入路、KL入路及联合入路精准修改及相互配合。

1.2.23D打印組将64排螺旋CT薄层扫描数据以DICOM格式导入到医学3D图像编辑处理Mimics14.0软件中，对髋臼骨折进行三维重建（Calculate 3D from Mask），根据三维重建图像观察骨折块的相对空间位置确认分型，并虚拟手术复位（见图1）。利用复位骨折模型，以骨折的AO治疗原则为准，选择合适手术入路，在复位骨折模型上画线确定预设钢板位置及每个钉孔位置。利用创建圆柱体功能创建直径为2.5 mm圆柱体进行虚拟钉道模拟，按照实际术中情况调整每颗虚拟螺钉方向及长度，并测量每颗螺钉长度。同时，运用“创建曲线”（Create Spline）在模型上布置一条红色曲线即最佳钢板植入位置，三维切割（Cut）预设钢板位置骨折模型，切割模块大小等于现实重建钢板的长度和宽度，得到预设钢板位置骨面模型，文件以STL格式导入3D打印软件markware中调整打印方位，3D打印出实物模块（见图2）。根据3D打印模型进行术前重建钢板的折弯，选择合适孔数的钢板，先折弯大的弧度，再折弯小弧度，争取一次到位，避免反复折弯，折弯标准为离骨面平均距离<1 mm，亦可在骨盆模型上预弯钢板（见图2）。术中按照所预定的复位方案进行复位并以预弯好的重建钢板进行比对，实现重建钢板与某处骨面的完全服贴，该位置即为手术设计的钢板置入位置（见图3）。A：骨折三维图像；B：复位后的三维图像。

1.2.3传统手术组术者术前根据患者X线片及CT扫描结果对骨折分型进行判断，根据骨折分型及自己的经验进行术前手术方案设计并进行手术。

1.3术后处理术后伤口放置引流管，持续引流48～72 h。麻醉药效果过后检查患侧下肢的感觉、运动、血运情况。术后复查X线片及64排三维重建CT。针对不同的骨折类型和复位效果，根据术后X线片或者CT检查判断骨折愈合情况，进行康复锻炼，以获得髋关节更好的功能。出院后对两组病例进行随访。

1.4评价指标记录并比较两组病例手术时间、术中出血量、术后引流量。评价两组复位效果，根据术后改良Matta影像学评分标准评价[4]：优为小于1 mm解剖复位；良为小于3 mm满意复位；差为大于3 mm不满意复位。按照改良 Merle DAubigné and Postel评分标准评估两组髋关节功能[5]，使用疼痛、行走、活动范围来对术后髋关节进行功能评定，总分是三部分得分相加，优秀18分，良好15～17分，可13～14分，差<13分。

1.5统计学方法采用SPSS 16.0统计学软件对数据进行分析，计数资料比较采用χ2检验，计量资料以（±s）表示，组间比较应用两独立样本t检验，检验水准：α=0.05。

2结果3D打印组手术时间、术中出血量、术后引流量均少于B 组，差异有统计学意义（P<0.05）。见表1。所有患者获得随访6～24个月，平均12.6个月，根据术后改良Matta影像学评分标准评价：3D打印组的优良率为94.3%，传统手术组的优良率为74.3%，3D打印组优于传统手术组（P<0.05）；按照改良 Merle DAubigné and Postel评分标准评估髋关节功能：3D打印组优良率为88.6%，传统手术组的优良率为657%，3D打印组优于传统手术组（P<0.05）。见表2。

3讨论髋臼骨折属于高能量暴力损伤。髋臼位置深，解剖形态复杂，毗邻重要血管神经，这些因素常导致髋臼骨折诊断分型、手术治疗较为困难。普通X线片由于髋臼前后柱、股骨头影像重叠，可提供的信息有限，临床上容易出现漏诊及误诊[6]。而螺旋CT的应用，大大提高了髋臼骨折诊断的准确性，通过CT室工作站进行三维重建，提供二维图像供手术医师参考，有助于手术医师了解病情并构建手术计划。但CT室影像学专业医师三维重建出来的模型对骨折块没有复位，术者对骨折线的判断以及重建钢板的植入位置、螺钉的选择，只是凭经验进行判断，没有三维空间的判断，由此制定出来的手术方案质量的高低，完全依赖于医生个体的外科临床经验与技能，无法将手术全貌与成员组交流。

近20多年来，“数字医学”概念的提出及在医疗领域的逐步应用，使外科手术发生了重要变革。通过现代计算机技术，外科医生可以建立解剖的人体结构模型，用于评估治疗效果的模型、术式评估的入路模型、手术练习的现场模型等[7]。在数字化技术的指导下，数字化医学成像系统及计算机系统对患者的影像可以任意变形或再修饰，完成手术前的数字化规划，使得手术更加精准及个体化。3D打印技术在医学领域的应用，进一步解决了术前规划方案精准再现的难题，可实体化地呈现骨折模型，克服了传统影像学方法难以直观了解的缺点，并允许对3D骨折块模型进行模拟手术操作，从而减少术中X线透视次数，节省手术时间，减轻手术创伤，解决了髋臼骨折治疗的临床标准化、精准化、个体化的难题。

当然，3D打印技术应用于髋臼骨折也存在其局限性。如3D模型打印周期较长、费用较高，技术尚未得到广泛应用；3D打印技术作为一种相对较新的技术手段应用于临床骨科，其效果还需要大量临床数据的进一步验证；另外，3D打印技术的应用无相关的技术规范、人文伦理和政策法规等方面的理论支持，多数应用处于初级、试验性的临床阶段，涉及的理论和法律法规问题亟待解决。

总体而言，髋臼骨折治疗对术者的技术要求高，术前手术方案的规划和设计对手术快速准确的完成起着决定性作用。3D打印技术可实体化地对髋臼骨折进行分型，并允许对3D骨折块模型进行模拟复位及预弯钢板，从而缩短了手术时间，减少手术损伤及术中出血量，进一步改善手术效果，有助于患者早期进行功能锻炼，提高患者生活质量。参考文献[1]Tripathy SK，Goyal T，Sen RK.Nonunions and malunions of the pelvis[J].Eur J Trauma Emerg Surg，2015，41（4）：335342.

[2]周东升.髋臼骨折的治疗进展及思考[J].中国骨伤，2016，29（4）：293296.

[3]李鉴轶.3D打印技术促进临床医学发展[J].中国临床解剖学杂志，2014，32（3）：241242.

[4]Matta JM，Tornetta P 3rd.Internal fixation of unstable pelvic ring injures[J].Clin ORthop Res，1996（329）：129140.

[5]DAubigné RM，Postel M.Functional results of hip arthroplasty with acrylic prosthesis[J].J Bone Joint Surg（Am），1954，36A（3）：451475.

[6]李涛，陈卓夫，龚辉，等.3D打印技术在复杂髋臼骨折术中的初步临床应用[J].中国骨与关节损伤杂志，2016，31（4）：387388.

[7]唐雷. 数字医学技术与精准外科手术[J]. 中国实用妇科与产科杂志，2012，28（1）：79.

（收稿日期：2016-08-08修回日期：2016-10-25）

（编辑：潘明志）