基于3D打印的虚拟手术设计在复杂胫骨平台骨折内固定中的临床效果观察

余光书 许长鹏 林焱斌▲ 熊国胜 庄 研 熊圣仁 李仁斌

1.厦门大学附属福州第二医院骨科，福建福州 350000；2.广东省第二人民医院骨科，广东广州 510200

基于3D打印的虚拟手术设计在复杂胫骨平台骨折内固定中的临床效果观察

余光书1许长鹏2林焱斌1▲熊国胜1庄 研1熊圣仁1李仁斌1

1.厦门大学附属福州第二医院骨科，福建福州 350000；2.广东省第二人民医院骨科，广东广州 510200

目的 探讨3D打印技术结合虚拟手术设计在治疗复杂胫骨平台骨折中的临床效果。 方法 回顾分析2014年1月～2015年12月的25例复杂胫骨平台骨折患者临床资料，按入院顺序奇偶性分为辅助组（应用3D打印虚拟手术）和常规组（应用常规手术）。比较两组手术时间及术中钢板一次性放置率﹑复位满意度及术后膝关节功能。 结果 患者均获随访，辅助组在手术时间﹑钢板一次性放置率﹑复位满意度及HSS临床功能评分方面比较优于常规组，差异均具有统计学意义。 结论 3D打印技术结合虚拟手术设计可提升复杂胫骨平台骨折治疗的临床手术效果，临床应加以重视并推广。

胫骨平台骨折；内固定手术；3D打印；数字化设计，计算机辅助

复杂胫骨平台骨折可导致不同程度的关节面压缩和移位，严重影响膝关节的对合稳定性与运动，后期易于引起膝关节活动功能障碍等并发症[1]。因而如何最大程度在术中获得适合骨折愈合的稳定性是目前手术治疗的探索方向。传统手术方式术前设计主要聚焦于入路﹑术式﹑骨折及骨缺损情况，对于内固定植入的钢板及螺钉规格﹑植入位置及螺钉植入方向等因素往往忽视。随着个体化治疗要求的不断提高，上述因素的差异明显导致复杂胫骨平台骨折内固定植入的效果。

尽管术前可以对骨折进行三维重建，但对骨折整体了解仍缺乏完整信息，往往需要术者根据术中探查情况设计复位以及内固定方案。目前基于3D打印技术的虚拟手术设计针对上述痛点提供了难得的契机，可以术前设计手术方案，使手术更加精确进而整体提升手术质量和可靠性[2-3]。为此本研究选取2014年1月～2015年12月运用3D打印技术结合Mimics虚拟手术设计的25例复杂胫骨平台骨折患者的关键内固定植入步骤进行数字化设计，以期达到最大限度的内固定植入效果， 旨在为胫骨平台骨折手术提供新的可视化﹑个性化设计方案，现总结分析如下。

1 资料与方法

1.1 一般资料

选取2014年1月～2015年12月共25例，男14例，女11例，年龄21～57岁，平均（41.2±13.5）岁。车祸伤13例，高处坠落伤7例，重物砸伤5例。术前排除血管﹑神经合并损伤。骨折按Schatzker分型包括Ⅱ型10例，Ⅳ型5例，V型4例，VI型6例。伤后至手术时间4～13d，平均（8.5±2.3）d。均无明显切开复位内固定手术禁忌证。根据入院顺序进行分组，奇数患者编入辅助组（应用3D打印虚拟手术），偶数患者编入常规组（应用常规手术）。由于胫骨平台骨折Ⅴ型治疗存在单﹑双钢板固定的差异，笔者仅将单纯植入外侧钢板的该类骨折纳入研究以消除该混杂因素。两组患者的性别比，年龄，骨折分型及受伤原因等因素经处理无统计学差异，二组具有可比性。全部入组患者疾病确诊，无其他严重肝肾疾病，精神正常，能进行有效的沟通交流，对治疗及本研究知情，配合度及耐受性较高，排除有严重组织或器官器质性疾病，有精神障碍，不能进行有效的沟通交流，对治疗或本研究配合度低，中途转院或死亡的患者[2]。本研究的开展即分组经医院伦理委员会的许可。

表1 两组临床疗效比较

1.2 数据处理、虚拟手术设计与3D打印

辅助组患者膝关节CT数据（层距0.5mm）导入Mimics17.0软件，Region Growing模块建立患膝Mask，Multiple Slice Edit编辑所需像素集合，Calculate 3D转换为三维模型，将各骨块像素集合分离后建立各骨块三维模型并标注不同颜色，通过3D Objects窗口中的Move与Rotate对各骨块进行虚拟复位，制定个性化手术方案（复位方式﹑移动距离及旋转角度），最终将复位整合骨折模型导入软件并进行3D打印，复位后骨折模型预手术模拟解剖钢板放置位置﹑螺钉位置以及角度设计。

1.3 手术操作及疗效评定

辅助组按照术前制定手术方案，常规组应用常规手术方案进行。术中比较钢板一次性放置准确率及手术时间，术后复位评价采用Rasmussen放射学评分（其中疼痛（6分）﹑行走能力（6分）﹑膝伸直缺失度（6分）﹑膝关节活动度（6分）及膝关节稳定性（6分），总分为30分；＞27分为优，20～26分为良，10～19分为可，＜6分为差），远期采用HSS功能评分评价膝关节功能（该评分表中疼痛30分，功能22分，活动度18分，肌力10分，屈曲畸形10分，稳定性10分，其中减分项目分别有使用手杖情况及患肢内外翻情况）[3]。

1.4 统计学处理

采用SPSS13.0统计软件进行统计学分析。计量资料以（x±s）表示，采用t检验，计数资料以百分比表示，采用χ2检验，P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

与常规组相比，辅助组手术时间缩短，一次性放置准确率提高，术后Rasmussen放射学评价优良率提高，膝关节功能HSS评分增加，差异均具有统计学意义，两组临床疗效见表1，典型病例见图1。

图1 典型病例

3 讨论

3.1 胫骨平台骨折的特点及治疗

胫骨平台骨折是关节内骨折，无论AO﹑BO理论都强调关节内骨折需解剖复位。此类骨折常合并较为严重软组织损伤，目前多主张手术治疗，而不恰当内固定物等因素易致术后炎严重并发症，手术的质量与患者术后功能息息相关[4]，因此良好的术前规划与设计可最大限度降低并发症的发生，提高临床治疗效果。

3.2 虚拟手术设计与3D打印技术优势

基于Mimics虚拟手术设计提供术前规划以及3D打印技术在骨科领域的应用日益成熟，有助于提高手术的安全性及准确性[5-6]。Mimics虚拟手术设计可以针对骨折块模拟复位方式﹑复位顺序﹑放置钢板，设计拉力螺钉置钉位置及方向。3D打印模型能真实反映骨折实际情况，通过术前对1：1的3D打印模型实际操作设计方案可使手术程序化及规范化，并预判术中可能的问题，使复杂手术简单化，进而节省手术时间﹑提高复位质量，从而提升手术质量[7-8]。本研究结果提示将3D打印虚拟手术应用于胫骨平台骨折的手术治疗，在手术时间﹑内置物一次性放置准确率﹑解剖复位及膝关节功能方面均有显著优势。

3.3 虚拟手术及3D打印治疗骨折的展望

骨折各患者具体情况不同要求在内固定治疗上进行个性化设计，而个体化骨折模型便于术前规划[9]。3D打印模型可带来更真实直观的感受，不仅加强了医生操作技巧的训练，人员间配合，缩短学习曲线，同时让患者充分了解治疗方案及疾病预后，增加医患配合，提高患者治疗依从性。尽管其成本仍较高，但随着技术发展，未来该技术将带给骨折治疗更多的便利。

在本研究中，经3D打印虚拟手术治疗的观察组患者较经应用常规手术治疗的常规组的手术时间，一次性放置准确率﹑术后Rasmussen放射学评价优良率及膝关节功能HSS评分指标均显著更优，说明3D打印虚拟手术治疗方法治疗复杂胫骨平台骨折具有显著的临床效果。同时，本研究因为纳入的样本数量较少，且未对全部患者的个体差异进行单因素分析，结果可能存在一定程度的差异，期待临床早日进行大样本研究，得出更为可靠的结论。

综上所述，可以得出：3D打印技术结合虚拟手术设计可提升复杂胫骨平台骨折治疗的临床手术效果，临床应加以重视并推广。

[1] 林焱斌，林伟，林任，等.改良组合术式治疗复杂胫骨平台骨折的疗效分析[J].中华创伤骨科杂志，2014，16（7）：632-635

[2] 罗永祥，Ashwini Rahul Akkineni，Anja Lode，等 .3-D 打印：一种个性化制备复杂支架和组织工程植入物的多功能快速成型技术（英文）[J].中国修复重建外科杂志，2014（3）：279-285.

[3] 霍莉峰，倪衡建.数字骨科应用与展望：更精确﹑个性﹑直观的未来前景[J].中国组织工程研究，2015，19（9）：1457-1462.

[4] 余光书，林焱斌.定量评价骨折愈合的有效性研究进展[J].中华实用诊断与治疗杂志，2014，28（10）：939-941.

[5] 左睿，孙永建，吴毅，等.3D打印与虚拟手术设计在复杂胫骨平台骨折手术治疗中的应用[J].中国骨与关节损伤杂志，2016，31（4）：369-372.

[6] 王博亮，蔡明，郭晓曦，等.数字医学在精准骨科手术中的应用[J].厦门大学学报（自然版），2013，52（2）：202-205.

[7] Wang X，Zhang K，Zhu Y.Clinical Application of 3D Printing Technology in the Treatment of Complex Tibial Plateau Fracture[J].Journal of Practical Orthopaedics，2015，21（10）：887-890.

[8] 黄华军，张国栋，欧阳汉斌，等.基于3D打印技术的复杂胫骨平台骨折内固定手术数字化设计[J].南方医科大学学报，2015（2）：218-222.

[9] Wade R，Yang H，McKenna C，et al.A systematic review of the clinical effectiveness of EOS 2D/3D X-rimaging system[J].Eur Spine J.2013，22（2）：296-304.

[10] Lasanianos NG，Garnavos C，Magnisalis E，et al.A comparative biomechanical study for complex tibial plateau fractures：Nailing and compression bolts versus modern and traditional plating[J].Injury，2013，44（10）： 1333-1339.

[11] 陈羽，宋烜，张海兵，等.三维重建及虚拟手术在复杂胫骨平台骨折治疗中的应用[J].中国组织工程研究，2013，（39）：6940-6945.

[12] 李政，卢启贵，黄东红，等.3D打印技术结合虚拟手术与传统手术在治疗复杂胫骨平台骨折的应用疗效比较 [J].中国伤残医学，2017，25（10）：35-38.

[13] 刘永刚，左立新，裴国献，等.胫骨平台骨折Schatzker分类数字化模型的建立及其在虚拟手术中的应用[J].中华医学杂志，2013，93（31）：2478-2482.

[14] Su CL,Sung JK, Kwang AJ, et al.An early sign of intraarticular fracture of the lateral tibial plateau during opening wedge high tibial osteotomy[J].The Knee，2013，20（1）：66-68.

[15] Berkes MB，Little MTM，Schottel PC，et al.Outcomes of Schatzker II tibial plateau fracture open reduction internal fixation using structural bone allograft[J].Journal of Orthopaedic Trauma，2014，28（2）：97-102.

Clinical observation of virtual surgery design based on 3D printing in treatment of internal fixation of complex tibial plateau fracture

YU Guangshu1XU Changpeng2LIN Yanbin1XIONG Guosheng1ZHUANG Yan1XIONG Shengren1LI Renbin1
1.Department of Orthopedics,Fuzhou Second Hospital Affiliated to Xiamen University,Fuzhou 350000,China;2.Department of Orthopedics,Guangdong Second People's Hospital,Guangzhou 510200, China

Objective To explore the clinical effect of 3D printing technique combined with virtual surgery in the treatment of complex tibial plateau fractures. Methods The clinical data of 25 patients with complex tibial plateau fractures from January 2014 to December 2015 were analyzed retrospectively.The patients were divided into two groups according to the sequence of admission:auxiliary group (3D print virtual surgery) and routine group(conventional operation).The operation time,disposable steel plate placing rate,the satisfaction of the reduction and the knee function after operation were compared between the two groups. Results The patients were followed up.The operation time,disposable steel plate placing rate,reset satisfaction and HSS clinical function score of the auxiliary group were better than that of the routine group,the difference was statistically significant. Conclusion 3D printing technology combined with virtual surgery design can improve the clinical effect of complex tibial plateau fracture treatment,clinical should be paid attention to and promoted.

Tibial plateau fracture;Internal fixation;3D printing;Digital design;Computer aided

R687.3

A < class="emphasis_bold"> [文章编号]]

] 2095-0616（2017）21-181-03

福建省福州市科技计划项目（2014-S-137-6）。

▲通讯作者

2017-07-13）