3D打印技术在四肢近关节骨折治疗中的应用研究

陈科明　白龙　陈林清

【摘要】 目的：探討3D打印技术辅助手术治疗四肢近关节部位骨折患者的临床效果与价值。方法：选取2015年6月-2016年3月本院接受四肢近关节骨折治疗的患者62例。按照不同手术方式将其分为对照组（常规手术）32例和研究组（3D打印技术辅助手术）30例。比较两组手术时间、术中出血量、术后骨折愈合时间、愈合后的不良情况，比较术后6、12、18个月的关节功能恢复评分。结果：研究组平均手术时间（58.6±16.3）min、术中平均出血量（101.68±23.59）mL、平均骨折愈合时间（9.6±2.1）个月，均少于对照组的（72.3±12.6）min、（135.33±18.67）mL、（13.7±2.6）个月，比较差异均有统计学意义（t=-3.716、-6.248、-6.803，P=0.000、0.000、0.000）；两组患者均Ⅰ期愈合，术后无感染并发症状，研究组愈合后无疼痛，对照组愈合后出现轻度间歇性疼痛2例，保养护理3个月后消失，两组愈合后的不良情况比较，差异无统计学意义（P>0.05）；术后6、12、18个月，研究组关节功能评分均高于对照组，比较差异均有统计学意义（P<0.05）。结论：利用3D打印技术辅助手术治疗四肢近关节部位骨折患者，可帮助术者做出明确的术前诊断、规划手术方案及设计出个性化的内置物，使手术效果个体化、精准化，从而缩短手术时间、减少术中出血量，同时对术后骨折的愈合及关节功能恢复均具有较好的预后效果，值得临床进一步推广应用。

【关键词】 3D打印； 近关节； 骨折

Application of 3D Printing in the Treatment of Proximal Articular Fractures of the Extremities/CHEN Keming，BAI Long，CHEN Linqing，et al.//Medical Innovation of China，2018，15（03）：015-019

【Abstract】 Objective：To explore the clinical effect and value of 3D printing assisted operation in the treatment of proximal articular fractures of the extremities.Method：A total of 62 patients with proximal articular fractures of the extremities were treated in our hospital from June 2015 to March 2016 were selected.According to the different surgical methods，they were divided into 32 cases of control group（routine operation） and 30 cases of study group（3D printing technique assisted operation）.The operative time，intraoperative bleeding，postoperative fracture healing time，and bad condition after healing were compared between two groups，the joint functional recovery scores were compared at 6，12 and 18 months after operation.Result：The average operative time was（58.6±16.3）min，average intraoperative bleeding was（101.68±23.59）mL，average fracture healing time was（9.6±2.1）months in study group，and control group were（72.3±12.6）min，（135.33±18.67）mL，

（13.7±2.6）months respectively，the differences were statistically significant（t=-3.716，-6.248，

-6.803；P=0.000，0.000，0.000）.They were all healed in stage Ⅰ，and no complications after the operation，the study group had no pain after healing，2 cases of mild intermittent pain in control group after healing，and disappeared after nursing care 3 months，the bad condition after healing of two groups were compared，the difference was not statistically significant（P>0.05）.The scores of joint function in study group were all higher than those of control group at 6，12 and 18 months after the operation，the differences were statistically significant（P<0.05）.Conclusion：3D printing assisted operation treatment of proximal articular fractures of the extremities，can help the surgeons to make definite preoperative diagnosis，operation planning scheme and design personalized surgical implants，the effects of individual and accurate，so as to shorten the operative time，less bleeding，and has a good effect on the prognosis of fracture healing and joint functional recovery after surgery，it is worthy of further application.

【Key words】 3D printing； Proximal Articular； Fracture

First-authors address：Baoan District Fuyong Peoples Hospital of Shenzhen City，Shenzhen 518103，China

doi：10.3969/j.issn.1674-4985.2018.03.004

四肢骨折为常见性骨折，远关节端的骨折一般治疗手术较为简单，术后恢复效果好，而近关节端骨折由于骨折靠近关节，治疗后必须解剖复位才能有效地避免创伤性关节炎和保存关节的功能[1-2]。由于手术入路、复位及固定等方案复杂且多样化，不合理的手术方案可能会给患者带来较大的手术创伤，加大患者痛苦，而且对术后的骨折愈合及关节恢复不利，因此临床上经常出现复位及固定困难等不良现象[3-4]。3D打印技术是一种新型的制作加工技术，随着近年来在各领域的广泛应用，3D打印技术已经非常成熟。在医学方面，国内外已经相继在不同的专业应用，常见的有医学模型、医疗器械、组织器官代替品等[5-6]。作为一种辅助治疗手段，本文应用3D打印技术，根据患者CT影像重建手术相关部位，术前制定合理的手术方案并进行手术模拟，根据患者情况制作个性化内置物，探讨3D打印技术对四肢近关节骨折手术的临床应用效果与价值，现报道如下。

1 资料与方法

1.1 一般资料 选取2015年6月-2016年3月本院接受四肢近关节骨折治疗的患者62例。纳入标准：新鲜型骨折；患者符合手术条件，如手术前其他伤情不影响手术及术后恢复；无精神病史。排除标准：严重塌陷或粉碎性骨折；伴随有其他重大外伤或者脏器伤害。按照不同手术方式将其分为对照组32例和研究组30例。该研究已经本院伦理委员会审核批准。

1.2 方法

1.2.1 对照组 采用常规手术。对照组患者胫骨近端采用LISS钢板固定，胫骨远端与桡骨远端采取LCP钢板固定。胫骨近端按常规方法选择外侧手术入路，胫骨远端选择内侧手术入路，桡骨远端采取掌侧入路，充分暴露出手术必要部位，清理骨折部位碎片，在X线机及C型臂的帮助下将骨折处对位好，以螺钉固定钢板，确保钢板与桡骨/胫骨服帖且稳定。固定螺钉后拆除克氏针，缝合消毒清洗。

1.2.2 研究组 采用3D打印技术辅助手术。（1）骨折三维模型建立：患者在术前进行16排CT螺旋扫描，形成CT影像。以mimics软件处理CT影像，并按照设定的要求进行3D建模，再用软件分割功能对3D模型按骨折块进行分割并赋予不同颜色表示，经过运算、调整，重建复位后的3D模型。（2）虚拟钢板、虚拟螺钉的匹配与固定：mimics軟件中导入虚拟钢板，通过软件模拟功能进行移动与旋转，使钢板与3D重建模型贴合固定，观察并记录钢板在模型中的位置，并标记处出钢板位置的关键点（保证虚拟钢板与骨面贴合度高）。用导入的虚拟螺钉选择合适的位置固定，调整螺钉的位置、大小与方向，保证螺钉的合理间距与固定效果，记录螺钉长度。（3）导航模块的建立：对胫骨近端、远端的钉道杆、支撑柱基部处建立出导航模块的卡接面，并在此面上生成咬合面实体，与钉道杆与支撑柱组合成导航模块，经过mimics软件运算与修正，可以生成带钉道的导航模块。（4）数字化虚拟模块的3D打印：将mimics软件生成的骨折块复位模型、虚拟钢板及导航模块等虚拟模型输入到3D打印设备，选择打印材料，打印出术前手术模拟所用的实物模型。（5）术前手术模拟：按照软件设计的手术方案，将导航模块置于骨折手术部位的骨面并使其咬合，并用手指按压固定。另一只手将克氏针经导航模块通道刺入，长度合适并稳定后移除导航模块，减短克氏针并置入打印好的钢板，采取正式手术的方法，扩孔后在钉道内拧紧打印好的虚拟螺钉，完成固定。（6）手术模拟效果与验证：术前手术模拟后的模型重新进行CT扫描与软件3D建模，来验证手术模拟的钢板、螺钉等位置、长度信息与mimics软件模拟的一致性。（7）正式手术实施：手术实施时准备工作（如麻醉、清洗消毒等）与对照组一样。在术野下将骨折部分复位，参考术前手术模拟的方案，使打印好的导航模块与手术部位骨面咬合，钉入克氏针，移除导航模块，置入已选型好的钢板并拧入模拟手术中相同规格的螺钉，缝合消毒清洗。两组患者术后定期复查，观察骨折愈合情况。术后6、12、18个月进行随访，记录患者关节功能恢复情况。

1.3 观察指标及判定标准 观察两组手术时间、术中出血量、骨折愈合时间及愈合后的不良情况；参考Lysholm膝关节评分标准制定本次患者关节功能恢复调查表[7]，对两组患者进行随访时记录评分，共100分，其中≥90分为优，80～89分为良，70～79分为一般，<70分为差。

1.4 统计学处理 使用SPSS 18.0软件对所得数据进行统计分析，计量资料用（x±s）表示，组间比较采用t检验；计数资料以率（%）表示，比较采用 字2检验。以P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 两组基线资料比较 对照组男20例，女12例；年龄22～48岁，平均（32.1±2.7）岁；术前病程1～6 d，平均（2.3±0.6）d；胫骨近端骨折16例，胫骨远端骨折10例，桡骨远端骨折6例。研究组男

19例，女11例；年龄24～53岁，平均（30.7±2.2）岁；术前病程2～7 d，平均（3.1±1.1）d；胫骨近端骨折15例，胫骨远端骨折9例，桡骨远端骨折6例。两组患者一般资料比较，差异无统计学意义（P>0.05），具有可比性。

2.2 两组手术时间、术中出血量比较 研究组手术时间46～94 min，术中出血量77～153 mL；对照组手术时间59～127 min，术中出血量96～201 mL。研究组手术时间及术中出血量均少于对照组，比较差异均有统计学意义（P<0.05），见表1。

2.3 两组骨折愈合情况比较 两组患者均Ⅰ期愈合，术后无感染并发症状；研究组愈合时间为6.5～13.5个月，愈合后无疼痛患者；对照组愈合时间为8～16.5个月，愈合后出现轻度间歇性疼痛2例，保养护理3个月后消失。研究组骨折愈合时间少于对照组（P<0.05），但两组愈合后的不良情况比较，差异无统计学意义（P>0.05），见表2。

2.4 两组术后关节功能恢复评分比较 术后6、12、18个月，研究组关节功能评分均高于对照组，比较差异均有统计学意义（P<0.05），见表3。

3 讨论

3.1 常规手术的局限性 四肢近关节骨折常有手术治疗及保守治疗，一般无特殊情况的患者应采取手术治疗，如常见的锁定钢板与微创经皮接骨板技术[8-9]。但由于近关节骨折往往为粉碎性骨折，而且牵扯到松质骨，常伴有骨质缺损与骨质坍塌[10-11]，因此手术方法较为复杂，往往需要术后复位才能有效地避免创伤性关节炎和保存关节的功能，产生良好的长期预后效果。不管是传统的锁定钢板固定术还是微创经皮接骨板技术，其入路方法、术中的手术方案以及内置物的选用都不够清晰明朗[12]。因为这类常规手术治疗的成功率绝大多数凭借CT影像，再结合术者的临床经验，制定手术方案，而且术中使用的内置物也仅仅是凭借术者个人的判断，选择认为合理的钢板与螺钉进行固定。本研究认为这种手术的精准度多数受限于术者的水平。另外，近关节端的骨折类型过于复杂，对于涉及到的平台骨折也无法直接观察，对临床诊断、治疗以及术中操作造成一定的困扰，在治疗过程中复位与固定难以达到精准的地步，因此临床上使用X线机次数也较多，手术时间也较长，出血量较多。周云飞等[13]指出锁定钢板对于骨质疏松患者骨折具有较好的效果，但是也会出现固定失败导致骨折不愈合等情况。史保庆[14]报道，对于骨缺损的患者，采取常规手术方法时由于术中需要反复测量螺钉规格或多次预弯钢板，导致手术时间加长，出血量加大。而且在某些不易观察与了解的关节部位，不合适的内置物反而会引起周边组织损伤，影响患者手术效果[15-16]。由此可见，常规手术的局限性主要还是术前诊断与方案制定不够精准，术中仪器使用次数多及内置物固定时间久，从而影响手术效果。

3.2 3D打印技术在近关节骨折手术中的应用 3D打印技术是一种可以打印任意复杂形状的加工技术，结合近年来医学建模软件及三维CT影像的发展，在医学方面很快就得到了发展。与常规手术最大的区别在于3D模型重建结合3D打印技术可以制作出与患者骨折部位1∶1的3D模型与实物模型。根据3D模型以及打印出来的实物模型，术者可以在术前清晰准确的观察骨折部位，做出精准的诊断，制定合理的手术方案。王小平等[17]通过软件进行Pilon骨折手术虚拟3D重建手术模拟，建立Pilon骨折术的术前规划系统，并使用此系统指导手术，可明显降低手术時间，减少出血量。柳鑫等[18]则使用3D虚拟辅助技术建立髋臼骨折手术方案，从而减少了术中透视次数，缩短了手术时间，提高手术效果。Sciberras等[19]对骨缺损患者进行术前3D虚拟重建模型并观察，模拟手术可能出现的各种情况，修正手术方案，取得了良好的手术效果。他们指出根据3D虚拟手术可制定适宜的手术方案，精准的指导术中操作，有效避免术者的错误，尤其可提高临床经验与技术不足的术者的手术质量。

手术方案的另一个难点则是不同患者的骨折部位以及关节的差别决定了个性化的需求。由于近关节骨折通常由高能量损伤导致，易出现粉碎性骨折，需要借助内置物进行填充，修复其骨结构的完整性及稳定性，往往需要多次匹配才能选择合适的内置物，不仅延长了手术时间，而且也难达到完全匹配的效果。而且对于某些伴有骨质疏松症状的骨折，对钢板与螺钉的选择与布置增加了难度。3D打印技术则借助CT扫描、3D重建、虚拟手术与模型打印，可以制作出匹配每例患者的个性化内置物，完美匹配患者缺损部位。而且不同患者的骨折情况不同，钢板规格、形状以及螺钉的大小、长度等也需进行个性化制定，达到最佳的固定效果。钟华等[20]打印出个性化的接骨板治疗跟骨关节内骨折，术中复位固定时间减少，获得了良好的复位效果。黄敏强等[21]使用3D打印出个性化外固定器治疗胫腓骨骨折，仅花10 min完成支架的安装，避免了术中透视的使用，一次性复位成功。

另外，3D重建与打印技术在骨折中的应用，引入了一个常规手术中没有的手术步骤与手术品-导航模块。在骨折手术治疗中，螺钉的精准定位对手术效果具有重要的意义。常规手术中除了依赖术者根据的临床经验外，还需要反复借助X线机进行透视，不断地调整螺钉的位置于方位，增加了螺钉固定时间，还会造成患者骨质损伤。而3D重建模型与虚拟手术能够通过模型找准螺钉固定的位置，而且可以在软件内不断地调整螺钉的方位与长度，找到最佳的螺钉固定方案。在实际手术操作中，可大大提高螺钉固定效率与固定质量，将患者骨质损伤降至最低。吴毅等[22]应用3D打印技术制作个性化导航模块用于髋臼骨折手术，精准的指导了术中螺钉入针位置与方位，与3D虚拟手术模拟的偏差1°～5°的仅7颗（共107颗），无偏差>5°的螺钉置入，而且合理的螺钉长度也保证了螺钉不会拧入关节腔内。

3D打印技术还可以提供的一个非常便利的步骤便是可以通过手术打印与患者实物相同的模型进行术前手术模拟。手术模拟不同于3D重建的虚拟手术操作，可以把手术相关的实物模型呈现在术者面前，更加真实的反映手术过程的疑难点。而且方便术者反复术前练习，精准的熟悉整个手术过程的细节，以便术者制定手术对策。而且手术模拟后的骨折块还可以通过CT扫描进行3D重建，从而将手术模拟的结果与之前虚拟手术制定的方案进行对比，进而修正手术方案及钢板、螺钉的规格与位置，使手术更精准。贺锦阳等[23]应用3D打印出模型进行手术模拟，从而精准的修正并制定出肱骨近端骨折手术方案，接骨板长度100%符合，螺钉长度96.36%符合。林艳萍等[24]通过对颌面部骨折修复患者术前行手术模拟，大大提高了手术的精准度，术后患者骨折复位与3D重建误差不足1.5 mm。由此可见，通过术前模拟可以修正调整手术方案与内置物规格，提高术者手术精度，减少因术者手术经验、技术等引起的错误。

3.3 3D打印技术在本研究中应用 本文研究组对近关节端骨折的患者进行3D重建与虚拟手术，制定最佳的手术方案。选择不同患者个性化的钢板、螺钉与导航模块，通过3D打印出实物模型，分别进行术前模拟，解决术中各种疑难点，手术模拟复位后的骨折块通过CT扫描与3D重建，经过与虚拟最佳理论方案的对比与修正，从而制定出精准的个性化手术方案。结果显示，研究组手术时间、术中出血量、骨折愈合时间均少于对照组，比较差异均有统计学意义（P<0.05）。这主要得益于术前规划好的手术方案以及个性化的导航模块，从而使术者在实际手术中能够快捷、准确的置入钢板与固定螺钉，减少术中透视的使用次数。两组患者均Ⅰ期愈合，術后无感染并发症状，研究组愈合后无疼痛患者，对照组愈合后出现轻度间歇性疼痛2例，保养护理3个月后消失，但两组愈合后的不良情况比较，差异无统计学意义（P>0.05）。术后6、12、18个月，研究组关节功能评分均高于对照组，比较差异均有统计学意义（P<0.05），这说明精准的手术方案不仅能够减少患者手术痛苦，更能够加快患者术后的恢复，而且3D打印技术辅助手术治疗近关节骨折具有长期、稳定的预后效果。

综上所述，3D打印技术辅助手术能够为近关节骨折患者进行术前规划，定制个性化的内置物，结合精准的手术方案，可明显缩短患者的治疗时间、减少术中出血量，同时对术后骨折的愈合及关节功能恢复均具有长期稳定的预后效果，具有重要的临床价值。

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（收稿日期：2017-11-29） （本文编辑：董悦）