3D打印骨折模型在肱骨远端C型骨折中的应用

张忠岩，李玉波，王瑜，石立涛，金宇，杨小华

（承德医学院附属医院，河北 承德 067000）

肱骨远端C型骨折在全身骨折中发病率较高，占全身骨折的1%，肱骨骨折的30%，属于关节内骨折[1]。其常累及双柱，保守治疗效果差，手术治疗已达成共识。由于肘关节覆盖的肌肉、血管及神经较多，复杂的关节面及干骺端粉碎骨折难以闭合复位。即使切开手术，复位和固定也较困难，导致部分关节功能恢复不理想。目前术前对骨折的了解大多来自X射线片、CT或三维重建，很难对骨折整体情况完整显示[2-3]，多数情况下需要术中探查，再决定手术方式。3D打印技术在骨科领域应用越来越广泛，打印出部位实物模型及导航模板指导个性化手术逐步应用于临床[4-5]，3D打印可帮助医生了解患者骨折部位、类型及移位程度，对病情做明确的评估；另外可根据模型，用不同术方法进行术前模拟手术，制定个体化手术方案，使手术更为精确。本院采用3D打印技术打印骨折模型结合双侧锁定钛板治疗肱骨远端骨折患者27例，取得满意的临床效果。

1 资料与方法

1.1 一般资料

选取2013年1月—2017年1月承德医学院附属医院收治的手术治疗肱骨远端C型骨折患者59例作为研究对象，根据患者自愿原则进行分组。其中，27例选择采用3D打印技术打印骨折实物模型辅助手术操作作为3D打印组，32例常规手术组按照传统方法进行手术作为传统手术组。3D打印组：男性17例，女性10例；年龄18～75岁，平均（42.4±18.1）岁；左侧16例，右侧11例；按照AO/OTA分型，C1 8例，C2 6 例，C1 3 例 ；受伤时间 3 ～ 14 d，平均 7.2 d ；合并伤6例。传统手术组：男性19例，女性13例；年龄21～76岁，平均（41.8±17.6）岁；左侧17例，右侧15例；按照AO/OTA分型，C1 11例，C2 9例，C12例;受伤时间3～13 d，平均7.4 d；合并伤9例。排除标准：①合并严重心、肺、脑等多器官疾病，无法耐受手术治；②合并同侧上肢血管、神经损伤；③因开放性骨折导致感染；④多发伤、失血性休克无法纠正导致死亡；⑤随访资料不完整或患者依从性较差。两组一般资料比较，差异无统计学意义（P＞0.05），具有可比性。

1.2 术前准备

入院后给予石膏固定，患肢制动，消肿止痛对症治疗，完善相关检查，年龄＜60岁常规行心脏彩超检查，术前常规行肘关节正侧位、CT三维重建检查。

3D数据采集：三维图像的构建及三维打印技术采用64排CT平扫数据（层距0.5 mm），电压120 kV，电流150 mA，导入三维重建软件Mimics，对Mimocs断层图像编辑完成后，以STL的格式输入到3D打印机，调整打印方位，就可以打印出实体模型进行手术设计。在体外选择合适型号的钢板，对个体差异进行钢板适度塑型，确定内固定物与骨折块贴附良好及同时用螺钉进行骨折的固定，记录手术所选钢板型号和螺钉数目、长度、位置、方向及角度等数据，将塑型的钢板及螺钉送手术室消毒备用。

1.3 手术方法

以肱骨远端C3型骨折为例，麻醉后患者侧卧位，自肘关节后正中切口，至尺骨鹰嘴下逐层切开。首先于尺神经沟游离并保护尺神经，牵向内侧，显露肱尺关节后侧，切开关节囊，找到半月切迹裸区，行尺骨鹰嘴V型截骨，将尺骨鹰嘴断端连同肱三头肌牵向近侧，显露骨折端，肱骨髁间骨质粉碎，有多条骨折线及数枚骨折块，关节面不平整，肘关节失去正常对位关系，清理骨折端后，依据3D模型骨折情况进行复位，复位满意后，用数枚克氏针固定骨折断端，将C型骨折变为A型，肱骨远端后外侧及内侧根据术前计划塑型放置2枚钛板，如关节面固定不稳定，用1、2枚空心螺钉固定，再次透视；见关节面平整，用一枚钛板或克氏针张力带固定尺骨鹰嘴骨折断端，被动活动良好，无异常活动，将尺神经前置，留置2枚引流管，逐层缝合后，关闭创口。

1.4 术后处理

患肢抬高有利于消肿，采用三角巾悬吊或石膏托固定，术后患者进行肌肉等长收缩锻炼，6周后根据骨折愈合情况逐步进行抗阻力锻炼。术后3个月复查1次/月，术后3～12个月复查1次/2个月。

1.5 术后随访及评价

术后3个月记录按照Mayo评分从疼痛、活动度、稳定性及生活功能4方面进行功能评估，满分100分：90～100为优；75～89分为良；60～74为可；＜60为差，评价肘关节功能。测量术后6个月肘关节活动度。记录所有患者手术时间、透视次数、术中出血量、术后骨折愈合时间及术后并发症发生率。

1.6 统计学方法

数据分析采用SPSS 19.0统计软件。计量资料以均数±标准差（±s）表示，比较用t检验，计数资料以率（%）表示，比较用χ2检验，P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 两组手术时间、术中透视次数及术中出血量比较

两组手术时间、术中透视次数及术中出血量比较，差异有统计学意义（P＜0.05）；3D打印组手术时间、术中透视次数及术中出血量低于传统手术组。见表1。

2.2 两组术后3个月Mayo评分比较

两组术后3个月Mayo评分比较，差异有统计学意义（χ2=3.882，P=0.049）；3D打印组术后3个月Mayo评分优于传统手术组。见表2。

表1 两组手术时间、术中透视次数及术中出血量比较（±s）

表1 两组手术时间、术中透视次数及术中出血量比较（±s）

术中出血量/ml 3D 打印组 27 116.8±6.6 3.8±1.4 164.7±40.6传统手术组 32 164.6±5.7 5.2±1.7 247.9±36.8 t值 6.531 3.376 8.232 P值 0.000 0.003 0.000组别 n 手术时间/min术中透视/次

表2 两组术后3个月Mayo评分比较

2.3 两组术后6个月关节活动度及骨折愈合时间比较

两组术后6个月关节活动度及骨折愈合时间比较，差异有统计学意义（P＜0.05）；3D打印组术后6个月关节活动度优于传统手术组，而骨折愈合时间早于传统手术组。见表3。

2.4 两组手术并发症发生率比较

两组手术并发症发生率比较，差异无统计学意义（χ2=0.481，P=0.488）；3D打印组手术并发症发生率低于传统手术组。见表4。

2.5 病例情况

患者女性，63岁，摔伤致右肘疼痛，活动受限2 h入院。诊断：右侧肱骨远端AO-C3型骨折，术前行X射线、三维重建检查，3D打印图片及术前模拟复位固定；患者术后第2天及术后半年复查X射线显示，术后半年肘关节功能屈伸活动良好。见图1～4。

表3 两组术后6个月关节活动度及骨折愈合时间比较（±s）

表3 两组术后6个月关节活动度及骨折愈合时间比较（±s）

骨折愈合时间/周3D 打印组 27 108.3±8.9 155.5±7.5 13.6±2.1传统手术组 32 95.3±9.2 125.8±8.3 14.2±2.3 t值 3.563 5.621 1.431 P值 0.003 0.000 0.625组别 n 肘关节屈伸活动度/（°）前臂旋转活动度/（°）

表4 两组手术并发症发生率比较

图1 右侧肱骨A0-C3型骨折

图2 术前X射线三维重建

图3 3D打印图片及术前模拟复位固定

图4 恢复情况

3 讨论

肱骨远端C型骨折是肘关节严重创伤，常合并干骺端及关节面粉碎、压缩缺损或神经血管损伤。骨折端不易坚强固定，术后常常有畸形愈合，骨折不愈合、对位及对线不佳等并发症[6]。肱骨远端骨折后，怎样获得功能良好且无痛的肘关节，最重要的是重建关节面的解剖结构，恢复肱骨远端的三角形框架结构。如果早期固定稳定，便可以进行全面的康复锻炼。肱骨远端骨折多合并老年骨质疏松、骨量低下，螺钉与钢板之间的稳定性很容易发生改变，临床既要达到骨折愈合，又要获得关节的灵活性，其是治疗的难点。笔者更倾向锁定双钢板固定，锁定钢板能牢固固定骨折块，且可更好的进行骨折端重建，提供坚强固定有利于早期功能锻炼，疗效改善，其已逐步成为治疗肱骨远端C型骨折标准手术方式[7-8]。

传统的X射线及CT平扫受角度或骨块重叠干扰，难以确定骨折的移位方向、压缩，特别是关节周围粉碎骨折。尽管CT三维重建可多角度观察骨折走向，但也是二维平面显示，术中医师只能根据记忆的三维模型进行复位[9]，受术者的临床经验及操作技巧限制，学习曲线较长。3D打印技术是采用数字模型，应用粉末状或液体的塑料或金属的可黏合材料，通过逐层打印方式构建实物模型的技术[10]。医生能在术中任意角度观察骨折的3D打印实体模型，有助于对骨折部位做出最准确的评估，制定科学合理的治疗方案。在膝、肩、肘及骨盆等关节周围复杂的骨科手术领域，3D打印应用越来越广泛，取得很好的临床效果，3D打印技术为现实手术及虚拟手术架设一座桥梁。官建中报道[11]在发育性髋关节脱位的患者中实用3D打印技术进行治疗，精确制定手术计划、模拟手术，取得很好的临床效果。吴新宝报道[12]利用3D打印技术制作陈旧性骨盆骨折模型，在骨盆模型进行截骨、复位标记、内固定物塑型，手术顺利完成，达到预期目标。本研究比较传统手术与应用3D打印技术打印骨折模型治疗肱骨远端骨折肱骨远端C型骨折，传统手术常规行X射线、三维CT检查，行传统手术方式，3D组打印3D骨折部位模型模拟手术，手术按照术前设计方案实施。本研究发现，3D打印组和常规手术组比较，手术时间、术中透视次数、术中出血量减少，这和术前精准设计密切相关。术中按照术前计划实施，肘关节功能也优于常规手术组，3D组更少的剥离软组织，解剖复位的概率更高，术后可以更早的功能锻炼避免关节僵硬。在骨折愈合时间及术后并发症方面，两组差异不大，可能与研究样病例较少有关，存在一定局限性。

笔者认为，3D打印组与常规的手术组有以下优势：①3D打印技术打印出1∶1实物模型，可让医生直观、立体、更全面了解骨折走向，骨折块大小，压缩骨质的缺损程度，在模型上直接测量。同时患者也可通过对骨折模型对自己病情有充分认识，有利于医患沟通，提高患者依从性，对提升患者满意度方面有积极影响[13-14]；②手术中常常遇到内固定物材料与骨面贴附不理想或螺钉角度不佳，需要术中多次塑形或调节螺钉方向，才能达到合适位置。在3D模型基础上，进行骨折复位，钛板塑形，术中钛板可完美贴附于复位后骨折端，且确定钛板及螺钉合适的位置、角度、长短，条件允许情况下可打印出个体化的钢板及螺钉[15-16]。由于术前精确设计，充分了解骨折块之间关系、有助于术中减少过多软组织剥离并且保护皮肤血供，简便手术过程，预手术节约手术时间及软组织暴露，减少出血量及术中需要透视时间；③由于术中血管、神经、肌肉或软组织遮挡，视野有限，特别是复位关节面粉碎骨折操作难度大，术前可以根据模型对骨折块及周围解剖进行标识，有助于术中内置物放置及骨折的解剖复位。陈克[17]在治疗跟骨骨折中，对跟骰关节、载距突、跟骨结节为定位锚点，进行内置物裁剪，复位，植骨，取得很好的临床效果；④如术中需植骨，术前可在数字模型基础上准确获得骨缺损量，只靠临床经验植骨可能有一定偏差。笔者在3D打印组有2例C3型肱骨小头、肱骨滑车粉碎严重、无法修复，在3D模型辅助下，明确骨质缺损大小、形状，进行关节面测量，术中取髂骨进行关节面重建，手术时间明显缩短，取得很好临床效果。

3D打印优点较传统手术优势明显，但也存在一定局限性：①费用昂贵，特别是复杂骨折需个体化定制内植物，在基层医院甚至绝大部分难以普及；②由于打印出实体骨骼模型，脱离肌肉、血管、神经等软组织，且打印精准度上受关节软骨的影响仍需要提升[18]，在实际术中操作存在一定局限性；③从患者完善三维重建等相关资料到打印模型，3D打印花费时间较长，不适应于急诊手术；④现有比较成熟的3D打印材料种类有塑料、陶瓷、金属等，无法满足临床医生的所有要求，特殊用途的材料如羟基磷灰石、透明质酸等具有组织相容性和安全性的生物材料有待于进一步研究。

综上所述，应用3D打印骨折模型辅助治疗复杂的肱骨髁间骨折较传统方式优势明显，其不仅节约手术时间，减少出血量，在术后关节功能恢复上疗效更佳。虽然3D打印存在一些不足，但随着技术改进，打印效率不断提高，在未来的骨科领域中，会应用越来越广泛。