3D打印结合数字化设计在髋臼骨折手术治疗中的应用

杨 勇，邱志杰，徐红革，曾卫平，王良恩，孙 博

髋臼骨折多由高能量损伤所致。内固定质量、手术创伤程度及并发症预防是复位内固定术治疗髋臼骨折的关键。数字医学技术通过CT三维重建模型进行骨折复位、内固定模拟操作,可提高手术成功率;3D 打印技术可定制个体化假体、手术导航模板、个性化支具等，为外科手术在个体化和精准化方面提供了选择。2014年1月～2018年1月，我科将3D打印结合数字化设计技术应用于29例髋臼骨折患者的治疗中，并与采用常规内固定治疗的29例患者进行疗效比较，报道如下。

1 材料与方法

1.1 病例资料纳入标准：① 经影像学确诊为髋臼骨折；② 年龄18～65岁；③ 有手术指针。排除标准：① 陈旧髋臼骨折；② 合并系统性严重疾病；③ 严重骨质疏松；④ 同侧肢体创伤严重，对术后功能造成影响。共纳入58例，根据随机数字表法将患者分为3D组和常规组，每组29例。① 3D组：采用3D打印结合数字化设计治疗。男18例，女11例，年龄19～62(41.28±8.78)岁。受伤原因：车祸伤20例，高处坠落伤5例，重物砸伤4例。骨折Judet-Letournel分型：双柱骨折15例，前柱骨折5例，T型骨折5例，横行伴后壁骨折4例。伤后至手术时间2～11(7.12±2.05)d。② 常规组：采用常规内固定治疗。男19例，女10例，年龄18～64(42.41±9.23)岁。受伤原因：车祸伤19例，高处坠落伤6例，重物砸伤4例。骨折Judet-Letournel分型：双柱骨折16例，前柱骨折6例，T型骨折5例，横行伴后壁骨折2例。伤后至手术时间3～11(7.67±1.95)d。两组术前一般资料比较差异无统计学意义(P>0.05)。本研究经医院伦理委员会批准，患者均签署知情同意书。

1.2 治疗方法

1.2.1常规组 术前根据X线、CT三维重建检查判断髋臼骨折类型，并确定手术方案。参考铝板折弯方向预弯钢板，并依据医师手术经验完成内固定。

1.2.23D组 ① 建立虚拟模型：薄层 CT 扫描获得临床数据以建立虚拟模型，扫描范围为骨盆及股骨上端，设置螺距≤1.0 mm，电流 200～250 mAs，电压 80～130 kV，矩阵：512×512，DICOM 格式输出保存扫描数据；将CT扫描数据导入三维重建软件 Mimics 14.11进行后处理，利用“选定阈值” “区域增长” “三维编辑”等功能生成对应三维模型；Mimics 软件建立骨折块分离模型、虚拟复位骨盆模型；最后将各个复位骨折块应用“合并”功能生成单一复位模型用于手术方案设计。模型以.stl格式导出应用于 3D 打印。② 制定虚拟手术方案：依据骨折部位选择合适入路，应用Mimics 软件“创建曲线”功能在复位模型上初步确定最佳钢板置入位置，结合虚拟曲线利用“测量”功能按照和钢板 1 ∶1 比例进行测量并画线，精确确定钢板植入位置和钉孔位置；应用“创建圆柱体”功能创建和临床手术螺钉直径一致的圆柱体模拟钉道，按照手术实际需要调整螺钉位置和长度，并测量螺钉长度；三维切割预设钢板位置，切割骨块大小比预设钢板位置长度增加 1～2 mm、宽度增加1 mm为宜，得到局部复位模型。将局部复位模型以.stl格式导出。③ 3D 模型模拟手术：同比例制作钢板模型，测量完成后在 Solid Works 2012 中建立钢板平面模型及与骨盆解剖钢板同比例三维模型，以.stl格式导出；以铝板为材料交予模具加工公司加工。利用.stl格式骨折块与局部复位模型，导入Makerbot Replicator2 3D 打印机(Makerbot 公司)，打印材料聚乳酸，打印精度 0.2 mm。而后进行基础手术模拟，利用局部骨折模型结合数字化设计进行钢板预弯，将单一骨折块 3D模型按照术中复位步骤用强力胶水逐一黏合，模拟术中复位情况，对复杂骨折手动复位困难的骨折块则利用折弯钢板指导骨折块复位；将预弯钢板贴合至复位骨位模型上，当钢板确定唯一位置后观察钢板位置和术前设计位置比较；钢板位置确定之后用4.0 mm 克氏针参考虚拟设计螺钉方向进行模拟置入螺钉，每枚克氏针均穿透双侧皮质并记录克氏针方向偏移情况和每枚克氏针置入长度。④ 临床手术：利用复位模型依照虚拟手术方案选择相同长度钢板，以手术方案设定位置、局部解剖结构为参考进行钢板预弯，此后利用3D复位骨折模型按虚拟手术设计的螺钉长度、方向置入螺钉，观察螺钉位置及骨折块固定情况。

1.3 观察指标与疗效评价① 3D组比较虚拟手术方案与 3D 模型模拟手术中钢板置入数量与位置情况、螺钉置入方向与置入长度。② 3D组比较虚拟手术方案与临床手术的钢板位置、螺钉置入方向与置入长度。③ 记录两组患者手术时间、术中出血量、术中输血量、术中透视次数、下地行走时间以及术后并发症发生情况。④ 术后6个月，根据Matta评分标准评估两组骨折复位质量：优——解剖完全复位；良——骨折移位<1 mm；中——骨折移位1～3 mm；差——骨折移位>3 mm。⑤ 术后6个月，根据Majeed评分标准对治疗疗效进行评价，总分100分，分数越高疗效越好。

2 结果

患者均获得随访，时间6～12个月。

2.1 3D组3D模型模拟手术与虚拟手术方案比较3D模型模拟手术中共置入35块钢板，钢板数量、位置与虚拟手术方案一致；共置入236枚螺钉，其中234枚方向与虚拟手术方案高度吻合，2枚偏差1°～10°。3D模型模拟手术和虚拟手术方案中螺钉长度差值为0.11～0.72(0.48±0.12)mm，差异无统计学意义(t=1.379,P=0.152)。

表1 两组手术情况比较

2.2 3D组虚拟手术方案与临床手术情况比较临床手术中共置入35块钢板，钢板数量、位置与虚拟手术方案均一致；共置入236枚螺钉，其中233枚方向与虚拟手术方案高度吻合，3枚偏差0°～10°。临床手术和虚拟手术方案中螺钉长度差值为0.10～0.69(0.49±0.13)mm，差异无统计学意义(t=1.227,P=0.172)。

2.3 两组术中相关指标比较见表1。手术时间、术中出血量、术中输血量及术中透视次数3D组均短(少)于常规组，差异均有统计学意义(P<0.05)；下地行走时间3D组短于对照组，但差异无统计学意义(P>0.05)。

2.4 两组髋臼骨折复位质量比较见表2。术后6个月根据Matta评分标准评估两组髋臼骨折复位质量，髋臼骨折复位优良率 3D组高于常规组，但差异无统计学意义(P>0.05)。

表2 两组术后6个月Matta评分优良率比较[例(%)]

2.5 两组治疗疗效比较见表3。术后6个月Majeed评分优良率3D组高于常规组，但差异无统计学意义(P>0.05)。

表3 两组术后6个月Majeed评分优良率比较[例(%)]

2.6 两组并发症发生率比较3D组1例出现神经刺激症状，并发症发生率为1/29(3.45%)；常规组1例出现神经刺激症状，1例出现尿路感染，并发症发生率为2/29(6.90%)；两组并发症经对症治疗后均好转。两组并发症发生率比较差异无统计学意义(P>0.05)。

2.7 两组典型病例见图1～4。

3 讨论

髋臼骨折是以高能量损伤为主的关节内骨折，常合并股骨头骨折、神经血管损伤等。髋臼骨折类型复杂多样，骨折累及关节面，非手术治疗难以恢复股骨头和髋臼的匹配关系，而且治疗周期长，术后发生创伤性关节炎、股骨头坏死、关节僵硬等并发症的概率高。因此，手术治疗已成为移位性髋臼骨折的主要方式[1-2]。研究[3]显示，髋臼骨折手术术后并发症发生率为19%～41%，并发症发生原因不仅与骨折粉碎程度、手术时机相关，还与术中骨折复位及内固定质量相关。术前正确判断骨折分型、正确掌握手术指针、手术方案的选择是决定骨折治疗成功的重要环节[4]。传统术前规划主要是医师结合影像学资料及个人经验判断骨折类型，制定手术方案。但由于髋臼局部解剖结构复杂、关节位置深，被股骨头遮挡，难以有效对关节面骨折进行观察，从而影响骨折类型判断及手术方案制定，且仅依据术中透视和个人经验，难以精确判断骨折块复位及内固定放置情况。所以对于较复杂的髋臼骨折而言，传统手术治疗存在一定局限性[5]。

随着影像学与数字医学的发展，个体化的手术方案设计成为可能，为髋臼骨折患者精确化、较优化的手术治疗奠定了坚实基础。与传统手术方式相比，数字化技术进行虚拟手术设计具有通用性强、精确度高、可视化及教育性强等特点，通过数字医学能为髋臼骨折患者优化手术方案，并进行虚拟模拟，但如何将虚拟手术方案完美呈现在手术治疗中一直困扰着临床医师，3D打印技术的出现并成熟应用为此提供了契机[6]。3D 打印技术是快速成型技术的一种，是以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可黏合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。通过利用患者 CT 数据进行三维建模、制作3D实物模型、进行现实手术模拟，具有可操作性强、仿真度高、通用性强的特点，成为虚拟手术设计与临床手术治疗中间不可或缺的一道桥梁[7-8]。Yu et al[9]经CT+三维重建制作复杂髋臼骨折模型，正确诊断骨折类型后，在计算机辅助下充分模拟手术过程，并进一步通过3D打印技术对虚拟模拟方案进行验证。李宝丰 等[10]采用3D数字技术对髋臼骨折患者进行辅助治疗，结果发现，术中骨折情况与术前三维重建图像及3D实物模型极其相似，说明术前三维重建图像及3D实物模型可帮助临床更精确实现骨折复位、钢板弯折及位置确定。因此，术前规划有利于手术顺利进行，并可获得较满意手术效果。但学者们未横向比较现实手术方案与术前规划方案是否一致，不能说明术前规划是达到满意手术效果的必要条件。本研究对将3D打印结合数字化设计应用于髋臼骨折患者，结果发现，相较于常规组，3D组手术时间更短，术中出血量及输血量更少，术中透视次数更少，提示采用3D打印结合数字化设计进行术前规划及模拟实验，可缩短实际手术操作时间，提高手术效率。我们认为，3D打印结合数字化设计在术前已对钢板预弯，判断钢板放置位置及所需螺钉长度，可避免术中反复预弯钢板、反复测量螺钉长度、反复摸索钢板放置位置，从而大大缩短手术时间，而手术时间的缩短又会相应减少术中出血量、术中输血量及术中透射次数。同时本研究在基础方面发现，虚拟手术方案与3D模拟手术中钢板位置、螺钉植入方向、螺钉植入长度匹配度高，螺钉植入长度相关性好。

图1 患者，女，52岁，车祸致髋臼骨折，采用常规内固定治疗 A.术前X线片，显示骨盆骨折、髋臼骨折，Judet-Letournel分型为双柱骨折；B.术后X线片，显示内固定位置良好；C.术后3个月X线片，显示内固定固定良好；D.术后1年X线片,显示内固定物轻微松动 图2 患者，男，67岁，高处坠落致髋臼骨折，采用常规内固定治疗 A.术前X线片，显示骨盆骨折、髋臼骨折，Judet-Letournel分型T型骨折；B.术后X线片，显示内固定位置良好；C.术后6个月X线片，显示内固定物未见松动 图3 患者，女，52岁，高处坠落致髋臼骨折，采用3D打印结合数字化设计治疗 A.术前X线片,显示骨盆骨折、髋臼骨折，Judet-Letournel分型为双柱骨折；B～E.术前3D打印、模拟复位固定；F.术后X线片，显示内固定位置良好；G.术后3个月X线片，显示内固定物未见松动

综上所述，3D打印结合数字化设计应用于髋臼骨折手术治疗具有直观性好、准确性强等优点，不仅能简化手术操作、缩短手术时间，还能验证虚拟设计的可行性，发现虚拟设计的不足并进行调整，为髋臼骨折制定最优化手术方案。