3D打印技术及导向模板在老年股骨粗隆间骨折治疗中的应用

刘永明 梅 刚 徐亚非 梁国光 黄冠就 张 乐 朱欣阳

南方医科大学南海医院骨科，广东佛山 528244

随着我国人均寿命的延长、老龄化人口的增加，导致股骨粗隆间骨折发病人数剧增，而以往的保守治疗方案常伴随较多并发症，如压疮、坠积性肺炎、下肢深静脉血栓等，严重者可危及生命，为此国内外专家已达成共识，手术治疗已成为老年股骨粗隆间重要治疗方法[1-3]。股骨近端防旋髓内钉（proximal femoral nail anti-rotation，PFNA）可以为老年股骨粗隆间骨折提供坚强的髓内固定，有利于术后患者早期活动[4-5]，股骨粗隆间骨折闭合复位PFNA 内固定术已成为老年股骨粗隆间骨折重要手术方式之一[6-8]。但其技术要求高，对低年资医生来说仍然有一定的难度，需要丰富的手术经验，尤其是牵引床辅助下闭合复位PFNA 内固定术，往往由于复杂的解剖结构，导致内固定置入不精准或者需要多次反复置钉，导致手术时间延长，增加手术风险[9-10]。近年来，随着数字化技术的发展，尤其是在医学领域的应用逐渐增加，看到了新技术给手术医生带来的便利[11-12]，3D 打印骨折实物模型可在立体层面提供骨折的形态，可从360°观察骨折的局部解剖结构，导向模板在3D 打印骨折实物模型上进行手术模拟，可以在术前体验到较为真实的手术环境，为手术的顺利开展提供技术支持，从而使股骨粗隆间骨折闭合复位PFNA 内固定术更加快速和精准[13-14]。为探讨3D 打印技术及导向模板技术在老年股骨粗隆间骨折治疗中的应用效果，促进该技术在骨科中应用的发展，对其治疗效果进一步分析，现报道如下。

1 资料与方法

1.1 一般资料

选 取2018 年6 月 至2019 年9 月 南 方 医 科大学南海医院收治的46 例老年股骨粗隆间骨折患者作为研究对象，根据是否使用3D 打印及导向模板技术分为3D 打印组与非3D 打印组，每组各23 例，3D 打印组中男9 例，女14 例，平均年龄（78.3±9.2）岁；骨折Evans-Jensen 分型：Ⅱ型8 例，Ⅲ型10 例，Ⅳ型5 例；发病原因：21 例跌伤，2 例交通伤；非3D 打印组中男10 例，女13 例，平均年龄（76.7±8.5）岁；骨折Evans-Jensen 分型：Ⅱ型5 例，Ⅲ型12 例，Ⅳ型6 例；发病原因：20 例跌伤，3 例交通伤。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。本研究通过南方医科大学南海医院医学伦理委员会批准，所有患者均签署知情同意书。

1.2 纳入与排除标准

纳入标准：①患者年龄60 ～95 岁；②单侧闭合性不稳定骨折（Evans-Jensen Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ）。排除标准：①术区存在皮肤疾病及感染者；②既往存在患髋关节活动受限、不能行走者；③陈旧性及病理性骨折、开放性骨折患者；④经多学科评估无法耐受手术者；⑤其他创伤骨折。

1.3 治疗方法

术前对两组患者行患髋侧位照片及CT 三维重建，完善相关检查，经多学科评估、处理相关合并疾病后行手术治疗。3D 打印组将CT 扫描数据以Dicom 格式输入到Mimics 17.0 数字医学软件，通过域值分割和区域增长等功能得到股骨粗隆间骨折的三维模型。并将文件存为STL 文件，将文件导入到Raise 3D 打印机进行实物模型的打印。通过对实物模型进行三维空间的观察及研究，设计导向模板，已经过国家专利中心批准，获得了1 项实用新型专利，已生产出可为股骨粗隆间骨折置钉导航的导向模板。同时在三维实物模型上进行股骨直径、股骨颈长度测量，以确定PFNA 主钉的直径、主钉长度及螺旋刀片长度；通过三维实物模型及导向模板进行术前模拟及规划，设计并实施手术（图1）。3D 打印组患者麻醉成功后仰卧于骨科牵引床上，C 臂透视下进行复位，骨折复位良好后在大粗隆近端约5 cm 处做一长为6 cm 的手术切口，依次切开皮肤、深浅筋膜，钝性分离肌肉，显露股骨大粗隆，以大粗隆顶点作为进针点，导向器置于进针点，沿着导向器打入2 ～3 枚克氏针，再次透视，选取1枚合适克氏针，以克氏针为导向使用常规3.2 mm螺纹导针钻孔，扩髓后插入PFNA 主钉，经瞄准器置入1 枚螺旋加压刀片，然后通过远端瞄准器打入PFNA 远端锁定螺钉，最后拧入尾帽，冲洗后逐层缝合。非3D 打印组患者釆用同样的麻醉及手术方式，术前未做手术模拟及手术规划，术中未用导向模板。两组患者术后24 h 内予以使用抗生素，术后定期复查照片，待骨折愈合才可下地负重。

图1 术前X 线及3D 打印实物模型（A），术前应用导向模板在3D 实物模型上进行手术模拟（B-C），术中根据术前设计应用3D 导向模板进行手术及术中透视图片（D-E），导向模板样板图、已申请实用新型专利（F-G），术后X 线（H）

1.4 观察指标

两组患者术后经过8 ～12 个月随访评估，主要评价指标包括疼痛视觉模拟评分（VAS）[15]，髋关节功能（Harris）评分[16]；术前术后颈干角；手术时间、术中出血量、住院时间；3D 打印组术前及术中主钉长度、主钉直径、螺旋刀片长度；并发症发生情况。

1.5 统计学处理

应用SPSS 17.0 统计学软件分析两组股骨粗隆间骨折患者的相关资料，计量资料以（）表示，采用t检验，计数资料以[n（%）]表示，采用χ2检验，P＜0.05 为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 两组患者术后末次随访时VAS、Harris评分比较

两组术后随访VAS、Harris 评分比较，差异无统计学意义（P＞0.05）。见表1。

表1 两组患者术后末次随访时VAS、Harris评分比较（±s，分）

表1 两组患者术后末次随访时VAS、Harris评分比较（±s，分）

组别 n VAS 评分 Harris 评分3D 打印组 23 8.391±0.656 85.608±5.349非3D 打印组 23 8.304±0.702 85.521±3.894 t 值 0.434 0.063 P 值 0.667 0.950

2.2 两组患者影像学上颈干角测量结果比较

两组患者术后随访，术后颈干角均优于术前（P＜0.05），骨折顺利愈合，无畸形愈合；两组末次随访颈干角比较，差异无统计学意义（P＞0.05）。见表2。

表2 两组患者影像学上颈干角测量结果比较（±s，°）

表2 两组患者影像学上颈干角测量结果比较（±s，°）

组别 n 术前 末次随访 t 值 P 值3D 打印组 23 114.913±7.476 137.390±3.299 13.191 0.000非3D 打印组 23 113.695±8.025 135.826±3.915 11.886 0.000 t 值 0.532 1.466 P 值 0.597 0.150

2.3 3D打印组患者术前设计、术中使用PFNA相关指标比较

3D 打印组患者术中所用PFNA 内固定主钉的直径、主钉的长度及螺旋刀片的长度与术前测量比较，差异均无统计学意义（P＞0.05）。见表3。

表3 3D打印组患者术前设计、术中使用PFNA相关指标比较（±s，mm）

表3 3D打印组患者术前设计、术中使用PFNA相关指标比较（±s，mm）

组别 n 主钉直径 主钉长度 螺旋刀片长度3D 打印组术前规划数值23 9.826±0.650 211.304±24.735 97.826±5.399 23 9.565±0.506 209.565±24.022 98.913±6.207 t 值 1.517 0.242 0.634 P 值 0.137 0.810 0.530 3D 打印组术中实际应用数值

2.4 两组患者手术相关指标比较

3D 打印组患者的手术时间明显短于非3D 打印组，术中出血量明显少于非3D 打印组（P＜0.05），两组的住院时间比较，差异无统计学意义（P＞0.05）。见表4。

表4 两组患者手术相关指标比较（±s）

表4 两组患者手术相关指标比较（±s）

组别 n 手术时间（min）术中出血量（ml）住院时间（d）3D 打印组 23 47.782±5.869 115.217±38.242 18.260±4.308非3D 打印组 23 65.478±5.583 204.347±20.851 16.869±1.486 t 值 10.476 9.814 1.464 P 值 0.000 0.000 0.150

2.5 两组并发症发生情况

两组患者骨折均得到良好的愈合，无内固定失败、髋内翻畸形等并发症发生。

3 讨论

股骨粗隆间骨折多发生于老年人，尤其是65 岁以上老年人发病率较高，65 ～70 岁以上人群由于骨质疏松、走路动作协调性下降、反应速度减慢等多种原因，导致股骨粗隆间骨折发病率急剧上升[17]。长期卧床和失能将带来巨大的家庭和社会负担，手术治疗能获得坚强固定，患者术后早期即可进行功能锻炼、从而减少并发症的发生，因此手术治疗已成为股骨粗隆间骨折的主要治疗方式[18-19]，目前诸多文献显示，老年髋部骨折如果决定手术，通常在伤后24～48 h内进行可明显降低病死率[20-21]。

由于老年患者普遍存在骨质疏松，钢板螺钉内固定难以获得好的力学稳定性，容易出现内固定松动、骨折移位等并发症，PFNA 内固定可为股骨颈骨折提供良好的支撑，螺旋刀片在头颈部骨质量最好的部位可获得最大强度的支撑。目前研究认为股骨头颈的中央或稍偏下后方是PFNA 螺旋刀片置入的理想位置，可获得良好的力学支撑[22]。以往只能依靠术前对影像的阅读及术中的反复透视，在二维层面进行判断，以获取较好的置钉位置，这就需要较为丰富的临床经验。本研究发现3D 打印实物模型可以让手术医生在术前对骨折部位进行360°全方位观察，在脑海中形成各骨折块之间的空间结构，对术中指导快速而准确的复位有极大的帮助，可减少手术复位时间、减少透视次数。术前对骨折模型进行相关测量，模拟手术过程，可初步确定主钉的直径、主钉长度及螺旋刀片长度，助手提前做好准备，明显减少手术时间。术前模拟手术可明确进针点是否位于骨折间隙，如何避免主钉置入导致骨折块的移位，通过使用三维实物模型及导向模板模拟手术可明确进针方向，以达到快速置入主钉的目的。本研究结果提示，3D 打印股骨粗隆间骨折实物模型及导向模板的设计对手术中内固定物的选择有参考价值，对术中复位、内固定物的置入有很好的指导意义，可明显缩短手术时间、减少手术出血量，有利于患者早期功能锻炼，加速患者康复。

数字化技术辅助PFNA 内固定治疗老年股骨粗隆间骨折有很好的效果，但仍然存在一定局限性：①本研究采用的3D 打印技术不能显示软组织，因此在置钉过程中可能会存在一定的误差；②3D 打印技术由于操作流程具有一定的复杂性，需要精通相关软件的专业技术人员，临床医生学会这套流程，需要较多的时间及精力。

综上所述，3D 打印股骨粗隆间骨折实物模型及导向模板的设计可以在术前进行模拟手术，使术中置钉更加快速及精准，从而提高PFNA 内固定治疗股骨粗隆间骨折手术的精准度。