MR技术与3D打印导板辅助骶髂关节置钉的临床应用

蔡涵华，陈宣煌，林海滨，李荣议，姚 凌

(莆田学院附属医院 骨科，福建 莆田 351100)

0 引言

骶髂关节是骨盆后环的主要结构之一，整个骨盆环要稳定，60%以上依赖于骶髂关节，因此，骶髂关节的及时有效内固定是治疗骨盆稳定性受损的重要环节，骶髂关节置入一枚或两枚螺钉内固定是目前学术界公认的理想手术方法[1-2]。随着经济社会的不断发展，人们对疾病的认识逐渐深入，骨科也随之飞速发展，治疗手段不断进步，为达到最佳治疗效果，多采用个体化治疗、精准治疗。混合现实(MR)技术能够在虚拟环境中引入现实场景信息，3D打印技术又称快速成型技术，这两种技术近年逐渐渗透至临床医学领域[3]。在骨科手术中，应用MR技术与3D打印技术，手术前可更准确地预设置植入螺钉的直径及长度，在3D打印个性化导板的辅助下将螺钉置入骶髂关节，个性化的设计可缩短手术时间、增加置钉精确度、减少手术并发症[4]。传统的置钉过程，医生基于经验进行手术，风险较大；而采用MR技术，可实现手术全程可视化设计，加上3D打印导板辅助置钉操作，有望最大程度上避免失误。因此，本研究采用MR技术与3D打印个性化导板辅助骶髂关节置钉，并与传统手术置钉效果进行比较，报道如下。

1 资料与方法

1.1 一般资料

经过莆田学院附属医院(以下简称“我院”)伦理委员会批准，研究对象为我院2019年1月—2020年11月收治的80例骨盆后环骶髂关节复合体损伤(SIJC)患者。纳入标准:1)具有一定的认知能力，可进行正常的语言交流；2)所有患者均知情，自愿参加本次实验，并能耐受本研究的治疗；3)所有患者均经过临床检查(B超、X线等)确诊为SIJC患者。排除标准:1)存在出血性疾病、神经疾病、精神障碍及其他严重性疾病患者；2)近期急性、慢性感染者；3)机体肝肾功能有明显异常者。

以随机数字表法将80例SIJC患者分为研究组(采用MR技术与3D打印个性化导板辅助置钉)与传统组(采用传统技术置钉)各40例，将研究对象基本资料输入统计学软件计算后发现无差异(P＞0.05)，见表1。

表1 一般资料对比

1.2 方法

研究组基于MR环境下，3D打印个性化导板辅助置钉。1)CT数据采集及重建。使用美国GE公司256排螺旋VCT，螺距0.984，扫描速度1 r/s，电压120 kV，Auto mA，矩阵512×512，重建层厚及层间距均为0.625 mm。采集患者骨盆CT扫描数据并导入计算机，利用目标关节节段膨胀、减除等相应的计算、重建方法，直接打印1∶1骶髂关节模型，每例同时打印2个模型。2)模型的建立。将CT薄层数据传入3D打印软件，根据医生拟选用螺钉的尺寸、手术预计达到的目的，对责任节段的关节参照点进行3D导板模型的建立。将建立好的3D导板模型依次导入MR系统平台，并调试Hololens眼镜，将骶髂关节模型结果全息显示，由医生再次模拟手术进程并最终确定各项参数，随后将建立好的3D导板模型加柱子支撑，然后导入Meditool 3D打印系统，利用光敏树脂材料进行根导板模型的打印。经过修剪、终末消毒等步骤获得成品。3)置入骶髂关节螺钉。患者平卧位，气管内插管全身麻醉，按术前设计的骶髂关节置钉内固定手术方案，手术过程中先确认骨盆可剥离的骨性解剖标志，显露导板放置骨面区域，于髂嵴及髂骨外板表面，与已消毒合格的3D打印导板紧密贴合，并利用克氏针固定，沿导板螺钉通道用电钻置入克氏针，C臂机透视确认后取下导板，拧入相应直径的空心拉力螺钉，无误后拔出克氏针，术毕。

传统组术前根据X线、CT等的检查结果进行术前评价，测量置钉角度及深度。在臀部髂前上棘和髂后上棘连线中后1/3交点处进钉，反复进行透视后明确螺钉的直径、方向及进钉深度。

1.3 观察指标

(1)记录研究对象术前预设钉道与术后实际钉道的螺钉参数，即尾向偏角(sagittal angle，SA)、外向偏角(transverse angle，TA)、螺钉长度，并记录术中的出血量、透视次数、螺钉置入时间。

(2)采用Matta标准评分评估研究对象术后一个月骨折复位情况[5]:骨折移位≥20 mm为差，移位10～20 mm为可，移位4～10 mm为良，≤4 mm为优。采用Majeed功能评分评估研究对象骨盆功能[6]，该评分满分100分，85～100分为优，70～84分为良，55～69分为可，＜55分为差。分值与骨盆功能呈正比。

(3)对比研究对象术后一个月会阴区麻木、螺钉松动、一过性神经症状加重等手术相关并发症发生情况，并统计研究对象术后视觉模拟评分法(visual analogue scales，VAS)评分，满分10分，疼痛与分值呈正比。

1.4 数据统计处理

对采集到的数据应用SPSS 19.0软件进行计算统计。统计采用x2检验，用¯x±s表示计量资料，统计采用t检验，两者P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 手术相关指标对比

两组研究对象在术前预设的SA、TA上无差异(t=0.443、0.036，P＞0.05)，研究组组内SA、TA的术前预设与术后实际比较无差异(t=0.243、0.037，P＞0.05)，研究组和传统组术后实际SA、TA相比存在差异(t=2.406、2.580，P＜0.05)，传统组在术后实际的SA、TA与术前预定相比存在差异(t=2.733、2.020，P＜0.05)。研究组与传统组在术前预设的螺钉长度上无显著差异(t=0.447，P＞0.05)，研究组术前预定与术后实际的螺钉长度比较无差异(t=1.654，P＞0.05)，传统组术前预定与术后实际的螺钉长度比较存在差异(t=10.139，P＜0.05)，研究组与传统组在术后实际的螺钉长度上存在差异(t=7.692，P＜0.05)，研究组在出血量、透视次数、螺钉置入时间上比传统组显著减少(t=10.017、44.568、28.974，P＜0.05)。见表2。

表2 手术相关指标对比

2.2 短期疗效评分对比

两组研究对象在Matta标准评分、Majeed功能评分上对比无差异(P＞0.05)，见表3。

2.3 并发症发生情况对比

在并发症发生率上，研究组为2.50%，传统组为15.00%，两组相比存在差异(P＜0.05)；在术后3D骶尾部VAS评分上，研究组显著低于传统组(P＜0.05)。见表4。

表3 相关评分对比

表4 并发症发生情况对比

3 讨论

3.1 MR技术与3D打印技术在骨科的应用

3D打印也称为增材制造，是一种新兴的快速成型技术，其优势在于可以个性化打印适用于患者手术所需的导航模板，辅助实施手术。利用3D技术能够打印出高仿真、同等比例的骨骼模型，可以不同方向旋转观察，反复模拟手术过程预操作，以便在手术时能很好地解决手术精准性和安全性的矛盾，手术并发症发生率随着手术质量的提升而明显减少了[7-8]。

MR技术可帮助临床医师更明确术前、术中安放导板等过程的各项明细，充分显示骨盆原型的3D解剖结构并能测量定量数据，手术医师凭此能快速、精准地实施操作。

两者在骨科中的应用具有以下特点:1)3D模型能将骨质结构清晰显示，有助于医师准确理解手术部位解剖形态，精确分析病情，疾病诊断准确率和治疗成功率大大提高；2)立体模型有助于制定个性化的手术方案，可以在模型上模拟手术，总结经验；3)使手术操作更简便，骨外科医生可以在术前精确测量螺钉直径、长度及置入方向，螺钉置入后，利用X线透视装置观测螺钉位置的次数明显减少，X线射线暴露明显减少；4)模型形态通俗易懂，医师更易于向患者及家属沟通病情，解释治疗方案。

3.2 MR技术与3D打印技术辅助骶髂关节置钉的优势

骶髂关节置钉是治疗骨盆骨折患者的常用术式，置钉难度主要体现在可视化程度不高以及毗邻结构复杂，传统透视下置钉方法存在并发症高、频繁透视等问题，对患者身心造成严重影响[9]。本研究基于MR技术与3D打印个性化导板，将个性化设计的导航模板应用于手术中螺钉置入，是一种安全有效的外科手术方式。该手术方式运用3D打印技术，建立患者手术部位个体化模型及导航手术模板，术前虚拟模仿内固定操作，并应用于手术中，取得良好效果[10]。本文研究显示，研究对象在术前预设的SA、TA上无差异(P＞0.05)，传统组在术后实际的SA、TA、螺钉长度上与术前预设相比存在差异(P＜0.05)，而研究组无差异；研究组在出血量、透视次数、置钉时间上比传统组显著减少(P＜0.05)。研究对象在Matta标准评分、Majeed功能评分上对比无差异(P＞0.05)；在并发症发生率上，研究组为2.50%，传统组为15.00%，两组相比存在差异(P＜0.05)；在术后骶尾部VAS评分上，研究组显著比传统组低(P＜0.05)。研究结果证实通过MR技术与3D打印技术辅助置钉，可以有效减少透视次数、出血量，缩短置入时间，降低并发症发生率。3D打印技术模拟骶髂关节置钉的方法应用于手术中，具有个体化、简单、直观等特点。虽然两组患者术后都能良好恢复日常生活及工作，短期功能恢复上无明显差异，但MR技术与3D打印个性化导板辅助置钉的优势在于能提前预测量骶髂关节螺钉置入角度及螺钉长度和直径，提前手术反复模拟。3D打印个性化导板经消毒后是无菌物品，可直接在手术中应用，减少手术出血、时间及术中X线辐射伤害次数，缩短麻醉时间，利于患者尽快康复。

3.3 MR技术与3D打印技术辅助骶髂关节置钉的应用前景

前期研究表明，Mimics设计及3D打印技术辅助骶髂关节置钉，Mimics术前设计与实际操作过程中使用3D打印导航模板辅助置钉操作的实际效果高度一致，应用价值高[11]。本文在原有熟练手术技术的基础上，进一步研究基于MR技术结合3D打印个性化导板辅助骶髂关节置钉，结果显示置入螺钉长度、方向较为满意，缩短了置钉时间，可显著减少透视次数、出血量和并发症，安全性高，能有效促进损伤复位与骨盆功能的康复，此方法可广泛应用于临床。