虚拟手术设计结合3D打印在复杂髋臼骨折治疗中的应用

朱海泉,尚修超,孟祥圣,刘子敏,井 晟,孙 晓

连云港市第一人民医院急诊外科,江苏 连云港 222002

髋臼骨折是外界高能量暴力因素导致的关节内骨折,临床将其分为5种简单骨折(前柱骨折、后柱骨折、前臂骨折、后壁骨折、横断骨折)和5种复杂骨折(前柱或前壁骨折伴后半横形骨折、后柱伴后壁骨折、T形骨折、双柱骨折、横形伴后壁骨折)，其中复杂髋臼骨折更为常见，约占髋臼骨折的44%[1-2]。临床常通过手术治疗恢复骨折部位解剖结构的完整性，修复损伤髋关节，减少致残情况的发生[3]。复杂髋臼骨折常规手术治疗过程中要不断解剖复位及塑形，同时还要注意螺钉的置入情况，对患者造成较大的创伤，不利于患者术后恢复[4]。对伤情进行科学评估并进行精确的术前规划有利于提高临床治疗效果，改善患者预后。近年来，国内外研究均已证实3D打印技术在复杂髋臼骨折治疗中具有独特优势[5-6]，虚拟手术规划是一项不断发展的技术，通过数字化技术为患者制订精确化、最优化的手术方案，不仅可以重现结果，而且可以帮助医师更好地了解骨折类型和术前规划。但关于实际手术方案与术前虚拟方案直接对比的报道较少，无法客观说明虚拟手术设计的有效性。基于此，本研究回顾性分析笔者医院急诊外科2017年2月—2020年2月收治复杂髋臼骨折患者80例，探讨虚拟手术设计结合3D打印在复杂髋臼骨折治疗中的应用，为临床治疗复杂髋臼骨折提供参考。

临床资料

1 一般资料

纳入标准：(1)年龄27～62岁；(2)Judet-Letournel分型为复杂型骨折；(3)经X线片、CT等影像学检查确诊；(4)受伤时间≤2周。排除标准：(1)病理性骨折、坐骨神经损伤、开放性骨折、下肢其他部位骨折、严重骨质疏松、陈旧性骨折；(2)手术耐受性较差；(3)合并心脏病、凝血功能障碍及肾、肝等多器官严重损伤。

本组复杂髋臼骨折患者80例，男性47例，女性33例；年龄27～62岁，平均44.0岁。按照手术方法不同分为3D组(36例)和常规组(44例)，3D组行虚拟手术设计结合3D打印，男性21例，女性15例；年龄28～60岁，平均43.8岁；砸伤4例，坠落伤9例，道路交通伤23例；受伤至手术时间2～12d，平均7.7d；前柱伴后半横行骨折8例，T型骨折16例，双柱骨折12例；手术入路：髂腹股沟入路9例，Kocher-Langenbeck(K-L)入路13例，髂腹股沟入路联合K-L入路14例。常规组行常规手术治疗，男性26例，女性18例；年龄27～62岁，平均44.1岁；砸伤6例，坠落伤11例，道路交通伤27例；受伤至手术时间2～13d，平均8.0d；前柱伴后半横行骨折11例，T型骨折19例，双柱骨折14例；手术入路：髂腹股沟入路13例，K-L入路18例，髂腹股沟入路联合K-L入路13例。两组患者一般资料比较差异无统计学意义(P>0.05)。

2 手术方法

手术均由同一主刀医师及团队完成。术前两组患者均行髂骨斜位、闭孔斜位、骨盆正位CT扫描及X线片检查，确定骨折类型。均接受全麻插管麻醉，并给予小剂量右美托咪定缓解术后谵妄烦躁，切皮前30min预防性给予抗生素五水头孢唑林钠(2g，静脉滴注)，术前静滴氨甲环酸1g，减少术中出血。患侧使用无菌脚套包扎，方便术中牵引。

3D组：术前采用0.5mm薄层CT扫描患者骨盆，将扫描所得图像导入Mimics14.11软件(比利时Materialise公司)进行三维重建，通过软件对三维重建图像进行碎骨块分割，用不同颜色标记分割开的碎骨块。使用软件模拟选项中的复位功能，经旋转、移动等方式后对碎骨块进行复位，对骨盆髋臼解剖形态进行重建。以骨折线方向及位置为参考，确定内固定物的放置方式。使用软件模拟功能对螺钉数量、方向、进入角度、钢板预弯程度及螺丝钉钢板最佳位置进行模拟设计，记录详细数据，为手术开展作参考。保存模拟复位后的骨盆并发送至3D打印机桌面软件，对打印支持材料、温度、分辨率等参数进行设定，按照等比例打印出重建后患者骨盆实物模型。将内固定物和三维模型进行贴合模拟，根据模拟情况微调预弯内固定物，确保骨块能和内固定物良好贴合。术前将螺钉和预弯板送至手术室消毒备用。术中，使用拟定型号的骨刀在关节软骨下方10mm处进行撬拨复位，按照虚拟手术情况将预弯板植入，并重建接骨板，固定髋臼表面或边缘骨块，按照虚拟手术情况将备好的螺钉进行固定。确定止血后对创面进行冲洗，放置引流管，逐层缝合皮肤。

常规组：撬拨复位压缩关节面，避免骨折块上附着的软组织损伤，完成复位后，修剪接骨板并进行塑形，在髋臼表面或边缘骨块固定，解剖塑形重建板，使后柱、后壁固定。确定止血后对创面进行冲洗，放置引流管，逐层缝合皮肤。

术后两组患者均预防性给予抗生素防止感染，术后1周卧床，并进行患侧踝关节屈伸、股四头肌伸缩等训练，术后1个月被动、主动屈伸踝关节、膝关节及髋关节。

3 观察指标

(1)手术情况：比较两组患者术中出血量、手术时间、透视次数等指标。(2)骨折复位情况：术后7d复查X线片，测量X线片上骨折分离距离，骨折复位标准[7]，优：位移≤1mm；良：1mm<位移≤3mm；差：位移>3mm。骨折复位优良率=(优+良)/总例数×100%。(3)髋关节功能恢复情况：术后6个月，使用Merle D’Aubign评分[7]评估两组患者髋关节功能，优：得分≥18分，良：15≤得分<18分，可：13≤得分<15分，差：得分<13分。髋关节功能优良率=(优+良)/总例数×100%。(4)并发症发生率：比较两组患者创伤性关节炎、骨神经牵拉、异位骨化、切口感染等并发症发生情况。

4 统计学分析

结 果

患者均通过门诊随访8～15个月，平均12.2个月。3D组术中出血量、手术时间、术中透视次数、住院时间均少于常规组(P<0.05)。见表1。3D组骨折复位优良率92%高于常规组73%(P<0.05)。见表2。3D组髋关节功能优良率94%高于常规组77%(P<0.05)。见表3。两组并发症发生率比较差异无统计学意义(P>0.05)。见表4。典型病例见图1。

图1 患者男性，47岁，交通事故伤致左髋臼骨折、左髋节后脱位，分型为双柱骨折，行虚拟手术设计结合3D打印治疗。a.术前骨盆X线片；b.术前骨盆CT薄层扫描；c.CT图像在Mimics14.11软件中进行三维重建；d.在Mimics14.11软件分割骨块进行虚拟复位后的三维图像；e.重建图像经3D打印机打印后，将数字钢板在模型上进行塑形；f.术后7d X线片显示内固定位置良好；g.术后7d三维重建显示内固定位置良好；h.术后6个月随访X线片显示骨折愈合良好

表1 两组手术情况比较

表2 两组术后骨折复位情况比较[n(%)]

表3 两组术后6个月髋关节功能恢复情况比较[n(%)]

表4 两组并发症发生率比较[n(%)]

讨 论

随着高空作业及机械化作业的增加，髋臼骨折发生率不断升高[9]。复杂髋臼骨折关节面被严重破坏，出现明显移位，且为粉碎性骨折，治疗难度较大[10]。有报道指出，复杂髋臼骨折患者治疗不当可能导致肢体畸形、关节活动障碍等后遗症[11]。因此，术前充分了解患者骨折情况对治疗极为重要。常规手术一般通过CT扫描及X线片了解骨折信息，但骨折块重叠、角度遮挡等因素使医师无法通过观察二维平面图像准确了解立体骨骼结构，最终影响医师对骨折类型的确定及手术方案的制定，存在较大的局限性[12]。随着数字医学及影像学的发展，基于患者薄层CT扫描数据对骨折块进行三维重建、模拟复位和虚拟手术操作在临床得到广泛应用。虚拟手术设计使手术医师在术前准确了解患者关节面损伤情况及骨折块的形态，帮助医师规划治疗方案并进行模拟手术，有利于术中更好地复位骨折块[13]。虚拟手术设计结合3D打印可以准确、直观、全面地反映骨折部位解剖结构及骨折的立体形态，相比于常规术前规划的优势更为突出[14]。

本研究结果显示，3D组术中出血量、手术时间、术中透视次数、住院时间均少于常规组，提示虚拟手术设计结合3D打印能避免术中大出血，缩短手术时间，减少透视次数，促进术后恢复。髋臼骨折断端动静脉丛出血较多且骨折部位的血供较丰富，常规手术在术中需要对接骨板进行塑形比对，会导致术中出血量及手术时间明显增加。髋臼具有复杂的解剖结构，在骨折复位手术中精准固定的难度较高，为了达到较好的复位效果，常规手术治疗在术前及术中需要进行多次透视判断髋臼骨折情况。虚拟手术设计由图像分割、骨折复位和内固定虚拟置入等3个步骤组成，图像分割是虚拟手术设计中最重要的环节，能够判断骨折分型，选择合理的手术治疗方案[15]。虚拟手术设计帮助医师确定不同骨折块间的位移和位置，找出放置钢板的最佳位置及螺钉置入的角度、长度，有效缩短手术时间，避免术中多次透视。医师在术前进行多次模拟演练，熟悉手术操作过程，使实际手术中的操作更为精确，减少对不必要组织的损伤。国内研究证实，髋臼骨折固定中虚拟手术设计结合3D打印在术前可对手术过程进行一系列模拟设计，做好术前规划，有利于减少术中出血量及手术时间，具有良好的临床应用价值[16-17]。

本研究中3D组术后髋关节功能优良率、解剖复位优良率均高于常规组，表明虚拟手术设计结合3D打印有利于骨折复位，能促进术后髋关节功能恢复。虚拟手术设计结合3D打印在术前了解骨折的空间解剖结构，并结合髋臼骨折的真实情况制定合理的手术方案，对术中骨折复位时可能遇到的困难进行预想，并思考解决办法，通过制作实体模型帮助医师直视三维立体结构，促进医师和等比例的生物模型进行物理交互，反复的虚拟手术演练，能够提高手术质量，使骨折部位获得良好的解剖复位效果，有利于修复患者的髋关节。左睿等[18]认为，虚拟手术设计在术前模拟进行内固定物放置，可以准确评估骨块与内固定物的位置关系，确保术中骨块与内固定物良好贴合，从而提高复位质量。严重髋臼骨折患者并发症发生情况也是临床关注的重点，本研究中两组患者并发症发生率比较差异无统计学意义，提示虚拟手术设计结合3D打印具有较高的安全性。杨勇等[19]研究发现，3D打印结合数字化设计并不会增加并发症发生率，安全性较高，也佐证了本研究结果。本研究仍存在一定不足：临床样本量较少，且来自同一中心，后期还需大样本量、多中心的研究进行证实；本研究因时间原因未开展长期随访，远期疗效还有待进一步证实。

综上所述，在复杂髋臼骨折的治疗中，虚拟手术设计结合3D打印具有良好的效果，能减少术中出血量，缩短手术时间，避免术中多次透视，修复受损的髋关节功能，有利于骨折复位。

作者贡献声明：朱海泉：试验设计、研究实施、资料收集、论文撰写；尚修超、孟祥圣：研究实施、资料收集；刘子敏：论文撰写；井晟：论文修订；孙晓：论文审校