3D打印技術(shù)輔助肱骨髁間骨折治療

龔灝，陳峰嶸，劉好源

中國(guó)人民解放軍陸軍第73集團(tuán)軍醫(yī)院/廈門(mén)大學(xué)附屬成功醫(yī)院骨科一區(qū)，福建廈門(mén)361003

前言

肱骨髁間骨折發(fā)生率逐年上升，且由于肘關(guān)節(jié)復(fù)雜的解剖結(jié)構(gòu)及較小的骨折碎片成為現(xiàn)階段最難治療的骨折之一，尤其是肱骨髁間粉碎性骨折［1］。關(guān)節(jié)面的早期解剖重建、穩(wěn)定的內(nèi)固定和肘關(guān)節(jié)的早期運(yùn)動(dòng)是治療成功的關(guān)鍵因素［2］。但現(xiàn)階段的手術(shù)存在著各種并發(fā)癥，如肘關(guān)節(jié)功能障礙、骨不連等，不當(dāng)?shù)闹委煏?huì)造成手術(shù)后出現(xiàn)畸形［3］。為使術(shù)后肘關(guān)節(jié)擁有正常功能及減少并發(fā)癥的發(fā)生，迫切需要開(kāi)發(fā)一種新的治療方法，精確和個(gè)性化的手術(shù)在骨折固定術(shù)中變得越來(lái)越重要［4］。3D 打印是一種通過(guò)“打印”具有復(fù)雜幾何體的實(shí)體形狀來(lái)輸出計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)的新技術(shù)［5-7］。近年來(lái)，3D 打印技術(shù)的應(yīng)用使得骨科和重建手術(shù)定制的植入物的快速制造成為可能［8-9］，這有助于準(zhǔn)確的術(shù)前診斷、手術(shù)策略模擬以及加強(qiáng)與患者的溝通［10-11］。本研究采用3D 打印技術(shù)重建肱骨髁間骨折患者的損傷部位，并評(píng)估其在骨折修復(fù)手術(shù)中的可行性、有效性和安全性。此外，還可利用3D打印結(jié)果增強(qiáng)醫(yī)患溝通。

1 資料與方法

1.1 臨床資料

選擇解放軍第73集團(tuán)軍醫(yī)院2017年10月～2018年10月收治的53例肱骨髁間骨折患者為研究對(duì)象，均經(jīng)解放軍第73集團(tuán)軍醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)且遵循自愿原則入選。納入標(biāo)準(zhǔn)為：（1）年齡18～60歲；（2）新鮮閉合性骨折（傷后2周內(nèi)）；（3）單側(cè)肱骨髁間骨折；（4）隨訪至少12個(gè)月。排除標(biāo)準(zhǔn)：（1）陳舊性骨折及開(kāi)放性骨折；（2）病理性骨折；（3）肘部關(guān)節(jié)曾患病或手術(shù)；（4）合并神經(jīng)或血管損傷；（5）存在重要器官損害；（6）多發(fā)性骨折。住院病人中男性29例，女性24例，平均年齡44.6歲。隨機(jī)分為常規(guī)組（28例）和3D打印組（25例）。兩組在性別、年齡、骨折分類(lèi)、損傷機(jī)制、損傷側(cè)等方面差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，具有可比性。

1.2 3D模型制造

從本院的Star PACS 系統(tǒng)（INFINITT, 首爾, 韓國(guó)）獲取肱骨髁間骨折患者的CT。以DICOM格式存儲(chǔ)原始CT數(shù)據(jù)，并使用MIMICS 軟件v15.0（Materialise,魯汶,比利時(shí)）進(jìn)行3D重建，然后在軟件中重建骨折的3D 數(shù)字圖像，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到STL 格式的3D打印軟件中。在形成3D數(shù)字模型后，將其保存為Gcode 格式，并將其導(dǎo)出到3D 打印機(jī)（3D Ortho Waston Med公司,常州,中國(guó)）以重建全尺寸模型。

1.3 體外手術(shù)模擬

組內(nèi)骨科醫(yī)生使用3D打印技術(shù)打印出骨折模型模擬體外復(fù)位。3D打印的模型，骨折結(jié)構(gòu)特征清晰，有利于手術(shù)方案的實(shí)施。此外，植入物的類(lèi)型和尺寸都可以在術(shù)前知道，骨科醫(yī)生可以根據(jù)患者病情選擇合適的鋼板和螺釘，并且還評(píng)估了理想的螺釘位置和方向。

1.4 手術(shù)方法

同一小組骨科醫(yī)生按如下方式對(duì)兩組患者進(jìn)行手術(shù)：患者麻醉后置于仰臥位，通過(guò)鷹嘴截骨術(shù)進(jìn)行下述兩組手術(shù)。自肘上沿后側(cè)逐層打開(kāi)皮膚及皮下組織并沿肌間隙分離，術(shù)中注意保護(hù)尺神經(jīng)。然后通過(guò)擺動(dòng)鋸進(jìn)行橫切鷹嘴截骨術(shù)，使肱骨髁間骨折明顯暴露且骨膜剝離適當(dāng)，清除骨折骨上的軟組織后進(jìn)行骨折的解剖復(fù)位，使用克氏針固定骨碎片。在3D打印組中：通過(guò)3D打印模型模擬確定的方案放置鋼板和螺釘以固定骨折部位。在常規(guī)組中：根據(jù)手術(shù)期間的測(cè)量確定鋼板和螺釘。手術(shù)后，抬起肢體以減少傷口周?chē)能浗M織腫脹，鼓勵(lì)肘部早期被動(dòng)活動(dòng)，術(shù)后第7 天開(kāi)始肘關(guān)節(jié)活動(dòng)屈伸，術(shù)前和術(shù)后3 d內(nèi)使用抗生素，兩組手術(shù)均通過(guò)X線進(jìn)行評(píng)估。

1.5 隨訪及評(píng)價(jià)指標(biāo)

所有患者均隨訪12 個(gè)月，在術(shù)前及術(shù)后3 個(gè)月通過(guò)量角器測(cè)量其肘關(guān)節(jié)活動(dòng)度，術(shù)中記錄患者手術(shù)時(shí)間及出血量，隨訪期間通過(guò)影像學(xué)觀察并詳細(xì)記錄所有患者骨折愈合時(shí)間。

1.6 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

數(shù)據(jù)采用SPSS 20.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示，使用t檢驗(yàn)進(jìn)行組間比較，P＜0.05為有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。

2 結(jié)果

所有患者復(fù)位手術(shù)均成功實(shí)施，在圍手術(shù)期未出現(xiàn)嚴(yán)重并發(fā)癥，傷口愈合良好，術(shù)后隨訪未出現(xiàn)明顯的感染。

2.1 術(shù)中、術(shù)后情況比較

由表1 數(shù)據(jù)分析可知，在手術(shù)期間，3D 打印組手術(shù)時(shí)間和失血量明顯低于常規(guī)組，具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），兩組骨折愈合時(shí)間無(wú)顯著差異（P＞0.05）。

表1 術(shù)中、術(shù)后情況比較Tab.1 Comparison of intraoperative and postoperative conditions

2.2 術(shù)后肘關(guān)節(jié)活動(dòng)度評(píng)價(jià)

對(duì)患者術(shù)后進(jìn)行為期12個(gè)月的隨訪，每組病人的肘關(guān)節(jié)功能均有改善，但兩組之間無(wú)顯著差異（P＞0.05），見(jiàn)表2。

表2 肘關(guān)節(jié)活動(dòng)度比較Tab.2 Comparison of elbow joint mobility

2.3 并發(fā)癥

3D打印組有2例傷口感染，常規(guī)組有3例傷口感染。所有感染患者均使用敷料進(jìn)行治療。各組均未發(fā)現(xiàn)骨不連、深部感染等情況，兩組并發(fā)癥發(fā)生率無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P＞0.05）。

2.4 患者滿(mǎn)意度調(diào)查

通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的問(wèn)卷對(duì)行3D打印的病人進(jìn)行滿(mǎn)意度調(diào)查，滿(mǎn)分為10分，具體結(jié)果如表3。

3 討論

肱骨髁間骨折治療的關(guān)鍵在于使肘關(guān)節(jié)穩(wěn)定［12］、無(wú)痛，治療后恢復(fù)到正常功能［13-14］，傳統(tǒng)的手術(shù)僅憑二維圖像很難達(dá)到對(duì)肱骨髁間骨折進(jìn)行全面分析和準(zhǔn)確治療［15-16］。隨著3D 打印技術(shù)的發(fā)展，其被廣泛應(yīng)用于骨科手術(shù)［17］。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，3D 打印骨折模型允許圖像輸出從二維轉(zhuǎn)換為三維形式，從靜態(tài)模型轉(zhuǎn)換為動(dòng)態(tài)模型［18］。利用三維打印模型，可以從各個(gè)方向觀察骨折，從而準(zhǔn)確描述骨折特征。這使骨科醫(yī)生能夠更全面地了解骨折的具體細(xì)節(jié)，確定骨折類(lèi)型、骨折線的移位和骨折碎片的數(shù)量，檢查關(guān)節(jié)表面的塌陷和粉碎情況等。此外，3D 打印模型可以幫助骨科醫(yī)生根據(jù)患者的不同特征，制定出更加合理、人性化的手術(shù)方案［19］。并且在手術(shù)前骨科醫(yī)生能夠模擬體外手術(shù)，如骨折復(fù)位、鋼板和螺釘內(nèi)固定等，然后選擇合適的鋼板和螺釘，并將其放置在實(shí)際手術(shù)中合適的方向和位置，從而可大大提高復(fù)位精確度和固定穩(wěn)定性［20］。

表3 患者滿(mǎn)意度調(diào)查T(mén)ab.3 Patients′satisfaction survey

除了對(duì)手術(shù)的提升以外，3D 打印模型可以明顯提高患者的理解和依從性。在研究中從以下幾方面對(duì)病人進(jìn)行滿(mǎn)意度調(diào)查：與醫(yī)生溝通的難易度、對(duì)手術(shù)了解程度以及對(duì)3D 打印的滿(mǎn)意度，得到的結(jié)果均在8.5分以上，可見(jiàn)患者對(duì)使用3D打印進(jìn)行手術(shù)的滿(mǎn)意度較高，3D 打印模型可以直接地呈現(xiàn)給患者及其家屬，方便他們與醫(yī)生溝通，使他們更好地了解自己的情況，更好地與醫(yī)生合作。

本研究比較了傳統(tǒng)手術(shù)與3D打印技術(shù)輔助手術(shù)治療肱骨髁間骨折的療效。結(jié)果表明，與常規(guī)組相比，3D打印組手術(shù)時(shí)間明顯縮短，術(shù)中失血量明顯減少，骨折愈合時(shí)間沒(méi)有明顯差異，術(shù)后未發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重的并發(fā)癥，并發(fā)癥發(fā)生率也相對(duì)較低。術(shù)前合理的計(jì)劃和個(gè)體化治療可以顯著縮短手術(shù)時(shí)間，充分優(yōu)化手術(shù)效果。

盡管3D打印技術(shù)在外科手術(shù)的應(yīng)用中具有諸多優(yōu)勢(shì)，但仍有一些局限性需要克服。首先，3D打印技術(shù)僅僅基于骨骼CT 圖像，其缺乏相鄰軟組織和脈管系統(tǒng)的信息。而且對(duì)于嚴(yán)重粉碎性骨折患者，目前的3D打印技術(shù)無(wú)法區(qū)分較小的骨折碎片（≤0.8 mm）。此外，3D打印技術(shù)需要特定的軟件、專(zhuān)業(yè)人員和專(zhuān)業(yè)的3D 打印機(jī)，成本較高，這對(duì)于患者來(lái)說(shuō)，無(wú)疑增加了其經(jīng)濟(jì)壓力，不適用于大部分患者。且3D 打印流程耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)，不適用于緊急手術(shù)。