3D打印結合數字化設計在髖臼骨折手術治療中的應用

楊 勇，邱志杰，徐紅革，曾衛(wèi)平，王良恩，孫 博

髖臼骨折多由高能量損傷所致。內固定質量、手術創(chuàng)傷程度及并發(fā)癥預防是復位內固定術治療髖臼骨折的關鍵。數字醫(yī)學技術通過CT三維重建模型進行骨折復位、內固定模擬操作,可提高手術成功率;3D 打印技術可定制個體化假體、手術導航模板、個性化支具等，為外科手術在個體化和精準化方面提供了選擇。2014年1月～2018年1月，我科將3D打印結合數字化設計技術應用于29例髖臼骨折患者的治療中，并與采用常規(guī)內固定治療的29例患者進行療效比較，報道如下。

1 材料與方法

1.1 病例資料納入標準：① 經影像學確診為髖臼骨折；② 年齡18～65歲；③ 有手術指針。排除標準：① 陳舊髖臼骨折；② 合并系統(tǒng)性嚴重疾??；③ 嚴重骨質疏松；④ 同側肢體創(chuàng)傷嚴重，對術后功能造成影響。共納入58例，根據隨機數字表法將患者分為3D組和常規(guī)組，每組29例。① 3D組：采用3D打印結合數字化設計治療。男18例，女11例，年齡19～62(41.28±8.78)歲。受傷原因：車禍傷20例，高處墜落傷5例，重物砸傷4例。骨折Judet-Letournel分型：雙柱骨折15例，前柱骨折5例，T型骨折5例，橫行伴后壁骨折4例。傷后至手術時間2～11(7.12±2.05)d。② 常規(guī)組：采用常規(guī)內固定治療。男19例，女10例，年齡18～64(42.41±9.23)歲。受傷原因：車禍傷19例，高處墜落傷6例，重物砸傷4例。骨折Judet-Letournel分型：雙柱骨折16例，前柱骨折6例，T型骨折5例，橫行伴后壁骨折2例。傷后至手術時間3～11(7.67±1.95)d。兩組術前一般資料比較差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)。本研究經醫(yī)院倫理委員會批準，患者均簽署知情同意書。

1.2 治療方法

1.2.1常規(guī)組 術前根據X線、CT三維重建檢查判斷髖臼骨折類型，并確定手術方案。參考鋁板折彎方向預彎鋼板，并依據醫(yī)師手術經驗完成內固定。

1.2.23D組 ① 建立虛擬模型：薄層 CT 掃描獲得臨床數據以建立虛擬模型，掃描范圍為骨盆及股骨上端，設置螺距≤1.0 mm，電流 200～250 mAs，電壓 80～130 kV，矩陣：512×512，DICOM 格式輸出保存掃描數據；將CT掃描數據導入三維重建軟件 Mimics 14.11進行后處理，利用“選定閾值” “區(qū)域增長” “三維編輯”等功能生成對應三維模型；Mimics 軟件建立骨折塊分離模型、虛擬復位骨盆模型；最后將各個復位骨折塊應用“合并”功能生成單一復位模型用于手術方案設計。模型以.stl格式導出應用于 3D 打印。② 制定虛擬手術方案：依據骨折部位選擇合適入路，應用Mimics 軟件“創(chuàng)建曲線”功能在復位模型上初步確定最佳鋼板置入位置，結合虛擬曲線利用“測量”功能按照和鋼板 1 ∶1 比例進行測量并畫線，精確確定鋼板植入位置和釘孔位置；應用“創(chuàng)建圓柱體”功能創(chuàng)建和臨床手術螺釘直徑一致的圓柱體模擬釘道，按照手術實際需要調整螺釘位置和長度，并測量螺釘長度；三維切割預設鋼板位置，切割骨塊大小比預設鋼板位置長度增加 1～2 mm、寬度增加1 mm為宜，得到局部復位模型。將局部復位模型以.stl格式導出。③ 3D 模型模擬手術：同比例制作鋼板模型，測量完成后在 Solid Works 2012 中建立鋼板平面模型及與骨盆解剖鋼板同比例三維模型，以.stl格式導出；以鋁板為材料交予模具加工公司加工。利用.stl格式骨折塊與局部復位模型，導入Makerbot Replicator2 3D 打印機(Makerbot 公司)，打印材料聚乳酸，打印精度 0.2 mm。而后進行基礎手術模擬，利用局部骨折模型結合數字化設計進行鋼板預彎，將單一骨折塊 3D模型按照術中復位步驟用強力膠水逐一黏合，模擬術中復位情況，對復雜骨折手動復位困難的骨折塊則利用折彎鋼板指導骨折塊復位；將預彎鋼板貼合至復位骨位模型上，當鋼板確定唯一位置后觀察鋼板位置和術前設計位置比較；鋼板位置確定之后用4.0 mm 克氏針參考虛擬設計螺釘方向進行模擬置入螺釘，每枚克氏針均穿透雙側皮質并記錄克氏針方向偏移情況和每枚克氏針置入長度。④ 臨床手術：利用復位模型依照虛擬手術方案選擇相同長度鋼板，以手術方案設定位置、局部解剖結構為參考進行鋼板預彎，此后利用3D復位骨折模型按虛擬手術設計的螺釘長度、方向置入螺釘，觀察螺釘位置及骨折塊固定情況。

1.3 觀察指標與療效評價① 3D組比較虛擬手術方案與 3D 模型模擬手術中鋼板置入數量與位置情況、螺釘置入方向與置入長度。② 3D組比較虛擬手術方案與臨床手術的鋼板位置、螺釘置入方向與置入長度。③ 記錄兩組患者手術時間、術中出血量、術中輸血量、術中透視次數、下地行走時間以及術后并發(fā)癥發(fā)生情況。④ 術后6個月，根據Matta評分標準評估兩組骨折復位質量：優(yōu)——解剖完全復位；良——骨折移位<1 mm；中——骨折移位1～3 mm；差——骨折移位>3 mm。⑤ 術后6個月，根據Majeed評分標準對治療療效進行評價，總分100分，分數越高療效越好。

2 結果

患者均獲得隨訪，時間6～12個月。

2.1 3D組3D模型模擬手術與虛擬手術方案比較3D模型模擬手術中共置入35塊鋼板，鋼板數量、位置與虛擬手術方案一致；共置入236枚螺釘，其中234枚方向與虛擬手術方案高度吻合，2枚偏差1°～10°。3D模型模擬手術和虛擬手術方案中螺釘長度差值為0.11～0.72(0.48±0.12)mm，差異無統(tǒng)計學意義(t=1.379,P=0.152)。

表1 兩組手術情況比較

2.2 3D組虛擬手術方案與臨床手術情況比較臨床手術中共置入35塊鋼板，鋼板數量、位置與虛擬手術方案均一致；共置入236枚螺釘，其中233枚方向與虛擬手術方案高度吻合，3枚偏差0°～10°。臨床手術和虛擬手術方案中螺釘長度差值為0.10～0.69(0.49±0.13)mm，差異無統(tǒng)計學意義(t=1.227,P=0.172)。

2.3 兩組術中相關指標比較見表1。手術時間、術中出血量、術中輸血量及術中透視次數3D組均短(少)于常規(guī)組，差異均有統(tǒng)計學意義(P<0.05)；下地行走時間3D組短于對照組，但差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)。

2.4 兩組髖臼骨折復位質量比較見表2。術后6個月根據Matta評分標準評估兩組髖臼骨折復位質量，髖臼骨折復位優(yōu)良率 3D組高于常規(guī)組，但差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)。

表2 兩組術后6個月Matta評分優(yōu)良率比較[例(%)]

2.5 兩組治療療效比較見表3。術后6個月Majeed評分優(yōu)良率3D組高于常規(guī)組，但差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)。

表3 兩組術后6個月Majeed評分優(yōu)良率比較[例(%)]

2.6 兩組并發(fā)癥發(fā)生率比較3D組1例出現神經刺激癥狀，并發(fā)癥發(fā)生率為1/29(3.45%)；常規(guī)組1例出現神經刺激癥狀，1例出現尿路感染，并發(fā)癥發(fā)生率為2/29(6.90%)；兩組并發(fā)癥經對癥治療后均好轉。兩組并發(fā)癥發(fā)生率比較差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)。

2.7 兩組典型病例見圖1～4。

3 討論

髖臼骨折是以高能量損傷為主的關節(jié)內骨折，常合并股骨頭骨折、神經血管損傷等。髖臼骨折類型復雜多樣，骨折累及關節(jié)面，非手術治療難以恢復股骨頭和髖臼的匹配關系，而且治療周期長，術后發(fā)生創(chuàng)傷性關節(jié)炎、股骨頭壞死、關節(jié)僵硬等并發(fā)癥的概率高。因此，手術治療已成為移位性髖臼骨折的主要方式[1-2]。研究[3]顯示，髖臼骨折手術術后并發(fā)癥發(fā)生率為19%～41%，并發(fā)癥發(fā)生原因不僅與骨折粉碎程度、手術時機相關，還與術中骨折復位及內固定質量相關。術前正確判斷骨折分型、正確掌握手術指針、手術方案的選擇是決定骨折治療成功的重要環(huán)節(jié)[4]。傳統(tǒng)術前規(guī)劃主要是醫(yī)師結合影像學資料及個人經驗判斷骨折類型，制定手術方案。但由于髖臼局部解剖結構復雜、關節(jié)位置深，被股骨頭遮擋，難以有效對關節(jié)面骨折進行觀察，從而影響骨折類型判斷及手術方案制定，且僅依據術中透視和個人經驗，難以精確判斷骨折塊復位及內固定放置情況。所以對于較復雜的髖臼骨折而言，傳統(tǒng)手術治療存在一定局限性[5]。

隨著影像學與數字醫(yī)學的發(fā)展，個體化的手術方案設計成為可能，為髖臼骨折患者精確化、較優(yōu)化的手術治療奠定了堅實基礎。與傳統(tǒng)手術方式相比，數字化技術進行虛擬手術設計具有通用性強、精確度高、可視化及教育性強等特點，通過數字醫(yī)學能為髖臼骨折患者優(yōu)化手術方案，并進行虛擬模擬，但如何將虛擬手術方案完美呈現在手術治療中一直困擾著臨床醫(yī)師，3D打印技術的出現并成熟應用為此提供了契機[6]。3D 打印技術是快速成型技術的一種，是以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。通過利用患者 CT 數據進行三維建模、制作3D實物模型、進行現實手術模擬，具有可操作性強、仿真度高、通用性強的特點，成為虛擬手術設計與臨床手術治療中間不可或缺的一道橋梁[7-8]。Yu et al[9]經CT+三維重建制作復雜髖臼骨折模型，正確診斷骨折類型后，在計算機輔助下充分模擬手術過程，并進一步通過3D打印技術對虛擬模擬方案進行驗證。李寶豐 等[10]采用3D數字技術對髖臼骨折患者進行輔助治療，結果發(fā)現，術中骨折情況與術前三維重建圖像及3D實物模型極其相似，說明術前三維重建圖像及3D實物模型可幫助臨床更精確實現骨折復位、鋼板彎折及位置確定。因此，術前規(guī)劃有利于手術順利進行，并可獲得較滿意手術效果。但學者們未橫向比較現實手術方案與術前規(guī)劃方案是否一致，不能說明術前規(guī)劃是達到滿意手術效果的必要條件。本研究對將3D打印結合數字化設計應用于髖臼骨折患者，結果發(fā)現，相較于常規(guī)組，3D組手術時間更短，術中出血量及輸血量更少，術中透視次數更少，提示采用3D打印結合數字化設計進行術前規(guī)劃及模擬實驗，可縮短實際手術操作時間，提高手術效率。我們認為，3D打印結合數字化設計在術前已對鋼板預彎，判斷鋼板放置位置及所需螺釘長度，可避免術中反復預彎鋼板、反復測量螺釘長度、反復摸索鋼板放置位置，從而大大縮短手術時間，而手術時間的縮短又會相應減少術中出血量、術中輸血量及術中透射次數。同時本研究在基礎方面發(fā)現，虛擬手術方案與3D模擬手術中鋼板位置、螺釘植入方向、螺釘植入長度匹配度高，螺釘植入長度相關性好。

圖1 患者，女，52歲，車禍致髖臼骨折，采用常規(guī)內固定治療 A.術前X線片，顯示骨盆骨折、髖臼骨折，Judet-Letournel分型為雙柱骨折；B.術后X線片，顯示內固定位置良好；C.術后3個月X線片，顯示內固定固定良好；D.術后1年X線片,顯示內固定物輕微松動 圖2 患者，男，67歲，高處墜落致髖臼骨折，采用常規(guī)內固定治療 A.術前X線片，顯示骨盆骨折、髖臼骨折，Judet-Letournel分型T型骨折；B.術后X線片，顯示內固定位置良好；C.術后6個月X線片，顯示內固定物未見松動 圖3 患者，女，52歲，高處墜落致髖臼骨折，采用3D打印結合數字化設計治療 A.術前X線片,顯示骨盆骨折、髖臼骨折，Judet-Letournel分型為雙柱骨折；B～E.術前3D打印、模擬復位固定；F.術后X線片，顯示內固定位置良好；G.術后3個月X線片，顯示內固定物未見松動

綜上所述，3D打印結合數字化設計應用于髖臼骨折手術治療具有直觀性好、準確性強等優(yōu)點，不僅能簡化手術操作、縮短手術時間，還能驗證虛擬設計的可行性，發(fā)現虛擬設計的不足并進行調整，為髖臼骨折制定最優(yōu)化手術方案。