3D打印技術在復雜脛骨平臺骨折術前規劃中的應用

王　敏，董樂樂，魏海濤，連建強，郭鵬年，劉　瑞

(1包頭醫學院；2包頭醫學院第一附屬醫院骨二科，內蒙古 包頭 014010)

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3D打印技術在復雜脛骨平臺骨折術前規劃中的應用

王敏1,2，董樂樂2，魏海濤2，連建強2，郭鵬年2，劉瑞2

(1包頭醫學院；2包頭醫學院第一附屬醫院骨二科，內蒙古 包頭 014010)

【摘要】目的：探討Mimics軟件三維重建結合快速成形技術在脛骨平臺骨折治療中的應用，并對其臨床效果進行評估. 方法：選取2013-11/2015-10包頭醫學院第一附屬醫院復雜脛骨平臺骨折患者60例，隨機分為3D打印術前規劃的試驗組(n=30)及常規手術的對照組(n=30). 分別對分型正確率、手術時間、手術效果等數據進行比較. 結果：與對照組相比，試驗組分型正確率高、手術時間短、手術效果優良率高，差異具有統計學意義(P<0.01). 結論：結合3D打印技術的術前規劃有助于提高脛骨平臺骨折分型準確率、手術效率及手術滿意度，具有一定的借鑒性.

【關鍵詞】復雜脛骨平臺骨折;3D打印技術;術前規劃

0引言

脛骨平臺骨折是臨床上常見的骨折，屬關節內骨折. 多由間接暴力或直接暴力引起，占所有骨折的1.3%[1]，是膝關節創傷中常見的骨折之一. 脛骨平臺在人體負重和行走的過程中發揮著重要作用，因此對骨折復位的要求比較高. 準確的骨折分型是選擇正確治療方法的基礎. 復雜脛骨平臺骨折，一般指Schatzker分型Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ型，其臨床表現復雜多變，往往給臨床治療帶來很大的難度. 有研究[2]表明，術后10年需要全膝關節置換的患者大約占7.3%. 因此，正確的術前診斷及明確的骨折分型，對于手術計劃的制訂和治療有著至關重要的作用. 本研究利用3D打印技術制作脛骨平臺骨折實物模型，用于骨折的診斷分型及手術治療，取得滿意療效，現報道如下.

1 資料和方法

1.1一般資料選取2013-11/2015-10包頭醫學院第一附屬醫院復雜脛骨平臺骨折患者60例，隨機分為3D打印術前規劃的試驗組(n=30)及常規手術的對照組(n=30). 常規手術組男19例，女11例，年齡20～74(平均47.50±7.96)歲. 3D打印組男18例，女12例，年齡21～73(平均48.50±8.24)歲. 兩組患者均在患肢牽引7～10 d后手術. 所有患者均屬于新鮮脛骨平臺骨折，同時排除：①合并重要臟器損傷患者；②脛骨神經壞死患者；③先天性畸形者等. 兩組患者的性別、年齡、分型等一般資料比較，差異均無統計學意義(P>0.05)，具有可比性.

1.2方法常規手術組，術前常規行X線、CT檢查，明確診斷后行手術治療.

3D打印組，所有患者均行CT掃描，層厚1 mm，獲取DICOM數據導入Mimics10.0軟件，運用閾值分割、區域增長和3D建模等工具建立脛骨平臺骨折三維模型，保存為STL文件，導入3D打印機(Stratasys公司Objet24快速成型機)，制作出與實體1∶1等比例大小的脛骨平臺骨折模型. 根據實物模型模擬手術，決定內固定的類型、長度及預彎程度，所選螺釘規格、數量，如患者需要植骨，可以計算所需植骨量. 規劃完成后行手術治療.

1.3觀察指標及評價標準

1.3.1分型標準參照脛骨平臺骨折Schatzker分型標準，具體如下. Ⅳ型：內側平臺骨折；Ⅴ型：涉及內、外側平臺劈裂的雙髁骨折；Ⅵ型：平臺骨折涉及干骺端與骨干間骨折，致脛骨髁部與骨干部分離. 分型正確率=分型正確例數/總例數×100%.

1.3.2觀察指標記錄兩組患者從開皮到切口縫合的實際手術時間，手術均由同一高年資的主任醫師完成.

1.3.3手術效果判定標準兩組指導手術效果采用Rasmussen法[3]進行評定，具體如下. ①優：并無明顯疼痛，行走能力正常，膝關節的屈伸與活動正常，膝關節穩定；②良：偶爾疼痛，行走能力>1 h，膝關節屈伸缺失<10°，活動度>120°，屈伸20°不穩定；③中：固定或持續疼痛，僅能行走幾分鐘，膝關節屈伸缺失>120°，活動度僅為60°～90°，伸直不穩定；④差：靜坐痛，不能行走、屈伸，活動度<60°.

2結果

2.1兩組分型正確率比較依術中所見判斷分型正確情況，常規手術組分型正確率低于3D打印組，錯誤率高于3D打印組，差異具有統計學意義(P<0.01,表1).

表1兩組分型正確率比較

[n=30,n(%)]

bP<0.01vs常規手術組.

2.2兩組手術時間比較3D打印組手術時間較常規手術組短，差異具有統計學意義(P<0.05,表2).

表2兩組手術時間比較

bP<0.01vs常規手術組.

2.3兩組指導脛骨平臺粉碎性骨折手術效果比較3D打印組Ⅴ、Ⅵ型手術優良率均高于常規手術組，差異具有統計學意義(P<0.01)，但Ⅳ型無統計學意義(P>0.05,表3)，考慮與實驗例數尚少有關.

表3兩組指導脛骨平臺粉碎性骨折手術效果比較

[n=30,n(%)]

bP<0.01vs常規手術組.

3 討論

脛骨平臺骨折在臨床工作中十分常見，其中脛骨平臺粉碎性骨折是其中最為嚴重的骨折類型，Schatzker分型常在Ⅳ型以上，又稱復雜脛骨平臺骨折[4]. 臨床上常以手術治療作為脛骨平臺粉碎性骨折的首選治療手段[5-6]. 由于其病情復雜，傳統輔助檢查如X線、CT常出現誤診、漏診以及明確診斷后的骨折分型錯誤等現象. 術者常根據主觀產生的三維印象選擇手術入路、術式，單方面的制定手術方案，由于術前準備不充分，術中常常面臨沒有合適的鋼板可供選擇等窘境，勉強植入效果又不甚理想，導致復雜脛骨平臺骨折內固定植入效果參差不齊，手術效果僅取決于術者的經驗與熟練程度. 因此，詳盡合適的術前手術方案設計顯得尤為重要[7]. 傳統手術術前設計主要關注手術入路、術式選擇、骨折以及骨缺損等情況，往往忽視內固定植入所需的接骨板和螺釘的規格、植入位置、螺釘植入方向等重要因素. 近年來，隨著3D打印技術的快速發展，利用Mimics軟件結合快速成形技術，打印出骨折部位的1∶1實體模型，直觀再現了骨折部位的實際情況，在此基礎上的術前規劃勢必更加詳盡周全，進而提高手術成功率及滿意度[8-10].

本研究結果顯示，對于復雜脛骨平臺骨折而言，3D打印組相較于常規手術組，診斷及分型正確率高，手術時間短，Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ型手術優良率均高于常規手術組，但IV型無統計學意義，考慮與實驗例數尚少有關. 由此可以看出，3D打印技術在復雜脛骨平臺骨折的診斷及治療方面明顯優于傳統手術方式. 3D打印骨折模型可以直觀地顯示骨折線的走向，骨折塊的數量和移位情況，真實反映骨折原貌，幫助醫師進行準確的Schatzker分型[11]. 術前在3D模型上進行仿真手術模擬，為骨科醫師在術前設計手術方案及判斷手術效果時增加更多數據支持，使骨折復位達到或接近解剖復位，同時可以使內固定物的位置、規格、所選螺釘數量及長度更具科學性,使內固定材料的匹配性更好，進而顯著降低手術時間，減少手術出血量，降低手術風險，提高手術成功率. 這一工程學與醫學技術的完美結合，使臨床醫師更好地理解所面臨的疾病，從而提高整體醫療水平[12]. 美中不足的是，雖然3D打印骨折模型在脛骨平臺骨折的診斷、分型和術前指導方面有一定的優勢，但其需要軟件及硬件多方面的支持，且模型制作過程較長，極大地增加了患者住院的費用，因此目前在臨床廣泛應用還存在一定的困難. 不過隨著3D打印技術的不斷發展與革新，伴隨著打印制作成本的降低，打印精度與速度的提高以及打印模型力學強度的增加，3D打印技術在以后的臨床工作中必將得到廣泛的應用與推廣[13].

【參考文獻】

[1] Dattani R, Slobogean GP, O’Brien PJ, et al. Psychometric analysis of measuring functional outcomes in tibial plateau fractures using the Short Form 36 (SF-36), Short Musculoskeletal Function Assessment (SMFA) and the Western Ontario McMaster Osteoarthritis (WOMAC) questionnaires[J]. Injury,2013,44(6):825-829.

[2] Wasserstein D, Henry P, Paterson JM, et al. Risk of total knee arthroplasty after operatively treated tibial plateau fracture: a matched-population-based cohort study[J]. J Bone Joint Surg Am,2014,96(2):144-150.

[3] 譚敘強,龐彤,程碧,等. 電子計算機斷層掃描圖像三維重建及三維打印在脛骨平臺粉碎性骨折的診斷與治療指導意義[J]. 中外醫學研究,2015,13(19):64-65.

[4] 傅中國,姜保國,張殿英,等. 內固定加皮瓣轉移治療脛骨平臺粉碎性骨折并脛前皮膚缺損[J]. 骨與關節損傷雜志,2003,18(8):524-525.

[5] 沈光銀，周建中. 關節鏡輔助經皮內固定和切開復位內固定治療Schatzker Ⅱ、Ⅲ型脛骨平臺骨折的比較研究[J]. 中國修復重建外科雜志，2011，25(10)：1201-1204.

[6] Urruela AM, Davidovitch R, Karia R, et al. Results following operative treatment of tibial plateau fractures[J]. J Knee Surg,2013,26(3):161-165.

[7] 李江濤. Mimics軟件三維重建結合快速成形技術在骨折治療中的探索[D]. 石家莊:河北醫科大學,2014.

[8] 王欣文,張堃,朱養均,等. 3D打印技術在復雜脛骨平臺骨折治療中的臨床應用[J]. 實用骨科雜志,2015,21(10):887-890.

[9] 張計超,寧宇,王向前,等. 3D打印技術在復雜脛骨平臺骨折中的應用[J]. 生物骨科材料與臨床研究,2015,12(6):26-28.

[10] 吳云峰,尹勇,黃斐,等. 3D打印技術在復雜脛骨平臺骨折臨床診治中的應用[J]. 中華解剖與臨床雜志,2015,20(4):347-349.

[11] 陳羽,宋烜,張海兵. 三維重建及虛擬手術在復雜脛骨平臺骨折治療中的應用[J]. 中國組織工程研究,2013,17(39):6940-6945.

[12] 周穎穎. 三維重建及虛擬手術技術在復雜脛骨平臺骨折修復前評估和修復前規劃中的應用價值[J]. 文摘版:醫藥衛生,2015(4):225.

[13] 李震,張永飛,李仁增,等. 3D打印技術在脛骨平臺骨折手術中的臨床應用[J]. 臨床醫藥文獻雜志,2016，3(4):649-650.

文章編號：2095-6894(2016)05-48-03

收稿日期：2016-04-18；接受日期：2016-04-30

作者簡介：王敏. E-mail:wang2016@163.com

【中圖分類號】R687.3

【文獻標識碼】A

·臨床與轉化醫學·