3D 打印技術(shù)輔助復(fù)雜髖臼骨折治療的臨床研究

漆啟華 鮑坤旺 肖強(qiáng) 鄧亮 李晨 曾紀(jì)煥 袁中平 董謝平

江西省人民醫(yī)院骨二科（南昌 330006）

隨著社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展，高能量創(chuàng)傷日益增多，髖臼骨折的發(fā)生率也呈逐年上升的趨勢，且骨折創(chuàng)傷程度越來越嚴(yán)重。對不穩(wěn)定、明顯移位的髖臼骨折進(jìn)行手術(shù)治療已達(dá)成共識［1?3］。髖臼骨折的移位如果超過3 mm而不整復(fù)，髖關(guān)節(jié)的功能將受影響，最終導(dǎo)致創(chuàng)傷性骨關(guān)節(jié)炎，因此術(shù)中骨折塊高質(zhì)量的復(fù)位是獲得髖關(guān)節(jié)良好功能的基礎(chǔ)。術(shù)前精密的影像學(xué)檢查及分析，充分了解骨折粉碎及移位程度是術(shù)中骨折塊良好復(fù)位關(guān)鍵。但目前X線、CT檢查因各自的局限性，手術(shù)者術(shù)前仍難以對骨折做出準(zhǔn)確的分型及構(gòu)建良好的復(fù)位計劃。

3D打印技術(shù)（3D printing technology）是一種以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末塑料或金屬等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)建物體的技術(shù)［4］。通過3D打印技術(shù)打印出復(fù)雜髖臼骨折的樹脂三維立體模型，逼真的再現(xiàn)骨折分離，移位狀態(tài)［5］，便于全面掌握骨折粉碎程度、類型及各個骨折塊的移位情況，做出準(zhǔn)確分型，還可通過區(qū)域增長，閾值分割等技術(shù)實(shí)現(xiàn)骨折塊的虛擬復(fù)位，結(jié)合3D打印技術(shù)進(jìn)行術(shù)前模擬手術(shù)中骨塊復(fù)位、固定，鋼板預(yù)彎，螺釘置入，達(dá)到優(yōu)化手術(shù)流程的目的。

本研究采用3D打印技術(shù)輔助復(fù)雜髖臼骨折手術(shù)治療，并以傳統(tǒng)髖臼骨折手術(shù)治療為對照，目的在于：（1）探討3D打印技術(shù)輔助骨盆骨折手術(shù)治療的優(yōu)越性；（2）評估3D打印技術(shù)輔助髖臼骨折手術(shù)治療效果。

1 材料與方法

1.1 3D打印髖臼骨折樹脂模型制備及術(shù)前規(guī)劃

1.1.1 3D打印髖臼骨折三維實(shí)體物理模型所需硬件及軟件：操作系統(tǒng)Windows 7 Ultimate 64bit；醫(yī)學(xué)三維重建軟件Mimics 14.0（Materialise公司）。硬件設(shè)備：Dell T7500、Dell M6600圖形工作站，3D打印機(jī)（華森公司生產(chǎn)）及相配套3D?OR?THO骨科三維手術(shù)規(guī)劃系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集：利用我院具備的國內(nèi)首臺西門子四維螺旋雙源CT對患者骨盆進(jìn)行掃描，需包括雙側(cè)髖臼，掃描電流35～264 mAs不等，掃描電壓80～120 kV不等，掃描螺距0.6 mm，所得數(shù)據(jù)以DICOM格式保留。

建立復(fù)位骨折三維模型：利用上述系統(tǒng)軟件進(jìn)行三維編輯，對每個骨塊分離并指定顏色，運(yùn)用閾值分割（Thresholding）和區(qū)域增長（Region Grow?ing）功能快速分離骨折塊，通過對單個骨折塊進(jìn)行移動、旋轉(zhuǎn)等操作完成髖臼骨折的虛擬復(fù)位，定型復(fù)位骨折三維模型，將所有復(fù)位骨折塊合并成一個復(fù)位模型，并可見骨折塊間骨折線。所得三維模型保存數(shù)據(jù)格式為STL。3D打印：將骨折模型同每個單一骨折塊以STL格式導(dǎo)入3D打印軟件，調(diào)整打印方位并打印出樹脂實(shí)物模型，并依據(jù)健側(cè)髖臼打印出完整髖臼作為參照。

1.1.2 術(shù)前骨折分型及模擬手術(shù)仔細(xì)分析骨折塊形態(tài)及移位情況，對髖臼骨折行Letournel和Ju?det分型，決定手術(shù)入路。將單一骨折塊打印模型按照復(fù)位步驟用強(qiáng)力膠水逐一粘合模擬術(shù)中復(fù)位情況，在模型上標(biāo)示出骨折線形狀及走形。確定鋼板、螺釘放置位置，位置確定后利用直徑2.5 mm克氏針參考虛擬設(shè)計螺釘方向進(jìn)行模擬螺釘植入，記錄螺釘長度及方向，摸索最佳復(fù)位及固定方案。

1.2 納入標(biāo)準(zhǔn)復(fù)雜髖臼骨折入選條件：（1）髖臼前后柱移位均大于3 mm；（2）髖臼前柱移位大于3 mm，合并后柱嚴(yán)重粉碎骨折或后壁骨折；（3）合并股骨頭脫位或半脫位；（4）合并關(guān)節(jié)內(nèi)游離骨塊。2014年3月至2016年8月，35例復(fù)雜髖臼患者納入本研究，采用非隨機(jī)對照研究的方法分為傳統(tǒng)組（A組）和3D打印輔助組（B組），非隨機(jī)對照方法為完成全部篩查程序后將符合入組標(biāo)準(zhǔn)的患者按照受試者本人意愿分為傳統(tǒng)組和3D打印輔助組。本研究取得醫(yī)院倫理委員會批準(zhǔn)，告知患者并與患者簽署知情同意書。A組22例，男16例，女6例；年齡16～54歲，平均38.6歲。左側(cè)14例，右側(cè)8例。其中雙柱骨折10例，T形骨折8例，前方伴后半橫形骨折4例。B組13例，男9例，女4例；年齡18～56歲，平均40.3歲。左側(cè)7例，右側(cè)6例。其中雙柱骨折4例，T形骨折5例，前方伴后半橫形骨折4例。兩組在年齡、病程、骨折復(fù)雜程度等比較無差異，具有可比性。

1.3 手術(shù)方法及術(shù)后處理兩組均采取全身麻醉，采用漂浮體位，將前后兩個術(shù)區(qū)及患肢都進(jìn)行消毒，前后均鋪單，以便術(shù)中能根據(jù)需要經(jīng)后方入路對后柱骨折進(jìn)行復(fù)位。術(shù)中采取髂腹股溝入路切開皮膚、皮下，分層切開腹股溝韌帶。術(shù)中注意保護(hù)股動、靜脈，股神經(jīng)及股外側(cè)皮神經(jīng)。在髂前上棘和恥骨結(jié)節(jié)之間的中部辨認(rèn)出髂恥梳筋膜，它將外側(cè)的腰大肌和股神經(jīng)與內(nèi)側(cè)的髂外動靜脈分隔開，小心地將此筋膜與內(nèi)外側(cè)結(jié)構(gòu)分開，游離此筋膜到骨盆入口緣，將其切斷，這樣可進(jìn)入到四邊體表面和真骨盆腔。術(shù)中沿骨盆入口緣、四邊體表面以及恥骨上支進(jìn)行剝離，依次暴露3個窗口，此時可充分顯露前柱骨折，并可在中間窗口內(nèi)觸摸后柱骨折的移位程度。必要時加做后方入路，切口起于髂后上棘，經(jīng)股骨大轉(zhuǎn)子頂點(diǎn)向遠(yuǎn)端延長10 cm，逐層切開、剝離后，將臀大肌向后內(nèi)側(cè)牽開，分離、牽開短外旋肌，保護(hù)坐骨神經(jīng)，顯露整個后壁和后柱。

利用骨盆常規(guī)復(fù)位器械進(jìn)行復(fù)位操作，前柱、后柱復(fù)位可分開進(jìn)行或聯(lián)合進(jìn)行，相互留有余地，予術(shù)前預(yù)彎的重建接骨板及合適長度螺釘固定。術(shù)后常規(guī)傷口內(nèi)置引流管24～48 h，應(yīng)用抗生素48 h。術(shù)后置患肢于輕度屈髖、屈膝位。24 h后開始功能鍛煉，包括股四頭肌及屈髖、屈膝練習(xí)等。4周后扶雙拐下地，8周部分負(fù)重，12周后根據(jù)骨折愈合情況完全負(fù)重行走。

1.4 觀察指標(biāo)及療效評價

1.4.1 創(chuàng)傷指標(biāo)比較兩組患者手術(shù)創(chuàng)傷指標(biāo)：包括手術(shù)時間、術(shù)中出血量、術(shù)后引流量。比較兩組全身炎性反應(yīng)及肌肉損傷程度指標(biāo)：記錄術(shù)后24 h外周血白細(xì)胞計數(shù)和C反應(yīng)蛋白的動態(tài)變化，全自動生化分析儀檢測術(shù)后24 h外周血肌型肌酸激酶（creatine kinase MM，CK?MM）。

1.4.2 術(shù)后即刻復(fù)位評價術(shù)后第3天行骨盆正位，髂骨斜位，閉孔斜位X線檢查，按Matta影像學(xué)評定標(biāo)準(zhǔn)評價骨折復(fù)位情況：骨折移位小于1 mm為解剖復(fù)位，骨折移位為2～3 mm為滿意復(fù)位，骨折移位大于3 mm為不滿意復(fù)位［1］。

1.4.3 功能評定改良的Merled′Aubigne和Postel評分及Harris髖關(guān)節(jié)功能評分評估臨床結(jié)果［3］。

1.5 統(tǒng)計學(xué)方法結(jié)果評估分別由3位資深創(chuàng)傷外科醫(yī)師獨(dú)立進(jìn)行3遍計算，最終結(jié)果取其平均值，采用SPSS 17.0統(tǒng)計軟件包進(jìn)行分析，計量資料數(shù)據(jù)以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示，組間比較采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，計數(shù)資料兩組間采用卡方檢驗(yàn)，以P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

兩組患者均由同一組手術(shù)醫(yī)生完成手術(shù)，3D打印輔助組未發(fā)生醫(yī)源性股神經(jīng)和坐骨神經(jīng)損傷，以及股動、靜脈損傷，術(shù)后股外側(cè)皮神經(jīng)損傷1例。傳統(tǒng)手術(shù)組發(fā)生切口表淺感染2例，下肢深靜脈血栓1例，股外側(cè)皮神經(jīng)損傷2例。A組隨訪時間平均16.2個月，B組19.8個月，兩組患者術(shù)后3 d行髖臼CT檢查看骨折復(fù)位情況，分別術(shù)后1、2、3、6、12個月分別行閉孔斜位，髂骨斜位看骨折愈合情況，必要時行髖臼CT掃描。兩組手術(shù)時間、術(shù)中出血量、術(shù)后切口引流量比較有統(tǒng)計學(xué)差異（P＜0.01），B組優(yōu)于A組（表1）。B組術(shù)后24 h C反應(yīng)蛋白、白細(xì)胞計數(shù)、MM型肌酸激酶優(yōu)于A組（P＜ 0.01，表2）。

表1 兩組手術(shù)時間、術(shù)中出血量、術(shù)后引流量比較Tab.1 Comparisons of operation time，intraoperative blood loss，postoperative drainage between 3D printing group and traditional open surgery group ±s

表1 兩組手術(shù)時間、術(shù)中出血量、術(shù)后引流量比較Tab.1 Comparisons of operation time，intraoperative blood loss，postoperative drainage between 3D printing group and traditional open surgery group ±s

手術(shù)時間（min）術(shù)中出血量（mL）術(shù)后引流量（mL）A組178±16.96 668.5±37.93 314.1±27.07 B組116.8±13.81 408.1±38.86 205.9±19.45 P值0.0002 0.001 0.001

表2 兩組手術(shù)術(shù)后24 h C反應(yīng)蛋白、白細(xì)胞、肌酸激酶比較Tab.2 The comparison of C reactive protein，leucocyte and creatine kinase MM in peripheral blood between 3D printing group and traditional open surgery group ±s

表2 兩組手術(shù)術(shù)后24 h C反應(yīng)蛋白、白細(xì)胞、肌酸激酶比較Tab.2 The comparison of C reactive protein，leucocyte and creatine kinase MM in peripheral blood between 3D printing group and traditional open surgery group ±s

C反應(yīng)蛋白（mg/L）白細(xì)胞計數(shù)（109/L）肌酸激酶（IU/L）A組45.4±10.5 14.6±3.7 312.8±76.3 B組34.8±9.7 11.6±2.5 202.4±53.2 P值0.0003 0.001 0.000

Matta影像學(xué)評定標(biāo)準(zhǔn)術(shù)后即刻復(fù)位效果：A組解剖復(fù)位4例，良好復(fù)位6例，差12例，復(fù)位優(yōu)良率45.5%。B組解剖復(fù)位7例，良好復(fù)位4例，差2例，復(fù)位優(yōu)良率84.6%。兩組比較差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P=0.034）。

末次隨訪改良的Merled′Aubigne和Postel評分A組優(yōu)5例，良6例，差11例，優(yōu)良率為50%。B組優(yōu)7例，良5例，差1例，優(yōu)良率為92.3%。兩組比較差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P=0.013）。

末次隨訪Harris髖關(guān)節(jié)功能評分A組優(yōu)4例，較好6例，良2例，差10例，優(yōu)良率為54.5%。B組優(yōu)8例，較好2例，良2例，差1例，優(yōu)良率為92.3%，兩組比較差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P=0.027）。典型病例見圖1。

3 討論

筆者研究發(fā)現(xiàn)，3D打印輔助髖臼骨折手術(shù)治療組，手術(shù)時間明顯縮短，以往手術(shù)耗時3 h左右，現(xiàn)在手術(shù)時間縮短至2 h左右。與其他研究中手術(shù)所花時間相似［6］。復(fù)雜髖臼骨折移位形式復(fù)雜、合并傷多、髖臼解剖部位深而且特殊，決定了髖臼骨折治療難度大，手術(shù)時間長，髖關(guān)節(jié)復(fù)位不良，髖關(guān)節(jié)的功能將受影響［7-8］。3D打印可以讓醫(yī)生全面掌握骨折粉碎程度、類型及各個骨折塊的移位情況，做出準(zhǔn)確的術(shù)前診斷，選擇恰當(dāng)手術(shù)入路從而做出完備的術(shù)前規(guī)劃。在復(fù)雜的骨折手術(shù)中，做到解剖復(fù)位及精確的固定是比較困難的，尤其是髖臼骨折，有時為了獲得較好的復(fù)位，不得不采取較大的手術(shù)切口，長時間暴露，而大切口，手術(shù)時間長意味著術(shù)后并發(fā)癥的增多［9］。以往術(shù)前手術(shù)計劃骨折復(fù)位模擬多在術(shù)者的腦海中進(jìn)行，這種模擬往往帶有很大的局限性和主觀性。術(shù)中復(fù)位往往憑借經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行操作，不確定因素多，準(zhǔn)確性差，為髖臼骨折的治療帶來較大的創(chuàng)傷。3D打印技術(shù)所具有的優(yōu)點(diǎn)能夠滿足構(gòu)建3D模型的需求，在手術(shù)設(shè)計、操作演練和預(yù)后等方面具有極高的應(yīng)用價值［10-11］。與三維數(shù)字模型相比，3D打印的實(shí)物模型更加直觀［12］。術(shù)者可在術(shù)前作出更準(zhǔn)確診斷，制定更多，更詳細(xì)的手術(shù)方案，評估術(shù)中可能存在的風(fēng)險，并在實(shí)物模型上操作、練習(xí)，預(yù)測手術(shù)效果等。復(fù)雜的外科手術(shù)，術(shù)前的手術(shù)演練，可以在一定程度上提高手術(shù)的成功率。此外，3D打印技術(shù)結(jié)合鋼板及手術(shù)輔助器械可以實(shí)施術(shù)前的模擬手術(shù)，在充分了解術(shù)中骨折復(fù)位固定要點(diǎn)的基礎(chǔ)上，模擬術(shù)中骨塊復(fù)位固定方式，術(shù)前完整的實(shí)施一遍模擬手術(shù)，根據(jù)骨折移位特點(diǎn)，復(fù)位后確定鋼板最佳放置位置，并進(jìn)行術(shù)前精確預(yù)彎鋼板，減少術(shù)中反復(fù)預(yù)彎鋼板的時間，根據(jù)鋼板固定常規(guī)操作，記錄每顆螺釘?shù)拈L度及植入方向，可以確保避免螺釘植入關(guān)節(jié)腔。重建鋼板的精確預(yù)彎增加了鋼板與骨面的貼敷程度，固定生物力學(xué)性能更穩(wěn)定。術(shù)中如為多塊粉碎的骨折塊，按解剖結(jié)構(gòu)預(yù)彎的鋼板還可以引導(dǎo)骨塊的復(fù)位。與其他研究中的研究結(jié)果相似，我們通過3D打印技術(shù)也實(shí)現(xiàn)了髖臼骨折手術(shù)的微創(chuàng)化。手術(shù)切口較前縮小，術(shù)中出血量也明顯減少，較以往減少200 mL左右，術(shù)中使用自體血液回輸機(jī)可做到無需同種異體輸血。術(shù)后引流量也明顯減少，避免了術(shù)后需再次輸血，提高機(jī)體抵抗力，減少感染發(fā)生率。3D打印輔助組無一例出現(xiàn)股外側(cè)皮神經(jīng)損傷，這可能與術(shù)前通過3D打印模型，做到了有的放矢，無需過大的切口，精準(zhǔn)顯露，無需強(qiáng)力牽拉暴露有關(guān)。

圖1 典型病例Fig.1 Typical case

骨折塊的解剖復(fù)位對于髖臼骨折是至關(guān)重要的，雖然解剖復(fù)位和糟糕的復(fù)位早期臨床結(jié)果可能沒有明顯的區(qū)別，但隨著術(shù)后時間的延長，解剖復(fù)位的優(yōu)勢將逐漸顯現(xiàn)。吳新寶等［13］對112例髖臼骨折治療效果分析發(fā)現(xiàn)解剖及良好復(fù)位的臨床結(jié)果明顯好于差的復(fù)位。與其他臨床研究85%左右的復(fù)位優(yōu)良率相比［14］，我們的髖臼骨折復(fù)位優(yōu)良率在50%左右，這可能本研究納入的樣本有限，且所納入的臨床研究病例骨折移位程度較復(fù)雜有關(guān)。本研究傳統(tǒng)手術(shù)組髖關(guān)節(jié)Harris功能評分及Merled′Aubigne和Postel評分優(yōu)良率在50%左右，尚有較大的提升空間。

3D打印輔助髖臼骨折手術(shù)治療患者術(shù)后影像顯示骨折復(fù)位效果良好，較傳統(tǒng)手術(shù)組優(yōu)良率明顯提高。術(shù)后即刻復(fù)位優(yōu)良率達(dá)85%左右，雖然并不比一些研究報道的復(fù)位滿意率高［13］，但3D打印輔助手術(shù)組未出現(xiàn)嚴(yán)重的術(shù)中，術(shù)后并發(fā)癥，特別是螺釘穿入關(guān)節(jié)腔，傷及血管等嚴(yán)重并發(fā)癥?？祻?fù)治療是髖關(guān)節(jié)功能康復(fù)的重要環(huán)節(jié)，骨折塊良好的復(fù)位，牢固的固定是允許患者早日的康復(fù)運(yùn)動的前提。本研究中3D打印組改良的Merled′Aubigne和Postel評分及Harris髖關(guān)節(jié)功能評分明顯優(yōu)于對照組，功能優(yōu)良率達(dá)92%，且明顯高于文獻(xiàn)報道髖臼骨折治療優(yōu)良率在80%左右［9］。因此3D打印技術(shù)是實(shí)現(xiàn)骨折塊牢固固定的有效輔助技術(shù)。3D打印技術(shù)輔助髖臼骨折治療中，復(fù)位更為高效，準(zhǔn)確，手術(shù)操作準(zhǔn)確度的提高也明顯減少了術(shù)中X線增強(qiáng)透視的應(yīng)用次數(shù)，即保護(hù)了患者，也有利于醫(yī)生的健康。本研究的不足在于納入病例數(shù)較少，研究證據(jù)等級不高，復(fù)雜髖臼骨折界定范圍有待商榷，中遠(yuǎn)期療效評價，有待進(jìn)一步的隨訪，但我們的初步研究顯示3D打印技術(shù)輔助髖臼骨折手術(shù)治療，手術(shù)創(chuàng)傷小，術(shù)后即刻復(fù)位率高，術(shù)后近期臨床效果滿意，是一項很有發(fā)展前景的數(shù)字技術(shù)。

［1］MATTA J M，ANDERSON L M，EPSTEIN H C，et al.Fracture of the acetabulum，a retrospective analysis［J］.Clin Orthop，1986，205：230?240.

［2］LIU Z，JIA J，ZHANG Y，et al.Internal fixation of complicat?ed acetabular fractures directed by preoperative surgery with 3D printing models［J］.Orthopaedic surgery，2017，9（2）：257?260.

［3］PARK K S，CHAN C K，LEE G W，et al.Outcome of alterna?tive approach to displaced acetabular fractures［J］.Injury，2017，48（2）：388?393.

［4］袁浩天，時舒曼，張曉曉，等.利用CT數(shù)據(jù)構(gòu)建3D打印骨組織工程支架材料［J］.實(shí)用醫(yī)學(xué)雜志，2016，32（14）：2319?2322.

［5］HURSONC，TANSEY A，O′DONNCHADHA B，et al.Rapid prototyping in the assessment，classification and preoperative planning of acetabular fractures［J］.Injury，2007，38（10）：1158?1162.

［6］ZENG C J，HUANG W H，HUANG H J，et al.Laparoscopic acetabular fracture fixation after three?dimensional modelling and printing［J］.Indian J Orthop，2017，51（5）：620?623.

［7］GIANNOUDIS P V，GROTZ M，PAPAKOSTIDIS C，et al.Oper?ative treatment of dispalced fracture of the acetabulum.a meta?analysis［J］.J Bone J Surg Br，2005，87（1）：2?9.

［8］黃仲，孟維錕，李亮，等.閉口萬向螺釘骶髂固定系統(tǒng)聯(lián)合后路部分脊柱內(nèi)固定系統(tǒng)治療不穩(wěn)定型骶骨骨折［J］.中國修復(fù)重建外科雜志，2017，31（3）：313?318.

［9］ELMADAG M，GUZEL Y，AKSOY Y，et al.Surgical treat?ment of displaced acetabular fractures using a modified stoppa approach［J］.Orthopedics，2016，39（2）：e340?345.

［10］ElHAIIE A，KOLOS E，WANG J，et al.Physical and mechani?cal characterisation of 3D?printed porous titanium for biomedi?cal applications［J］.J Mater Sci Mater Med，2014，18（3）：15?20.

［11］盧笛，蔡開燦.3D打印技術(shù)在胸外科領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)展［J］.實(shí)用醫(yī)學(xué)雜志，2017，33（12）：1901?1903.

［12］TSUKAMOTO Y，AKAGI T，SHIMA F，et al.Fabrication of orientation?controlled 3D tissues using a layer?by?layer tech?nique and 3D printed a thermoresponsive gel frame.tissue engi?neering part c［J］.Methods，2017，23（6）：357?366.

［13］吳新寶，王滿宜，朱仕文，等.112例髖臼骨折手術(shù)治療結(jié)果分析［J］.中華創(chuàng)傷雜志，2002，18（2）：15?19.

［14］董長超，吳剛，王光林，等.復(fù)雜類型髖臼骨折手術(shù)治療效果及影響因素分析［J］.中國修復(fù)重建外科雜志，2009，23（4）：430?434.

［15］章瑩，李寶豐，王新宇，等.術(shù)前3D打印技術(shù)模擬復(fù)雜骨盆骨折手術(shù)提高療效的可行性研究［J］.中華創(chuàng)傷骨科雜志，2015，17（1）：29?33.