3D打印技術在四肢近關節骨折治療中的應用研究

陳科明　白龍　陳林清

【摘要】 目的：探討3D打印技術輔助手術治療四肢近關節部位骨折患者的臨床效果與價值。方法：選取2015年6月-2016年3月本院接受四肢近關節骨折治療的患者62例。按照不同手術方式將其分為對照組（常規手術）32例和研究組（3D打印技術輔助手術）30例。比較兩組手術時間、術中出血量、術后骨折愈合時間、愈合后的不良情況，比較術后6、12、18個月的關節功能恢復評分。結果：研究組平均手術時間（58.6±16.3）min、術中平均出血量（101.68±23.59）mL、平均骨折愈合時間（9.6±2.1）個月，均少于對照組的（72.3±12.6）min、（135.33±18.67）mL、（13.7±2.6）個月，比較差異均有統計學意義（t=-3.716、-6.248、-6.803，P=0.000、0.000、0.000）；兩組患者均Ⅰ期愈合，術后無感染并發癥狀，研究組愈合后無疼痛，對照組愈合后出現輕度間歇性疼痛2例，保養護理3個月后消失，兩組愈合后的不良情況比較，差異無統計學意義（P>0.05）；術后6、12、18個月，研究組關節功能評分均高于對照組，比較差異均有統計學意義（P<0.05）。結論：利用3D打印技術輔助手術治療四肢近關節部位骨折患者，可幫助術者做出明確的術前診斷、規劃手術方案及設計出個性化的內置物，使手術效果個體化、精準化，從而縮短手術時間、減少術中出血量，同時對術后骨折的愈合及關節功能恢復均具有較好的預后效果，值得臨床進一步推廣應用。

【關鍵詞】 3D打??； 近關節； 骨折

Application of 3D Printing in the Treatment of Proximal Articular Fractures of the Extremities/CHEN Keming，BAI Long，CHEN Linqing，et al.//Medical Innovation of China，2018，15（03）：015-019

【Abstract】 Objective：To explore the clinical effect and value of 3D printing assisted operation in the treatment of proximal articular fractures of the extremities.Method：A total of 62 patients with proximal articular fractures of the extremities were treated in our hospital from June 2015 to March 2016 were selected.According to the different surgical methods，they were divided into 32 cases of control group（routine operation） and 30 cases of study group（3D printing technique assisted operation）.The operative time，intraoperative bleeding，postoperative fracture healing time，and bad condition after healing were compared between two groups，the joint functional recovery scores were compared at 6，12 and 18 months after operation.Result：The average operative time was（58.6±16.3）min，average intraoperative bleeding was（101.68±23.59）mL，average fracture healing time was（9.6±2.1）months in study group，and control group were（72.3±12.6）min，（135.33±18.67）mL，

（13.7±2.6）months respectively，the differences were statistically significant（t=-3.716，-6.248，

-6.803；P=0.000，0.000，0.000）.They were all healed in stage Ⅰ，and no complications after the operation，the study group had no pain after healing，2 cases of mild intermittent pain in control group after healing，and disappeared after nursing care 3 months，the bad condition after healing of two groups were compared，the difference was not statistically significant（P>0.05）.The scores of joint function in study group were all higher than those of control group at 6，12 and 18 months after the operation，the differences were statistically significant（P<0.05）.Conclusion：3D printing assisted operation treatment of proximal articular fractures of the extremities，can help the surgeons to make definite preoperative diagnosis，operation planning scheme and design personalized surgical implants，the effects of individual and accurate，so as to shorten the operative time，less bleeding，and has a good effect on the prognosis of fracture healing and joint functional recovery after surgery，it is worthy of further application.

【Key words】 3D printing； Proximal Articular； Fracture

First-authors address：Baoan District Fuyong Peoples Hospital of Shenzhen City，Shenzhen 518103，China

doi：10.3969/j.issn.1674-4985.2018.03.004

四肢骨折為常見性骨折，遠關節端的骨折一般治療手術較為簡單，術后恢復效果好，而近關節端骨折由于骨折靠近關節，治療后必須解剖復位才能有效地避免創傷性關節炎和保存關節的功能[1-2]。由于手術入路、復位及固定等方案復雜且多樣化，不合理的手術方案可能會給患者帶來較大的手術創傷，加大患者痛苦，而且對術后的骨折愈合及關節恢復不利，因此臨床上經常出現復位及固定困難等不良現象[3-4]。3D打印技術是一種新型的制作加工技術，隨著近年來在各領域的廣泛應用，3D打印技術已經非常成熟。在醫學方面，國內外已經相繼在不同的專業應用，常見的有醫學模型、醫療器械、組織器官代替品等[5-6]。作為一種輔助治療手段，本文應用3D打印技術，根據患者CT影像重建手術相關部位，術前制定合理的手術方案并進行手術模擬，根據患者情況制作個性化內置物，探討3D打印技術對四肢近關節骨折手術的臨床應用效果與價值，現報道如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料 選取2015年6月-2016年3月本院接受四肢近關節骨折治療的患者62例。納入標準：新鮮型骨折；患者符合手術條件，如手術前其他傷情不影響手術及術后恢復；無精神病史。排除標準：嚴重塌陷或粉碎性骨折；伴隨有其他重大外傷或者臟器傷害。按照不同手術方式將其分為對照組32例和研究組30例。該研究已經本院倫理委員會審核批準。

1.2 方法

1.2.1 對照組 采用常規手術。對照組患者脛骨近端采用LISS鋼板固定，脛骨遠端與橈骨遠端采取LCP鋼板固定。脛骨近端按常規方法選擇外側手術入路，脛骨遠端選擇內側手術入路，橈骨遠端采取掌側入路，充分暴露出手術必要部位，清理骨折部位碎片，在X線機及C型臂的幫助下將骨折處對位好，以螺釘固定鋼板，確保鋼板與橈骨/脛骨服帖且穩定。固定螺釘后拆除克氏針，縫合消毒清洗。

1.2.2 研究組 采用3D打印技術輔助手術。（1）骨折三維模型建立：患者在術前進行16排CT螺旋掃描，形成CT影像。以mimics軟件處理CT影像，并按照設定的要求進行3D建模，再用軟件分割功能對3D模型按骨折塊進行分割并賦予不同顏色表示，經過運算、調整，重建復位后的3D模型。（2）虛擬鋼板、虛擬螺釘的匹配與固定：mimics軟件中導入虛擬鋼板，通過軟件模擬功能進行移動與旋轉，使鋼板與3D重建模型貼合固定，觀察并記錄鋼板在模型中的位置，并標記處出鋼板位置的關鍵點（保證虛擬鋼板與骨面貼合度高）。用導入的虛擬螺釘選擇合適的位置固定，調整螺釘的位置、大小與方向，保證螺釘的合理間距與固定效果，記錄螺釘長度。（3）導航模塊的建立：對脛骨近端、遠端的釘道桿、支撐柱基部處建立出導航模塊的卡接面，并在此面上生成咬合面實體，與釘道桿與支撐柱組合成導航模塊，經過mimics軟件運算與修正，可以生成帶釘道的導航模塊。（4）數字化虛擬模塊的3D打?。簩imics軟件生成的骨折塊復位模型、虛擬鋼板及導航模塊等虛擬模型輸入到3D打印設備，選擇打印材料，打印出術前手術模擬所用的實物模型。（5）術前手術模擬：按照軟件設計的手術方案，將導航模塊置于骨折手術部位的骨面并使其咬合，并用手指按壓固定。另一只手將克氏針經導航模塊通道刺入，長度合適并穩定后移除導航模塊，減短克氏針并置入打印好的鋼板，采取正式手術的方法，擴孔后在釘道內擰緊打印好的虛擬螺釘，完成固定。（6）手術模擬效果與驗證：術前手術模擬后的模型重新進行CT掃描與軟件3D建模，來驗證手術模擬的鋼板、螺釘等位置、長度信息與mimics軟件模擬的一致性。（7）正式手術實施：手術實施時準備工作（如麻醉、清洗消毒等）與對照組一樣。在術野下將骨折部分復位，參考術前手術模擬的方案，使打印好的導航模塊與手術部位骨面咬合，釘入克氏針，移除導航模塊，置入已選型好的鋼板并擰入模擬手術中相同規格的螺釘，縫合消毒清洗。兩組患者術后定期復查，觀察骨折愈合情況。術后6、12、18個月進行隨訪，記錄患者關節功能恢復情況。

1.3 觀察指標及判定標準 觀察兩組手術時間、術中出血量、骨折愈合時間及愈合后的不良情況；參考Lysholm膝關節評分標準制定本次患者關節功能恢復調查表[7]，對兩組患者進行隨訪時記錄評分，共100分，其中≥90分為優，80～89分為良，70～79分為一般，<70分為差。

1.4 統計學處理 使用SPSS 18.0軟件對所得數據進行統計分析，計量資料用（x±s）表示，組間比較采用t檢驗；計數資料以率（%）表示，比較采用 字2檢驗。以P<0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 兩組基線資料比較 對照組男20例，女12例；年齡22～48歲，平均（32.1±2.7）歲；術前病程1～6 d，平均（2.3±0.6）d；脛骨近端骨折16例，脛骨遠端骨折10例，橈骨遠端骨折6例。研究組男

19例，女11例；年齡24～53歲，平均（30.7±2.2）歲；術前病程2～7 d，平均（3.1±1.1）d；脛骨近端骨折15例，脛骨遠端骨折9例，橈骨遠端骨折6例。兩組患者一般資料比較，差異無統計學意義（P>0.05），具有可比性。

2.2 兩組手術時間、術中出血量比較 研究組手術時間46～94 min，術中出血量77～153 mL；對照組手術時間59～127 min，術中出血量96～201 mL。研究組手術時間及術中出血量均少于對照組，比較差異均有統計學意義（P<0.05），見表1。

2.3 兩組骨折愈合情況比較 兩組患者均Ⅰ期愈合，術后無感染并發癥狀；研究組愈合時間為6.5～13.5個月，愈合后無疼痛患者；對照組愈合時間為8～16.5個月，愈合后出現輕度間歇性疼痛2例，保養護理3個月后消失。研究組骨折愈合時間少于對照組（P<0.05），但兩組愈合后的不良情況比較，差異無統計學意義（P>0.05），見表2。

2.4 兩組術后關節功能恢復評分比較 術后6、12、18個月，研究組關節功能評分均高于對照組，比較差異均有統計學意義（P<0.05），見表3。

3 討論

3.1 常規手術的局限性 四肢近關節骨折常有手術治療及保守治療，一般無特殊情況的患者應采取手術治療，如常見的鎖定鋼板與微創經皮接骨板技術[8-9]。但由于近關節骨折往往為粉碎性骨折，而且牽扯到松質骨，常伴有骨質缺損與骨質坍塌[10-11]，因此手術方法較為復雜，往往需要術后復位才能有效地避免創傷性關節炎和保存關節的功能，產生良好的長期預后效果。不管是傳統的鎖定鋼板固定術還是微創經皮接骨板技術，其入路方法、術中的手術方案以及內置物的選用都不夠清晰明朗[12]。因為這類常規手術治療的成功率絕大多數憑借CT影像，再結合術者的臨床經驗，制定手術方案，而且術中使用的內置物也僅僅是憑借術者個人的判斷，選擇認為合理的鋼板與螺釘進行固定。本研究認為這種手術的精準度多數受限于術者的水平。另外，近關節端的骨折類型過于復雜，對于涉及到的平臺骨折也無法直接觀察，對臨床診斷、治療以及術中操作造成一定的困擾，在治療過程中復位與固定難以達到精準的地步，因此臨床上使用X線機次數也較多，手術時間也較長，出血量較多。周云飛等[13]指出鎖定鋼板對于骨質疏松患者骨折具有較好的效果，但是也會出現固定失敗導致骨折不愈合等情況。史保慶[14]報道，對于骨缺損的患者，采取常規手術方法時由于術中需要反復測量螺釘規格或多次預彎鋼板，導致手術時間加長，出血量加大。而且在某些不易觀察與了解的關節部位，不合適的內置物反而會引起周邊組織損傷，影響患者手術效果[15-16]。由此可見，常規手術的局限性主要還是術前診斷與方案制定不夠精準，術中儀器使用次數多及內置物固定時間久，從而影響手術效果。

3.2 3D打印技術在近關節骨折手術中的應用 3D打印技術是一種可以打印任意復雜形狀的加工技術，結合近年來醫學建模軟件及三維CT影像的發展，在醫學方面很快就得到了發展。與常規手術最大的區別在于3D模型重建結合3D打印技術可以制作出與患者骨折部位1∶1的3D模型與實物模型。根據3D模型以及打印出來的實物模型，術者可以在術前清晰準確的觀察骨折部位，做出精準的診斷，制定合理的手術方案。王小平等[17]通過軟件進行Pilon骨折手術虛擬3D重建手術模擬，建立Pilon骨折術的術前規劃系統，并使用此系統指導手術，可明顯降低手術時間，減少出血量。柳鑫等[18]則使用3D虛擬輔助技術建立髖臼骨折手術方案，從而減少了術中透視次數，縮短了手術時間，提高手術效果。Sciberras等[19]對骨缺損患者進行術前3D虛擬重建模型并觀察，模擬手術可能出現的各種情況，修正手術方案，取得了良好的手術效果。他們指出根據3D虛擬手術可制定適宜的手術方案，精準的指導術中操作，有效避免術者的錯誤，尤其可提高臨床經驗與技術不足的術者的手術質量。

手術方案的另一個難點則是不同患者的骨折部位以及關節的差別決定了個性化的需求。由于近關節骨折通常由高能量損傷導致，易出現粉碎性骨折，需要借助內置物進行填充，修復其骨結構的完整性及穩定性，往往需要多次匹配才能選擇合適的內置物，不僅延長了手術時間，而且也難達到完全匹配的效果。而且對于某些伴有骨質疏松癥狀的骨折，對鋼板與螺釘的選擇與布置增加了難度。3D打印技術則借助CT掃描、3D重建、虛擬手術與模型打印，可以制作出匹配每例患者的個性化內置物，完美匹配患者缺損部位。而且不同患者的骨折情況不同，鋼板規格、形狀以及螺釘的大小、長度等也需進行個性化制定，達到最佳的固定效果。鐘華等[20]打印出個性化的接骨板治療跟骨關節內骨折，術中復位固定時間減少，獲得了良好的復位效果。黃敏強等[21]使用3D打印出個性化外固定器治療脛腓骨骨折，僅花10 min完成支架的安裝，避免了術中透視的使用，一次性復位成功。

另外，3D重建與打印技術在骨折中的應用，引入了一個常規手術中沒有的手術步驟與手術品-導航模塊。在骨折手術治療中，螺釘的精準定位對手術效果具有重要的意義。常規手術中除了依賴術者根據的臨床經驗外，還需要反復借助X線機進行透視，不斷地調整螺釘的位置于方位，增加了螺釘固定時間，還會造成患者骨質損傷。而3D重建模型與虛擬手術能夠通過模型找準螺釘固定的位置，而且可以在軟件內不斷地調整螺釘的方位與長度，找到最佳的螺釘固定方案。在實際手術操作中，可大大提高螺釘固定效率與固定質量，將患者骨質損傷降至最低。吳毅等[22]應用3D打印技術制作個性化導航模塊用于髖臼骨折手術，精準的指導了術中螺釘入針位置與方位，與3D虛擬手術模擬的偏差1°～5°的僅7顆（共107顆），無偏差>5°的螺釘置入，而且合理的螺釘長度也保證了螺釘不會擰入關節腔內。

3D打印技術還可以提供的一個非常便利的步驟便是可以通過手術打印與患者實物相同的模型進行術前手術模擬。手術模擬不同于3D重建的虛擬手術操作，可以把手術相關的實物模型呈現在術者面前，更加真實的反映手術過程的疑難點。而且方便術者反復術前練習，精準的熟悉整個手術過程的細節，以便術者制定手術對策。而且手術模擬后的骨折塊還可以通過CT掃描進行3D重建，從而將手術模擬的結果與之前虛擬手術制定的方案進行對比，進而修正手術方案及鋼板、螺釘的規格與位置，使手術更精準。賀錦陽等[23]應用3D打印出模型進行手術模擬，從而精準的修正并制定出肱骨近端骨折手術方案，接骨板長度100%符合，螺釘長度96.36%符合。林艷萍等[24]通過對頜面部骨折修復患者術前行手術模擬，大大提高了手術的精準度，術后患者骨折復位與3D重建誤差不足1.5 mm。由此可見，通過術前模擬可以修正調整手術方案與內置物規格，提高術者手術精度，減少因術者手術經驗、技術等引起的錯誤。

3.3 3D打印技術在本研究中應用 本文研究組對近關節端骨折的患者進行3D重建與虛擬手術，制定最佳的手術方案。選擇不同患者個性化的鋼板、螺釘與導航模塊，通過3D打印出實物模型，分別進行術前模擬，解決術中各種疑難點，手術模擬復位后的骨折塊通過CT掃描與3D重建，經過與虛擬最佳理論方案的對比與修正，從而制定出精準的個性化手術方案。結果顯示，研究組手術時間、術中出血量、骨折愈合時間均少于對照組，比較差異均有統計學意義（P<0.05）。這主要得益于術前規劃好的手術方案以及個性化的導航模塊，從而使術者在實際手術中能夠快捷、準確的置入鋼板與固定螺釘，減少術中透視的使用次數。兩組患者均Ⅰ期愈合，術后無感染并發癥狀，研究組愈合后無疼痛患者，對照組愈合后出現輕度間歇性疼痛2例，保養護理3個月后消失，但兩組愈合后的不良情況比較，差異無統計學意義（P>0.05）。術后6、12、18個月，研究組關節功能評分均高于對照組，比較差異均有統計學意義（P<0.05），這說明精準的手術方案不僅能夠減少患者手術痛苦，更能夠加快患者術后的恢復，而且3D打印技術輔助手術治療近關節骨折具有長期、穩定的預后效果。

綜上所述，3D打印技術輔助手術能夠為近關節骨折患者進行術前規劃，定制個性化的內置物，結合精準的手術方案，可明顯縮短患者的治療時間、減少術中出血量，同時對術后骨折的愈合及關節功能恢復均具有長期穩定的預后效果，具有重要的臨床價值。

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（收稿日期：2017-11-29） （本文編輯：董悅）