3D打印結(jié)合數(shù)字化設(shè)計在髖臼骨折手術(shù)治療中的應(yīng)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(nèi)固定質(zhì)量、手術(shù)創(chuàng)傷程度及并發(fā)癥預(yù)防是復(fù)位內(nèi)固定術(shù)治療髖臼骨折的關(guān)鍵。數(shù)字醫(yī)學(xué)技術(shù)通過CT三維重建模型進行骨折復(fù)位、內(nèi)固定模擬操作,可提高手術(shù)成功率;3D 打印技術(shù)可定制個體化假體、手術(shù)導(dǎo)航模板、個性化支具等，為外科手術(shù)在個體化和精準(zhǔn)化方面提供了選擇。2014年1月～2018年1月，我科將3D打印結(jié)合數(shù)字化設(shè)計技術(shù)應(yīng)用于29例髖臼骨折患者的治療中，并與采用常規(guī)內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)：① 經(jīng)影像學(xué)確診為髖臼骨折；② 年齡18～65歲；③ 有手術(shù)指針。排除標(biāo)準(zhǔn)：① 陳舊髖臼骨折；② 合并系統(tǒng)性嚴(yán)重疾病；③ 嚴(yán)重骨質(zhì)疏松；④ 同側(cè)肢體創(chuàng)傷嚴(yán)重，對術(shù)后功能造成影響。共納入58例，根據(jù)隨機數(shù)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(jié)合數(shù)字化設(shè)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(shù)時間2～11(7.12±2.05)d。② 常規(guī)組：采用常規(guī)內(nèi)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(shù)時間3～11(7.67±1.95)d。兩組術(shù)前一般資料比較差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。本研究經(jīng)醫(yī)院倫理委員會批準(zhǔn)，患者均簽署知情同意書。

1.2 治療方法

1.2.1常規(guī)組 術(shù)前根據(jù)X線、CT三維重建檢查判斷髖臼骨折類型，并確定手術(shù)方案。參考鋁板折彎方向預(yù)彎鋼板，并依據(jù)醫(yī)師手術(shù)經(jīng)驗完成內(nèi)固定。

1.2.23D組 ① 建立虛擬模型：薄層 CT 掃描獲得臨床數(shù)據(jù)以建立虛擬模型，掃描范圍為骨盆及股骨上端，設(shè)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(shù)據(jù)；將CT掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)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(yīng)三維模型；Mimics 軟件建立骨折塊分離模型、虛擬復(fù)位骨盆模型；最后將各個復(fù)位骨折塊應(yīng)用“合并”功能生成單一復(fù)位模型用于手術(shù)方案設(shè)計。模型以.stl格式導(dǎo)出應(yīng)用于 3D 打印。② 制定虛擬手術(shù)方案：依據(jù)骨折部位選擇合適入路，應(yīng)用Mimics 軟件“創(chuàng)建曲線”功能在復(fù)位模型上初步確定最佳鋼板置入位置，結(jié)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(yīng)用“創(chuàng)建圓柱體”功能創(chuàng)建和臨床手術(shù)螺釘直徑一致的圓柱體模擬釘?shù)溃凑帐中g(shù)實際需要調(diào)整螺釘位置和長度，并測量螺釘長度；三維切割預(yù)設(shè)鋼板位置，切割骨塊大小比預(yù)設(shè)鋼板位置長度增加 1～2 mm、寬度增加1 mm為宜，得到局部復(fù)位模型。將局部復(fù)位模型以.stl格式導(dǎo)出。③ 3D 模型模擬手術(shù)：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(dǎo)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(fù)位模型，導(dǎo)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(chǔ)手術(shù)模擬，利用局部骨折模型結(jié)合數(shù)字化設(shè)計進行鋼板預(yù)彎，將單一骨折塊 3D模型按照術(shù)中復(fù)位步驟用強力膠水逐一黏合，模擬術(shù)中復(fù)位情況，對復(fù)雜骨折手動復(fù)位困難的骨折塊則利用折彎鋼板指導(dǎo)骨折塊復(fù)位；將預(yù)彎鋼板貼合至復(fù)位骨位模型上，當(dāng)鋼板確定唯一位置后觀察鋼板位置和術(shù)前設(shè)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(shè)計螺釘方向進行模擬置入螺釘，每枚克氏針均穿透雙側(cè)皮質(zhì)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(shù)：利用復(fù)位模型依照虛擬手術(shù)方案選擇相同長度鋼板，以手術(shù)方案設(shè)定位置、局部解剖結(jié)構(gòu)為參考進行鋼板預(yù)彎，此后利用3D復(fù)位骨折模型按虛擬手術(shù)設(shè)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(biāo)與療效評價① 3D組比較虛擬手術(shù)方案與 3D 模型模擬手術(shù)中鋼板置入數(shù)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(shù)方案與臨床手術(shù)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(shù)時間、術(shù)中出血量、術(shù)中輸血量、術(shù)中透視次數(shù)、下地行走時間以及術(shù)后并發(fā)癥發(fā)生情況。④ 術(shù)后6個月，根據(jù)Matta評分標(biāo)準(zhǔn)評估兩組骨折復(fù)位質(zhì)量：優(yōu)——解剖完全復(fù)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(shù)后6個月，根據(jù)Majeed評分標(biāo)準(zhǔn)對治療療效進行評價，總分100分，分?jǐn)?shù)越高療效越好。

2 結(jié)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(shù)與虛擬手術(shù)方案比較3D模型模擬手術(shù)中共置入35塊鋼板，鋼板數(shù)量、位置與虛擬手術(shù)方案一致；共置入236枚螺釘，其中234枚方向與虛擬手術(shù)方案高度吻合，2枚偏差1°～10°。3D模型模擬手術(shù)和虛擬手術(shù)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(xué)意義(t=1.379,P=0.152)。

表1 兩組手術(shù)情況比較

2.2 3D組虛擬手術(shù)方案與臨床手術(shù)情況比較臨床手術(shù)中共置入35塊鋼板，鋼板數(shù)量、位置與虛擬手術(shù)方案均一致；共置入236枚螺釘，其中233枚方向與虛擬手術(shù)方案高度吻合，3枚偏差0°～10°。臨床手術(shù)和虛擬手術(shù)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(xué)意義(t=1.227,P=0.172)。

2.3 兩組術(shù)中相關(guān)指標(biāo)比較見表1。手術(shù)時間、術(shù)中出血量、術(shù)中輸血量及術(shù)中透視次數(shù)3D組均短(少)于常規(guī)組，差異均有統(tǒng)計學(xué)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(xué)意義(P>0.05)。

2.4 兩組髖臼骨折復(fù)位質(zhì)量比較見表2。術(shù)后6個月根據(jù)Matta評分標(biāo)準(zhǔn)評估兩組髖臼骨折復(fù)位質(zhì)量，髖臼骨折復(fù)位優(yōu)良率 3D組高于常規(guī)組，但差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。

表2 兩組術(shù)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(shù)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(xué)意義(P>0.05)。

表3 兩組術(shù)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(xiàn)神經(jīng)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(xiàn)神經(jīng)刺激癥狀，1例出現(xiàn)尿路感染，并發(fā)癥發(fā)生率為2/29(6.90%)；兩組并發(fā)癥經(jīng)對癥治療后均好轉(zhuǎn)。兩組并發(fā)癥發(fā)生率比較差異無統(tǒng)計學(xué)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(guān)節(jié)內(nèi)骨折，常合并股骨頭骨折、神經(jīng)血管損傷等。髖臼骨折類型復(fù)雜多樣，骨折累及關(guān)節(jié)面，非手術(shù)治療難以恢復(fù)股骨頭和髖臼的匹配關(guān)系，而且治療周期長，術(shù)后發(fā)生創(chuàng)傷性關(guān)節(jié)炎、股骨頭壞死、關(guān)節(jié)僵硬等并發(fā)癥的概率高。因此，手術(shù)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(shù)術(shù)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(shù)時機相關(guān)，還與術(shù)中骨折復(fù)位及內(nèi)固定質(zhì)量相關(guān)。術(shù)前正確判斷骨折分型、正確掌握手術(shù)指針、手術(shù)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(shù)前規(guī)劃主要是醫(yī)師結(jié)合影像學(xué)資料及個人經(jīng)驗判斷骨折類型，制定手術(shù)方案。但由于髖臼局部解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜、關(guān)節(jié)位置深，被股骨頭遮擋，難以有效對關(guān)節(jié)面骨折進行觀察，從而影響骨折類型判斷及手術(shù)方案制定，且僅依據(jù)術(shù)中透視和個人經(jīng)驗，難以精確判斷骨折塊復(fù)位及內(nèi)固定放置情況。所以對于較復(fù)雜的髖臼骨折而言，傳統(tǒng)手術(shù)治療存在一定局限性[5]。

隨著影像學(xué)與數(shù)字醫(yī)學(xué)的發(fā)展，個體化的手術(shù)方案設(shè)計成為可能，為髖臼骨折患者精確化、較優(yōu)化的手術(shù)治療奠定了堅實基礎(chǔ)。與傳統(tǒng)手術(shù)方式相比，數(shù)字化技術(shù)進行虛擬手術(shù)設(shè)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(shù)字醫(yī)學(xué)能為髖臼骨折患者優(yōu)化手術(shù)方案，并進行虛擬模擬，但如何將虛擬手術(shù)方案完美呈現(xiàn)在手術(shù)治療中一直困擾著臨床醫(yī)師，3D打印技術(shù)的出現(xiàn)并成熟應(yīng)用為此提供了契機[6]。3D 打印技術(shù)是快速成型技術(shù)的一種，是以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，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(gòu)造物體的技術(shù)。通過利用患者 CT 數(shù)據(jù)進行三維建模、制作3D實物模型、進行現(xiàn)實手術(shù)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(shù)設(shè)計與臨床手術(shù)治療中間不可或缺的一道橋梁[7-8]。Yu et al[9]經(jīng)CT+三維重建制作復(fù)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(shù)過程，并進一步通過3D打印技術(shù)對虛擬模擬方案進行驗證。李寶豐 等[10]采用3D數(shù)字技術(shù)對髖臼骨折患者進行輔助治療，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，術(shù)中骨折情況與術(shù)前三維重建圖像及3D實物模型極其相似，說明術(shù)前三維重建圖像及3D實物模型可幫助臨床更精確實現(xiàn)骨折復(fù)位、鋼板彎折及位置確定。因此，術(shù)前規(guī)劃有利于手術(shù)順利進行，并可獲得較滿意手術(shù)效果。但學(xué)者們未橫向比較現(xiàn)實手術(shù)方案與術(shù)前規(guī)劃方案是否一致，不能說明術(shù)前規(guī)劃是達到滿意手術(shù)效果的必要條件。本研究對將3D打印結(jié)合數(shù)字化設(shè)計應(yīng)用于髖臼骨折患者，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相較于常規(guī)組，3D組手術(shù)時間更短，術(shù)中出血量及輸血量更少，術(shù)中透視次數(shù)更少，提示采用3D打印結(jié)合數(shù)字化設(shè)計進行術(shù)前規(guī)劃及模擬實驗，可縮短實際手術(shù)操作時間，提高手術(shù)效率。我們認(rèn)為，3D打印結(jié)合數(shù)字化設(shè)計在術(shù)前已對鋼板預(yù)彎，判斷鋼板放置位置及所需螺釘長度，可避免術(shù)中反復(fù)預(yù)彎鋼板、反復(fù)測量螺釘長度、反復(fù)摸索鋼板放置位置，從而大大縮短手術(shù)時間，而手術(shù)時間的縮短又會相應(yīng)減少術(shù)中出血量、術(shù)中輸血量及術(shù)中透射次數(shù)。同時本研究在基礎(chǔ)方面發(fā)現(xiàn)，虛擬手術(shù)方案與3D模擬手術(shù)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(guān)性好。

圖1 患者，女，52歲，車禍致髖臼骨折，采用常規(guī)內(nèi)固定治療 A.術(shù)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(shù)后X線片，顯示內(nèi)固定位置良好；C.術(shù)后3個月X線片，顯示內(nèi)固定固定良好；D.術(shù)后1年X線片,顯示內(nèi)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(nèi)固定治療 A.術(shù)前X線片，顯示骨盆骨折、髖臼骨折，Judet-Letournel分型T型骨折；B.術(shù)后X線片，顯示內(nèi)固定位置良好；C.術(shù)后6個月X線片，顯示內(nèi)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(jié)合數(shù)字化設(shè)計治療 A.術(shù)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(shù)前3D打印、模擬復(fù)位固定；F.術(shù)后X線片，顯示內(nèi)固定位置良好；G.術(shù)后3個月X線片，顯示內(nèi)固定物未見松動

綜上所述，3D打印結(jié)合數(shù)字化設(shè)計應(yīng)用于髖臼骨折手術(shù)治療具有直觀性好、準(zhǔn)確性強等優(yōu)點，不僅能簡化手術(shù)操作、縮短手術(shù)時間，還能驗證虛擬設(shè)計的可行性，發(fā)現(xiàn)虛擬設(shè)計的不足并進行調(diào)整，為髖臼骨折制定最優(yōu)化手術(shù)方案。