3D打印技术在复杂髋臼骨折手术中的应用

邱宇辰，庄怀伟，马雅昌，闫 石，韩 栋，苗 伟，张擎柱

(1.承德医学院 研究生学院，河北 承德 067000；2.承德医学院附属医院 创伤骨科，河北 承德 067000)

邱宇辰(1990-)，男，硕士研究生。E-mail：1039186207@qq.com

闫 石，主任医师。E-mail: yanshi1967@163.com

论著

10.11724/jdmu.2017.05.15

3D打印技术在复杂髋臼骨折手术中的应用

邱宇辰1，庄怀伟1，马雅昌1，闫 石2，韩 栋1，苗 伟1，张擎柱2

(1.承德医学院 研究生学院，河北 承德 067000；2.承德医学院附属医院 创伤骨科，河北 承德 067000)

目的探讨3D打印技术应用于复杂髋臼骨折手术治疗中的可行性和临床价值。方法回顾性分析承德医学院附属医院创伤骨科2015年8月至2017年1月行手术治疗的复杂髋臼骨折35例患者的临床资料。其中10例患者采用3D打印技术制定手术方案，男8例，女2例，平均年龄(43.0±12.9)岁，均于术前模拟骨折的复位及固定过程。25例患者采取常规手术治疗，男21例，女4例；平均年龄(45.5±12.8)岁。记录两组的手术时间、术中失血量、术中C型臂透视次数，同时记录围手术期输血量、术后引流量，并使用Matta评分对两组手术复位满意程度进行比较。结果10例患者手术与术前计划一致，3D组和常规组手术时间平均分别为(177.0±51.2)min、(234.0±72.5)min，术中失血量平均分别为(1150.0±250.6)mL、(1528.0±399.5)mL，围手术期输血量平均为(880.0±214.9)mL、(1328.8±642.6)mL，术中透视次数平均为(8.8±2.1)次、(11.4±3.1)次，以上项目两组间比较差异均有统计学意义(均P<0.05)。术区引流量平均为(329.0±111.7)mL、(394.4±267.3)mL，采用Matta评分结果：优良率分别为70%(7/10)、72%(18/25)，两组间比较差异无统计学意义(P>0.05)。结论3D打印技术应用于复杂髋臼骨折的治疗临床可行性良好，有助于术者制定详细的术前计划，缩短手术时间，减少失血量，提高围手术期安全性。

3D打印技术；髋臼；骨折；内固定

骨盆和髋臼的解剖结构已经得到广泛的研究，但是骨盆的结构复杂，准确地识别各种骨折类型对很多骨科医生来说仍然很困难。当发生骨盆骨折，特别是当髋臼受累时，选择正确的手术入路以及将骨折块进行解剖复位是手术的关键。充分的术前计划对于取得良好的临床效果至关重要。

术前利用3D打印技术建立等比例骨折块模型，能更准确更有效的进行术前诊断，同时术前可以进行手术模拟操作[1]。近年来，三维重建等影像学检查技术的发展为术前手术规划提供了得力有效的工具[2]。但仍存在其局限性，仅限于在计算机上进行操作，是一种视觉的平面化的操作过程。三维打印技术出现于20世纪90年代中期，该技术用途广泛，在临床上可用于术前规划、临床教学以及与病人沟通。三维打印技术是准确的，依据亚毫米级的薄层CT扫描数据[3]，打印出实物模型，骨折实物模型可以方便诊断，改进及修正骨折的分型。术者利用实物模型可以制定详尽的术前计划、模拟手术操作、打造个体化的内置物或者预先选择内固定物的型号[4-5]。本研究拟探讨3D打印技术应用于复杂髋臼骨折手术治疗的可行性。

1 资料与方法

1.1 一般资料

收集2015年8月至2017年1月承德医学院附属医院创伤骨科收治的复杂髋臼骨折患者的临床资料。纳入标准：Letournel-Judet分型为复合骨折类患者；受伤至手术时间≤3周的新鲜髋臼骨折患者；年龄≥19岁。本研究总共纳入病例35例，依据是否采取3D打印技术分为两组。3D组10例，男8例，女2例，平均年龄(43.0±12.9)岁；致伤原因：交通伤7例，坠落伤2例，砸伤1例。髋臼骨折Letournel-Judet分型：后柱伴后壁骨折2例，横断伴后壁骨折4例，T型骨折1例，双柱骨折3例，3例合并头颅或胸腹脏器损伤。受伤至手术时问平均为6～13 d。常规组25例，男21例，女4例；平均年龄(45.5±12.8)岁；致伤原因：交通伤17例，坠落伤6例，砸伤2例。后柱伴后壁骨折5例，横断伴后壁骨折9例，T型骨折2例，前柱伴后半横行骨折1例，双柱骨折8例，10例合并头颅或胸腹脏器损伤。受伤至手术时间4～20 d。两组患者术前一般资料的比较差异均无统计学意义(P>0.05，表1)，具有可比性。

1.2 术前规划

患者入院后行血生化、心电图、肺CT、双下肢深静脉多普勒、骨盆X线片及骨盆CT三维重建等检查，如怀疑有神经损伤可行MRI、肌电图等检查，如怀疑重要血管损伤可行CTA检查。

表1 3D组与常规手术组一般资料比较

A为后柱伴后壁骨折，B为横断伴后壁骨折，C为T型骨折，D为前柱伴后半横行骨折，E为双柱骨折。两组患者术前一般资料的比较差异均无统计学意义，P>0.05

1.2.1 3D组

三维图像的构建及3D打印技术：所有纳入患者行骨盆CT平扫及三维重建检查，构建三维数字模型，光盘拷贝髋臼薄层扫描数据，由影像科专业人员将其DICOM数据输入计算机中，采用Mimics软件进行数据处理，图像重建，将处理后的数据以STL格式输入我科实验室3D打印机，打印机按1∶1比例打印髋臼骨折模型。打印机器为熔融层积成型(FDM)技术，打印材料为聚乳酸(PLA)，是一种新型的生物降解塑料。半页骨盆模型打印时间一般需要24 h。

模拟手术：术前根据骨折影像学资料及3D实物模型对骨折进行准确分型，将骨折块模型拆分，记录主要骨折块的复位顺序。然后选定合适长度钢板、螺钉，重建钢板塑性后固定模型，记录重建钢板长度，螺钉的数量、长度及钻入角度。塑型后的重建钢板及选定的螺钉消毒备用。

1.2.2 常规组

常规组患者依据常规影像学检查结果进行术前计划，根据患者的骨折的具体情况选择不同的手术入路、骨折复位顺序、内固定方法等。

1.3 实际手术及观测指标

观察两组的手术时间、术中失血量、围手术期血液制品输入量、术中透视次数、术区引流量。使用Matta评分评定髋臼骨折复位情况，其具体评价标准为：骨折无移位为优，骨折移位<1 mm为良，骨折移位1～3 mm为一般，骨折移位>3 mm为差。

1.4 统计学方法

2 结 果

3D组和常规组患者手术时间分别为130～280 min、170～450 min，术中失血量分别为800～2200 mL、1200～2800 mL，围手术期血液制品输入量分别为600～1200 mL、600～3600 mL，术中透视次数为6～13次、7～20次，以上项目两组间比较差异均有统计学意义(P<0．05，表2)；术后引流量平均为240～425 mL、210～1355 mL。Matta评分结果：优良率分别为70%(7/10)、72%(18/25)，两组间比较差异无统计学意义(P>0.05，表2)。10例髋臼骨折均按术前手术方案进行手术，手术入路、钢板长度、螺钉的数量及长度与术前规划相同，没有螺钉穿入关节腔或盆腔。典型病例图片见图1。

表2 3D组与常规组患者手术时间、术中失血量、围手术期血液制品输入量、术中透视次数的比较

Tab 2 Comparison of operation time, intraoperative blood loss, perioperative blood product input and intraoperative fluoroscopy in 3D group and conventional group

组别例数手术时间(min)术中失血量(mL)围手术期输血量(mL)术中透视次数(次)术后术区引流量(mL)Matta评分优良率(%,例)3D组10177.0±51.21150.0±250.6880.0±214.98.8±2.1329.0±111.770(7/10)常规组25234.0±72.51528.0±399.51328.8±642.611.4±3.1394.4±267.372(18/25) P0.0210.0070.0190.0180.8120.606

3 讨 论

治疗髋臼骨折需要将骨折块解剖复位才能获得理想的功能和预后。但是髋臼骨性解剖结构复杂以及周围软组织结构的限制，导致髋臼关节面无法暴露，同时难以获得令人满意的复位。解剖复位需要复杂的手术入路，需要冒着失血、感染、神经损伤及异位性骨化的风险[6]。当面对髋臼骨折时，手术最具挑战性的一步就是骨折的复位，为了实现这一目标，外科医生的经验和手术技巧是手术最关键的方面[7]。术前对骨折的分型及骨折块的空间位置熟悉有利于术中对骨折块准确并有效的复位及固定。在临床工作中，髋臼骨折的间隙或阶梯如果< 2 mm通常是可以接受的[8]。如果骨折的间隙为10 mm或者更大则意味着预后不佳， 因为其会加速创伤后骨性关节炎发生[9]。本研究对3D打印技术在复杂髋臼骨折手术中应用的可行性及价值进行评估。利用3D打印技术针对不同类型髋臼骨折制定手术方案，术前利用模型模拟手术过程，可以使术者实现对骨折的更快更精确的复位固定。

髋臼解剖结构复杂，复位困难，要求骨科医生具备较高的空间思维能力，3D骨折模型有望成为一种有效的学习和训练工具。虽然CT平扫及三维重建影像学检查对于髋臼骨折的治疗有指导作用[10]，但缺点在于其图像的静态化、平面化。而3D打印技术克服了这一弊端，三维打印技术可以制造等比例模型，实现骨折的“真实重现”，让术者在术前能够对骨折块的位置关系进行充分了解，并可以对骨折块进行操作，实现术前手术的模拟操作。

使用3D打印模型的术前规划已被用于治疗复杂解剖部位的多发性骨折，如眼眶骨折后遗症[11]。它也被用于治疗下颌骨缺损[12-13]和复杂的脊柱手术[14]。Bagaria等[14]报道了运用3D 打印技术制作复杂的髋臼骨折模型，并在3D模型上模拟手术，明确骨折块的复位顺序，钢板的型号、长度并塑型，确定螺钉的方向和长度，节约了手术及麻醉时间，减少了术中出血量，减少了术中C型臂透视次数，术后CT平扫见骨折端复位良好，内固定物位置合适，螺钉长度适中。陈玉兵等[15]利用3D 打印出的手术导向模板术前在 3 例外伤后颈椎脱位的椎体模型上进行模拟置钉打入，以寻找最佳入钉点，术中均通过手术导向模板顺利置入螺钉，术后复查影像学提示螺钉位置准确，未出现血管、神经损伤等并发症。吴新宝[16]报道了利用3D 打印技术制作陈旧性骨盆骨折模型，在模型上确认截骨水平、复位标记以及固定部位等，手术按照术前计划进行，最终如愿完成了手术。

A：术前骨盆正位X线片示骨折Letournel-Judet分型为横断伴后壁骨折，右侧耻骨、坐骨骨折，骨折呈粉碎性；B：术前骨盆三维重建示左侧髋臼形态丧失，右侧耻骨、坐骨骨折；C：mimics软件重建髋臼图像；D：术前制作3D打印骨折模型，观察骨折形态，可见骨折Letournel-Judet分型为横断伴后壁骨折，骨折呈粉碎性；E：根据3D打印模型制定手术方案,模拟骨折块复位；F：模拟重建钢板预弯及内固定；G：术后骨盆正位X线片示骨折复位满意，髋臼形态基本恢复图1 患者，男，41岁，交通伤致左侧髋臼骨折，合并胸部闭合性损伤Fig 1 Patient， male, 41 years old, due to traffic injury caused by left acetabular fracture, combined with chest closed injury

借助3D打印等比例模型，一方面可以对髋臼骨折进行准确的分型，并能很好的了解骨折的具体情况，指导选择最佳的手术方案，初步评估术中骨折复位可能存在的难点；另一方面在模型上可以实现术前手术的模拟操作，结合骨折的类型及特点选择手术入路，制定骨折块的复位顺序、决定内固定方式，确定内固定物长度及放置位置，术中还可以随时参考模型，从而缩短了手术时间，减少术中出血及透视次数，减少不必要的手术创伤，在一定程度上降低了手术并发症的发生率。本组采用3D打印技术辅助治疗的10例髋臼骨折，平均手术时间为177 min，平均出血量为1150 mL，术后未发现感染、神经血管损伤等并发症。

但是由于本研究病例数不足，随访时间有限，3D打印技术在降低术后并发症、提高手术安全性等方面的作用，仍需要在扩大病例数、长期随访的基础上才能得出结论。模型打印的费用与材料的类型及重量有关，经过软件处理后，增大模型的空腔率，从而减轻模型重量，降低模型打印费用，但仍然偏高，增加了患者的治疗费用，这是该辅助技术的一个不足之处。髋臼骨折手术难度大，毕竟是脱离肌肉、韧带等软组织附着的一个孤立标本，实际手术中依然会遇到解剖、复位困难等问题[17]。

综上所述，基于CT扫描数据的3D骨折模型和计算机辅助虚拟外科手术的组合有助于更好地了解骨盆的解剖，提供更好的术前规划，缩短手术时间，减少失血量，提高围手术期安全性，改善髋臼骨折手术的临床效果，并为外科手术医师提供培训平台。

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Applicationof3Dprintingtechniqueincomplicatedacetabularfracture

QIU Yuchen1，ZHUANG Huaiwei1，MA Yachang1，YAN Shi2，HAN Dong1，MIAO Wei1，ZHANG Qingzhu2

(1.GraduateSchool，ChengdeMedicalCollege,Chengde067000，China；2.DepartmentofOrthopedics,AffiliatedHospitalofChengdeMedicalCollege，Chengde067000，China)

ObjectiveTo evaluate the feasibility and clinical value of 3D printing technique in the treatment of complex acetabular fractures.MethodsWe collected 35 patients' clinical information of Chengde Medical College Affiliated Hospital in August 2015 to January 2017 with surgical treatment of complex acetabular fractures. Ten cases were treated with 3D printing technique, 8 cases were male patients and 2 cases were female patients. The mean age was (43.0±12.9) years old, and in the preoperative simulation of fracture reduction and fixation process. Twenty-five patients underwent conventional surgery, 21 males and 4 females with an average age of (45.5±12.8) years. The operation time, intraoperative blood loss, intraoperative C-arm fluoroscopy were recorded, and the perioperative blood transfusion and postoperative drainage were recorded.ResultsTen patients were consistent with preoperative planning. The average operation time of the 3D group and the conventional group were (177.0±51.2)min and (234.0±72.5)min respectively. The average blood loss was (1150.0±250.6)mL and (1528.0±399.5)mL respectively. The average blood transfusion was (880.0±214.9)mL, (1328.8±642.6)mL, the average number of intraoperative fluoroscopy was (8.8±2.1) times, (11.4±3.1) times, the difference between the two groups were statistically significant (P<0.05). The average drainage rate was (329.0±111.7)mL and (394.4±267.3)mL. The radiographic findings of acetabular fractures were evaluated by Matta score. The excellent and good rates were 70% (7/10) and 72% (18/25) respectively. There was no significant difference between the two groups (P>0.05).ConclusionThe application of 3D printing technique in the treatment of complex acetabular fractures is of good clinical feasibility, which can help the patients to develop detailed preoperative planning, shorten the operation time, reduce the blood loss and improve the perioperative safety.

3D printing technology; acetabulum; fracture; internal fixation

R683

A

1671-7295(2017)05-0482-05

邱宇辰，庄怀伟，马雅昌，等.3D打印技术在复杂髋臼骨折手术中的应用[J].大连医科大学学报，2017,39(5)：482-486.

2017-07-21；

2017-09-29)

数字的表达方式

数字的表达方式执行GB/T 15835-1995《出版物上数字用法的规定》。公历世纪、年代、年、月、日、时刻和计数、计量均用阿拉伯数字。数字≥4位数时，每三位一组，组间空1/4个汉字空，如：“51,200”应写成“51 200”。但序数词和年份、页数、部队番号、仪表型号、标准号不分节。百分数的范围和偏差，前一个数字的百分符号不能省略，如：5%～95%，不能写成5～95%；(31.8±0.6)%，不能写成31.8±0.6%。附带尺寸单位的数值相乘，按下列方式写成：4 cm×3 cm×5 cm，不能写成4×3×5 cm3。