3D 打印技术辅助复杂髋臼骨折治疗的临床研究

漆启华 鲍坤旺 肖强 邓亮 李晨 曾纪焕 袁中平 董谢平

江西省人民医院骨二科（南昌 330006）

随着社会经济发展，高能量创伤日益增多，髋臼骨折的发生率也呈逐年上升的趋势，且骨折创伤程度越来越严重。对不稳定、明显移位的髋臼骨折进行手术治疗已达成共识［1⁃3］。髋臼骨折的移位如果超过3 mm而不整复，髋关节的功能将受影响，最终导致创伤性骨关节炎，因此术中骨折块高质量的复位是获得髋关节良好功能的基础。术前精密的影像学检查及分析，充分了解骨折粉碎及移位程度是术中骨折块良好复位关键。但目前X线、CT检查因各自的局限性，手术者术前仍难以对骨折做出准确的分型及构建良好的复位计划。

3D打印技术（3D printing technology）是一种以数字模型为基础，运用粉末塑料或金属等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构建物体的技术［4］。通过3D打印技术打印出复杂髋臼骨折的树脂三维立体模型，逼真的再现骨折分离，移位状态［5］，便于全面掌握骨折粉碎程度、类型及各个骨折块的移位情况，做出准确分型，还可通过区域增长，阈值分割等技术实现骨折块的虚拟复位，结合3D打印技术进行术前模拟手术中骨块复位、固定，钢板预弯，螺钉置入，达到优化手术流程的目的。

本研究采用3D打印技术辅助复杂髋臼骨折手术治疗，并以传统髋臼骨折手术治疗为对照，目的在于：（1）探讨3D打印技术辅助骨盆骨折手术治疗的优越性；（2）评估3D打印技术辅助髋臼骨折手术治疗效果。

1 材料与方法

1.1 3D打印髋臼骨折树脂模型制备及术前规划

1.1.1 3D打印髋臼骨折三维实体物理模型所需硬件及软件：操作系统Windows 7 Ultimate 64bit；医学三维重建软件Mimics 14.0（Materialise公司）。硬件设备：Dell T7500、Dell M6600图形工作站，3D打印机（华森公司生产）及相配套3D⁃OR⁃THO骨科三维手术规划系统。数据采集：利用我院具备的国内首台西门子四维螺旋双源CT对患者骨盆进行扫描，需包括双侧髋臼，扫描电流35～264 mAs不等，扫描电压80～120 kV不等，扫描螺距0.6 mm，所得数据以DICOM格式保留。

建立复位骨折三维模型：利用上述系统软件进行三维编辑，对每个骨块分离并指定颜色，运用阈值分割（Thresholding）和区域增长（Region Grow⁃ing）功能快速分离骨折块，通过对单个骨折块进行移动、旋转等操作完成髋臼骨折的虚拟复位，定型复位骨折三维模型，将所有复位骨折块合并成一个复位模型，并可见骨折块间骨折线。所得三维模型保存数据格式为STL。3D打印：将骨折模型同每个单一骨折块以STL格式导入3D打印软件，调整打印方位并打印出树脂实物模型，并依据健侧髋臼打印出完整髋臼作为参照。

1.1.2 术前骨折分型及模拟手术仔细分析骨折块形态及移位情况，对髋臼骨折行Letournel和Ju⁃det分型，决定手术入路。将单一骨折块打印模型按照复位步骤用强力胶水逐一粘合模拟术中复位情况，在模型上标示出骨折线形状及走形。确定钢板、螺钉放置位置，位置确定后利用直径2.5 mm克氏针参考虚拟设计螺钉方向进行模拟螺钉植入，记录螺钉长度及方向，摸索最佳复位及固定方案。

1.2 纳入标准复杂髋臼骨折入选条件：（1）髋臼前后柱移位均大于3 mm；（2）髋臼前柱移位大于3 mm，合并后柱严重粉碎骨折或后壁骨折；（3）合并股骨头脱位或半脱位；（4）合并关节内游离骨块。2014年3月至2016年8月，35例复杂髋臼患者纳入本研究，采用非随机对照研究的方法分为传统组（A组）和3D打印辅助组（B组），非随机对照方法为完成全部筛查程序后将符合入组标准的患者按照受试者本人意愿分为传统组和3D打印辅助组。本研究取得医院伦理委员会批准，告知患者并与患者签署知情同意书。A组22例，男16例，女6例；年龄16～54岁，平均38.6岁。左侧14例，右侧8例。其中双柱骨折10例，T形骨折8例，前方伴后半横形骨折4例。B组13例，男9例，女4例；年龄18～56岁，平均40.3岁。左侧7例，右侧6例。其中双柱骨折4例，T形骨折5例，前方伴后半横形骨折4例。两组在年龄、病程、骨折复杂程度等比较无差异，具有可比性。

1.3 手术方法及术后处理两组均采取全身麻醉，采用漂浮体位，将前后两个术区及患肢都进行消毒，前后均铺单，以便术中能根据需要经后方入路对后柱骨折进行复位。术中采取髂腹股沟入路切开皮肤、皮下，分层切开腹股沟韧带。术中注意保护股动、静脉，股神经及股外侧皮神经。在髂前上棘和耻骨结节之间的中部辨认出髂耻梳筋膜，它将外侧的腰大肌和股神经与内侧的髂外动静脉分隔开，小心地将此筋膜与内外侧结构分开，游离此筋膜到骨盆入口缘，将其切断，这样可进入到四边体表面和真骨盆腔。术中沿骨盆入口缘、四边体表面以及耻骨上支进行剥离，依次暴露3个窗口，此时可充分显露前柱骨折，并可在中间窗口内触摸后柱骨折的移位程度。必要时加做后方入路，切口起于髂后上棘，经股骨大转子顶点向远端延长10 cm，逐层切开、剥离后，将臀大肌向后内侧牵开，分离、牵开短外旋肌，保护坐骨神经，显露整个后壁和后柱。

利用骨盆常规复位器械进行复位操作，前柱、后柱复位可分开进行或联合进行，相互留有余地，予术前预弯的重建接骨板及合适长度螺钉固定。术后常规伤口内置引流管24～48 h，应用抗生素48 h。术后置患肢于轻度屈髋、屈膝位。24 h后开始功能锻炼，包括股四头肌及屈髋、屈膝练习等。4周后扶双拐下地，8周部分负重，12周后根据骨折愈合情况完全负重行走。

1.4 观察指标及疗效评价

1.4.1 创伤指标比较两组患者手术创伤指标：包括手术时间、术中出血量、术后引流量。比较两组全身炎性反应及肌肉损伤程度指标：记录术后24 h外周血白细胞计数和C反应蛋白的动态变化，全自动生化分析仪检测术后24 h外周血肌型肌酸激酶（creatine kinase MM，CK⁃MM）。

1.4.2 术后即刻复位评价术后第3天行骨盆正位，髂骨斜位，闭孔斜位X线检查，按Matta影像学评定标准评价骨折复位情况：骨折移位小于1 mm为解剖复位，骨折移位为2～3 mm为满意复位，骨折移位大于3 mm为不满意复位［1］。

1.4.3 功能评定改良的Merled′Aubigne和Postel评分及Harris髋关节功能评分评估临床结果［3］。

1.5 统计学方法结果评估分别由3位资深创伤外科医师独立进行3遍计算，最终结果取其平均值，采用SPSS 17.0统计软件包进行分析，计量资料数据以均数±标准差表示，组间比较采用独立样本t检验，计数资料两组间采用卡方检验，以P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

两组患者均由同一组手术医生完成手术，3D打印辅助组未发生医源性股神经和坐骨神经损伤，以及股动、静脉损伤，术后股外侧皮神经损伤1例。传统手术组发生切口表浅感染2例，下肢深静脉血栓1例，股外侧皮神经损伤2例。A组随访时间平均16.2个月，B组19.8个月，两组患者术后3 d行髋臼CT检查看骨折复位情况，分别术后1、2、3、6、12个月分别行闭孔斜位，髂骨斜位看骨折愈合情况，必要时行髋臼CT扫描。两组手术时间、术中出血量、术后切口引流量比较有统计学差异（P＜0.01），B组优于A组（表1）。B组术后24 h C反应蛋白、白细胞计数、MM型肌酸激酶优于A组（P＜ 0.01，表2）。

表1 两组手术时间、术中出血量、术后引流量比较Tab.1 Comparisons of operation time，intraoperative blood loss，postoperative drainage between 3D printing group and traditional open surgery group ±s

表1 两组手术时间、术中出血量、术后引流量比较Tab.1 Comparisons of operation time，intraoperative blood loss，postoperative drainage between 3D printing group and traditional open surgery group ±s

手术时间（min）术中出血量（mL）术后引流量（mL）A组178±16.96 668.5±37.93 314.1±27.07 B组116.8±13.81 408.1±38.86 205.9±19.45 P值0.0002 0.001 0.001

表2 两组手术术后24 h C反应蛋白、白细胞、肌酸激酶比较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 两组手术术后24 h C反应蛋白、白细胞、肌酸激酶比较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反应蛋白（mg/L）白细胞计数（109/L）肌酸激酶（IU/L）A组45.4±10.5 14.6±3.7 312.8±76.3 B组34.8±9.7 11.6±2.5 202.4±53.2 P值0.0003 0.001 0.000

Matta影像学评定标准术后即刻复位效果：A组解剖复位4例，良好复位6例，差12例，复位优良率45.5%。B组解剖复位7例，良好复位4例，差2例，复位优良率84.6%。两组比较差异有统计学意义（P=0.034）。

末次随访改良的Merled′Aubigne和Postel评分A组优5例，良6例，差11例，优良率为50%。B组优7例，良5例，差1例，优良率为92.3%。两组比较差异有统计学意义（P=0.013）。

末次随访Harris髋关节功能评分A组优4例，较好6例，良2例，差10例，优良率为54.5%。B组优8例，较好2例，良2例，差1例，优良率为92.3%，两组比较差异有统计学意义（P=0.027）。典型病例见图1。

3 讨论

笔者研究发现，3D打印辅助髋臼骨折手术治疗组，手术时间明显缩短，以往手术耗时3 h左右，现在手术时间缩短至2 h左右。与其他研究中手术所花时间相似［6］。复杂髋臼骨折移位形式复杂、合并伤多、髋臼解剖部位深而且特殊，决定了髋臼骨折治疗难度大，手术时间长，髋关节复位不良，髋关节的功能将受影响［7-8］。3D打印可以让医生全面掌握骨折粉碎程度、类型及各个骨折块的移位情况，做出准确的术前诊断，选择恰当手术入路从而做出完备的术前规划。在复杂的骨折手术中，做到解剖复位及精确的固定是比较困难的，尤其是髋臼骨折，有时为了获得较好的复位，不得不采取较大的手术切口，长时间暴露，而大切口，手术时间长意味着术后并发症的增多［9］。以往术前手术计划骨折复位模拟多在术者的脑海中进行，这种模拟往往带有很大的局限性和主观性。术中复位往往凭借经验进行操作，不确定因素多，准确性差，为髋臼骨折的治疗带来较大的创伤。3D打印技术所具有的优点能够满足构建3D模型的需求，在手术设计、操作演练和预后等方面具有极高的应用价值［10-11］。与三维数字模型相比，3D打印的实物模型更加直观［12］。术者可在术前作出更准确诊断，制定更多，更详细的手术方案，评估术中可能存在的风险，并在实物模型上操作、练习，预测手术效果等。复杂的外科手术，术前的手术演练，可以在一定程度上提高手术的成功率。此外，3D打印技术结合钢板及手术辅助器械可以实施术前的模拟手术，在充分了解术中骨折复位固定要点的基础上，模拟术中骨块复位固定方式，术前完整的实施一遍模拟手术，根据骨折移位特点，复位后确定钢板最佳放置位置，并进行术前精确预弯钢板，减少术中反复预弯钢板的时间，根据钢板固定常规操作，记录每颗螺钉的长度及植入方向，可以确保避免螺钉植入关节腔。重建钢板的精确预弯增加了钢板与骨面的贴敷程度，固定生物力学性能更稳定。术中如为多块粉碎的骨折块，按解剖结构预弯的钢板还可以引导骨块的复位。与其他研究中的研究结果相似，我们通过3D打印技术也实现了髋臼骨折手术的微创化。手术切口较前缩小，术中出血量也明显减少，较以往减少200 mL左右，术中使用自体血液回输机可做到无需同种异体输血。术后引流量也明显减少，避免了术后需再次输血，提高机体抵抗力，减少感染发生率。3D打印辅助组无一例出现股外侧皮神经损伤，这可能与术前通过3D打印模型，做到了有的放矢，无需过大的切口，精准显露，无需强力牵拉暴露有关。

图1 典型病例Fig.1 Typical case

骨折块的解剖复位对于髋臼骨折是至关重要的，虽然解剖复位和糟糕的复位早期临床结果可能没有明显的区别，但随着术后时间的延长，解剖复位的优势将逐渐显现。吴新宝等［13］对112例髋臼骨折治疗效果分析发现解剖及良好复位的临床结果明显好于差的复位。与其他临床研究85%左右的复位优良率相比［14］，我们的髋臼骨折复位优良率在50%左右，这可能本研究纳入的样本有限，且所纳入的临床研究病例骨折移位程度较复杂有关。本研究传统手术组髋关节Harris功能评分及Merled′Aubigne和Postel评分优良率在50%左右，尚有较大的提升空间。

3D打印辅助髋臼骨折手术治疗患者术后影像显示骨折复位效果良好，较传统手术组优良率明显提高。术后即刻复位优良率达85%左右，虽然并不比一些研究报道的复位满意率高［13］，但3D打印辅助手术组未出现严重的术中，术后并发症，特别是螺钉穿入关节腔，伤及血管等严重并发症。康复治疗是髋关节功能康复的重要环节，骨折块良好的复位，牢固的固定是允许患者早日的康复运动的前提。本研究中3D打印组改良的Merled′Aubigne和Postel评分及Harris髋关节功能评分明显优于对照组，功能优良率达92%，且明显高于文献报道髋臼骨折治疗优良率在80%左右［9］。因此3D打印技术是实现骨折块牢固固定的有效辅助技术。3D打印技术辅助髋臼骨折治疗中，复位更为高效，准确，手术操作准确度的提高也明显减少了术中X线增强透视的应用次数，即保护了患者，也有利于医生的健康。本研究的不足在于纳入病例数较少，研究证据等级不高，复杂髋臼骨折界定范围有待商榷，中远期疗效评价，有待进一步的随访，但我们的初步研究显示3D打印技术辅助髋臼骨折手术治疗，手术创伤小，术后即刻复位率高，术后近期临床效果满意，是一项很有发展前景的数字技术。

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