三维打印镜像模型在锁骨骨折微创内固定中的应用研究*

张文玺王新明李栋刘杰沈黎明

（1.溧阳市人民医院骨科，江苏常州213300；2.溧阳市人民医院放射科，江苏常州213300）

切开复位接骨板内固定是移位的锁骨中段骨折标准的手术方法[1]。然而，骨折部位的广泛剥离增加了感染的风险并导致瘢痕形成而影响美观。接骨板内固定术的并发症，如去除植入物后移位、再骨折，已经有多篇文献[2，3]报道。弹性髓内钉技术的开发是为了保护供应骨折区的骨膜血运。其具有保持完整骨折血肿的优点，这可能增加骨折愈合的速率[4-6]，但髓内装置与骨之间会发生移动，可能会导致局部钉尾突出而刺激皮肤甚至穿孔。弹性髓内钉治疗粉碎性骨折容易出现断端缩短，不适合早期的锻炼且稳定性欠佳[7]。因此，接骨板内固定仍然是固定锁骨骨折的主要方式，为避免骨不连接或骨愈合不良的发生，减少锁骨的剥离十分重要，这样可以保证锁骨的血运免遭破坏，但带来的实际问题是，复位可能存在困难，即使常规的钻孔操作也有安全隐患，多数情况凭手感钻通双层骨皮质而不会钻入过深，然而当锁骨对侧皮质出现缺损或存在骨缝，术者未发现或未加注意，可能导致锁骨下血管、臂丛神经、肺尖损伤，因此，微创操作时的钻头限深比较重要，通常采用经验限深长度，另外，由于锁骨的形态因人而异，并非每种接骨板都合适，有时术中的预弯浪费很多时间和精力，增加了患者的出血和手术时间，有文献报道采用3D打印模型指导微创经皮接骨板固定技术（minimally invasive percutaneous plate osteosynthesis,MⅠPPO）操作取得了良好的效果，但如何判断采用镜像模型进行术前预演是否可靠，未见报道，而是默认双侧对称。本研究自2015年12月至2016年12月对12例单侧锁骨中段骨折患者结合3D打印健侧锁骨镜像模型,行接骨板内固定术，术中均未剥离锁骨床，采取了MⅠPPO技术，取得了较好的效果。

1 资料与方法

1.1 临床资料

本研究共纳入12例患者，均为单侧锁骨中段骨折，其中，男8例，女4例，27~66岁，平均（49.75±11.62）岁，均行接骨板内固定手术。纳入标准：＞18岁且锁骨中段骨折，可进行接骨板内固定手术；能配合进行肢体CT扫描。排除标准：双侧锁骨同时骨折者；左右侧形态差异明显（如脊柱侧弯）的患者；先天性畸形者；既往曾有锁骨骨折者；检查及操作无法配合者。本研究经本院伦理委员会讨论并通过后实施。

1.2 模型制作

首先CT扫描双侧锁骨，层厚为1 mm，采集的数据保存为DⅠCOM格式，刻录光盘，数据在MⅠMⅠCS 15.0软件中打开，通过阈值分割的方法，去除不需要部分，主要是胸骨和肩胛骨，获得无遮盖的双侧锁骨全貌，由于锁骨形态不规则，难以获取双侧相同区域锁骨截面，通过软件测量双侧锁骨无骨折区的截面长短径存在一定误差，因此，改为模型上直接测量。软件上可以直接生成3D图像，健侧锁骨3D图像通过镜面成像技术，生成新的3D图像，患侧与健侧3D图像导出为STL格式文件，通过CURA软件对3D图像进行切片与支撑生成，转化为3D打印机可识别的CODE格式并进行3D打印，健侧锁骨的镜像模型就是骨折侧锁骨解剖复位后的模型。此模型被用作模板，作为进行内固定操作的基准，可以使用商业公司提供3D打印服务，或使用一个3D打印机自行加工打印模型，这样一个锁骨骨折模型与骨折解剖复位后的模型就制作出来了，这相对于CT重建的图像更为直观。

1.3 手术预演

对照健侧锁骨镜像模型和骨折侧锁骨3D打印模型，为了验证双侧锁骨是否具备良好一致性，达到镜像模型的可靠使用，首先进行双侧相似性对照，在MⅠM-ⅠCS软件中的冠状面对锁骨距胸骨端或肩峰端1 cm、3 cm、5 cm处做截面，对称的两侧同时进行，矢状面测量长短轴，记作PC1（proximal clavicle 1）、PC3、PC5，进行左右对照（图1A~B），实际操作发现，由于锁骨的不规则形态，导致管状骨中轴线呈现S型弯曲，测量较为困难且偏离实际值较为明显，改为将两个模型在未骨折区域进行定点测量，距离胸骨端1 cm、3 cm、5 cm处分别测量两个模型截面的长短轴（图1C~D），如果偏差＜10%，则进行下面的手术预演，先在镜像模型上标记出复位后骨折线位置，然后进行实际手术演练，确定能够有效固定的螺钉位置，进行接骨板的选型、预弯（图1E）、并将接骨板固定于模型，在模型上标记每个螺钉的长度（图1F），将这些准备好的植入物，进行高温消毒，然后直接手术时使用。由于手术中只有骨折的复位与内植物的固定，省去了术中方案的设计，植入物弯折及测深等流程，手术时间缩短，可以更有效的进行微创操作，为了使实际手术更接近手术预演，需要预先设计好植入物与标记点的位置关系，如接骨板边缘与锁骨边缘的距离，某个钉孔相对于骨折端的位置和距离，因为偏离正确的位置，可能会导致固定的可靠性下降及螺钉长度的不准确。

图1 患者，男，43岁，左锁骨粉碎性骨折，术前规划方式

1.4 手术方法

术前在3D打印健侧锁骨镜像模型上手术演练的接骨板与螺钉直接运用于术中，在锁骨骨折区域常规切开皮肤、皮下筋膜，保护骨折块附近肌肉，复位碎骨块及骨折端，可吸收线临时捆扎固定，对于个别难以稳定的骨折克氏针临时固定，于锁骨远端需固定螺钉区域切开2~3 cm切口，皮下沿骨面剥离建立隧道，通过骨折区向内侧建立皮下隧道，接骨板由外侧向内侧插入，跨越骨折端，于内侧置钉处行2~3 cm切口，调节接骨板位置，防止接骨板偏离，根据术前预演，寻找标记点，将接骨板置于预演时的位置，使其贴服于锁骨表面，并临时固定，由于手术预演时接骨板已经过塑形，故对于骨折的锁骨只要良好贴服接骨板，便能取得良好的复位及预期的形态，对于粉碎性骨折尤其适合，手术只显露锁骨表面，除剥离骨折端及骨表面骨膜，其余组织不予剥离，最大程度保护锁骨血运，采用钻头限深方法钻孔、攻丝、上钉，透视满意，彻底止血，缝合各层。

1.5 统计学方法

采用SPSS 20.0软件对双侧数据进行统计学分析，对锁骨胸骨端的左右侧距离胸锁关节1 cm、3 cm、5 cm处横截面的长短轴分别进行测量，共产生6对数组，将每对数组及成对数据差值先进行正态检验（Kolmogorov-Smirnov），然后采用配对样本t检验，按双侧α=0.05的检验水准，以P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 两侧锁骨胸骨端3层面长短轴长度比较

所有病例均打印出健侧镜像模型与骨折模型，采用将锁骨距胸锁关节1 cm、3 cm、5 cm处做截面测量长短轴的方法，获得锁骨胸骨端的3层面长短轴数据共72个，按照每个层面的相同轴分组，每组数据及成对数据差值均符合正态分布，每组成对样本的相关系数均＞0.78，PC1、PC3、PC5的成对样本差异均无统计学意义（P＞0.05，表1）。

2.2 手术结果及并发症

所有锁骨骨折病例均未出现血管神经损伤情况，术后复查X线显示内固定良好，螺钉长度均突破对侧骨皮质，无螺钉过长或过短情况。然而观察原始数据发现5个患者中的6组数据偏差＞10%，术中采用重新测量螺钉长度后置钉，与术前预演螺钉长度偏差不超过2 mm，预弯的接骨板依然贴服良好。

表1 两侧锁骨胸骨端3层面长短轴长度比较（±s）

表1 两侧锁骨胸骨端3层面长短轴长度比较（±s）

注：LL左侧长轴，LS左侧短轴，RL右侧长轴，RS右侧短轴，PC1锁骨距离胸锁关节1 cm，PC3锁骨距离胸锁关节3 cm，PC5锁骨距离胸锁关节5 cm

相关系数（r）t值P值部位PC10.8711.698组别LL RL LS RS LL RL LS RS LL RL LS RS数量n 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12轴长（mm）22.74±1.99 22.25±1.90 17.92±1.60 18.28±2.04 17.87±2.28 18.36±2.88 14.26±1.40 14.21±1.57 15.47±1.58 15.39±1.94 13.02±1.61 12.79±1.54 0.118 0.839-1.1110.290 PC30.785-0.9620.357 0.8900.2580.801 PC50.8360.2600.799 0.8861.0870.300

2.3 典型病例

患者，女，28岁，锁骨中段粉碎性骨折，术前双侧锁骨CT扫描，将获取的DⅠCOM数据导入MⅠMⅠCS 15.0软件，获取骨折侧锁骨STL文件和健侧锁骨镜像模型STL文件，分别进行3D打印，在健侧镜像模型上绘制骨折线，以防螺钉进入骨折线内，于胸骨端距离胸锁关节1 cm、3 cm、5 cm处测量两个模型的长短轴，发现其偏差＜10%，说明其相似性符合要求，再将各类型接骨板在模型上进行比对测试（图2A），使之两端未骨折区域分别可以固定3枚螺钉，将接骨板在镜像模型上预弯，使之尽可能服帖，固定螺钉并记录螺钉长度（图2B），将手术预演的接骨板及螺钉直接消毒手术待用，术中采用MⅠPPO技术的3段切口（图2C），中间段为复位临时固定骨折，两端切口为螺钉固定，为了防止接骨板偏离预演位置，先将接骨板插入后透视（图2D），由于锁骨较细小，两端切口大小需要能放置血管钳夹持接骨板，以免滑离导致钻孔偏斜，两端调整好位置，普通螺钉各固定1枚，再固定其他的锁定螺钉，术中根据手术预演获得的螺钉长度数据，调整钻头限深（图2E），有效防止损伤锁骨下血管及臂丛神经，手术结束前透视确认接骨板内固定效果（图2F）。

3 讨论

动物通常呈现球对称、辐射对称、左右对称3种类型，左右对称在生长发育过程中已经形成，人类是典型的左右对称生物，除外内脏，肢体外貌与骨骼多呈左右对称，也就是通常所说的镜像关系，这就是健侧长管状骨镜像模型可以作为骨折侧复位模板的理论依据。然而，长期两侧锁骨受力不均匀也是导致其形态和直径不同的原因之一，如严重的脊柱侧弯会导致锁骨的畸形与不对称，一些特殊体力劳动者也表现出锁骨直径的差异，因此，在进行手术演练之前，为了更好的保证双侧对称，骨折模型与健侧镜像模型的未骨折区域进行测量对比是十分必要的，采用游标卡尺对比测量等距离长短轴，简单易行，容易掌握，如果测量发现双侧不对称，镜像模型的手术演练将变得毫无意义，而演练获得的数据进行实际手术将变得十分危险。由于骨折的原因，左右两侧直接进行对称性检验较为困难，选择未骨折区域实体表面扫描数据进行对比可获取较为准确的三维对照数据，但依然繁杂，我们采用截取无骨折区域的3处横截面进行长短轴对照，较为简便易行，可以作大致的相似性判断。本研究统计学得到的结果是左右两侧无显著性差异，但不代表无差异，按照逐个数据比对发现5个患者中的6组数据超出预设的10%差异度，显然，涉及此数据的锁骨采用镜像模型的数据可能带来错误，我们务实地在实际手术中进行测量印证，确定其与手术演练的螺钉长度存在出入，尽管其长度的增加不至于损伤锁骨下血管，但长度的变短就可能导致固定强度的下降，因此，采用锁骨镜像模型进行临床应用时，预先进行左右侧的相似性对照是十分必要的。

采用3D打印技术协助骨折的判断及手术治疗，已经广为应用，目前医疗市场充斥着众多厂家各式各样的内固定植入物，而且不同品牌的植入物规格类型都不尽相同，根据经验选择内固定植入物常常导致内固定植入物与骨面不匹配，增加了术前内固定植入物选择的困难，以往较先进的方法是通过数字化技术进行虚拟手术[8]，3D打印技术则可以把虚拟的手术设计方案转化为现实手术的实施过程，提供了一种虚拟向现实转化的有效途径，通常较为理性的方式是将所有骨折块通过MⅠMⅠCS软件分割成单独的骨块，然后3D打印出所有骨折块，模仿实际手术进行拼合与固定，从而选择接骨板与螺钉[9]，可事实上，对于一些粉碎性骨折，如果想把每个骨块采用软件分割并打印出来，十分困难，因为分割过程很可能去除掉有用的部分，尤其当存在压缩性骨折时，更加困难，另一方面，由于3D打印的特性，很难产生锐利边缘，即使打印出各个骨块，但拼合时会发现，根本无法严丝合缝，因此，直接通过打印骨折区域拼合骨块的方式并不理想，而采用镜像技术，可以很好的解决此问题并十分便利的进行手术预演。实践证明，正常人的两侧锁骨基本是对称的，不对称者只占极少数，这可以通过适当的测量对比，当双侧差别较小时，可以采用健侧锁骨镜像模型来替代患侧锁骨复位后状态。采用手术预演，预先知道螺钉长度，那通过钻头限深来达到安全钻孔的目的就实现了，由于不必担心钻孔问题，锁骨可以最大程度的减少剥离，这样锁骨的微创操作得以实现，另外，由于解剖型接骨板有时并不能很好的与患者锁骨匹配，需要适当塑形，而利用3D打印镜像模型进行接骨板预弯，为骨折的最佳复位形态提供了模板。

图2 患者，女，28岁，右锁骨粉碎性骨折，接骨板内固定

在进行双侧对照时，初期想采用先前用于长管状骨“三层面长短轴对照”方法进行左右侧对称性的研究[10,11]，然而，由于锁骨的不规则形态，其中轴线为S形，MⅠMⅠCS软件进行横截面长短轴测量几乎不现实，因此被迫采用手工测量的方法，这需要预先将健侧镜像模型打印出来，而无法预判，这对于那些长范围锁骨骨折或锁骨两端分别存在骨折的病例，可能会出现胸骨端与肩峰端均没有足够测量空间的情况，导致双侧对照失败，这提示并非所有类型的锁骨骨折病例都能运用该技术。

在进行3D打印之前，通过切片软件可以调整模型的放置方向和位置，以及支撑面的生成，为了不影响手术演练的精度，应将支撑面避开内固定物放置面，这样可以使接骨板更准确的贴服于模型，因为支撑物尽管可以去除，但其残留会导致表面粗糙，使接骨板难以很好的贴服模型表面，从而导致了误差，这样对于接骨板的预弯也会带来困难，螺钉长度也会出现偏差，另外所使用的材料具备一定的伸缩率，最终模型可能存在一些变化，对于较大模型的打印可能会出现收缩与翘边情况，采用ABS与尼龙等材料会比较明显，而PLA材料相对不容易发生形变，缺点是容易堵3D打印机喷头而导致打印失败，对于锁骨这种细长结构，采用PLA更为理想。

对于管状骨实施安全钻孔技术，通常的方法为，先钻透一侧骨皮质，将钻头顶住对侧骨皮质，根据不同长管状骨皮质厚度的经验，调整钻头长度可继续钻入3~6 mm，使之正好钻透对侧皮质达到限深目的，这样做带来的好处在于无需剥离对侧，保护了组织血运，而不再需要完整剥离显露管状骨，用骨膜剥离器等放在对侧保护，同样，锁骨骨折内固定也可以采用同样的方法，虽然对于有经验的医师可以通过手感来控制深度，但对于临近大血管的胸锁关节区域的锁骨钻孔仍然令人担忧，采用钻头限深的方式钻孔更为安全，然而，当对侧皮质缺如或正好是骨折线时，直接顶住对侧皮质的动作可能带来危险，有了镜像模型进行术前演练，杜绝了盲目性，钻头长度直接确定，达到真正的安全钻孔要求。同时，采用健侧锁骨镜像模型进行模拟手术操作，极大的简化了骨折的拼合与复位，骨折线以划线的方式表达，这对于置钉的位置与方向带来了帮助，也为安全钻孔技术的实施进一步提供了保障，此技术可以延展到风险更高的区域，如骨盆、上颈椎等。

然而，进行3D打印需要额外的CT扫描，使患者受到更多的辐射，另外，模型的制作需要额外的费用，以及等待的时间，这也是本研究例数较少的原因，更为准确的结论需要大样本的统计学分析，尽管如此，本研究通过3D打印技术很好地实现了锁骨骨折的微创化治疗，首次采用3层面长短轴对照来进行双侧锁骨相似性的判断，由于有了术前测量及规划，避免了盲目使用镜像模型带来的安全隐患，使手术创伤更小、更安全，避免了因准备不充分而导致的手术困难，也为如何保障手术的安全提供了新的思路。

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