3D打印联合Minmics软件在肘关节骨折中的应用

姬文晨,蒋婉婷,李 嘉,刘 凯,李 萌*

(1西安交通大学第一附属医院骨科,西安 710061;2西安市第四医院超声诊断科;*通讯作者,E-mail:drleemon@163.com)

肘关节是由尺桡骨近端、肱骨远端及周围韧带共同组成,是上肢最为重要的关节,发生率占全身骨折的14%,其解剖结构复杂,涉及关节较多(肱桡关节、肱尺关节、尺桡近端关节),一旦发生骨折,如若治疗不当,往往会给患者造成严重的功能障碍,进而影响生活质量[1,2]。保守治疗难以恢复关节面平整,较少采用,随着内固定技术和理念的发展,切开复位内固定是治疗肘关节骨折的主要方式,其可以实现解剖复位,坚强固定[3]。但是,对于缺乏经验的年轻医生来说,手术过程往往存在复位不良,时间较长,并发症较多等问题,如何克服上述困难,是临床工作者需要思考和面对的[4]。3D打印是近年兴起的一项技术,可以对骨折部位实现精准打印,从而使得医生术前对于骨折局部有立体理解,有利于进行术前准备[5,6]。Minmics软件是一套高度整合的3D图像编辑软件,可以识别CT和MRI图像扫描数据,建立空间模型并编辑,可以对骨折局部进行拆解并模拟复位,了解复位过程中局部对合情况,从而减少术中反复复位的次数[7]。本课题组2015-01～2017-01将3D打印联合Minmics软件应用于肘关节骨折中,取得了良好效果,现报道如下。

1 材料与方法

1.1 一般资料

20例患者因外伤或车祸等原因,自行或由急救车送入我院,按照入院顺序依次分入两组。

3D打印联合Minmics软件组:共计10例患者,进行了平均12个月的随访,男性5例,女性5例;年龄31-63岁,平均(46.9±1.3)岁。致伤原因:车祸伤6例,坠落伤3例,摔倒1例。致伤至手术时间平均5 d。术前完善肘关节CT三维重建,3D打印实物模型,应用Minmics软件术前拆解骨折局部,了解对位情况,模拟手术对骨折进行复位。

常规手术组:共计10例患者,进行了平均12个月的随访,男性6例,女性4例;年龄26-56岁,平均(45.8±2.3)岁。致伤原因:车祸伤7例,跌倒1例,坠落伤2例。术前常规拍摄肘关节三维CT重建,通过影像学评估,确定手术方案。致伤至手术时间平均6 d。

两组间年龄、性别、致伤原因等比较差异均无统计学意义(P>0.05),具有可比性。两组病例基本资料见表1。

表1 两组患者基本资料比较

Table 1 Comparison of basic data between the two groups

组别n年龄(岁)男/女致伤原因(车祸伤/跌倒/坠落伤)3D打印联合Minmics软件组1046.9±1.35/56/3/1常规手术组1045.8±2.36/47/1/2 t/X2-2.6713.9825.320 P0.0720.1710.097

病例纳入标准:①新鲜骨折,受伤至手术时间小于3周;②尺骨鹰嘴、冠状突骨折伴有桡骨小头骨折,肱骨髁间粉碎性骨折及二者合并等复杂肘关节骨折;③无心血管、呼吸和精神系统疾病,可耐受手术;④临床病例资料完整,并对本研究知情同意者。

病例排除标准:①陈旧性骨折,受伤至手术时间大于3周;②病理性骨折;③基础体质较差,无法耐受手术;④临床病例资料不完整,失访的病人。

1.2 手术方式

3D打印联合Minmics软件组,典型病例见图1。术前拍摄肘关节正侧位片,确定手术部位(见图1A,1B),行肘关节CT三维重建(见图1C),明确粉碎性骨折移位情况。3D打印实体模型(见图1D),直观了解骨折情况,为选择合适内固定和适当手术方式提供理论依据。将扫描数据刻盘导入Mimics 15.0软件,建立患者肘关节数字模型,骨折碎块用不同颜色标注,使临床大夫更加明确粉碎性骨折的移位情况(见图1E),利用软件拆解骨折局部,并进行虚拟复位,了解复位过程中,拼接对合骨块注意事项,为实际操作缩短手术时间奠定基础(见图1F,1G)。

10例病人中9例在臂丛麻醉下进行,1例在全麻下进行。麻醉满意,上臂中上1/3止血带固定,压力35 kPa,时间60 min,常规消毒、铺巾,沿肘关节后方做长约13 cm切口,空心螺钉固定尺骨冠状突后,用解剖钢板固定尺骨鹰嘴。用2枚空心螺钉固定桡骨小头骨折块,使得肱桡关节面平整,检测肘关节稳定性,发现外侧副韧带受损,随即用带线铆钉予以固定,透视见骨折位置复位良好(见图1H),术毕,放置引流管后逐层缝合伤口。

常规手术组:术前拍摄肘关节三维CT重建,通过影像学评估,确定手术方案,10例患者均在臂丛麻醉下进行。手术方式同上。

1.3 术后处理

两组术后采用带铰链关节的支具辅助外固定。术后常规给予止痛、消肿、抬高患肢等对症治疗。术后第3天开始进行被动适度肘关节活动。术后2周拆线,出院后每6周复查肘关节正侧位片。

A,B.术前肘关节正侧位片;C,D.术前肘关节三维CT重建图像和3D打印模型;E.不同颜色标记骨折碎块;F,G.分离拆解模拟复位骨折;H.术后透视骨折复位良好图1 3D打印联合Minmics软件治疗肘关节粉碎性骨折Figure 1 The 3D printing assisted in Minmicssoftware in the treatment of elbow comminuted fracture

1.4 疗效评价

3D打印联合Minmics软件组和常规手术组从以下两个方面进行评价:①肘关节功能评分标准(Mayo评分)[8];②切口长度、出血量、手术时间、透视次数、住院时间;③术后12个月肘关节活动度(屈曲、伸直、旋前、旋后)。

1.5 统计学处理

采用SPSS18.0统计软件进行分析。数据以均数±标准差表示,3D打印联合Minmics软件组和常规手术组年龄、手术情况,Mayo评分,肘关节活动度比较采用t检验,一般资料中性别和致伤原因比较采用卡方检验,检验水准α=0.05。

2 结果

2.1 手术情况评估

3D打印联合Minmics软件组和常规手术组在切口长度和住院时间等方面,差异无统计学意义;而在出血量、手术时间和透视次数等方面,差异有统计学意义(P<0.05,见表2)。常规对照组术后2例病人局部伤口有淡红色液体渗出,给予每日换药和局部理疗后愈合。

表2 两组手术过程各项指标比较

Table 2 Indicators of surgical procedure in two groups

组别n切口长度(cm)出血量(ml)手术时间(h)透视次数(次)住院时间(d) 3D打印联合Minmics软件组1013.1±1.65153.3±23.92.1±0.38.7±1.614.7±0.6 常规手术组1013.9±1.27246.3±34.72.9±0.411.1±1.215.1±1.1 t-3.971-14.320-12.561-7.675-4.851 P0.1200.0240.0130.0210.213

2.2 术后影像学评估

术后3 d 3D打印联合Minmics软件组和常规组复查肘关节三维CT可见骨折固定牢靠,关节面平整,力线恢复可(见图2A-D)。术后6周拍摄肘关节正侧位片可见骨折线模糊,较术前愈合倾向明显(见图2E,F)。

2.3 Mayo功能评分比较

两组术后3个月、6个月、12个月Mayo评分与术前比较,差异有统计学意义(P<0.05);其中,术后6个月评分高于术后3个月,差异有统计学意义(P<0.05);术后12个月评分与术后6个月比较,差异无统计学意义。两组术前评分差异无统计学意义,术后3个月、6个月、12个月3D打印联合Minmics软件组评分明显高于常规手术组,差异有统计学意义(P<0.05,见表3)。

A-D.术后3 d肘关节三维CT重建图像;E,F.术后6周肘关节正侧位片图2 术后3 d和6周3D打印联合Minmics软件组影像学表现Figure 2 Imaging in 3D printing assisted in Minmics software group 3 d and 6 weeks after operation

2.4 两组术后12个月肘关节活动度比较

术后12个月,3D打印联合Minmics软件组肘关节活动度在屈曲、伸直、旋前和旋后方面优于常规手术组,差异有统计学意义(P<0.05,见表4),但是二者活动度均无法完全恢复到伤前状态,与健侧相比活动度仍然在一定程度上受到限制。

表3 两组病人手术前后肘关节Mayo功能评分(分)

Table 3 Mayo functional score of elbow joint before and after operation in two groups(scores)

组别n术前术后3个月 术后6个月 术后12个月 3D打印联合Minmics软件组1033.2±3.767.7±6.4∗87.6±4.3∗#89.2±2.7∗# 常规手术组1031.7±6.756.7±4.1∗71.9±5.1∗#74.4±3.9∗# t-2.756 -7.456 -8.563 -5.367 P0.2110.0370.0190.006

与术前相比,*P<0.05;与术后3个月比较,#P<0.05

表4 术后12个月患者肘关节活动度比较(°)

Table 4 Comparison of elbow motion between two groups at 12 months after operation(°)

组别n屈曲伸直∗旋前旋后 3D打印联合Minmics软件组10120.7±3.29.4±3.173.6±2.976.4±2.1 常规手术组10104.5±4.617.3±2.764.3±4.267.2±3.3 t-13.237 -10.161 -6.510 -7.369 P0.0270.0120.0010.013

*患者术后12个月肘关节无法完全达到伸直中立位,表中伸直度数是以伸直中立位(0°)为参照的屈曲度数

3 讨论

肘关节是全身稳定性最强的关节之一,对于上肢功能的维持十分重要。在受外界暴力时(车祸、坠落、跌倒),容易发生脱位和骨折,如若处理不恰当,往往会造成后期关节功能障碍[9]。由于其涉及的关节面和韧带较多,保守治疗通常不能起到理想效果,所以切开复位内固定就成为治疗这种骨折的主流方式[10]。手术的目的[11-13]在于:①恢复关节面的平整:外界暴力所致的骨折往往会损伤桡骨小头、尺骨鹰嘴及冠状突,手术可以通过解剖复位减少后期关节功能的丧失;②修复韧带:肘关节内外侧的韧带是维持稳定的重要装置,外伤所造成的损伤往往需要通过带线铆钉予以固定,进而实现稳定装置的重建;③促进患肢功能锻炼:内固定术后局部稳定,可以早期进行功能锻炼,避免僵直,进而提高术后肘关节的功能。

既往手术方案的制定往往依靠X线、CT、MRI等常规影像学手段,这就要求医生具备丰富的手术经验,且非常熟悉手术入路和局部解剖。然而,对于基层医生和年轻大夫而言,难以做到这些,如何解决上述问题,值得临床工作者进一步探讨。3D打印作为数字骨科的一部分,可以精确打印骨折局部,所获得的数字化实体模型,实现了由二维到三维、平面到立体、虚拟到现实的转变,提供了比医学影像资料更加详细的解剖学信息,使得医生术前更加清晰直观地了解骨折情况,有利于术前选择合适长度的钢板[14-16]。Minmics软件是3D图像编辑软件,通过建立空间模型可以编辑骨折局部图像,将骨折碎块用不同颜色标记,明确骨折块的类型和具体部位;可以对骨折局部进行拆解并模拟复位,了解复位过程中局部对合情况,明确粉碎性骨折复位顺序[6]。

本课题将3D打印联合Minmics软件的方法应用于肘关节骨折的治疗中,与常规手术组相比,可减少术中出血量,缩短手术时间,降低透视次数,增加术后Mayo评分及术后12个月肘关节活动度,究其原因在于3D打印联合Minmics软件组根据3D打印实体模型,术前可以选择合适长度钢板并进行预弯,使得临床医师在术前做到心中有数,从而缩减了术中反复复位和做皮下隧道的次数,进而缩短了手术时间和住院时间,降低了术中透视的次数;采用Minmics软件模拟复位,了解复位所需注意事项及步骤数,提高复位优良率,从而提高术后肘关节Mayo评分及活动度;采用切开复位内固定术通过恢复关节面平整,修复韧带系统,重建稳定装置,可以显著改善术后关节功能,且经过一段时间康复锻炼,在6个月的时候肘关节功能可达到最大程度恢复,但是,我们也发现其功能恢复的程度较健侧肢体仍然有差距,大多数病人的肘关节活动度仍然无法完全恢复到伤前正常状态。

综上所述,我们认为3D打印联合Minmics软件对于肘关节骨折的治疗有着重要意义,可以因人而异制定个体化的手术方案,从而缩短手术时间,减少出血量,降低透视次数,改善术后肘关节功能,值得临床推广应用。