3D打印技术配合预制接骨板在骨关节创伤微创治疗中的应用研究*

安晓龙,付 军,蔺广生

1.空军军医大学西京医院骨科(西安 710032)；2.陕西省志丹县人民医院骨科(延安 717500)；3.陕西省延安市人民医院骨三科(延安 716000)

骨关节创伤是骨科领域常见的疾病之一，多为外力因素所致，受伤机制主要是暴力传导或直接受力导致骨骼断裂，常伴有关节软骨损伤，以及关节周围软组织受损，严重时危及血管神经。骨关节创伤可发生于不同年龄段。关节内骨折如果未获得解剖复位，关节的局部承受压力过于集中，关节面骨质容易发生疲劳性磨损。由于关节周围组织结构复杂，其骨骼与周围组织共同构成一个完整的功能单位，一起协同完成关节功能。关节运动对生物力学的要求较高，关节内骨折对复位要求相对严格，加之关节周围软组织致密，尤其是肌腱和韧带结构为细胞成分少、纤维成分多，而且皮下组织层薄，血运相对差，手术治疗常造成切口愈合不良、软组织及骨质感染、疤痕挛缩等手术并发症几率高。选择在合理保护软组织血运的前提下，能良好复位固定骨折的手术方案，才能够有效降低手术并发症，最大程度恢复关节功能。

本研究回顾性分析2015年7月至2018年12月对53例骨关节创伤病例进行分组对照，将骨骼影像进行三维重建，利用3D打印技术进行成型，在术前对骨骼模型模拟复位，设计接骨板，并科学预制，模拟固定。术中采用微创复位固定技术，取得满意疗效。

资料和方法

1 一般资料 本组纳入病例53例，男39例，女14例；年龄26～79岁，平均47.3岁；其中肱骨上段骨折3例，胫骨平台骨折19例，胫骨远端骨折31例；合并有膝关节周围软组织挫伤5例，踝关节周围软组织挫伤22例。根据相同部位骨折随机分配方法，将患者分为两组：采用3D打印技术配合预制接骨板微创手术治疗的微创组27例，其中男17例，女10例，年龄33～79岁，平均49.6岁；其中肱骨上段骨折1例，胫骨平台骨折9例，胫骨远端骨折17例。采用传统的切开复位内固定手术治疗的对照组26例，其中男22例，女4例，年龄26～58岁，平均40.7岁；其中肱骨上段骨折2例，胫骨平台骨折9例，胫骨远端骨折15例。手术操作者为同一组医师完成。两组患者术前一般资料的比较差异无统计学意义(P>0.05)，具有可比性，见表1。所有患者术前接受X线片检查，远、近折端以外完整骨骼的各5 cm处之间的范围，进行CT平扫加三维重建。纳入标准：①肱骨上段、股骨上段、股骨下段、胫骨上段、胫骨下段累及到关节面的骨折病例；②年龄为23岁以上的成年患者；③无肢体发育畸形；④局部皮肤无感染、无皮肤病及肿瘤病变患者； ⑤患者及其家属同意接受微创治疗手术。排除标准：①具有手术禁忌证的患者；②Gustilo-Anderson Ⅱ型以上开放性骨折，软组织条件较差的患者；③关节周围软组织挛缩，严重影响关节功能的患者；④合并肢体血管或神经损伤，需要术中探查的患者；⑤依从性低，不能配合功能锻炼的患者；⑥术后不能随访的患者。

表1 微创组与对照组患者术前一般资料的比较

2 研究方法

2.1 术前准备:将病例患肢骨折部位进行CT平扫(层厚0.5～0.6 mm)，所得数据进行处理后，输入3D打印图像处理软件，进行三维重建，设置骨骼模型保留长度和打印范围，建立骨块之间的连接及支撑，然后将处理好的数据转换成3D打印机可读取的数据。在打印机上，应用高分子材料进行热熔阵型堆积，打印成模型。要求模型的大小同病例骨骼1∶1的比例，形态与骨骼骨折后一致，在模型上保留可分辨的所有游离骨块。同一模型打印两个。

对模型进行处理后，沿骨折线，用雕刻刀切开模型的各个骨块，根据骨骼解剖结构，将骨块逐一复位，用液态速干胶将复位后的骨块逐一粘接固定。选择合适接骨板，依照骨骼模型，进行比量，将接骨板进行折弯预制，使之长度、角度符合固定要求，与骨面贴覆。

将预制好的接骨板先用软水常规清洗，再用酶清洗剂清洗后，进行高温高压灭菌消毒；同时将另外1个模型用软水常规清洗，低温等离子进行消毒后，备术中参照观摩。

2.2 手术方法:患者麻醉后，采用合适体位，肢体消毒铺巾，在C型臂X光机透视下，通过手法间接复位，配合应用克氏针经皮撬拨复位游离骨块，复位过程中，结合模型形态，更有利于达到解剖复位效果。复位过程中，合理保护软组织，防止骨块及克氏针损伤周围血管及神经。复位满意后，按照术前在模型上设计的接骨板位置，在接骨板预置部位远离关节的一端，经皮肤切一小口，避开神经、血管及肌腱，显露骨质，经切口在骨膜下潜行剥离一隧道，隧道与预制接骨板长度、宽度一致，将预制好的接骨板经切口置入骨膜下，使之与骨面贴覆，X光机透视见骨折复位良好后，在导航下，经皮在骨质上钻孔，拧入相应长度螺钉固定。透视检查骨折复位情况及固定效果，满意后，彻底冲洗切口，放置引流管，应用可吸收线无张力缝合，引流管接负压引流器。肢体适当加压包扎，术后患肢抬高，缓解骨膜剥离处出血。

术后记录手术时间、术中出血量，观察肢体血运及肿胀情况，拍摄肢体手术区域X线片。早期肢体无痛、不负重功能锻炼。记录手术切口是否出现感染、愈合延期等并发症，应用相应的关节功能评分标准进行评估并记录。

2.3 术后随访及疗效评价:术后应用统计学将微创组与对照组的手术时间、术中出血量、切口长度进行分析。同时对比两组手术的固定效果、术后软组织肿胀程度、肢体血运情况、切口愈合效果、早期功能情况等；术后每2周进行回访，综合评价关节功能评分。

结 果

1 微创组与对照组手术时间、术中出血量 微创组与对照组术后随访12～20个月，平均随访12.9个月。两组患者手术时间平均分别为(90.8±10.7)min、(111.9±11.3)min，组间比较差异有统计学意义(t=6.982，P=0.000)。微创组与对照组术中出血量平均分别为(137.2±12.6) ml、(358.5±11.7) ml，组间比较差异有统计学意义(t=66.194，P=0.000，表2)。微创组手术切口较对照组明显小，对软组织创伤轻。

表2 微创组与对照组手术时间、术中出血量

2 术后随访 两组所有病例均获得骨性愈合。随访结果，根据关节功能评价评定疗效，微创组优16例，良11例；对照组优9例，良8例，可9例。优良率83%。

讨 论

1 骨关节损伤治疗的要点 关节周围骨折占肢体骨折的50%～56%[1]。原则上，关节内骨折移位形成0.1 cm以上的平面差就需要手术治疗[2]。目前观点认为，治疗牵涉关节面的肢体长骨骨折，重点在于关节面的解剖复位，恢复关节形态学结构，其次是肢体长度的恢复，力线的还原、无旋转，还有坚强有效的内固定，是保证关节早期功能锻炼的基础。关节面的平整和结构恢复，能够有效防止后期创伤性关节炎的发生[3]。减少对软组织血运的阻断，能有效促进切口早期愈合，防止软组织感染导致的骨、内固定物外露，甚至骨髓炎发生；同时能减少骨膜的破坏，缩短骨质愈合时间。软组织条件的保护还缓解肢体疼痛，可以早期无痛功能锻炼，能有效防止关节僵直。

另外，肢体骨折的闭合复位手法要求相对较高，不恰当的操作或反复复位会造成软组织的进一步损伤。因此在复位时要小心谨慎，不可盲目牵引和过度用力操作而破坏软组织的连接。同时要分辨软组织的内部交锁阻挡[4]，合理应用合页作用进行复位，防止骨块不稳定。在内固定物置入时，有效保护其周围软组织是关键，注意防止卡压血管、神经和肌腱，不可在腱鞘下形成桥型跨越，以防后期肢体功能受限甚至肌腱磨损断裂。

治疗累计关节面的关节周围骨折，关节面达到解剖复位、肢体长度恢复、成角小于5°、力线恢复，是手术治疗效果的基本条件。符合生物力学的固定方法，是骨骼愈合的关键所在。早期无痛有效功能锻炼，是肢体功能恢复的保障。因此，进行手术合理的设计和周密的术前准备，是追求手术效果的关键所在。术前要认真分析骨折形态，制定复位和固定方法，设计最小创伤的手术切口和内固定置入方案。然而通过传统的影像学阅片，很难对骨折形态、关节骨折后的病理结构有全面的认识。而近年来兴起的单纯建立3D打印模型用于术前或术中的观摩和对比，一定程度上只是增加了对骨折形态的判断和认识，仍然没有将其作用进一步挖掘和发挥。

2 技术应用的原理及意义 在骨科专业方面，3D打印技术目前主要应用于骨骼及瘤体打印，用于辅助医学教学、治疗方案的拟定、手术技巧的设计、外固定装置的个体化设计[5]，以及体内特殊假体打印植入[6]等，并取得良好效果。手术辅助材料的打印对疾病的诊断和治疗有着重要的临床意义，例如在复杂骨折的分型、脊柱侧弯的分型、骨肿瘤的鉴别、关节损伤的严重程度判断等方面，目前已得到专业领域的广泛认可。

创伤骨科所面对的病例具有很大的随机性和完全的独特性，每一例病例受伤机制不同，机体损伤结果也有所区别，具体治疗细节也不相同[7]。所以在制定诊疗方案中，应用3D打印技术，将骨骼按照1∶1 的比例进行实体三维成型，首先进行明确、规范诊断，其次结合实体模型进行分析研究，甚至应用工科技术和医学解剖知识相结合，对模型进行个体化的加工重组，模拟骨折复位，再根据骨科复位固定要求及骨骼生物力学原理，设计出个体化的内固定材料。通过术前的诊断、分析，以及模拟复位固定、材料准备，术中制定最微创的方法，进行骨块复位，精确规划手术区域的有限显露，预先设计结构定型的固定材料，合理植入最大程度符合AO内固定原理的内植物装置。通过以上方法，能最大程度减小手术及治疗的创伤，缩短手术时间；同时减少手术出血，降低输血风险，缓解目前全社会血源不足现状；提高手术的精确度和准确性，改进治疗效果，提高痊愈率；减少手术并发症，降低创伤的致残率，提升骨科对疑难复杂损伤的治疗能力。

目前3D打印设备及材料的成本高、相关软件知识产权等问题[8]，是此项技术在医学专业领域推广的壁垒；另外，3D打印技术目前处于发展的初级阶段，其应用技术仍未达到一定高度，所打印模型的精细化程度不高的问题，仍需进一步解决和提升。

综上，通过 3D打印技术配合预制接骨板的方法治疗骨关节损伤，能够达到精准操作，解剖复位。能提高手术准确性，缩短手术时间，减少创伤及出血。能有效减少手术副损伤及并发症，术后能够早期功能锻炼，促进肢体功能恢复。三维成像实体模型还可以预先掌握手术会遇到的各种问题，从而使手术的安全性大大提高[9]；术中也可以随时参考模型，进行闭合复位固定，减小甚至无需切口，能保护骨膜的完整性，缩短骨质愈合时间[10]。术后软组织疤痕小，不影响外观及功能。三维成像实体模型结合定制固定装置，在手术操作中能够起到手术导航作用[11]，一般情况下能够置钉一次性成功，有效解决特殊部位的螺钉置入难度及术中反复调整的问题，从而获得更满意手术效果，符合精准医学要求。