3D打印手术导板辅助骶髂螺钉置钉治疗骶骨骨折

游木荣，樊志强，叶海民，董谢平，邹华春

(1.江西省人民医院骨科，江西 南昌 330006；2.江西省人民医院影像科，江西 南昌 330006)

骶骨是维持骨盆后环稳定性的重要组成部分，骶骨骨折多由交通伤、高处坠落伤等高能量暴力损伤引起，约占全部骨盆骨折的30%[1]。髂骶关节螺钉用于治疗不稳定的骶骨纵行骨折，生物力学性能良好，已经成为治疗垂直骶骨骨折的常用内固定装置，可以切开或经皮置入[2]。经皮固定具有微创、出血少、并发症低等优点，但技术上具有挑战性。由于骶髂螺钉进钉点缺乏可靠的骶髂解剖及放射学标志，徒手经皮C型臂透视下置钉容易导致螺钉穿破骨皮质引起骶神经、髂内动静脉、闭孔神经及盆腔内重要脏器的损伤[3-5]，因此如何提高置钉准确性是急需解决的问题。

随着数字骨科和3D打印技术的发展，将导板应用于骨科部位的复杂螺钉置入技术已比较成熟。国内多家医院已开始采用3D打印个体化导板来辅助骶髂关节螺钉置钉，术中通过导板的导向孔，精确引导骶髂螺钉置入，有效减少置钉产生的并发症[6-7]。

江西省人民医院自2018年1月到2021年6月期间，采用个体化的3D打印手术导板辅助骶髂关节螺钉置钉治疗不稳定的Denis Ⅰ、Ⅱ型骶骨骨折10例，临床效果满意，现报告如下。

1 资料与方法

1.1 一般资料 纳入标准：(1)年龄大于18岁；(2)新鲜骨折，受伤时间小于3周者；(3)Denis Ⅰ、Ⅱ型骶骨纵行骨折不合并骶神经损伤者；(4)骶骨骨折通过闭合牵引达到复位标准者；(5)随访时间≥12个月。排除标准：(1)S1或S2椎体发育畸形者；(2)严重的骨质疏松者；(3)S1椎体粉碎性横向骨折或移位无法闭合复位者；(4)骶骨骨折影像学显示骶孔有骨块嵌入或伴有骶神经损伤者；(5)合并其他器官严重病变不能耐受手术者。

本研究共纳入10例患者，年龄19～62岁，平均(34.72±12.45)岁；受伤机制：车祸伤6例，高处坠落伤3例，塌方砸伤1例。Denis分型：Ⅰ型骨折4例，Ⅱ型骨折6例；受伤至手术时间为5～16 d。

1.2 骶骨骨折模型及骶髂螺钉置钉导板的制备 入院后对骶骨骨折移位的患者进行骨牵引复位，待骨折移位基本纠正后再进行全骨盆CT薄层扫描。扫描参数为：电压120 kV，矩阵512×512，层厚为0.625 mm，数据以DICOM格式导入Mimics19.0软件进行三维重建；使用Mimics软件的Medcad模块绘制出直径7.3 mm的圆柱体，该圆柱体可被自由移动和旋转，将髂骨及骶椎透明化，在各个角度观察下将圆柱体跨骶髂关节在S1或S2椎体上模拟置入骶髂螺钉；根据骶椎具体情况设计单枚S1螺钉、2枚S1螺钉、单枚S2螺钉或S1S2螺钉之间的组合，以圆柱模拟骶髂螺钉，调整圆柱位置使其始终处于骶骨骨性结构内，以此模拟出置钉的安全通道。选取髂后上棘后部与髂骨翼后下方外板骨性结构区域为蒙板区，膨胀增厚3 mm形成置钉导板的基座，以直径7.3 mm的圆柱体为中心绘制出直径11 mm和6 mm的圆柱体，通过布尔运算生成内径6 mm、外径11 mm的空心导管并与基座连接，完成导板的设计。最后将设计好的导板以STL格式数据导入3D打印机，以光敏树脂为原料打印制作出导板。共设计和打印出10个骨盆骶骨模型及13个导板。

1.3 手术方法及导板的使用 术前通过3D打印的技术得到1︰1的骨盆骶骨骨折模型及配套的骶髂螺钉置钉导板，直观了解骨折具体情况，将导板与打印的骨盆骨折复位模型髂后上棘贴服，通过导板进行骶髂螺钉置钉模拟演练，观察导板引导置钉准确(见图1)。

患者全麻，取俯卧位，沿髂后上棘表面皮肤做8 cm弧形切口，剥离周围的软组织，显露髂后上棘及周围部分髂嵴，按术前演练的方法，主刀医生将预先消毒好的导板紧密贴服于术前选定的髂嵴及髂骨外板粗糙面，确认贴服紧密无松动；沿导板导向孔用电钻钻入1枚直径2.5 mm，长25.0 cm的克氏针，根据术前设计模拟螺钉长度控制克氏针进入深度，C型臂透视骨盆正侧位、出入口位片，仔细确认克氏针位置及进入深度。取下导板，再次准确测量螺钉置入长度后，拧入直径7.3 mm空心拉力螺钉，C型臂再次透视确认骨盆骨折复位情况及螺钉位于骶椎椎体内，拔除克氏针，冲洗后缝合伤口。合并骨盆其他部位骨折者，根据骨折情况术中切开或微创经皮置入重建钢板或螺钉以固定骨折部位。10例患者中，共使用13个导板，其中3例患者双侧置钉，共置钉23枚。

1.4 随访及置钉效果

1.4.1 影像学评价置钉安全性 术后10例患者均复查骨盆正位、出口位及入口位X线片、CT薄层平扫及三维重建。通过横断面、冠状面、矢状面判断螺钉的位置、置钉准确性参照Smith等[8]介绍的方法：(1)0级：螺钉完全位于骶椎椎体内；(2)Ⅰ级：螺钉穿破骶椎前皮质或椎管皮质或骶孔，穿出部分2 mm；(3)Ⅱ级：螺钉穿破骶椎前皮质或椎管皮质或骶孔，穿出部分4 mm；(4)Ⅲ级：螺钉穿破骶椎前皮质或椎管皮质或骶孔，穿出部分4 mm。0级定义为置钉准确。

1.4.2 Mimics软件评价置钉精确性 将所有患者术后复查的CT扫描数据再次以DICOM格式导入Mimics19.0软件，重建螺钉和骨盆三维模型，将置钉前后的骨盆模型进行拟合，拟合后测量并比较术前模拟螺钉轨迹及术后实际螺钉轨迹：在横断面上投影与椎体正中矢状面的夹角(transverse angle，TA)，在冠状面上的投影与水平面的夹角(coronal angle，CA)。

1.4.3 功能随访 末次随访采用Majeed功能评分系统[9]，评价内容包括疼痛30分，工作20分，坐10分，性功能4分，站36分(其中辅助行走12分、步态12分、步行距离12分)5个指标，总分为100分。85～100分为优，70～84分为良，55～69分为中，<55分为差，观察并发症情况。

2 结 果

2.1 置钉的准确率 本研究10例病例共使用骶髂关节螺钉引导导板13个，共置入23枚螺钉(3例双侧置钉)，骶髂螺钉置入过程顺利，操作简便，导航模板贴合锚定性良好，通过对置钉后骨盆标本三维CT横断面及矢状面进行评价，置入的23枚骶髂螺钉中，按照Smith法判定准确性：22枚完全位于骶椎椎体内，判定为0级，准确率95.65%；仅1枚穿出骶椎进入骶管，评为Ⅰ级(4.34%)。

2.2 置钉的精确性 10例患者共23枚螺钉均穿透骶髂关节进入骶椎椎体内，Mimics软件中测量术前模拟螺钉轨迹TA角(78.06±1.98)°，CA角(7.23±1.39)°，术后复查测量实际螺钉轨迹TA角(77.67±1.76)°，CA角(6.24±1.05)°，两者比较差异均无统计学意义(P>0.05)，说明术前模拟螺钉轨迹与术后实际螺钉轨迹高度一致，两者进钉角度差异无统计学意义(见表1)。

表1 术前模拟螺钉轨迹与术后实际螺钉轨迹测量角度值比较

2.3 随访及功能结果 本研究10例患者全部得到随访，随访时间12～28个月，平均(15.45±4.68)个月，末次随访时骶骨骨折均达到临床愈合，无螺钉松动、断裂、移位现象，无一例发生医源性血管、神经损伤并发症。末次随访依据Majeed功能评分标准进行疗效评价，优8例，良2例。

2.4 典型病例 (1)31岁男性患者，高处坠落伤，诊断为双侧骶骨DenisⅡ型纵行骨折，左侧胫腓骨骨折。伤后7 d行3D打印手术导板辅助骶髂螺钉置钉骶骨骨折内固定、左胫腓骨骨折切开复位内固定术，术中操作顺利，术后X线片显示骶骨骨折内固定良好。手术前后影像学资料见图1～4。(2)42岁男性患者，不慎被机器夹挤骨盆前后，诊断为骨盆骨折C3型、尿道断裂。伤后急诊行泌尿外科尿道会师耻骨上膀胱造瘘术，10 d后行3D打印导板引导下的C3型骨盆骨折全螺钉内固定术，术中操作顺利，术后X线片及CT显示骶骨骨折内固定良好。手术前后影像学资料见图5～8。

图1 术前X线片及CT示骶骨纵行骨折 图2 术前骨盆三维重建与骶髂螺钉置钉导板设计

图3 术中3D打印导板辅助骶髂螺钉置入 图4 术后X线片及CT示螺钉位置满意

图5 术前X线片及三维CT示C3型骨盆骨折 图6 骨盆骶髂关节螺钉、耻骨螺钉、髋臼螺钉通道虚拟路径设计

图7 术中骶髂螺钉导板引导下置入骶髂关节螺钉 图8 术后X线片及CT三维重建示位置满意，并进行螺钉角度测量(CA角、TA角)

3 讨 论

3.1 骶骨骨折的治疗现状 不稳定骶骨骨折常用的内固定方式包括后方张力带钢板固定、髂腰钉棒固定、三角固定等[10-12]。后方经皮张力带钢板能较好地维持骨盆后环水平方向的稳定性，但是无法提供脊柱骨盆间的垂直稳定性。髂腰钉棒固定多用于复杂骶骨骨折或脊柱骨盆分离的严重骨折，生物力学研究证实其稳定性是后路骨盆固定中最佳的，可以重建骨盆环与腰骶关节的稳定性，有助于患者早期负重活动，但缺点是手术创伤大、有切口感染、髂骨螺钉凸起压迫皮肤等并发症。而骶髂关节螺钉具有创伤小、感染风险低、患者功能恢复快、固定牢靠等优点，已经成为治疗骶骨骨折及骶髂关节损伤的有效方法。目前常用的骶髂螺钉固定方式有：单枚S1螺钉、单枚S2螺钉、2枚S1螺钉、单枚S1或2枚S2螺钉或单枚S2螺钉的组合、S1贯穿螺钉等。但是由于骶髂关节及骶解剖结构复杂，操作不当会导致螺钉穿透骶骨皮质损伤骶椎周围的血管神经。为避免这种潜在的并发症，国内外学者对置钉技术进行了大量的探索和实践[13-15]，如O型臂手术导航系统、3D打印个体化导航模板、双平面机器人导航、骶髂螺钉内固定导向器等，这些先进的辅助置钉技术提高了置钉的安全性和精确性。但O型臂导航系统及机器人导航虽可明确提高置钉准确性，X线辐射量低，但这种技术需要配置价格昂贵的设备、操作复杂、成本高、学习曲线长、难以得到广泛应用。目前哪种技术辅助骶髂关节螺钉置入最佳尚无定论。

3.2 3D打印导板辅助骶髂螺钉置钉治疗骶骨骨折的优势 3D打印骶髂关节导板是依据骨盆CT扫描数据，通过软件设计的而得到的钉道导向模板，为置入骶髂螺钉提供了一种简便的导向装置，实现了螺钉快速精准微创置入[16]。术前通过CT数据采用3D打印技术构建骨盆三维模型，计算机上模拟设计骶髂关节螺钉进钉点、螺钉方向及螺钉置入长度，并设计配套的导板；通过3D打印得到1︰1骨盆骶骨骨折实物模型，在骨盆模型上通过导板模拟螺钉的置入并观察通道的准确性；术中将导板与髂后上棘及邻近的髂棘贴服，在导板引导下置入骶髂螺钉，降低了手术难度，临床实用价值较高。Wu等[17]回顾性分析了19例采用3D打印手术导板辅助骶髂螺钉置入的骶骨骨折患者，共置入42枚螺钉(30枚置入S1，12枚置入S2)；通过髂后上棘约5 cm的切口，剥离软组织显露骨面，将导板与之贴服，通过导板成功置钉，实现了骶髂螺钉快速、精准的置入，没有发生血管神经的损伤。刘毅等[18]采用3D打印导板引导骶髂螺钉置钉治疗5例骨盆后环骶髂关节复合体损伤患者，先获取患者术前骨盆CT扫描数据，导入Mimic软件三维重建骨盆骨折三维模型，采用计算机模拟骶髂关节螺钉进钉点及进钉通道并设计骶髂螺钉钉道导板，最后打印出骨折模型和导板实体，在术前进行模拟试验。研究表明，应用3D打印导板辅助骶髂螺钉置钉，手术简便，可快速、准确置入骶髂螺钉。

本研究中，笔者通过3D打印导板辅助骶髂螺钉置钉治疗10例骶骨骨折患者，共置入骶髂螺钉23枚，22枚完全位于骶椎椎体内，评为0级，准确率95.65%；另外1枚穿出骶椎进入骶管评为Ⅰ级(4.34%)，但没有骶神经症状，末次随访时骶骨骨折均达到临床愈合，无内固定失败及骶血管、神经损伤并发症。末次随访依据Majeed功能评分标准进行疗效评价，优8例，良2例。术前模拟螺钉轨迹与术后实际螺钉轨迹高度一致，两者进钉角度差异无统计学意义，进一步证明3D打印导板辅助置入骶髂螺钉准确，安全性高，疗效确切。

3.3 3D打印导板辅助骶髂螺钉置钉的局限性 采用该方法也有一定的缺陷，力学稳定性要弱于髂腰钉棒固定，也存在螺钉内固定把持不足风险，仅适用于骶骨垂直骨折通过牵引能基本复位者；复位不佳的骶骨解剖结构错乱，置钉的安全性低，需要行切开复位后才能行骶髂螺钉固定；如果骶骨骨折同时合并骶神经症状，需先行骶管切开减压骶神经探查才能置钉；一些特殊的病例不宜采用该方法：如骶骨变异、骶骨骨缺损、严重的骨质疏松等。而且导板的正确放置至关重要，如导板与骨面贴服有误差，也可能会导致螺钉位置偏移引起医源性血管神经损害，且放置导板时需切开剥离导板底座骨面的软组织，显露髂后上棘骨性标志，较传统经皮置钉创伤更大。同时也需要结合术中C型臂透视确认导针位置，才能实现一次性置钉。

总之，3D打印导板引导骶髂螺钉置钉治疗骶骨纵行骨折，准确、安全、有效、降低了手术难度，操作简便，实现了此种类型骨折的快速、微创、精准治疗，但本研究病例数不多，还需进一步积累手术量和观察远期疗效。