3D打印骨折模型在肱骨遠端C型骨折中的應用

張忠巖，李玉波，王瑜，石立濤，金宇，楊小華

（承德醫學院附屬醫院，河北 承德 067000）

肱骨遠端C型骨折在全身骨折中發病率較高，占全身骨折的1%，肱骨骨折的30%，屬于關節內骨折[1]。其常累及雙柱，保守治療效果差，手術治療已達成共識。由于肘關節覆蓋的肌肉、血管及神經較多，復雜的關節面及干骺端粉碎骨折難以閉合復位。即使切開手術，復位和固定也較困難，導致部分關節功能恢復不理想。目前術前對骨折的了解大多來自X射線片、CT或三維重建，很難對骨折整體情況完整顯示[2-3]，多數情況下需要術中探查，再決定手術方式。3D打印技術在骨科領域應用越來越廣泛，打印出部位實物模型及導航模板指導個性化手術逐步應用于臨床[4-5]，3D打印可幫助醫生了解患者骨折部位、類型及移位程度，對病情做明確的評估；另外可根據模型，用不同術方法進行術前模擬手術，制定個體化手術方案，使手術更為精確。本院采用3D打印技術打印骨折模型結合雙側鎖定鈦板治療肱骨遠端骨折患者27例，取得滿意的臨床效果。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選取2013年1月—2017年1月承德醫學院附屬醫院收治的手術治療肱骨遠端C型骨折患者59例作為研究對象，根據患者自愿原則進行分組。其中，27例選擇采用3D打印技術打印骨折實物模型輔助手術操作作為3D打印組，32例常規手術組按照傳統方法進行手術作為傳統手術組。3D打印組：男性17例，女性10例；年齡18～75歲，平均（42.4±18.1）歲；左側16例，右側11例；按照AO/OTA分型，C1 8例，C2 6 例，C1 3 例 ；受傷時間 3 ～ 14 d，平均 7.2 d ；合并傷6例。傳統手術組：男性19例，女性13例；年齡21～76歲，平均（41.8±17.6）歲；左側17例，右側15例；按照AO/OTA分型，C1 11例，C2 9例，C12例;受傷時間3～13 d，平均7.4 d；合并傷9例。排除標準：①合并嚴重心、肺、腦等多器官疾病，無法耐受手術治；②合并同側上肢血管、神經損傷；③因開放性骨折導致感染；④多發傷、失血性休克無法糾正導致死亡；⑤隨訪資料不完整或患者依從性較差。兩組一般資料比較，差異無統計學意義（P＞0.05），具有可比性。

1.2 術前準備

入院后給予石膏固定，患肢制動，消腫止痛對癥治療，完善相關檢查，年齡＜60歲常規行心臟彩超檢查，術前常規行肘關節正側位、CT三維重建檢查。

3D數據采集：三維圖像的構建及三維打印技術采用64排CT平掃數據（層距0.5 mm），電壓120 kV，電流150 mA，導入三維重建軟件Mimics，對Mimocs斷層圖像編輯完成后，以STL的格式輸入到3D打印機，調整打印方位，就可以打印出實體模型進行手術設計。在體外選擇合適型號的鋼板，對個體差異進行鋼板適度塑型，確定內固定物與骨折塊貼附良好及同時用螺釘進行骨折的固定，記錄手術所選鋼板型號和螺釘數目、長度、位置、方向及角度等數據，將塑型的鋼板及螺釘送手術室消毒備用。

1.3 手術方法

以肱骨遠端C3型骨折為例，麻醉后患者側臥位，自肘關節后正中切口，至尺骨鷹嘴下逐層切開。首先于尺神經溝游離并保護尺神經，牽向內側，顯露肱尺關節后側，切開關節囊，找到半月切跡裸區，行尺骨鷹嘴V型截骨，將尺骨鷹嘴斷端連同肱三頭肌牽向近側，顯露骨折端，肱骨髁間骨質粉碎，有多條骨折線及數枚骨折塊，關節面不平整，肘關節失去正常對位關系，清理骨折端后，依據3D模型骨折情況進行復位，復位滿意后，用數枚克氏針固定骨折斷端，將C型骨折變為A型，肱骨遠端后外側及內側根據術前計劃塑型放置2枚鈦板，如關節面固定不穩定，用1、2枚空心螺釘固定，再次透視；見關節面平整，用一枚鈦板或克氏針張力帶固定尺骨鷹嘴骨折斷端，被動活動良好，無異常活動，將尺神經前置，留置2枚引流管，逐層縫合后，關閉創口。

1.4 術后處理

患肢抬高有利于消腫，采用三角巾懸吊或石膏托固定，術后患者進行肌肉等長收縮鍛煉，6周后根據骨折愈合情況逐步進行抗阻力鍛煉。術后3個月復查1次/月，術后3～12個月復查1次/2個月。

1.5 術后隨訪及評價

術后3個月記錄按照Mayo評分從疼痛、活動度、穩定性及生活功能4方面進行功能評估，滿分100分：90～100為優；75～89分為良；60～74為可；＜60為差，評價肘關節功能。測量術后6個月肘關節活動度。記錄所有患者手術時間、透視次數、術中出血量、術后骨折愈合時間及術后并發癥發生率。

1.6 統計學方法

數據分析采用SPSS 19.0統計軟件。計量資料以均數±標準差（±s）表示，比較用t檢驗，計數資料以率（%）表示，比較用χ2檢驗，P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 兩組手術時間、術中透視次數及術中出血量比較

兩組手術時間、術中透視次數及術中出血量比較，差異有統計學意義（P＜0.05）；3D打印組手術時間、術中透視次數及術中出血量低于傳統手術組。見表1。

2.2 兩組術后3個月Mayo評分比較

兩組術后3個月Mayo評分比較，差異有統計學意義（χ2=3.882，P=0.049）；3D打印組術后3個月Mayo評分優于傳統手術組。見表2。

表1 兩組手術時間、術中透視次數及術中出血量比較（±s）

表1 兩組手術時間、術中透視次數及術中出血量比較（±s）

術中出血量/ml 3D 打印組 27 116.8±6.6 3.8±1.4 164.7±40.6傳統手術組 32 164.6±5.7 5.2±1.7 247.9±36.8 t值 6.531 3.376 8.232 P值 0.000 0.003 0.000組別 n 手術時間/min術中透視/次

表2 兩組術后3個月Mayo評分比較

2.3 兩組術后6個月關節活動度及骨折愈合時間比較

兩組術后6個月關節活動度及骨折愈合時間比較，差異有統計學意義（P＜0.05）；3D打印組術后6個月關節活動度優于傳統手術組，而骨折愈合時間早于傳統手術組。見表3。

2.4 兩組手術并發癥發生率比較

兩組手術并發癥發生率比較，差異無統計學意義（χ2=0.481，P=0.488）；3D打印組手術并發癥發生率低于傳統手術組。見表4。

2.5 病例情況

患者女性，63歲，摔傷致右肘疼痛，活動受限2 h入院。診斷：右側肱骨遠端AO-C3型骨折，術前行X射線、三維重建檢查，3D打印圖片及術前模擬復位固定；患者術后第2天及術后半年復查X射線顯示，術后半年肘關節功能屈伸活動良好。見圖1～4。

表3 兩組術后6個月關節活動度及骨折愈合時間比較（±s）

表3 兩組術后6個月關節活動度及骨折愈合時間比較（±s）

骨折愈合時間/周3D 打印組 27 108.3±8.9 155.5±7.5 13.6±2.1傳統手術組 32 95.3±9.2 125.8±8.3 14.2±2.3 t值 3.563 5.621 1.431 P值 0.003 0.000 0.625組別 n 肘關節屈伸活動度/（°）前臂旋轉活動度/（°）

表4 兩組手術并發癥發生率比較

圖1 右側肱骨A0-C3型骨折

圖2 術前X射線三維重建

圖3 3D打印圖片及術前模擬復位固定

圖4 恢復情況

3 討論

肱骨遠端C型骨折是肘關節嚴重創傷，常合并干骺端及關節面粉碎、壓縮缺損或神經血管損傷。骨折端不易堅強固定，術后常常有畸形愈合，骨折不愈合、對位及對線不佳等并發癥[6]。肱骨遠端骨折后，怎樣獲得功能良好且無痛的肘關節，最重要的是重建關節面的解剖結構，恢復肱骨遠端的三角形框架結構。如果早期固定穩定，便可以進行全面的康復鍛煉。肱骨遠端骨折多合并老年骨質疏松、骨量低下，螺釘與鋼板之間的穩定性很容易發生改變，臨床既要達到骨折愈合，又要獲得關節的靈活性，其是治療的難點。筆者更傾向鎖定雙鋼板固定，鎖定鋼板能牢固固定骨折塊，且可更好的進行骨折端重建，提供堅強固定有利于早期功能鍛煉，療效改善，其已逐步成為治療肱骨遠端C型骨折標準手術方式[7-8]。

傳統的X射線及CT平掃受角度或骨塊重疊干擾，難以確定骨折的移位方向、壓縮，特別是關節周圍粉碎骨折。盡管CT三維重建可多角度觀察骨折走向，但也是二維平面顯示，術中醫師只能根據記憶的三維模型進行復位[9]，受術者的臨床經驗及操作技巧限制，學習曲線較長。3D打印技術是采用數字模型，應用粉末狀或液體的塑料或金屬的可黏合材料，通過逐層打印方式構建實物模型的技術[10]。醫生能在術中任意角度觀察骨折的3D打印實體模型，有助于對骨折部位做出最準確的評估，制定科學合理的治療方案。在膝、肩、肘及骨盆等關節周圍復雜的骨科手術領域，3D打印應用越來越廣泛，取得很好的臨床效果，3D打印技術為現實手術及虛擬手術架設一座橋梁。官建中報道[11]在發育性髖關節脫位的患者中實用3D打印技術進行治療，精確制定手術計劃、模擬手術，取得很好的臨床效果。吳新寶報道[12]利用3D打印技術制作陳舊性骨盆骨折模型，在骨盆模型進行截骨、復位標記、內固定物塑型，手術順利完成，達到預期目標。本研究比較傳統手術與應用3D打印技術打印骨折模型治療肱骨遠端骨折肱骨遠端C型骨折，傳統手術常規行X射線、三維CT檢查，行傳統手術方式，3D組打印3D骨折部位模型模擬手術，手術按照術前設計方案實施。本研究發現，3D打印組和常規手術組比較，手術時間、術中透視次數、術中出血量減少，這和術前精準設計密切相關。術中按照術前計劃實施，肘關節功能也優于常規手術組，3D組更少的剝離軟組織，解剖復位的概率更高，術后可以更早的功能鍛煉避免關節僵硬。在骨折愈合時間及術后并發癥方面，兩組差異不大，可能與研究樣病例較少有關，存在一定局限性。

筆者認為，3D打印組與常規的手術組有以下優勢：①3D打印技術打印出1∶1實物模型，可讓醫生直觀、立體、更全面了解骨折走向，骨折塊大小，壓縮骨質的缺損程度，在模型上直接測量。同時患者也可通過對骨折模型對自己病情有充分認識，有利于醫患溝通，提高患者依從性，對提升患者滿意度方面有積極影響[13-14]；②手術中常常遇到內固定物材料與骨面貼附不理想或螺釘角度不佳，需要術中多次塑形或調節螺釘方向，才能達到合適位置。在3D模型基礎上，進行骨折復位，鈦板塑形，術中鈦板可完美貼附于復位后骨折端，且確定鈦板及螺釘合適的位置、角度、長短，條件允許情況下可打印出個體化的鋼板及螺釘[15-16]。由于術前精確設計，充分了解骨折塊之間關系、有助于術中減少過多軟組織剝離并且保護皮膚血供，簡便手術過程，預手術節約手術時間及軟組織暴露，減少出血量及術中需要透視時間；③由于術中血管、神經、肌肉或軟組織遮擋，視野有限，特別是復位關節面粉碎骨折操作難度大，術前可以根據模型對骨折塊及周圍解剖進行標識，有助于術中內置物放置及骨折的解剖復位。陳克[17]在治療跟骨骨折中，對跟骰關節、載距突、跟骨結節為定位錨點，進行內置物裁剪，復位，植骨，取得很好的臨床效果；④如術中需植骨，術前可在數字模型基礎上準確獲得骨缺損量，只靠臨床經驗植骨可能有一定偏差。筆者在3D打印組有2例C3型肱骨小頭、肱骨滑車粉碎嚴重、無法修復，在3D模型輔助下，明確骨質缺損大小、形狀，進行關節面測量，術中取髂骨進行關節面重建，手術時間明顯縮短，取得很好臨床效果。

3D打印優點較傳統手術優勢明顯，但也存在一定局限性：①費用昂貴，特別是復雜骨折需個體化定制內植物，在基層醫院甚至絕大部分難以普及；②由于打印出實體骨骼模型，脫離肌肉、血管、神經等軟組織，且打印精準度上受關節軟骨的影響仍需要提升[18]，在實際術中操作存在一定局限性；③從患者完善三維重建等相關資料到打印模型，3D打印花費時間較長，不適應于急診手術；④現有比較成熟的3D打印材料種類有塑料、陶瓷、金屬等，無法滿足臨床醫生的所有要求，特殊用途的材料如羥基磷灰石、透明質酸等具有組織相容性和安全性的生物材料有待于進一步研究。

綜上所述，應用3D打印骨折模型輔助治療復雜的肱骨髁間骨折較傳統方式優勢明顯，其不僅節約手術時間，減少出血量，在術后關節功能恢復上療效更佳。雖然3D打印存在一些不足，但隨著技術改進，打印效率不斷提高，在未來的骨科領域中，會應用越來越廣泛。