虛擬手術設計結合3D打印在復雜髖臼骨折治療中的應用

朱海泉,尚修超,孟祥圣,劉子敏,井 晟,孫 曉

連云港市第一人民醫院急診外科,江蘇 連云港 222002

髖臼骨折是外界高能量暴力因素導致的關節內骨折,臨床將其分為5種簡單骨折(前柱骨折、后柱骨折、前臂骨折、后壁骨折、橫斷骨折)和5種復雜骨折(前柱或前壁骨折伴后半橫形骨折、后柱伴后壁骨折、T形骨折、雙柱骨折、橫形伴后壁骨折)，其中復雜髖臼骨折更為常見，約占髖臼骨折的44%[1-2]。臨床常通過手術治療恢復骨折部位解剖結構的完整性，修復損傷髖關節，減少致殘情況的發生[3]。復雜髖臼骨折常規手術治療過程中要不斷解剖復位及塑形，同時還要注意螺釘的置入情況，對患者造成較大的創傷，不利于患者術后恢復[4]。對傷情進行科學評估并進行精確的術前規劃有利于提高臨床治療效果，改善患者預后。近年來，國內外研究均已證實3D打印技術在復雜髖臼骨折治療中具有獨特優勢[5-6]，虛擬手術規劃是一項不斷發展的技術，通過數字化技術為患者制訂精確化、最優化的手術方案，不僅可以重現結果，而且可以幫助醫師更好地了解骨折類型和術前規劃。但關于實際手術方案與術前虛擬方案直接對比的報道較少，無法客觀說明虛擬手術設計的有效性。基于此，本研究回顧性分析筆者醫院急診外科2017年2月—2020年2月收治復雜髖臼骨折患者80例，探討虛擬手術設計結合3D打印在復雜髖臼骨折治療中的應用，為臨床治療復雜髖臼骨折提供參考。

臨床資料

1 一般資料

納入標準：(1)年齡27～62歲；(2)Judet-Letournel分型為復雜型骨折；(3)經X線片、CT等影像學檢查確診；(4)受傷時間≤2周。排除標準：(1)病理性骨折、坐骨神經損傷、開放性骨折、下肢其他部位骨折、嚴重骨質疏松、陳舊性骨折；(2)手術耐受性較差；(3)合并心臟病、凝血功能障礙及腎、肝等多器官嚴重損傷。

本組復雜髖臼骨折患者80例，男性47例，女性33例；年齡27～62歲，平均44.0歲。按照手術方法不同分為3D組(36例)和常規組(44例)，3D組行虛擬手術設計結合3D打印，男性21例，女性15例；年齡28～60歲，平均43.8歲；砸傷4例，墜落傷9例，道路交通傷23例；受傷至手術時間2～12d，平均7.7d；前柱伴后半橫行骨折8例，T型骨折16例，雙柱骨折12例；手術入路：髂腹股溝入路9例，Kocher-Langenbeck(K-L)入路13例，髂腹股溝入路聯合K-L入路14例。常規組行常規手術治療，男性26例，女性18例；年齡27～62歲，平均44.1歲；砸傷6例，墜落傷11例，道路交通傷27例；受傷至手術時間2～13d，平均8.0d；前柱伴后半橫行骨折11例，T型骨折19例，雙柱骨折14例；手術入路：髂腹股溝入路13例，K-L入路18例，髂腹股溝入路聯合K-L入路13例。兩組患者一般資料比較差異無統計學意義(P>0.05)。

2 手術方法

手術均由同一主刀醫師及團隊完成。術前兩組患者均行髂骨斜位、閉孔斜位、骨盆正位CT掃描及X線片檢查，確定骨折類型。均接受全麻插管麻醉，并給予小劑量右美托咪定緩解術后譫妄煩躁，切皮前30min預防性給予抗生素五水頭孢唑林鈉(2g，靜脈滴注)，術前靜滴氨甲環酸1g，減少術中出血。患側使用無菌腳套包扎，方便術中牽引。

3D組：術前采用0.5mm薄層CT掃描患者骨盆，將掃描所得圖像導入Mimics14.11軟件(比利時Materialise公司)進行三維重建，通過軟件對三維重建圖像進行碎骨塊分割，用不同顏色標記分割開的碎骨塊。使用軟件模擬選項中的復位功能，經旋轉、移動等方式后對碎骨塊進行復位，對骨盆髖臼解剖形態進行重建。以骨折線方向及位置為參考，確定內固定物的放置方式。使用軟件模擬功能對螺釘數量、方向、進入角度、鋼板預彎程度及螺絲釘鋼板最佳位置進行模擬設計，記錄詳細數據，為手術開展作參考。保存模擬復位后的骨盆并發送至3D打印機桌面軟件，對打印支持材料、溫度、分辨率等參數進行設定，按照等比例打印出重建后患者骨盆實物模型。將內固定物和三維模型進行貼合模擬，根據模擬情況微調預彎內固定物，確保骨塊能和內固定物良好貼合。術前將螺釘和預彎板送至手術室消毒備用。術中，使用擬定型號的骨刀在關節軟骨下方10mm處進行撬撥復位，按照虛擬手術情況將預彎板植入，并重建接骨板，固定髖臼表面或邊緣骨塊，按照虛擬手術情況將備好的螺釘進行固定。確定止血后對創面進行沖洗，放置引流管，逐層縫合皮膚。

常規組：撬撥復位壓縮關節面，避免骨折塊上附著的軟組織損傷，完成復位后，修剪接骨板并進行塑形，在髖臼表面或邊緣骨塊固定，解剖塑形重建板，使后柱、后壁固定。確定止血后對創面進行沖洗，放置引流管，逐層縫合皮膚。

術后兩組患者均預防性給予抗生素防止感染，術后1周臥床，并進行患側踝關節屈伸、股四頭肌伸縮等訓練，術后1個月被動、主動屈伸踝關節、膝關節及髖關節。

3 觀察指標

(1)手術情況：比較兩組患者術中出血量、手術時間、透視次數等指標。(2)骨折復位情況：術后7d復查X線片，測量X線片上骨折分離距離，骨折復位標準[7]，優：位移≤1mm；良：1mm<位移≤3mm；差：位移>3mm。骨折復位優良率=(優+良)/總例數×100%。(3)髖關節功能恢復情況：術后6個月，使用Merle D’Aubign評分[7]評估兩組患者髖關節功能，優：得分≥18分，良：15≤得分<18分，可：13≤得分<15分，差：得分<13分。髖關節功能優良率=(優+良)/總例數×100%。(4)并發癥發生率：比較兩組患者創傷性關節炎、骨神經牽拉、異位骨化、切口感染等并發癥發生情況。

4 統計學分析

結 果

患者均通過門診隨訪8～15個月，平均12.2個月。3D組術中出血量、手術時間、術中透視次數、住院時間均少于常規組(P<0.05)。見表1。3D組骨折復位優良率92%高于常規組73%(P<0.05)。見表2。3D組髖關節功能優良率94%高于常規組77%(P<0.05)。見表3。兩組并發癥發生率比較差異無統計學意義(P>0.05)。見表4。典型病例見圖1。

圖1 患者男性，47歲，交通事故傷致左髖臼骨折、左髖節后脫位，分型為雙柱骨折，行虛擬手術設計結合3D打印治療。a.術前骨盆X線片；b.術前骨盆CT薄層掃描；c.CT圖像在Mimics14.11軟件中進行三維重建；d.在Mimics14.11軟件分割骨塊進行虛擬復位后的三維圖像；e.重建圖像經3D打印機打印后，將數字鋼板在模型上進行塑形；f.術后7d X線片顯示內固定位置良好；g.術后7d三維重建顯示內固定位置良好；h.術后6個月隨訪X線片顯示骨折愈合良好

表1 兩組手術情況比較

表2 兩組術后骨折復位情況比較[n(%)]

表3 兩組術后6個月髖關節功能恢復情況比較[n(%)]

表4 兩組并發癥發生率比較[n(%)]

討 論

隨著高空作業及機械化作業的增加，髖臼骨折發生率不斷升高[9]。復雜髖臼骨折關節面被嚴重破壞，出現明顯移位，且為粉碎性骨折，治療難度較大[10]。有報道指出，復雜髖臼骨折患者治療不當可能導致肢體畸形、關節活動障礙等后遺癥[11]。因此，術前充分了解患者骨折情況對治療極為重要。常規手術一般通過CT掃描及X線片了解骨折信息，但骨折塊重疊、角度遮擋等因素使醫師無法通過觀察二維平面圖像準確了解立體骨骼結構，最終影響醫師對骨折類型的確定及手術方案的制定，存在較大的局限性[12]。隨著數字醫學及影像學的發展，基于患者薄層CT掃描數據對骨折塊進行三維重建、模擬復位和虛擬手術操作在臨床得到廣泛應用。虛擬手術設計使手術醫師在術前準確了解患者關節面損傷情況及骨折塊的形態，幫助醫師規劃治療方案并進行模擬手術，有利于術中更好地復位骨折塊[13]。虛擬手術設計結合3D打印可以準確、直觀、全面地反映骨折部位解剖結構及骨折的立體形態，相比于常規術前規劃的優勢更為突出[14]。

本研究結果顯示，3D組術中出血量、手術時間、術中透視次數、住院時間均少于常規組，提示虛擬手術設計結合3D打印能避免術中大出血，縮短手術時間，減少透視次數，促進術后恢復。髖臼骨折斷端動靜脈叢出血較多且骨折部位的血供較豐富，常規手術在術中需要對接骨板進行塑形比對，會導致術中出血量及手術時間明顯增加。髖臼具有復雜的解剖結構，在骨折復位手術中精準固定的難度較高，為了達到較好的復位效果，常規手術治療在術前及術中需要進行多次透視判斷髖臼骨折情況。虛擬手術設計由圖像分割、骨折復位和內固定虛擬置入等3個步驟組成，圖像分割是虛擬手術設計中最重要的環節，能夠判斷骨折分型，選擇合理的手術治療方案[15]。虛擬手術設計幫助醫師確定不同骨折塊間的位移和位置，找出放置鋼板的最佳位置及螺釘置入的角度、長度，有效縮短手術時間，避免術中多次透視。醫師在術前進行多次模擬演練，熟悉手術操作過程，使實際手術中的操作更為精確，減少對不必要組織的損傷。國內研究證實，髖臼骨折固定中虛擬手術設計結合3D打印在術前可對手術過程進行一系列模擬設計，做好術前規劃，有利于減少術中出血量及手術時間，具有良好的臨床應用價值[16-17]。

本研究中3D組術后髖關節功能優良率、解剖復位優良率均高于常規組，表明虛擬手術設計結合3D打印有利于骨折復位，能促進術后髖關節功能恢復。虛擬手術設計結合3D打印在術前了解骨折的空間解剖結構，并結合髖臼骨折的真實情況制定合理的手術方案，對術中骨折復位時可能遇到的困難進行預想，并思考解決辦法，通過制作實體模型幫助醫師直視三維立體結構，促進醫師和等比例的生物模型進行物理交互，反復的虛擬手術演練，能夠提高手術質量，使骨折部位獲得良好的解剖復位效果，有利于修復患者的髖關節。左睿等[18]認為，虛擬手術設計在術前模擬進行內固定物放置，可以準確評估骨塊與內固定物的位置關系，確保術中骨塊與內固定物良好貼合，從而提高復位質量。嚴重髖臼骨折患者并發癥發生情況也是臨床關注的重點，本研究中兩組患者并發癥發生率比較差異無統計學意義，提示虛擬手術設計結合3D打印具有較高的安全性。楊勇等[19]研究發現，3D打印結合數字化設計并不會增加并發癥發生率，安全性較高，也佐證了本研究結果。本研究仍存在一定不足：臨床樣本量較少，且來自同一中心，后期還需大樣本量、多中心的研究進行證實；本研究因時間原因未開展長期隨訪，遠期療效還有待進一步證實。

綜上所述，在復雜髖臼骨折的治療中，虛擬手術設計結合3D打印具有良好的效果，能減少術中出血量，縮短手術時間，避免術中多次透視，修復受損的髖關節功能，有利于骨折復位。

作者貢獻聲明：朱海泉：試驗設計、研究實施、資料收集、論文撰寫；尚修超、孟祥圣：研究實施、資料收集；劉子敏：論文撰寫；井晟：論文修訂；孫曉：論文審校