3D打印技術(shù)治療骨盆骨折的臨床研究.pdf

1、第一部分：研究背景
　　1.骨盆結(jié)構(gòu)及骨盆骨折
　　骨盆由骨、韌帶、筋膜等結(jié)構(gòu)組成，其前、后環(huán)通過堅(jiān)韌的韌帶連接，內(nèi)襯盆腔內(nèi)臟、神經(jīng)、血管等重要組織結(jié)構(gòu)[1]。一般來說，骨盆結(jié)構(gòu)極其穩(wěn)定，前部骨盆對穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)為40％，前部骨盆對穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)為60％[2,3]。骨盆損傷主要由車禍和高處跌落等原因?qū)е拢捎趽p傷的嚴(yán)重性（血流動力學(xué)不穩(wěn)定或其他合并損傷）和高死亡率，其給人來健康和醫(yī)療機(jī)構(gòu)帶來極大的負(fù)擔(dān)[4]。臨床上，骨盆固定手術(shù)

2、是維持骨盆穩(wěn)定性和挽救患者生命的常用方式[5]。
　　骨折的“微創(chuàng)固定及生物學(xué)接骨”的目的是在促進(jìn)骨盆骨折愈合的過程中最大限度地降低手術(shù)創(chuàng)傷。目前，經(jīng)皮鋼板微創(chuàng)接骨技術(shù)在四肢長管狀骨的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛。近年來，針對開放手術(shù)存在的這些問題，一些學(xué)者提出對骨骨盆折實(shí)施微創(chuàng)內(nèi)固定治療。目前采用的微創(chuàng)治療措施，文獻(xiàn)報(bào)道的較多是采用骶髂關(guān)節(jié)后路經(jīng)骶骨螺釘，微創(chuàng)骶髂關(guān)節(jié)螺釘?shù)裙潭夹g(shù)。盡管這些微創(chuàng)內(nèi)固定方式均在臨床上取得例一定的臨床效果，但也

3、都同時卻存在一些缺陷。Chui等研究認(rèn)為，后路經(jīng)骶骨螺釘由于內(nèi)固定物的凸起可導(dǎo)致身材瘦小患者骶部感覺不適。由于技術(shù)操作的復(fù)雜性，這些微創(chuàng)固定技術(shù)的臨床應(yīng)用并不廣泛，另外目前臨床上開展的經(jīng)皮螺釘固定技術(shù)往往難以解決骨折斷端滿意復(fù)位的問題。
　　隨著數(shù)碼科技的不斷發(fā)展，數(shù)字骨科技術(shù)在臨床上的應(yīng)用也越來越廣泛。3D打印技術(shù)，又稱積層制造(Additive Manufacturing，AM)，也稱三維打印技術(shù)，是指通過可以“打印”出真實(shí)物

4、體的3D打印機(jī)，即將粉末狀或液體的金屬和塑料、陶瓷粉末、塑料、細(xì)胞或組織等材料通過分層加工和迭加成形的方式或者利用激光束、熱熔噴嘴等方式生成三維實(shí)物。3D打印技術(shù)有很多臨床應(yīng)用優(yōu)勢，最引人注目的特點(diǎn)為不需要機(jī)械加工或模具，直接將數(shù)碼數(shù)據(jù)生成任意形狀的實(shí)物，從而達(dá)到縮短時間、降低成本和提高生產(chǎn)率的目的[6-8]。目前，這項(xiàng)前沿技術(shù)在創(chuàng)傷骨科領(lǐng)域得到充分應(yīng)用和發(fā)展，主要用于修復(fù)多種復(fù)雜性骨折如骨盆骨折等，該技術(shù)可以精確植入內(nèi)固定物，明顯縮短

5、手術(shù)時間。另外，3D打印技術(shù)還可以完美應(yīng)用于人工髖關(guān)節(jié)置換術(shù)，它可以為髖臼骨折患者帶來福音，可以使醫(yī)師精確掌握患者病情，優(yōu)化術(shù)前規(guī)劃，盡量使術(shù)前模擬手術(shù)與實(shí)際手術(shù)吻合，減少誤差，減少患者疼痛，使患者盡快達(dá)到臨床恢復(fù)效果。
　　基于上述認(rèn)識，我們研究應(yīng)用計(jì)算機(jī)數(shù)字化的設(shè)計(jì)模擬骨盆骨折內(nèi)固定手術(shù)，術(shù)前，CT0.6mm薄層掃描骨盆骨折患者，采用DICOM格式保存掃描數(shù)據(jù)，然后使用Mimics軟件進(jìn)行精確編輯，確認(rèn)骨盆骨折位置，在體外模擬

6、骨折復(fù)位，確定內(nèi)固定植入物的位置，預(yù)彎鋼板的長度、最佳位置和方向，螺釘?shù)臄?shù)量、長度、最佳位置和方向。采用3D打印技術(shù)在體外實(shí)行模擬手術(shù)，可優(yōu)化手術(shù)設(shè)計(jì)，避免預(yù)彎鋼板和螺釘方向錯誤，穩(wěn)定固定骨盆骨折塊，提高手術(shù)準(zhǔn)確性和安全性。
　　骨盆骨折手術(shù)治療前，尋找安全合理的手術(shù)方案是患者康復(fù)的關(guān)鍵，在三維物理模型上模擬多種備選手術(shù)操作，臨床研究數(shù)據(jù)顯示，基于3D打印技術(shù)的術(shù)前模擬手術(shù)與實(shí)際手術(shù)吻合度高，具有很高的可行新和安全性，可用于治療復(fù)

7、雜骨折，實(shí)現(xiàn)精確的個性化治療，明確復(fù)雜骨折的位置、尺寸和翻轉(zhuǎn)角度，螺釘長度和方向，有助于制定手術(shù)治療策略及方式，術(shù)后結(jié)果與手術(shù)計(jì)劃具有很高的一致性。
　　與X線片或CT片提供的二維圖像信息相比，3D打印技術(shù)采用先進(jìn)的圖像分割配準(zhǔn)技術(shù)對骨盆骨折患者骨折處建模，可在計(jì)算機(jī)上直接觀察模擬手術(shù)過程，并在三維模型上觀察骨折類型，制定合適的手術(shù)方案，既直觀又便捷。
　　3D打印技術(shù)在臨床應(yīng)用中遇到的困難和缺點(diǎn):1）軟件操作系統(tǒng)復(fù)雜，操作

8、困難，一般需經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)才能熟練使用;2）術(shù)前模擬手術(shù)所需時間長，會延長骨折患者的治療時間;3）需專業(yè)人士進(jìn)行三維重建，人機(jī)交互性差;4）費(fèi)用高。
　　2.3D打印技術(shù)常用的材料
　　聚乳酸(PLA)聚乳酸是聚酯家族中一員，又稱為聚丙交酯，以乳酸為主要原料聚合而成，在體內(nèi)外均可被生物降極高的耐菌性、阻燃性、抗紫外性、透氣性、透氧性和透二氧化碳性，可通過擠壓、紡絲、雙軸拉伸和注射吹塑等方式進(jìn)行加工。除了用于制作一次性輸液工具、

9、免拆型手術(shù)縫合線等醫(yī)療用品外，聚乳酸還可被用作新型的骨科內(nèi)固定材料如骨釘、骨板等。
　　3.3D打印技術(shù)制作骨盆模型
　　模擬手術(shù)一般在仿真骨折模型上進(jìn)行，打印出骨盆骨折患者的仿真骨折三維物理模型，術(shù)前，預(yù)彎植入鋼板，確定鋼板和螺釘?shù)淖罴盐恢谩?shù)量、長度和植入方向，在三維物理模型上進(jìn)行體外模擬手術(shù)，可減少實(shí)際手術(shù)誤差，降低風(fēng)險(xiǎn)，模擬手術(shù)過程中需詳細(xì)記錄預(yù)彎鋼板和螺釘?shù)木唧w信息，以便在實(shí)際手術(shù)中應(yīng)用[9]。多種臨床研究數(shù)據(jù)和患

10、者康復(fù)情況可以充分證實(shí)模擬手術(shù)的準(zhǔn)確性，盡量減少實(shí)際手術(shù)誤差。模擬手術(shù)的臨床應(yīng)用優(yōu)勢:1）可優(yōu)化鋼板的最佳位置;2）精確鋼板預(yù)彎;3）精確骨折位置，模擬手術(shù)與實(shí)際手術(shù)吻合度高;4）顯著縮短手術(shù)時間，提高效率，節(jié)約成本;5）提高骨折骨面與預(yù)彎鋼板和螺釘?shù)慕佑|面積，快速恢復(fù)骨折部位的生物學(xué)性能;6）降低骨折塊移位;7）精確優(yōu)化骨折復(fù)位;8）改善醫(yī)患溝通，降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)[10，11]。
　　由于高難度和高風(fēng)險(xiǎn)，復(fù)雜不穩(wěn)定性骨盆骨折使用傳統(tǒng)

11、手術(shù)方法治療偶爾會出現(xiàn)各種意外，骨盆骨折手術(shù)失敗或術(shù)后出現(xiàn)并發(fā)癥主要有2個原因:1）骨折復(fù)位和內(nèi)固定技術(shù)欠佳，導(dǎo)致鋼板和螺釘固定位置出現(xiàn)很大偏差，術(shù)后導(dǎo)致骨盆畸形;2）CT或X線片提供的二維圖像信息量有限，醫(yī)師無法全面掌握患者的骨折解剖結(jié)構(gòu)，嚴(yán)重降低了手術(shù)的成功率，增加了風(fēng)險(xiǎn)，二維圖像具有很強(qiáng)的主觀性，對醫(yī)師的臨床經(jīng)驗(yàn)依賴性強(qiáng)。采用三維圖像可正確地判斷骨盆骨折塊的移位情況，實(shí)現(xiàn)骨盆骨折精確復(fù)位和內(nèi)固定，這時避免手術(shù)失敗和并發(fā)癥的關(guān)鍵[1

12、2,13]。首先要加強(qiáng)對臨床醫(yī)生專業(yè)技術(shù)的培養(yǎng)，掌握構(gòu)建和分析三維圖像的能力，術(shù)前進(jìn)行模擬手術(shù)，精確確定骨盆骨折類型并制定實(shí)際手術(shù)方案[14-16]。目前，通過三維圖像進(jìn)行經(jīng)皮鋼板和螺釘固定，治療骨盆骨折的技術(shù)得到迅速發(fā)展，積累了豐富的臨床經(jīng)驗(yàn)[17]。骨盆骨折的微創(chuàng)治療技術(shù)熱潮迭起，方興未艾[18]，運(yùn)用其他微創(chuàng)內(nèi)固定方法治療骨盆骨折的研究越來越多，如經(jīng)皮鋼板固定、釘棒系統(tǒng)固定等，但由于設(shè)備價格昂貴、骨盆骨折手術(shù)復(fù)雜等問題，目前該技術(shù)

13、在某些不發(fā)達(dá)地區(qū)的應(yīng)用受到限制。
　　4.骨盆骨折治療方式
　　傳統(tǒng)的開放手術(shù)在臨床開展已經(jīng)有幾十年的歷史，其手術(shù)操作創(chuàng)傷較大，術(shù)中出血較多，患者術(shù)后恢復(fù)期長，且并發(fā)癥較為多見。
　　髂腹股溝入路由Letournel于1960年提出，是用于治療髖臼和骨盆骨折的入路方式，其臨床應(yīng)用有點(diǎn)包括:1）增強(qiáng)切口的穩(wěn)定性;2）對外展肌損傷較小;3)患者術(shù)后恢復(fù)速度較快;4）臨床適應(yīng)性廣。隨著醫(yī)療科技的不斷發(fā)展，髂腹股溝入路暴露出很

14、多缺點(diǎn)如顯露欠佳、操作困難、損傷大、出血量多、手術(shù)時間較長等，在實(shí)際手術(shù)過程中，需對髂腹股溝入路進(jìn)行改良，彌補(bǔ)傳統(tǒng)方法的缺陷，主要包括單一改良髂腹股溝入路和K-L入路聯(lián)合改良髂腹股溝入路，目前，治療骨盆骨折的常用前側(cè)入路包括髂腹股溝入路、改良Stoppa入路、改良Stoppa+Smi th-Peterson入路等。髂腹股溝入路的臨床應(yīng)用缺點(diǎn)包括:1）手術(shù)過程中無法實(shí)現(xiàn)直觀性;2）放置內(nèi)固定物困難;3）增加術(shù)后發(fā)生腹股溝疝的概率。

15、　　與傳統(tǒng)方法相比，改良版入路方式有很大的不同，先在恥骨聯(lián)合部位橫向切口，由腹股溝韌帶下方將闊筋膜切開。改良髂腹股溝入路的臨床應(yīng)用有點(diǎn)包括:1)減少對重要結(jié)構(gòu)的破壞如血管、神經(jīng)和韌帶等;2）減少了并發(fā)癥;3）切開和關(guān)閉組織少;4）手術(shù)時間短;5）大大減少術(shù)中出血量;6）提高手術(shù)安全性;7)可提高髂外動脈與閉孔動脈的吻合性。
　　髂腹股溝入路在骨盆前環(huán)和髖臼前柱骨折的治療中應(yīng)用最廣泛，該入路可對骶髂關(guān)節(jié)至恥骨聯(lián)合的髖臼前柱進(jìn)行充分顯

16、露，但對坐骨棘后方區(qū)域及髖關(guān)節(jié)本身則難以通過該入路實(shí)施顯露。另外，髂腹股溝入路的常見問題是需要進(jìn)行腹溝股區(qū)神經(jīng)、肌肉、血管結(jié)構(gòu)的分離與牽開，以規(guī)避其醫(yī)源性損傷的發(fā)生。由于該手術(shù)入路區(qū)域解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此，髂腹股溝入路內(nèi)固定手術(shù)恥骨聯(lián)合復(fù)位過程中的膀胱莰頓，術(shù)中大量出血，感染，神經(jīng)損傷、卡壓，切口疝等并發(fā)癥問題并非少見。
　　外固定支架作為一種微創(chuàng)手術(shù)方式，已經(jīng)廣泛用于不穩(wěn)定骨盆骨折的治療，既可作為初始的臨時固定，也可聯(lián)合后環(huán)內(nèi)固定

17、作為最終的固定方式。然而，這一方法也容易導(dǎo)致一些相關(guān)的并發(fā)癥，例如感染、骨髓炎、釘?shù)浪蓜?、骨折移位、撞擊和神?jīng)損傷等。外固定支架影響患者的日?；顒樱貏e是當(dāng)患者坐起或床上翻身時。對于肥胖的患者，術(shù)后肥大的腹部突起于支架上，常引起不適。
　　第二部分：3D打印技術(shù)治療骨盆骨折的臨床研究
　　目的：探討3D打印技術(shù)治療骨盆骨折的臨床療效研究。方法：從2013年6月至2015年6月，我院共收集不穩(wěn)定型骨盆骨折患者10例，行骨盆CT

18、薄層掃描，掃描數(shù)據(jù)以DICOM格式導(dǎo)入Mimics軟件進(jìn)行三維編輯，采用3D打印技術(shù)打印骨盆骨折患者三維物理模型，術(shù)前在三維物理模型上進(jìn)行模擬手術(shù)，模擬骨折復(fù)位，確定鋼板螺釘最佳位置、鋼板預(yù)彎程度、螺釘長度、螺釘數(shù)量和方向、螺釘進(jìn)入角度等一系列術(shù)前模擬手術(shù)。術(shù)中，運(yùn)用微創(chuàng)方法進(jìn)行骨折復(fù)位術(shù)和內(nèi)固定。術(shù)后，回顧性分析3D打印技術(shù)在治療骨盆骨折中的有效性和可行性。通過Matta和Majeed評分評估治療效果。平均手術(shù)時間、術(shù)中失血量、平均切

19、口長度、實(shí)際所用鋼板及螺釘數(shù)目也作為評估技術(shù)可行性和有效性的指標(biāo)。結(jié)果：10例患者均獲隨訪，隨訪時間6月～18個月，平均9個月，骨折均臨床愈合，臨床愈合時間6～12W(平均8W)。手術(shù)時間90～260 min(平均155 min)。術(shù)中出血量80～1100 mL(平均569 mL)。手術(shù)切口4.5～14 cm(平均8.9 cm)。術(shù)后影像學(xué)結(jié)果表明手術(shù)實(shí)際應(yīng)用鋼板及螺釘數(shù)目與術(shù)前模擬數(shù)目高度一致。采用Matta標(biāo)準(zhǔn)評價骨折復(fù)位情況，優(yōu)8

20、例，良2例。術(shù)后半年采用Majeed評分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行功能評定，優(yōu)9例，良1例。結(jié)論：手術(shù)成功完成后，所有患者均達(dá)到臨床康復(fù)效果，3D打印技術(shù)在治療骨骨盆折中具有很高的可行性和有效性。相對于傳統(tǒng)手術(shù)，這種聯(lián)合治療方法在臨床應(yīng)用中具有很多優(yōu)勢:創(chuàng)傷小、切口小、失血量低、術(shù)后疼痛輕、康復(fù)快、骨折復(fù)位滿意度高，術(shù)后可早期進(jìn)行功能鍛煉。3D打印技術(shù)體外模擬手術(shù)可使實(shí)際手術(shù)更加精準(zhǔn)、安全、完美，縮短手術(shù)時間，使患者早日重返工作崗位，提高康復(fù)效果，降低醫(yī)