3D打印技術治療骨盆骨折的臨床研究.pdf

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

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)固定及生物學接骨”的目的是在促進骨盆骨折愈合的過程中最大限度地降低手術創(chuàng)傷。目前，經(jīng)皮鋼板微創(chuàng)接骨技術在四肢長管狀骨的應用已經(jīng)非常廣泛。近年來，針對開放手術存在的這些問題，一些學者提出對骨骨盆折實施微創(chuàng)內(nèi)固定治療。目前采用的微創(chuàng)治療措施，文獻報道的較多是采用骶髂關節(jié)后路經(jīng)骶骨螺釘，微創(chuàng)骶髂關節(jié)螺釘?shù)裙潭夹g。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等研究認為，后路經(jīng)骶骨螺釘由于內(nèi)固定物的凸起可導致身材瘦小患者骶部感覺不適。由于技術操作的復雜性，這些微創(chuàng)固定技術的臨床應用并不廣泛，另外目前臨床上開展的經(jīng)皮螺釘固定技術往往難以解決骨折斷端滿意復位的問題。
　　隨著數(shù)碼科技的不斷發(fā)展，數(shù)字骨科技術在臨床上的應用也越來越廣泛。3D打印技術，又稱積層制造(Additive Manufacturing，AM)，也稱三維打印技術，是指通過可以“打印”出真實物

4、體的3D打印機，即將粉末狀或液體的金屬和塑料、陶瓷粉末、塑料、細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物。3D打印技術有很多臨床應用優(yōu)勢，最引人注目的特點為不需要機械加工或模具，直接將數(shù)碼數(shù)據(jù)生成任意形狀的實物，從而達到縮短時間、降低成本和提高生產(chǎn)率的目的[6-8]。目前，這項前沿技術在創(chuàng)傷骨科領域得到充分應用和發(fā)展，主要用于修復多種復雜性骨折如骨盆骨折等，該技術可以精確植入內(nèi)固定物，明顯縮短

5、手術時間。另外，3D打印技術還可以完美應用于人工髖關節(jié)置換術，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)化術前規(guī)劃，盡量使術前模擬手術與實際手術吻合，減少誤差，減少患者疼痛，使患者盡快達到臨床恢復效果。
　　基于上述認識，我們研究應用計算機數(shù)字化的設計模擬骨盆骨折內(nèi)固定手術，術前，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軟件進行精確編輯，確認骨盆骨折位置，在體外模擬

6、骨折復位，確定內(nèi)固定植入物的位置，預彎鋼板的長度、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打印技術在體外實行模擬手術，可優(yōu)化手術設計，避免預彎鋼板和螺釘方向錯誤，穩(wěn)定固定骨盆骨折塊，提高手術準確性和安全性。
　　骨盆骨折手術治療前，尋找安全合理的手術方案是患者康復的關鍵，在三維物理模型上模擬多種備選手術操作，臨床研究數(shù)據(jù)顯示，基于3D打印技術的術前模擬手術與實際手術吻合度高，具有很高的可行新和安全性，可用于治療復

7、雜骨折，實現(xiàn)精確的個性化治療，明確復雜骨折的位置、尺寸和翻轉角度，螺釘長度和方向，有助于制定手術治療策略及方式，術后結果與手術計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打印技術采用先進的圖像分割配準技術對骨盆骨折患者骨折處建模，可在計算機上直接觀察模擬手術過程，并在三維模型上觀察骨折類型，制定合適的手術方案，既直觀又便捷。
　　3D打印技術在臨床應用中遇到的困難和缺點:1）軟件操作系統(tǒng)復雜，操作

8、困難，一般需經(jīng)過專業(yè)培訓才能熟練使用;2）術前模擬手術所需時間長，會延長骨折患者的治療時間;3）需專業(yè)人士進行三維重建，人機交互性差;4）費用高。
　　2.3D打印技術常用的材料
　　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行加工。除了用于制作一次性輸液工具、

9、免拆型手術縫合線等醫(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打印技術制作骨盆模型
　　模擬手術一般在仿真骨折模型上進行，打印出骨盆骨折患者的仿真骨折三維物理模型，術前，預彎植入鋼板，確定鋼板和螺釘?shù)淖罴盐恢?、?shù)量、長度和植入方向，在三維物理模型上進行體外模擬手術，可減少實際手術誤差，降低風險，模擬手術過程中需詳細記錄預彎鋼板和螺釘?shù)木唧w信息，以便在實際手術中應用[9]。多種臨床研究數(shù)據(jù)和患

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

11、手術方法治療偶爾會出現(xiàn)各種意外，骨盆骨折手術失敗或術后出現(xiàn)并發(fā)癥主要有2個原因:1）骨折復位和內(nèi)固定技術欠佳，導致鋼板和螺釘固定位置出現(xiàn)很大偏差，術后導致骨盆畸形;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構，嚴重降低了手術的成功率，增加了風險，二維圖像具有很強的主觀性，對醫(yī)師的臨床經(jīng)驗依賴性強。采用三維圖像可正確地判斷骨盆骨折塊的移位情況，實現(xiàn)骨盆骨折精確復位和內(nèi)固定，這時避免手術失敗和并發(fā)癥的關鍵[1

12、2,13]。首先要加強對臨床醫(yī)生專業(yè)技術的培養(yǎng)，掌握構建和分析三維圖像的能力，術前進行模擬手術，精確確定骨盆骨折類型并制定實際手術方案[14-16]。目前，通過三維圖像進行經(jīng)皮鋼板和螺釘固定，治療骨盆骨折的技術得到迅速發(fā)展，積累了豐富的臨床經(jīng)驗[17]。骨盆骨折的微創(chuàng)治療技術熱潮迭起，方興未艾[18]，運用其他微創(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，但由于設備價格昂貴、骨盆骨折手術復雜等問題，目前該技術

13、在某些不發(fā)達地區(qū)的應用受到限制。
　　4.骨盆骨折治療方式
　　傳統(tǒng)的開放手術在臨床開展已經(jīng)有幾十年的歷史，其手術操作創(chuàng)傷較大，術中出血較多，患者術后恢復期長，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，其臨床應用有點包括:1）增強切口的穩(wěn)定性;2）對外展肌損傷較小;3)患者術后恢復速度較快;4）臨床適應性廣。隨著醫(yī)療科技的不斷發(fā)展，髂腹股溝入路暴露出很

14、多缺點如顯露欠佳、操作困難、損傷大、出血量多、手術時間較長等，在實際手術過程中，需對髂腹股溝入路進行改良，彌補傳統(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用缺點包括:1）手術過程中無法實現(xiàn)直觀性;2）放置內(nèi)固定物困難;3）增加術后發(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用有點包括:1)減少對重要結構的破壞如血管、神經(jīng)和韌帶等;2）減少了并發(fā)癥;3）切開和關閉組織少;4）手術時間短;5）大大減少術中出血量;6）提高手術安全性;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用最廣泛，該入路可對骶髂關節(jié)至恥骨聯(lián)合的髖臼前柱進行充分顯

16、露，但對坐骨棘后方區(qū)域及髖關節(jié)本身則難以通過該入路實施顯露。另外，髂腹股溝入路的常見問題是需要進行腹溝股區(qū)神經(jīng)、肌肉、血管結構的分離與牽開，以規(guī)避其醫(yī)源性損傷的發(fā)生。由于該手術入路區(qū)域解剖結構復雜，因此，髂腹股溝入路內(nèi)固定手術恥骨聯(lián)合復位過程中的膀胱莰頓，術中大量出血，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，這一方法也容易導致一些相關的并發(fā)癥，例如感染、骨髓炎、釘?shù)浪蓜印⒐钦垡莆?、撞擊和神?jīng)損傷等。外固定支架影響患者的日?；顒?，特別是當患者坐起或床上翻身時。對于肥胖的患者，術后肥大的腹部突起于支架上，常引起不適。
　　第二部分：3D打印技術治療骨盆骨折的臨床研究
　　目的：探討3D打印技術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格式導入Mimics軟件進行三維編輯，采用3D打印技術打印骨盆骨折患者三維物理模型，術前在三維物理模型上進行模擬手術，模擬骨折復位，確定鋼板螺釘最佳位置、鋼板預彎程度、螺釘長度、螺釘數(shù)量和方向、螺釘進入角度等一系列術前模擬手術。術中，運用微創(chuàng)方法進行骨折復位術和內(nèi)固定。術后，回顧性分析3D打印技術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。平均手術時間、術中失血量、平均切

19、口長度、實際所用鋼板及螺釘數(shù)目也作為評估技術可行性和有效性的指標。結果：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)。手術時間90～260 min(平均155 min)。術中出血量80～1100 mL(平均569 mL)。手術切口4.5～14 cm(平均8.9 cm)。術后影像學結果表明手術實際應用鋼板及螺釘數(shù)目與術前模擬數(shù)目高度一致。采用Matta標準評價骨折復位情況，優(yōu)8

20、例，良2例。術后半年采用Majeed評分標準進行功能評定，優(yōu)9例，良1例。結論：手術成功完成后，所有患者均達到臨床康復效果，3D打印技術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，這種聯(lián)合治療方法在臨床應用中具有很多優(yōu)勢:創(chuàng)傷小、切口小、失血量低、術后疼痛輕、康復快、骨折復位滿意度高，術后可早期進行功能鍛煉。3D打印技術體外模擬手術可使實際手術更加精準、安全、完美，縮短手術時間，使患者早日重返工作崗位，提高康復效果，降低醫(yī)