3D打印技术在髋臼骨折手术治疗中的应用及疗效观察-骨与关节损伤硕士论文

Hubei University of Chinese Medicine 硕 士 学 位 论 文 MASTER DISSERTATION 3D 打印技术在髋臼骨折手术治疗中的应用 及疗效观察 Application and Efficacy Analysis of 3D Printing Technology in The Treatment of Acetabular Fractures 研 究 生 姓 名：王 锋 指导教师姓名、职称：刘曦明 副教授 副主任医师 学 科（专 业）名称：中西医结合临床（三年制） 研 究 方 向：骨与关节损伤 培 养 类 型：专业学位 湖 北 中 医 药 大 学 二一六年五月二十九日 万方数据 湖北中医药大学学位论文原创性声明 本人声明： 所呈交的学位论文是在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，本论文不包含其他个人或集体已经 发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得湖北中医药大学或其他单位的学位或证书 而使用过的材料。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在论文中作了明确的说 明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 年 月 日 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解湖北中医药大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅； 学校可以公布学位论文的全部或部份内容， 可以采用复印、缩印或其他手段保留学位论文；学校可以根据国家或湖北省有关部门 的规定送交学位论文。同意中国优秀博硕士论文全文数据库出版章程的内容。同 意授权中国科学技术信息研究所将本人学位论文收录到 中国学位论文全文数据库 。 （保密论文在解密后遵守此规定） 论文作者签名： 导师签名： 年 月 日 万方数据 目 录 摘 要 I Abstract IV 缩略词表 IX 前 言 . 1 正 文 . 3 第一部分 3D 打印技术在髋臼骨折手术治疗中的应用 . 3 1 资料 . 3 1.1 资料来源 3 1.2 骨折分型标准 3 1.3 病例纳入标准 3 1.4 实验器材及软件 3 2 方法 . 3 2.1 数据采集 3 2.2 骨盆髋臼模型制作 4 2.3 虚拟手术规划 5 2.4 3D 快速成型打印 . 6 2.5 手术模拟 6 3 结果 . 7 4 讨论 . 8 4.1 3D 打印技术在髋臼骨折手术治疗中的应用 . 8 4.2 3D 打印技术应用于髋臼骨折手术治疗中的注意事项 10 4.3 3D 打印技术应用于髋臼骨折手术治疗中的不足 11 第二部分 3D 打印技术应用于髋臼骨折手术治疗中的临床研究 12 一、 3D 打印技术应用于髋臼后壁骨折手术治疗中的临床研究 12 1 资料 12 1.1 资料来源 . 12 1.2 骨折分型标准 . 12 万方数据 1.3 病例纳入标准 . 12 1.4 病例排除标准 . 12 1.5 病例的剔除和脱落标准 . 13 2 方法 13 2.1 一般资料 . 13 2.2 随访计划 . 13 2.3 功能评价方法 . 13 2.4 统计方法 . 14 3 结果 14 3.1 一般资料结果 . 14 3.2 治疗情况 . 15 3.2.1 术前处理 15 3.2.2 髋臼虚拟模型构建及快速成型打印 15 3.2.3 个性化手术设计 16 3.2.4 手术方法 16 3.2.5 术后处理 17 3.3 临床结果 . 17 3.4 典型病例 . 19 4 讨论 20 4.1 研究背景 . 20 4.2 3D 打印技术应用于髋臼后壁骨折手术治疗中的优势 21 4.3 结果分析 . 22 4.4 结论 . 23 二、 3D 打印技术应用于复杂髋臼骨折手术治疗中的临床观察 24 1 资料 24 1.1 资料来源 . 24 1.2 骨折分型标准 . 24 1.3 病例纳入标准 . 24 万方数据 1.4 病例排除标准 . 24 1.5 病例的剔除和脱落标准 . 24 2 方法 24 2.1 一般资料 . 24 2.2 随访计划 . 25 2.3 功能评价方法 . 25 2.4 统计方法 . 26 3 结果 26 3.1 一般资料结果 . 26 3.2 治疗情况 . 27 3.2.1 术前处理及检查 27 3.2.3 个性化手术设计 28 3.2.4 手术方法 28 3.2.5 术后处理 29 3.3 临床资料结果 . 29 3.4 典型病例 . 31 4 讨 论 . 33 4.1 研究背景 . 33 4.2 3D 打印技术应用于复杂髋臼骨折手术治疗中的优势 34 4.3 结果分析 . 34 4.4 3D 打印技术在髋臼骨折手术治疗中的合理应用 35 4.5 祖国医学对髋臼骨折的认识 . 36 4.6 本研究的不足之处 . 37 4.7 结论 . 37 结 语 . 38 参考文献 39 附 录 . 45 综述 45 万方数据 3D 打印技术在骨盆与髋臼骨折手术治疗中的应用进展 . 45 发表文章情况 55 致 谢 56 万方数据 I 摘 要 目的 本课题初步探讨 3D 打印技术在髋臼骨折手术治疗中的应用， 为患者 制订精确、个体化手术方案，提供个性化的手术治疗,并回顾性分析 3D 打印技术应用于髋臼骨折手术治疗中的临床疗效，评价 3D 打印技术在髋 臼骨折手术治疗中的应用价值及优势， 为手术治疗髋臼骨折提供一种有效 的辅助手段。 方法 第一部分：对 51 例髋臼骨折患者在术前应用 3D 打印技术，所有患 者均签署知情同意书，通过 PACS 系统下载患者 Dicom 格式骨盆三维图像 数据，导入 Mimics 软件中，应用阈值分割、区域增长、3D 重建等功能获 得三维髋臼图像， 全方位观察髋臼骨折情况， 再利用三维编辑功能分割骨 折模块并模拟手术复位，制订虚拟复位策略；同时将“STL”格式骨盆数 据导入 3D 打印软件（MakerBot）中进行打印，获得髋臼骨折模型，去除 骨折块间的支撑，游离骨折块模型，参照虚拟复位策略模拟手术操作，完 成内固定装置的布局及预弯塑形， 选取最优术前个体化手术方案， 并在实 际手术中实施，验证术前设计方案的可行性。 第二部分：根据预先制订的入选、排除、剔除和脱落标准筛选研究对 象， 收集 2010 年 09 月至 2015 年 12 月广州军区武汉总医院收治髋臼骨折 患者资料， 并按骨折类型确定两个研究对象： 涉及髋臼后壁骨折和复杂髋 臼骨折。 (1)涉及髋臼后壁骨折患者 53 例,男 27 例， 女 26 例； 年龄为 2066 岁，骨折按 Letournel-Judet 分型：后壁 27 例，后柱伴后壁 16 例，横行 伴后壁 10 例.根据是否应用 3D 打印技术分为 2 组： 3D 技术组 20 例， 男 9 例，女 11 例，平均年龄（44.313.1）岁；常规组 33 例，男 18 例，女 15 例,平均年龄（42.611.8）岁。(2)复杂髋臼骨折患者 74 例，男 39 例，女 35 例；年龄为 1965 岁，骨折按 Letournel-Judet 分型：T 型 18 例，前柱伴后半横型 14 例，双柱型 42 例。根据是否应用 3D 打印技术分 为 2 组：3D 技术组 31 例，男 19 例，女 12 例，平均年龄（43.311.7） 岁；常规组 43 例，男 20 例，女 23 例,平均年龄（41.511.5）岁。两研 万方数据 II 究对象中 3D 技术组在术前将患者 Dicom 格式骨盆三维图像数据导入 Mimics 软件中构建虚拟骨折模型， 并应用 3D 快速成型打印个体化骨折模 型进行预手术，制订手术方案。常规组通过术前 X 片及 CT 三位重建检查 了解骨折情况为患者实施手术。分别比较两研究对象中 3D 打印组和常规 组患者的手术入路、手术时间、术中出血量、术中透视次数、髋臼复位质 量、末次随访时髋关节功能及术后并发症的发生率。 结果 第一部分： 应用 Mimics 软件可构建髋臼虚拟三维模型， 制订虚拟复 位策略，并应用 3D 打印技术获得高仿真髋臼模型，准确的进行分型和诊 断，通过在模型上实施虚拟复位策略，反复操作，制订最优复位、植骨、 内固定手术方案，指导实际手术安全、顺利的进行。51 例髋臼患者应用 3D 打印技术顺利进行术前个体化手术方案的精确设计，包括手术入路、 复位策略、内固定装置的布局及预塑形、螺钉的方向及长度等，所有手术 均顺利的完成， 实际手术情况与术前设计方案基本一致， 术后复查未见螺 钉进入关节腔。 第二部分：（1）53 例涉及髋臼后壁骨折患者均获得 630 个月（平 均11.8个月） 随访。 3D技术组与常规组患者手术时间分别为 （84.414.4） min 和（98.315.2）min、术中出血量为（258.566.8）mL 和（323.4 75.8）mL、术中透视次数为（2.70.8）次和（3.30.8）次，两组间 差异均有统计学意义（P0.05）。术后根据 Matta 复位标准评定髋臼骨折 复位质量优良率分别为 95%(19/20)和 90.9%(30/33)；末次随访时根据改 良 Merle d Aubign-Postel 评分分别为 （16.41.5） 分和 （16.11.6） 分；术后并发症发生率分别为 20.0%(5/20)和 30.3%（10/33），两组间差 异均无统计学意义（P0.05）。 （2）74 例复杂髋臼骨折患者均获得 632 个月（平均 13.3 个月）随访。3D 打印组采用单一髂腹股沟入路 25 例， 前后联合入路 6 例，常规组分别为 24 例、19 例；3D 打印组与常规组手术 时间分别为（171.827.9）min 和（200.931.3）min、术中出血量为 （563.7154.4） ml 和 （696.4214.9） ml、 术中透视次数为 （2.70.8） 次和（3.40.9）次,两组间差异均具有统计学意义（P0.05）。术后根 万方数据 III 据 Matta 复位标准评定髋臼骨折复位质量优良率分别为 90.3%（28/31） 和 86.1%（37/43），末次随访时根据改良 Merled Aubign-Postel 评 分系统髋关节功能评分为（16.21.4）分和（15.81.5）分；术后并发 症发生率为 35.4%（11/31）和 62.8%（27/43）；两组间差异均无统计学 意义（P0.05）。 结论 应用 3D 打印技术可以为涉及后壁或复杂髋臼骨折的手术患者制订 精确、 个体化手术方案， 明显减少手术时间、 术中出血量及术中透视次数， 提高手术治疗髋臼骨折， 尤其是经单一髂腹股沟入路采用方形区螺钉系统 治疗复杂髋臼骨折的安全性和可行性， 手术创伤更小， 是手术治疗髋臼骨 折的一种有效辅助手段。 关键词髋臼；骨折；骨折固定术，内；计算机辅助；3D 打印技术；疗 效 万方数据 IV Application and Efficacy Application and Efficacy A Analysis of 3D nalysis of 3D P Printing rinting T Technology echnology in in T The he T Treatment of reatment of A Acetabular cetabular F Fracturesractures Major:Major:Integrated Traditional Chinese and Western Medicine AuthorAuthor:Wang Feng Mentor:Mentor: Liu Ximing Abstract Objective Objective The aim of this study is to investigate the application of 3D printing technology in the surgical treatment of acetabular fracture and provide accurate and individualized operation plan and personalized surgical treatment for patients. We also aim to analyze retrospectively the value and advantages of 3D printing technology in acetabular fracture treatment, so as to provide an effective assistance for clinical treatment of acetabular fractures. MethodsMethods Part one: The surgery plan was formulated by 3D printing technology based on 51 patients which were suffered acetabular fractures. The image date of acetabular fractures were obtained through PACS system in the form of Dicom. Then, the image date was inputed to the Mimics software and disposed by threshold segmentation, region growing and 3D reconstruction. Reduction of fractures was simulated by the function of 3D editing in the software. The models of acetabular fractures were printed by MakerBot software. According the operation strategy, layout and shape of the internal fixation device was performed. The preoperative optimal preoperative design was selected individualization in the acetabular fractures models. Part two: Based on the standards of inclusion, exclusion, rejection and falling, the data of patients which were treated by 万方数据 V surgeon between Sep 2010 to Dec 2015 in Wuhan General Hospital of Guangzhou Military Command was collected. The patients were divided into two research objects according to the type of fractures: (1)There were 53 cases suffered acetabular fracture invo lving posterior wall, They were 27 men and 26 women, ranging from 20 to 65 years old. According to the Letournel-Judet classification, there were 27 cases of posterior wall fractures, 16 cases of posterior column + posterior wall fracture, and 10 cases of transverse + posterior wall fracture. Among them, 20 used 3D printing technology, including 20 men and 9 women, with an average age of 44.3 13.1 years. The other 33 cases, without aiding by 3D printing technology, included 18 men and 15 women, with an average age of 42.6 11.8 years. (2)There were 74 cases suffered complex acetabular fractures. They were 39 men and 35 women, ranging from 19 to 65 years old. According to the Letournel-Judet classification, there were 18 cases of T-shaped fractures, 14 cases of anterior column plus posterior hemitransverse fracted, and 42 cases of double-column fractures.Among them, 31 used 3D printing technology, including 19 men and 12 women, with an average age of 44.3 11.7 years. The other 43 cases, without aid by 3D printing technology, included 20 men and 23 women, with an average age of 41.5 11.5 years. All the patients in the 3D printing technology group received operation under the assistance of 3D printing technique, including printing the physical models of acetabular fractures, designing preoperatively and formulating individualized operative plan. The 万方数据 VI patients in conventional group were operated by preoperative X-ray and three dimensional CT reconstruction. The operation time, intraoperative bleeding, intraoperative fluoroscopy frequency, fracture reduction, hip joint function at the time of the last follow-up and postoperative complications were compared between this two groups. ResultsResults Part one: Pelvic 3d virtual model could be established and operation strategy was completed with the help of Mimics software. Moreover, excellent simulation model of pelvic fractures and accurate diagnosis can be obtained with the application of 3D printing technology. In order to guide the operation performing accurately and safely, we could verify the operation strategy and practice repeatly on the Pelvic 3 d virtual model preoperative. The operation plans of 51 patients suffered acetabular fractures including surgical approach, reset sequence of complex acetabular fracture, the layout and preliminary shaping of internal fixation and the length and direction of screw were designed. All operations were completed smoothly, actual operation situation be consistent with preoperative design. There was no joint penetration by postoperative review. Part two: (1) The patients with acetabular fracture involving posterior wall were followed up for an average of 11.8 months (range from 6 to 30 months).The operation time for the 3D group (84.4 14.4 min) was significantly shorter than that for the conventional group (98.3 15.2 min), the intraoperative bleeding (258.5 66.8 mL) and the intraoperative fluoroscopy frequency （ 2.7 0.8 times） in the 3D group were significantly less than those in the conventional group (323.4 75.8 mL; 3.3 0.8 times) (P 万方数据 VII 0.05). There were no significant differences between the 3D and conventional groups in the good to excellent rate of reduction 95% (19/20) versus 90.9% (30/33), the modified Merle dAubign - Postel scores at the last follow-up (16.41.5 versus 16.1 1.6), or incidence of complications 20%(5/20) and 30.3%(10/33) (P 0.05). (2)The patients with complex acetabular fractures were followed up for an average of 13.3 months (range from 6 to 32 months).In the 3D group, 25 cases were operated via the ilioinguinal approach solely, the other 6 cases were disposed through the combined anterior and posterior approach; 24 cases were operated via the ilioinguinal approach and 19 cases were adopted with combined anterior and posterior approach in the conventional group. The operation time for the 3D group (171.8 27.9 min) was significantly shorter than that for the conventional group (200.9 31.3 min ), the intraoperative bleeding (563.7154.4 mL) and the intraoperative fluoroscopy frequency （2.70.8 times）in the 3D group were significantly less than those in the conventional group ( 696.4214.9 mL; 3.40.9 times) (P 0.05). There were no significant differences between the 3D and conventional groups in the good to excellent rate of reduction 90.3% (28/31) versus 86.1% (37/43) ,the modified Merle dAubign-Postel scores at the last follow-up (16.21.4 versus 15.8 1.5), or incidence of complications 35.4%(11/31)and 62.8%(27/43) (P 0.05). ConclusionConclusion Accurate operation strategy of acetabular fracture is formulated with the assistance of 3D printing technology. In addition, the operation time, intraoperative bleeding loss, and 万方数据 VIII intraoperative fluoroscopy frequency are reduced obviously. The security and feasibility of surgery to treatment acetabulum fractures are improved by a single iliac inguinal approach. The 3D printing technology is an effective adjuvant technology for treating the acetabular factures. Key words Key words Acetabular; Fractures; Fracture fixation,internal; Computer aided; 3D printing technology; The curative effect 万方数据 IX 缩略词表 英文缩写 英文全称 中文全称 AO Arbeitsgemeinschaft fr Osteosynthesefragen 内固定研究协会 BO Biological Osteosynthesis 生物接骨术 DICOM Digital Imaging and Communications in Medicine 医学数字成像和通信 STL Stereolithography 光固化立体造型术 PLA Polylactic Acid 聚乳酸 RP Rapid Prototyping 快速成型技术 PACS Picture Archiving and Communication Systems 医学影像信息系统 万方数据 3D 打印技术在髋臼骨折手术治疗中的应用及疗效观察 1 前 言 3D 打印技术又被称为“快速成型技术”(Rapid Prototyping，RP)， 是以计算机三维模型数据为基础， 应用粉末或液态材料逐层沉积或黏合构 建三维实物，也称“增材制造”,是“具有工业革命意义的制造技术” 1, 近年来，3D 打印技术作为一种新兴的快速成型技术成为了骨科领域的热 点 2。王岩等3提出“骨科精准医疗”理念，利用数字骨科技术结合骨折 治疗的 AO 原则和 BO 理念，制订精准化、个体化手术方案，提高手术精准 性和安全性，降低手术创伤。3D 打印技术集中体现了现代数字化技术， 为实现个体化、精确化的骨科手术治疗提供良好的条件。 多年来，对于移位的髋臼骨折（移位3mm）众多学者均建议行内固 定手术治疗，以获得良好的预后 4-5。精确的头臼匹配、关节面轮廓的完 整与有效的内固定是获得髋关节良好功能的基础 6。但是髋臼解剖复杂、 位置深在并且骨折类型多样，其手术治疗难度较大，异位骨化、创伤性关 节炎、 神经损伤等并发症发生率高。 髋臼的解剖形态复杂， 骨折类型多样， 其手术治疗难度较大，异位骨化、创伤性关节炎、神经损伤等并发症发生 率高。另外，髋部肌肉发达，手术操作空间有限，同时要控制损伤，因此 准确的术前诊断、良好的术前手术设计具有重要意义 7。 近年来，我院开展了复杂髋臼损伤手术治疗的相关临床与基础研究， 先后开创性采用前路特殊塑形钛板加方形区螺钉系统和微型联合重建接 骨板内固定系统治疗髋臼骨折，临床操作简单，固定牢靠，同时又降低螺 钉进关节的可能，安全性高，疗效满意 8-11。但是我们在临床中发现，部 分髋臼骨折损伤极其严重，常伴有关节面压缩骨、关节腔内游离体、骨块 间绞索等，通过有限的 X 线片及三维 CT 重建截面图像难以及时准确的分 型及诊断， 直接影响手术方案的确定及术中操作的顺利进行。 根据术前三 维 CT 影像资料难以制订精确的手术方案，大部分手术操作必须根据术中 所见临时决定，并且接骨板螺钉的布局、修剪、塑形需要在术中进行，耗 费大量时间，且存在塑形不匹配、植入位置不理想等可能，极大的依赖主 万方数据 湖北中医药大学 2016 届硕士学位论文 2 刀医生的手术经验，限制了我们髋臼骨折内固定方式优势的充分发挥。 我科建立数字骨科实验室以后，应用 3D 打印技术辅助髋臼骨折的手 术治疗，以患者骨盆 CT 数据资料为基础，构建虚拟三维模型并快速成型 打印个体化骨折模型， 清楚、 直观的了解骨折损伤的程度、 骨块移位情况， 尤其是关节面的损伤情况， 明确骨折类型和诊断。 运用计算机虚拟模型设 计复位策略，并通过 3D 实物模型实现虚拟复位策略，反复操作和练习， 选取最优手术方案，预先确定手术要点，评估手术风险及预后，并通过模 型操作完成接骨板的布局及修剪塑形，确定螺钉的方向、长度、分布，制 订一套完整的精确的、 个体化的手术方案并在实际手术当中实施。 本研究 初步探讨 3D 打印技术在髋臼骨折手术治疗中的应用，并通过回顾性对比 分析， 观察 3D 打印技术应用于髋臼手术治疗中的临床疗效， 评价 3D 打印 技术在髋臼骨折手术治疗中的应用价值及优势。 万方数据 3D 打印技术在髋臼骨折手术治疗中的应用及疗效观察 3 正 文 第一部分 3D 打印技术在髋臼骨折手术治疗中的应用 1 资料 1.1 资料来源 资料均来自 2014 年 01 月至 2015 年 12 月广州军区武汉总医院骨科收 治的髋臼骨折患者的全骨盆 CT 扫描数据。 1.2 骨折分型标准 所有髋臼骨折患者均采取 Letournel-Judet 分型 12。 1.3 病例纳入标准 受伤至手术时间2 周； 骨折类型为复杂髋臼骨折（包括 T 型、前方伴后半横型、双柱型） 和累及后壁的髋臼骨折（包括后壁型、后柱伴后壁型、横行伴后壁型）； 纳入对象为住院手术病人； 签署知情同意书，自愿同意应用 3D 打印技术； 18 岁以上的成年人。 1.4 实验器材及软件 联想计算机服务器一台Intel(R) Xeon(R), CPU E3-1225,RAM 8 GB,64 位操作系统；MakerBot Replicator 2 3D 打印机（MakerBot 公司, 美国）；髋臼内固定器械一套（AO）；直径 2.0 mm 医用克氏针；医学影 像控制系统 Mimics14.11 软件(Materialise 公司,比利时)；MakerBot Replicator 2 3D 打印机配套软件 2 方法 2.1 数据采集 患者术前均行骨盆髋臼 CT 薄层扫描，扫描部位：骨盆及股骨上段， 扫描螺距1.0mm，通过医院影像学系统 PACS 下载 Dicom 格式图像文件， 利用 Mimics14.11 软件选择“Import Image”手动导入图像数据。 （图 1） 万方数据 湖北中医药大学 2016 届硕士学位论文 4 图 1 患者骨盆 CT 薄层扫描数据导入界面 图 2 利用 Mimics14.11 软件获得骨盆髋臼模型 2.2 骨盆髋臼模型制作 通过 Mimics 软件构建 3D 骨盆髋臼模板并进行优化处理， 对图像内的 腰椎及股骨予以剔除或分离， 构建包括双侧髋骨及骶骨的骨盆模板。 步骤： 阈值分割：CT 图像利用阈值分割可以容易的将骨骼、肌肉等区分开来， 通过“ThresholdingBone（CT）”命令分割出骨盆骨骼模板；区域增 长： 对骨骼模板上彼此不相连接的分割区域进一步细分， 但是由于髋臼的 骨折以及椎体之间小关节的存在导致股骨、 腰椎同骨盆髋臼之间存在部分 连续，我们使用模板编辑工具（Edit masks）对连接部分进行剔除，利用 区域增长（Region Growing）和 3D 重建“Calculate 3D from mask”命 万方数据 3D 打印技术在髋臼骨折手术治疗中的应用及疗效观察 5 令获得我们需要的高仿真骨盆髋臼 3D 模型（图 2）。我们可以通过鼠标 任意角度旋转、 缩放观察骨折情况， 必要时我们还可以通过 “Smooth mask” 命令对蒙板进行光顺处理， 取出蒙板边缘小的毛刺或凹陷。 将模型数据 以“STL”格式导出备用。 2.3 虚拟手术规划 虚拟手术的设计需要我们在骨盆髋臼模型的基础上对每一个骨折块 独立处理， 因此我们需要对每一个骨折进行分割标记， 以便模拟手术复位。 应用 Mimics 软件三维编辑功能对每个骨块进行独立分割，并对每个骨折 块赋予不同的颜色标记，再运用虚拟模拟复位功能，以髂骨为模板，通过 “移动”“旋转”等功能逐一复位各骨折块，拟定手术复位策略，并通过 旋转观察以及与健侧髋臼对比了解复位情况（图 3）。 图 3 A、B 为复位前骨盆虚拟模型，C、D 为复位后骨盆虚拟模型 A B C D 万方数据 湖北中医药大学 2016 届硕士学位论文 6 2.4 3D 快速成型打印 将优化的“STL”格式骨盆数据导入 3D 打印软件 MakerBot 中，调整 打印位置，选择打印模式（层高 0.3mm，填充 3%）和支撑模式，采用生物 降解塑料聚乳酸材料（Polylactic acid，PLA）进行打印，获得髋臼骨折 模型。（图 4） 图 4 A 为髋臼后壁骨折 3D 打印模型，B 为髋臼双柱骨折 3D 打印模型 2.5 手术模拟 获得高仿真骨盆髋臼 3D 模型后，直观、准确地了解骨折线的走行及 损伤程度，观察骨块间的嵌插、绞索情况以及是否伴有髋臼边缘、关节面 压缩，准确的对骨折进行分型及诊断。去除 3D 模型骨块间的支撑，游离 骨块， 参照虚拟复位策略模拟手术复位， 反复操作， 进一步优化复位策略， 确定手术入路， 针对压缩部位拟定术中骨刀型号、 撬拨深度和幅度以及植 骨量。 初步完成模型的复位并予以克氏针固定， 以股骨头模型为模板同时 参照健侧髋关节检查髋臼关节面和同心圆结构的恢复情况并作相应的调 整，优化复位计划，同时评估术后近期疼痛及远期创伤性关节炎的发生。 进一步模拟内固定的植入， 完成接骨板的布局及修剪塑形， 利用克氏针模 拟螺钉植入， 了解其方向及长度， 完成术前个体化、 精细化手术设计。 (图 5) A B 万方数据 3D 打印技术在髋臼骨折手术治疗中的应用及疗效观察 7 图 5 模拟手术过程：A.复位后壁骨块，采用克氏针临时固定；B.确定钢板放置位 置、长度，用铝板取模；C.依照铝板对钢板进行塑形；D.模拟内固定装置的植入 3 结果 结合 3D 打印技术对 51 例髋臼骨折患者进行了准确的骨折分型：后 壁型 8 例、后柱伴后壁型 8 例、横行伴后壁型 8 例、T 型骨折 8 例、前方 伴后半横型骨折 6 例、双柱骨折 17 例，与术中所见一致。 应用 3D 打印技术可获得高仿真骨盆骨折模型， 可直观的了解骨折损 伤情况，利于制订精细化、个体化术前设计方案，从而提高手术质量。 通过 Mimics 软件构件骨盆虚拟模型并分割各骨折模块， 可旋转、 缩 放模型全方面了解骨折情况，并制订虚拟复位策略，结合 3D 实物模型实 现虚拟复位策略，反复操作，制订最优个体化手术方案，指导实际手术安 全、顺利的进行。 本研究 51 例髋臼骨折患者通过 3D 打印技术顺利进行术前个体化手 A B C D 万方数据 湖北中医药大学 2016 届硕士学位论文 8 术方案的精确设计， 包括手术入路、 复位策略、 接骨板的布局及修剪塑形、 螺钉的方向及长度等， 所有手术均较顺利的完成， 实际手术情况与术前设 计方案基本一致，术后复查未见螺钉进入关节腔。 4 讨论 4.1 3D 打印技术在髋臼骨折手术治疗中的应用 骨折分型及诊断。髋臼骨折的分型及诊断是确定手术治疗方案的基 础， 是决定手术成败的重要因素之一 13。 传统的方法是通过骨盆正位及双 斜位 X 线片和 CT 平扫等二维图像进行分析，不能直观反映骨折形态，学 习曲线较长，不同经验医生的分型也不同。随着 CT 三维重建技术在骨科 临床的应用日益广泛， 也已作为髋臼骨折术前常规辅助手段， 其诊断与分 型的准确性较 X 线和 CT 平扫高 14-15。王均干等16指出髋臼骨折患者术前 行三维 CT 检查可以明确诊断， 提高手术的准确性。 但是 CT 片的阅读与理 解均需要医生有良好的空间想象力，仍存在平面化、静态化的缺点，对于 一些复杂的、涉及关节的髋臼骨折，难以对局部解剖结构获得形象、直观 的认识，并且存在股骨头遮挡，常规三维 CT 在髋臼骨折的诊疗中作用有 限 17。吴新宝18等报道 18 例髋臼骨折，术前均行 CT 扫描，仍有 3 例伴有 髋臼压缩在术前仍未确诊。基于患者骨折部位薄层 CT 数据打印的 1:1 比 例的高仿真骨骼模型能真实的呈现患者骨折情况， 更加直观、 准确地了解 骨折线的走行及损伤程度，以此为参照更清晰分析病因、病机，准确的对 损伤进行分型及诊断，弥补了传统的 X 线片及三维 CT 的不足。Hurson 等 19将 3D 打印技术应用于髋臼骨折患者的术前诊断，并于传统影像学检查 对比，认为前者更有利于对复杂骨折形态的理解，分型更加准确。章莹等 20对复杂髋臼骨折的患者进行术前 3D 模型打印，认为该技术可以全面立 体的显示骨折线走形、骨折移位翻转的方向及程度、骨块的大小、关节面 损伤状况以及隐匿的撕脱骨块。 虚拟手术规划。计算机辅助技术作为 3D 打印技术的重要组成部分， 完成图像数据的优化及处理， 实现对人体组织结构的数字化虚拟重建、 功 能分析、虚拟手术等操作。通过计算机辅助技术，能够呈现一个虚拟的 万方数据 3D 打印技术在髋臼骨折手术治疗中的应用及疗效观察 9 3D 环境，模拟临床手术的全过程，具有直观、零损伤、可视化和可重复 等诸多优点 21。 Citak 等22通过计算机辅助技术为髋臼骨折患者制订虚拟 复位策略再进行实际手术， 对比发现三维虚拟模拟较传统二维规划更能增 加在实际手术操作的精确性，并减少复位所需的时间。Hu 等 21利用计算 机软件进行髋臼骨折虚拟手术规划，模拟骨块复位及内固定植入等过程， 并对比所有患者术后实际情况，其手术人路、钢板长度、螺钉数量等方面 均一致，认为术前虚拟手术规划，有助于术者确定手术方案。另外，利用 计算机辅助技术在术前设计虚拟钢板模型有助于钢板预弯，其匹配更佳， 可显著减少手术操作时间 23。 3D 模型手术模拟。基于高仿真的 1:1 比例的 3D 骨盆髋臼模型，真实 的还原骨折损伤情况， 通过模型可反复模拟手术操作和练习， 选取最优手 术方案，在术前确定手术的难点，评估手术风险及预后，并通过模型操作 及练习完成钢板的修剪及塑形，确定螺钉的方向、长度、分布，以提高手 术操作的准确性及复位效果，减少手术时间、术中 X 线透视次数、麻醉剂 的用量及术中出血量等。 Tillander 等 24研究表明通过以视觉仿真技术为 基础的创伤模拟操作系统训练后， 手术操作时间和手术操作准确度均得到 改善。另外，由于对骨折情况的充分了解及内固定物的术前设计，也减轻 了术中软组织的剥离程度， 减少了术后感染的发生， 有利于骨折的早期愈 合 25-26。 Bagaria 等27用 3D 打印技术制作了复杂髋臼骨折模型， 并在模型 上模拟手术，使实际手术时间大大缩短，且增加了手术操作的精确度，临 床疗效满意。 章莹等 28为 73 例骨盆髋臼骨折患者行血管造影 CT 三维重建 检查，建立包含动、静脉血管及骨盆骨折的三维模型，应用快速成型 3D 打印机制作个体化 3D 模型并模拟手术，在术前拟定手术入路，模拟骨折 块的复位，钢板的塑形与放置位置，螺钉长度、进针位置与角度等，术后 在复位精度、手术时间、术中出血量、并发症及功能恢复上较常规组有显 著优势。邓爱文等 29也指出在髋臼骨折中应用 3D 打印技术可使手术更加 精确、安全，缩短康复周期，使患者早日重返工作岗位，降低医疗成本。 个体化手术导