余光書 許長鵬 林焱斌▲ 熊國勝 莊 研 熊圣仁 李仁斌

1.廈門大學(xué)附屬福州第二醫(yī)院骨科，福建福州 350000；2.廣東省第二人民醫(yī)院骨科，廣東廣州 510200

基于3D打印的虛擬手術(shù)設(shè)計在復(fù)雜脛骨平臺骨折內(nèi)固定中的臨床效果觀察

余光書1許長鵬2林焱斌1▲熊國勝1莊 研1熊圣仁1李仁斌1

1.廈門大學(xué)附屬福州第二醫(yī)院骨科，福建福州 350000；2.廣東省第二人民醫(yī)院骨科，廣東廣州 510200

目的 探討3D打印技術(shù)結(jié)合虛擬手術(shù)設(shè)計在治療復(fù)雜脛骨平臺骨折中的臨床效果。 方法 回顧分析2014年1月～2015年12月的25例復(fù)雜脛骨平臺骨折患者臨床資料，按入院順序奇偶性分為輔助組（應(yīng)用3D打印虛擬手術(shù)）和常規(guī)組（應(yīng)用常規(guī)手術(shù)）。比較兩組手術(shù)時間及術(shù)中鋼板一次性放置率﹑復(fù)位滿意度及術(shù)后膝關(guān)節(jié)功能。 結(jié)果 患者均獲隨訪，輔助組在手術(shù)時間﹑鋼板一次性放置率﹑復(fù)位滿意度及HSS臨床功能評分方面比較優(yōu)于常規(guī)組，差異均具有統(tǒng)計學(xué)意義。 結(jié)論 3D打印技術(shù)結(jié)合虛擬手術(shù)設(shè)計可提升復(fù)雜脛骨平臺骨折治療的臨床手術(shù)效果，臨床應(yīng)加以重視并推廣。

脛骨平臺骨折；內(nèi)固定手術(shù)；3D打??；數(shù)字化設(shè)計，計算機(jī)輔助

復(fù)雜脛骨平臺骨折可導(dǎo)致不同程度的關(guān)節(jié)面壓縮和移位，嚴(yán)重影響膝關(guān)節(jié)的對合穩(wěn)定性與運(yùn)動，后期易于引起膝關(guān)節(jié)活動功能障礙等并發(fā)癥[1]。因而如何最大程度在術(shù)中獲得適合骨折愈合的穩(wěn)定性是目前手術(shù)治療的探索方向。傳統(tǒng)手術(shù)方式術(shù)前設(shè)計主要聚焦于入路﹑術(shù)式﹑骨折及骨缺損情況，對于內(nèi)固定植入的鋼板及螺釘規(guī)格﹑植入位置及螺釘植入方向等因素往往忽視。隨著個體化治療要求的不斷提高，上述因素的差異明顯導(dǎo)致復(fù)雜脛骨平臺骨折內(nèi)固定植入的效果。

盡管術(shù)前可以對骨折進(jìn)行三維重建，但對骨折整體了解仍缺乏完整信息，往往需要術(shù)者根據(jù)術(shù)中探查情況設(shè)計復(fù)位以及內(nèi)固定方案。目前基于3D打印技術(shù)的虛擬手術(shù)設(shè)計針對上述痛點(diǎn)提供了難得的契機(jī)，可以術(shù)前設(shè)計手術(shù)方案，使手術(shù)更加精確進(jìn)而整體提升手術(shù)質(zhì)量和可靠性[2-3]。為此本研究選取2014年1月～2015年12月運(yùn)用3D打印技術(shù)結(jié)合Mimics虛擬手術(shù)設(shè)計的25例復(fù)雜脛骨平臺骨折患者的關(guān)鍵內(nèi)固定植入步驟進(jìn)行數(shù)字化設(shè)計，以期達(dá)到最大限度的內(nèi)固定植入效果， 旨在為脛骨平臺骨折手術(shù)提供新的可視化﹑個性化設(shè)計方案，現(xiàn)總結(jié)分析如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選取2014年1月～2015年12月共25例，男14例，女11例，年齡21～57歲，平均（41.2±13.5）歲。車禍傷13例，高處墜落傷7例，重物砸傷5例。術(shù)前排除血管﹑神經(jīng)合并損傷。骨折按Schatzker分型包括Ⅱ型10例，Ⅳ型5例，V型4例，VI型6例。傷后至手術(shù)時間4～13d，平均（8.5±2.3）d。均無明顯切開復(fù)位內(nèi)固定手術(shù)禁忌證。根據(jù)入院順序進(jìn)行分組，奇數(shù)患者編入輔助組（應(yīng)用3D打印虛擬手術(shù)），偶數(shù)患者編入常規(guī)組（應(yīng)用常規(guī)手術(shù)）。由于脛骨平臺骨折Ⅴ型治療存在單﹑雙鋼板固定的差異，筆者僅將單純植入外側(cè)鋼板的該類骨折納入研究以消除該混雜因素。兩組患者的性別比，年齡，骨折分型及受傷原因等因素經(jīng)處理無統(tǒng)計學(xué)差異，二組具有可比性。全部入組患者疾病確診，無其他嚴(yán)重肝腎疾病，精神正常，能進(jìn)行有效的溝通交流，對治療及本研究知情，配合度及耐受性較高，排除有嚴(yán)重組織或器官器質(zhì)性疾病，有精神障礙，不能進(jìn)行有效的溝通交流，對治療或本研究配合度低，中途轉(zhuǎn)院或死亡的患者[2]。本研究的開展即分組經(jīng)醫(yī)院倫理委員會的許可。

表1 兩組臨床療效比較

1.2 數(shù)據(jù)處理、虛擬手術(shù)設(shè)計與3D打印

輔助組患者膝關(guān)節(jié)CT數(shù)據(jù)（層距0.5mm）導(dǎo)入Mimics17.0軟件，Region Growing模塊建立患膝Mask，Multiple Slice Edit編輯所需像素集合，Calculate 3D轉(zhuǎn)換為三維模型，將各骨塊像素集合分離后建立各骨塊三維模型并標(biāo)注不同顏色，通過3D Objects窗口中的Move與Rotate對各骨塊進(jìn)行虛擬復(fù)位，制定個性化手術(shù)方案（復(fù)位方式﹑移動距離及旋轉(zhuǎn)角度），最終將復(fù)位整合骨折模型導(dǎo)入軟件并進(jìn)行3D打印，復(fù)位后骨折模型預(yù)手術(shù)模擬解剖鋼板放置位置﹑螺釘位置以及角度設(shè)計。

1.3 手術(shù)操作及療效評定

輔助組按照術(shù)前制定手術(shù)方案，常規(guī)組應(yīng)用常規(guī)手術(shù)方案進(jìn)行。術(shù)中比較鋼板一次性放置準(zhǔn)確率及手術(shù)時間，術(shù)后復(fù)位評價采用Rasmussen放射學(xué)評分（其中疼痛（6分）﹑行走能力（6分）﹑膝伸直缺失度（6分）﹑膝關(guān)節(jié)活動度（6分）及膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性（6分），總分為30分；＞27分為優(yōu)，20～26分為良，10～19分為可，＜6分為差），遠(yuǎn)期采用HSS功能評分評價膝關(guān)節(jié)功能（該評分表中疼痛30分，功能22分，活動度18分，肌力10分，屈曲畸形10分，穩(wěn)定性10分，其中減分項目分別有使用手杖情況及患肢內(nèi)外翻情況）[3]。

1.4 統(tǒng)計學(xué)處理

采用SPSS13.0統(tǒng)計軟件進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析。計量資料以（x±s）表示，采用t檢驗(yàn)，計數(shù)資料以百分比表示，采用χ2檢驗(yàn)，P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

與常規(guī)組相比，輔助組手術(shù)時間縮短，一次性放置準(zhǔn)確率提高，術(shù)后Rasmussen放射學(xué)評價優(yōu)良率提高，膝關(guān)節(jié)功能HSS評分增加，差異均具有統(tǒng)計學(xué)意義，兩組臨床療效見表1，典型病例見圖1。

圖1 典型病例

3 討論

3.1 脛骨平臺骨折的特點(diǎn)及治療

脛骨平臺骨折是關(guān)節(jié)內(nèi)骨折，無論AO﹑BO理論都強(qiáng)調(diào)關(guān)節(jié)內(nèi)骨折需解剖復(fù)位。此類骨折常合并較為嚴(yán)重軟組織損傷，目前多主張手術(shù)治療，而不恰當(dāng)內(nèi)固定物等因素易致術(shù)后炎嚴(yán)重并發(fā)癥，手術(shù)的質(zhì)量與患者術(shù)后功能息息相關(guān)[4]，因此良好的術(shù)前規(guī)劃與設(shè)計可最大限度降低并發(fā)癥的發(fā)生，提高臨床治療效果。

3.2 虛擬手術(shù)設(shè)計與3D打印技術(shù)優(yōu)勢

基于Mimics虛擬手術(shù)設(shè)計提供術(shù)前規(guī)劃以及3D打印技術(shù)在骨科領(lǐng)域的應(yīng)用日益成熟，有助于提高手術(shù)的安全性及準(zhǔn)確性[5-6]。Mimics虛擬手術(shù)設(shè)計可以針對骨折塊模擬復(fù)位方式﹑復(fù)位順序﹑放置鋼板，設(shè)計拉力螺釘置釘位置及方向。3D打印模型能真實(shí)反映骨折實(shí)際情況，通過術(shù)前對1：1的3D打印模型實(shí)際操作設(shè)計方案可使手術(shù)程序化及規(guī)范化，并預(yù)判術(shù)中可能的問題，使復(fù)雜手術(shù)簡單化，進(jìn)而節(jié)省手術(shù)時間﹑提高復(fù)位質(zhì)量，從而提升手術(shù)質(zhì)量[7-8]。本研究結(jié)果提示將3D打印虛擬手術(shù)應(yīng)用于脛骨平臺骨折的手術(shù)治療，在手術(shù)時間﹑內(nèi)置物一次性放置準(zhǔn)確率﹑解剖復(fù)位及膝關(guān)節(jié)功能方面均有顯著優(yōu)勢。

3.3 虛擬手術(shù)及3D打印治療骨折的展望

骨折各患者具體情況不同要求在內(nèi)固定治療上進(jìn)行個性化設(shè)計，而個體化骨折模型便于術(shù)前規(guī)劃[9]。3D打印模型可帶來更真實(shí)直觀的感受，不僅加強(qiáng)了醫(yī)生操作技巧的訓(xùn)練，人員間配合，縮短學(xué)習(xí)曲線，同時讓患者充分了解治療方案及疾病預(yù)后，增加醫(yī)患配合，提高患者治療依從性。盡管其成本仍較高，但隨著技術(shù)發(fā)展，未來該技術(shù)將帶給骨折治療更多的便利。

在本研究中，經(jīng)3D打印虛擬手術(shù)治療的觀察組患者較經(jīng)應(yīng)用常規(guī)手術(shù)治療的常規(guī)組的手術(shù)時間，一次性放置準(zhǔn)確率﹑術(shù)后Rasmussen放射學(xué)評價優(yōu)良率及膝關(guān)節(jié)功能HSS評分指標(biāo)均顯著更優(yōu)，說明3D打印虛擬手術(shù)治療方法治療復(fù)雜脛骨平臺骨折具有顯著的臨床效果。同時，本研究因?yàn)榧{入的樣本數(shù)量較少，且未對全部患者的個體差異進(jìn)行單因素分析，結(jié)果可能存在一定程度的差異，期待臨床早日進(jìn)行大樣本研究，得出更為可靠的結(jié)論。

綜上所述，可以得出：3D打印技術(shù)結(jié)合虛擬手術(shù)設(shè)計可提升復(fù)雜脛骨平臺骨折治療的臨床手術(shù)效果，臨床應(yīng)加以重視并推廣。

[1] 林焱斌，林偉，林任，等.改良組合術(shù)式治療復(fù)雜脛骨平臺骨折的療效分析[J].中華創(chuàng)傷骨科雜志，2014，16（7）：632-635

[2] 羅永祥，Ashwini Rahul Akkineni，Anja Lode，等 .3-D 打?。阂环N個性化制備復(fù)雜支架和組織工程植入物的多功能快速成型技術(shù)（英文）[J].中國修復(fù)重建外科雜志，2014（3）：279-285.

[3] 霍莉峰，倪衡建.數(shù)字骨科應(yīng)用與展望：更精確﹑個性﹑直觀的未來前景[J].中國組織工程研究，2015，19（9）：1457-1462.

[4] 余光書，林焱斌.定量評價骨折愈合的有效性研究進(jìn)展[J].中華實(shí)用診斷與治療雜志，2014，28（10）：939-941.

[5] 左睿，孫永建，吳毅，等.3D打印與虛擬手術(shù)設(shè)計在復(fù)雜脛骨平臺骨折手術(shù)治療中的應(yīng)用[J].中國骨與關(guān)節(jié)損傷雜志，2016，31（4）：369-372.

[6] 王博亮，蔡明，郭曉曦，等.數(shù)字醫(yī)學(xué)在精準(zhǔn)骨科手術(shù)中的應(yīng)用[J].廈門大學(xué)學(xué)報（自然版），2013，52（2）：202-205.

[7] Wang X，Zhang K，Zhu Y.Clinical Application of 3D Printing Technology in the Treatment of Complex Tibial Plateau Fracture[J].Journal of Practical Orthopaedics，2015，21（10）：887-890.

[8] 黃華軍，張國棟，歐陽漢斌，等.基于3D打印技術(shù)的復(fù)雜脛骨平臺骨折內(nèi)固定手術(shù)數(shù)字化設(shè)計[J].南方醫(yī)科大學(xué)學(xué)報，2015（2）：218-222.

[9] Wade R，Yang H，McKenna C，et al.A systematic review of the clinical effectiveness of EOS 2D/3D X-rimaging system[J].Eur Spine J.2013，22（2）：296-304.

[10] Lasanianos NG，Garnavos C，Magnisalis E，et al.A comparative biomechanical study for complex tibial plateau fractures：Nailing and compression bolts versus modern and traditional plating[J].Injury，2013，44（10）： 1333-1339.

[11] 陳羽，宋烜，張海兵，等.三維重建及虛擬手術(shù)在復(fù)雜脛骨平臺骨折治療中的應(yīng)用[J].中國組織工程研究，2013，（39）：6940-6945.

[12] 李政，盧啟貴，黃東紅，等.3D打印技術(shù)結(jié)合虛擬手術(shù)與傳統(tǒng)手術(shù)在治療復(fù)雜脛骨平臺骨折的應(yīng)用療效比較 [J].中國傷殘醫(yī)學(xué)，2017，25（10）：35-38.

[13] 劉永剛，左立新，裴國獻(xiàn)，等.脛骨平臺骨折Schatzker分類數(shù)字化模型的建立及其在虛擬手術(shù)中的應(yīng)用[J].中華醫(yī)學(xué)雜志，2013，93（31）：2478-2482.

[14] Su CL,Sung JK, Kwang AJ, et al.An early sign of intraarticular fracture of the lateral tibial plateau during opening wedge high tibial osteotomy[J].The Knee，2013，20（1）：66-68.

[15] Berkes MB，Little MTM，Schottel PC，et al.Outcomes of Schatzker II tibial plateau fracture open reduction internal fixation using structural bone allograft[J].Journal of Orthopaedic Trauma，2014，28（2）：97-102.

Clinical observation of virtual surgery design based on 3D printing in treatment of internal fixation of complex tibial plateau fracture

YU Guangshu1XU Changpeng2LIN Yanbin1XIONG Guosheng1ZHUANG Yan1XIONG Shengren1LI Renbin1
1.Department of Orthopedics,Fuzhou Second Hospital Affiliated to Xiamen University,Fuzhou 350000,China;2.Department of Orthopedics,Guangdong Second People's Hospital,Guangzhou 510200, China

Objective To explore the clinical effect of 3D printing technique combined with virtual surgery in the treatment of complex tibial plateau fractures. Methods The clinical data of 25 patients with complex tibial plateau fractures from January 2014 to December 2015 were analyzed retrospectively.The patients were divided into two groups according to the sequence of admission:auxiliary group (3D print virtual surgery) and routine group(conventional operation).The operation time,disposable steel plate placing rate,the satisfaction of the reduction and the knee function after operation were compared between the two groups. Results The patients were followed up.The operation time,disposable steel plate placing rate,reset satisfaction and HSS clinical function score of the auxiliary group were better than that of the routine group,the difference was statistically significant. Conclusion 3D printing technology combined with virtual surgery design can improve the clinical effect of complex tibial plateau fracture treatment,clinical should be paid attention to and promoted.

Tibial plateau fracture;Internal fixation;3D printing;Digital design;Computer aided

R687.3

A < class="emphasis_bold"> [文章編號]]

] 2095-0616（2017）21-181-03

福建省福州市科技計劃項目（2014-S-137-6）。

▲通訊作者

2017-07-13）