3D打印技术在肘关节骨折治疗中的应用

马旭邬波*柳椰刘素媛谭成波杨政博王译晗王佳媛

（1.沈阳市骨科医院骨科研究所病房；2.辽宁省创伤性骨关节病重点实验室，沈阳110044）

3D打印技术在肘关节骨折治疗中的应用

马旭1,2邬波1,2*柳椰1,2刘素媛2谭成波1杨政博1王译晗2王佳媛2

（1.沈阳市骨科医院骨科研究所病房；2.辽宁省创伤性骨关节病重点实验室，沈阳110044）

背景：当肘关节出现肱骨髁间粉碎性骨折或尺骨鹰嘴粉碎性骨折等复杂骨折时，骨折碎块隐蔽分布于关节附近的韧带、关节囊中，手术治疗难度大，不易复位。目的：探讨3D打印实体模型应用于肘关节骨折疾病中的临床效果。方法：选择我院2014年10月至2015年10月收治的患有肱骨髁间粉碎性骨折、尺骨鹰嘴粉碎性骨折、肱骨髁间粉碎性骨折合并尺骨鹰嘴粉碎性骨折需行肘关节骨折手术的患者42例，随机分为实体模型组（16例）和对照组（26例）。实体模型组术前采集CT扫描数据，并通过3D打印机制作患者患处实体模型。对照组使用传统方法进行手术操作。对两组患者术前、术后3个月进行Mayo标准评分；记录所有病例手术时间、术中失血量；比较两组关节活动度及骨折愈合时间。结果：实体模型组手术前后Mayo肘关节评分分别为（42.6±6.7）分和（96.2±3.8）分。对照组手术前后Mayo肘关节评分分别为（44.3±5.5）分和（91.1±4.3）分。两组术后Mayo肘关节评分均较术前显著提高，且术后实体模型组的Mayo肘关节评分显著高于对照组（P＜0.05）。术后实体模型组的优良率较对照组亦有所提高（P＜0.05）。实体模型组平均手术时间和术中失血量均显著少于对照组（P＜0.05）。实体模型组关节活动范围明显大于对照组（P＜0.05），但两组骨折愈合时间未见明显差异（P＞0.05）。结论：在肘关节骨折疾病的治疗中应用3D打印实体模型，可以取得更好的临床疗效。

3D打印技术；实体模型；肘关节骨折

肘关节骨折在临床上较为常见，其发生率约占全部骨折的14%。由于其解剖结构特殊，上下关节面的接触弧度大，术后很容易受到限制，发生骨性活动障碍[1]。这要求术者对骨折情况有充足的了解，因此，肘关节骨折的术前评估及分型是选择手术方案的基础。3D打印技术可以帮助医师了解患者骨折的程度、类型及各个骨折块的移位情况，做出明确的术前诊断，为术中的骨折复位提供依据。另外，可通过尝试不同手术方法进行术前模拟，进一步调整手术方案，制定出个体化的操作方法，使手术操作更为精准。

1 资料与方法

1.1 临床资料

选择我院2014年10月至2015年10月收治的42例肘关节骨折患者作为研究对象，所有患者均经我院伦理委员会批准并遵循自愿的原则入选。纳入标准：①符合严重的肱骨髁间粉碎性骨折、尺骨鹰嘴粉碎性骨折及二者合并骨折等复杂肘关节骨折诊断标准；②受伤至手术时间小于3周；③无心肺功能障碍等明显手术禁忌证。排除标准：①不符合诊断及纳入标准者；②合并严重器质性疾病者；③随访资料不完整或不配合治疗的患者。

根据患者是否自愿行3D打印模型进行分组。实体模型组：利用3D打印患处实体模型进行术前评估及术前模拟手术操作。对照组：使用传统方法进行手术操作。实体模型组16例，男10例，女6例，年龄21～61岁，平均（34.8±16.5）岁。其中9例为肱骨髁间粉碎性骨折，4例为尺骨鹰嘴粉碎性骨折，3例为肱骨髁间粉碎性骨折合并尺骨鹰嘴粉碎性骨折。对照组26例，男14例，女12例，年龄24～67岁，平均（37.4± 13.2）岁。其中13例为肱骨髁间粉碎性骨折，7例为尺骨鹰嘴粉碎性骨折，6例为肱骨髁间粉碎性骨折合并尺骨鹰嘴粉碎性骨折。两组在年龄、性别、骨折部位等方面无统计学差异（P＞0.05），具有可比性。

1.2 肘关节 3 D打印实体模型的制备

手术实施前，对患者肘关节行64排螺旋CT连续扫描，扫描条件：电压120 kV、电流150 mA、层厚0.625 mm、矩阵512×512。将CT连续扫描数据以“DICOM”格式保存，导入三维重建软件Mimics，对Mimics断层图像编辑完成后，运用Mimics软件的动态区域生成功能初步建立患者膝关节的三维模型（图1A），于Mimics上对患者骨折处模拟复位（图1B～D），处理完毕后模型以STL文件格式输出。利用CatalystEX软件将STL文件输出转化为三维模型打印指令（包括支撑结构），以引导打印头，从下到上逐层打印三维模型及其支撑材料。从工作舱中取出打印好的模型（图1E），从成型板上取下，溶解支撑材料。

1.3 手术操作的精细化（以肱骨髁间粉碎性骨折为例）

术前对比3D实体模型，通过手术团队之间的交流沟通，行术前评估及术前模拟手术操作，骨折端复位，预弯接骨板，制定出手术方案。麻醉后，患者侧卧位。自肘上沿后侧正中纵行切口，直至鹰嘴下逐层切开，首先在肘后内侧找出尺神经，分离并牵引向内，橡皮条保护，显露肱尺关节后侧关节囊，切开关节囊后找到半月形切迹的裸区，行尺骨鹰嘴“V”形截骨，尖端朝向上肢远端，将鹰嘴尖端连同三头肌向近侧掀起，显露折端，术中见肱骨髁部骨质断裂，可见多处骨折线及骨折碎块，肘关节失去正常对位关系，肱骨外髁向外侧翻转。清理折端，依据3D实体模型骨折情况，试行复位满意后，大量庆大霉素生理盐水脉冲加压冲洗折端周围组织。用两根克氏针交叉固定折端，肱骨远端后外侧用后外侧锁定接骨板固定，肱骨远端内侧用内侧锁定接骨板固定。确认骨折复位及内固定确实有效。将肘关节复位后，用两枚克氏针及张力带钢丝固定尺骨鹰嘴。将尺神经前置，与内固定接骨板之间用肌肉与筋膜组织分隔，逐层缝合，关闭切口。

1.4 随访计划及评价指标

术前、术后3个月按Mayo标准评分评价肘关节功能，并测量肘关节活动度。肘关节功能评分≥90分为优，75～89分为良，60～74分为中，＜60分为差；关节活动范围可通过量角器测量得到。记录所有病例手术时间、术中失血量。术后影像学观察比较两组骨折愈合时间。

1.5 统计学方法

采用SPSS 19.0软件进行统计学分析，计量资料以均数±标准差表示，组间比较采用t检验，P＜0.05为有统计学差异。

2 结果

全部患者均成功实施肘关节骨折复位手术，围手术期未出现严重并发症，所有患者伤口均愈合良好。术后随访未出现关节感染迹象。

2.1 Mayo肘关节评分

术前对照组及实体模型组Mayo肘关节评分差异无统计学意义（P＞0.05）；术后3个月，两组Mayo肘关节评分较术前均有明显改善，屈伸活动功能好，疼痛减弱，均有统计学差异（P＜0.05）；术后实体模型组较对照组Mayo肘关节评分改善更为明显，优良率高于对照组（P＜0.05，表1）。

2.2 相关指标评价

两组切口均愈合良好。实体模型组平均手术时间和术中失血量均少于对照组（P＜0.05，表2）。

2.3 疗效评价

本组患者均获得至少3个月随访。实体模型组关节活动范围明显大于对照组，均有统计学意义（P＜0.05，表3），但两组骨折愈合时间未见明显差异。两组患者均无感染、肘关节不稳等并发症发生（图1F、G）。

图1 典型病例

表 1 两组手术前后Mayo肘关节评分及优良率比较

表 1 两组手术前后Mayo肘关节评分及优良率比较

与术前比较△P＜0.05；与对照组比较▲P＜0.05

?

表 2 两组手术时间、术中失血量的比较

表 2 两组手术时间、术中失血量的比较

与对照组比较，△P＜0.05

?

表 3 两组肘关节活动度、骨折愈合时间的比较（

表 3 两组肘关节活动度、骨折愈合时间的比较（

与对照组比较，△P＜0.05

?

3 讨论

肘关节属于人类机体中稳定性极强的一类关节，有着复杂的骨性结构及软组织结构，是机体中易受创伤的部位[2,3]。当肘关节出现肱骨髁间粉碎性骨折或尺骨鹰嘴粉碎性骨折等复杂骨折时，维持肘关节稳定的骨和关节附近韧带、关节囊等遭受损伤，骨折块呈不规则状隐蔽分布且大部分较为碎小，使得治疗难度极大提升[4-6]。在传统手术过程中，在很大程度上不能使骨折部位完全的复位，造成整个关节面的不平整，进而影响到整个关节的功能[7]。3D打印技术则可以实现骨折部位的真实重现，使术者在术前对骨折的分型有充分的理解，熟悉骨折块固有位置，于术前进行模拟操作，方便术者实现术中更快、更精准的复位固定[8]。

3D打印技术是基于物体三维数字模型，采取逐层加工、叠加成形方式的制作工艺[9]。近年来，该技术已广泛应用于临床医学领域尤其是骨病的治疗中。随着影像学和数字化医学的快速发展，个体化、精确化是骨科发展的一个重要方向，3D打印技术作为数字化技术的集中体现，是实现各种骨科手术个体化、精确化的有效手段[10-12]。其在骨科临床应用领域主要包括：①3D打印患者实体模型进行术前评估及分型并模拟手术操作[13]；②个性化定制3D打印术中导航模板，辅助手术操作[14]；③内置物的制作等方面[15]。

本研究数据显示，应用3D打印实体模型后与对照组相比，术中失血量及手术时间均降低，提示应用3D打印实体模型可减少患者关节损伤，及对皮肤的血供破坏，并极大程度地降低了感染的发生率，且3D打印实体模型帮助术者于术前模拟骨折复位，在术中得到精确的实施，可明显缩短手术时间，进一步减少术中出血及麻醉药物的使用。术后3个月，实体模型组较对照组Mayo肘关节评分改善更为明显，关节活动范围增大，提示应用3D打印实体模型可提高患者术后屈伸活动功能，减弱疼痛，使患者得到稳定的肱骨远端骨性三角区解剖结构。综合以上数据，制作3D打印实体模型，避免了骨折块丢失，关节面不平造成的畸形，减少手术创伤，缩短手术时间，提高患者满意度。

本研究具有一定的局限性，应用3D打印实体模型可辅助术前进行术前评估及模拟操作，但不能应用于术中辅助接骨，仍有待进一步完善。根据本研究结果的提示，将进一步对其改善，先于三维空间模拟复位，再根据实物模型设计内固定材料，“量身定制”个体化数字解剖锁定接骨板辅助术中操作，从而实现为每位患者的个性化治疗。

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Application off 3D printing technology in elbow fracture

MAXu1,2,WU Bo1,2*,LIU Ye1,2,LIU Suyuan2,TAN Chengbo1,YANG Zhengbo1,WANG Yihan2,WANG Jiayuan2

(1.The Ward of Orthopaedics,Institute of Shenyang Orthopaedic Hospital;2.Liaoning Traumatic Osteoarthropathy Key Laboratory,Shenyang 110044,China)

【Absttrraactt】Background::When humeral condylar comminuted fracture or comminuted olecranon fracture at elbow happens, the fracture fragments are snugly distributed in ligaments and capsules,which will increase the difficulties of surgical treatment and restoration.Objecttiivee::To explore the clinical efficacy of 3D printing entity model in elbow fracture.Methodss::Forty-two patients who suffered from humeral condylar comminuted fracture,comminuted olecranon fractures,or humeral condylar comminuted fracture combined with comminuted olecranon fractures and underwent surgical treatment in our hospital between October 2014 and October 2015 were randomly divided into two groups:entity model group(n=16)and control group(n=26).Before surgery,the entity model was printed out based on CT scan results in entity model group.Conventional surgical operation was performed in control group.The Mayo score was assessed before operation and 3 months after operation.The operation time,intraoperative blood loss and the range of motion of elbow joint,fracture healing time were compared between the two groups.Resullttss::The Mayo score was 42.6±6.7 and 96.2±3.8 before and after surgery in the entity model group.The Mayo score was 44.3±5.5 and 91.1±4.3 before and after surgery in the control group.Postoperative Mayo score was significantly higher than preoperative one in both groups(P＜0.05).The Mayo score and excellent rate of treatment in the entity model group were significantly higher than those in the control group(P＜0.05).The operation time and intraoperative blood loss in the entity model group were significantly less than those in the control group(P＜0.05).The range of motion of elbow joint in the entity model group was significantly greater than that in the control group(P＜0.05), but no significant difference was found in the fracture healing time between the two groups(P＞0.05).Conclusiionss::3D Printing entity model plays a good role in complex elbow fracture.

3D Printing Technology;Entity Model;Elbow Fracture

2095-9958（2017）06-0 228-04

10.3969/j.issn.2095-9958.2017.03-12

*通信作者：邬波，E-mail：wabc967@126.com