3D打印技术在复杂骨端骨折治疗中的应用研究

孔祥安

(安徽省合肥市第二人民医院脊柱骨科， 安徽 合肥 230011)

3D打印技术在复杂骨端骨折治疗中的应用研究

孔祥安

(安徽省合肥市第二人民医院脊柱骨科， 安徽 合肥230011)

目的探讨3D打印技术在复杂骨端骨折治疗中的应用。方法选取我院骨科诊治的复杂骨端骨折患者76例随机分为两组，对照组38例，予以钢板螺钉固定，试验组38例予以3D打印技术联合钢板螺钉固定治疗。对比两组的临床疗效、骨痂评分、手术时间、术中出血量、骨折愈合时间、关节功能恢复情况、疼痛评分、手术并发症以及不良反应发生情况，其数据结果应用统计学软件SPSS17.0加以处理。结果治疗后，两组患者PRI感应分、情绪分、总分、VAS评分以及PPI评分降低；试验组治疗有效率92.11%，对照组治疗有效率68.42%，试验组治疗有效率高于对照组，差异具有统计学意义(P<0.05)；试验组骨痂评分高于对照组，手术时间、术中出血量以及骨折愈合时间较对照组低，差异均有统计学意义(P<0.05)；试验组治疗后关节功能恢复优良率为89.47%，对照组治疗后关节功能恢复优良率为65.79%，试验组高于对照组，差异具有统计学意义(P<0.05)；试验组PRI感应分、情绪分、总分、VAS评分以及PPI评分低于对照组，差异有统计学意义(P<0.05)；试验组与对照组手术的并发症及不良反应相比，差异无统计学意义(P>0.05)。结论3D打印技术在复杂骨端骨折治疗的疗效显著，安全性好，适宜临床应用推广。

3D打印技术； 复杂骨端骨折； 关节面损伤

骨端骨折属于关节内骨折，其发生率占骨折总发生率的10%左右，能够导致关节面压缩、塌陷以及骨折移位[1]。依据骨折的程度可分为完全性骨折以及不完全性骨折，单纯性骨折指骨折未合并周围组织受损，相对于复杂骨折，复杂性骨折常伴有神经、血管、肌腱以及关节受损，且其关节面损伤的形式、程度及范围等较为严重[2]，与骨折部位具有相关性。本病常主张进行积极手术，手术复位能够知晓解剖复位，恢复力线，从而预防并发症的发生。最终目标即为获得无痛、稳定性以及功能良好的周围关节。复杂骨端骨折目前以切开复位植骨内固定为主，随着手术理念的不断发展，手术方式从传统的内固定术，至近年来有限切开、微创技术、间接复位及外固定器应用等治疗方式发展[3]。因此为了到达更好的手术目的并符合现代骨科发展理念，进行良好的设计对手术效果尤为关键。3D打印技术(Three-dimension Prin，3DP)[4]是快速原型技术或增材制造技术(Additive Manufacturing，AM)[5]的一种，通过计算机控制根据物品的CAD模型或CT等相关数据，不借助其余设备，采用材料精准堆积，制造原型的数字化成型技术。术者通过骨折模型能够直观的了解骨折的类型、移位方向以及程度等相关信息，通过骨折模型进行模拟手术，以选择更为适合的钢板、螺钉行预处理，以降低手术损伤，降低术中出血量以及缩短手术操作时间[6]。但临床针对此方面的相关文献较少，因此本文就3D打印技术在复杂骨端骨折治疗中的应用进行观察研究，现报道如下：

1 资料与方法

1.1临床资料:收集2015年5月至2017年5月在我院骨科收治的76例复杂骨端骨折患者，男性41例，女性35例，年龄18～90岁，平均(41.39±4.20)岁，受伤原因：交通事故33例，重物砸伤12例，高处坠落8例，摔伤23例，闭合性骨折54例，开放性骨折21例；新鲜骨折50例，陈旧骨折26例，；按就诊先后顺序，根据简单随机分组方法将患者随机分为试验组和对照组，各38例，试验组男性21例，女性17例，患者年龄18～87岁，平均(40.74±4.38)岁，受伤原因：交通事故16例，重物砸伤6例，高处坠落4例，摔伤12例；闭合性骨折26例，开放性骨折12例；新鲜骨折23例，陈旧骨折15例。对照组男性20例，女性18例，患者年龄20～90岁，平均(42.12±4.43)岁，受伤原因：交通事故17例，重物砸伤6例，高处坠落4例，摔伤11例；闭合性骨折28例，开放性骨折9例；新鲜骨折27例，陈旧骨折11例。两组平均年龄、性别比例、受伤原因以及骨折类型等经统计学处理，差异无统计学意义(P>0.05)。

1.2纳入标准:诊断均符合《实用骨科学》[7]中复杂骨端骨折的诊断标准，不存在关节畸形，非病理性骨折；年龄≥18岁，均为自愿参与实验并能够配合进行试验，经伦理委员会批准，患者或其家属签署知情同意书。

1.3排除标准:同一肢体存在多段骨折；伴有神经、血管受损；存在精神障碍无法配合进行手术治疗的患者；存在肿瘤等器质性疾病、内科疾病、严重感染以及严重的心、肝、肾合并症等不耐受手术治疗患者；伴有骨髓炎等严重传染性疾病所致的骨折不愈合；存在出血情绪或血液系统疾病者。

1.4治疗方法

1.4.1术前准备[8]:对照组行骨折端正侧位X线片和CT扫描，根据骨折类型确定治疗方法；试验组对受损关节进行双源64排薄层CT扫描三维重建，将薄层CT扫描数据应用DICOM格式保存，并采用北京法默瑞思科技有限公司提供的Minmics软件处理系统通过其中区域分割、区域增长以及三维建模等功能，进行三维模型构建，再通过Make Ware软件将模型转换为3D打印机能应用的股票三维模型STL格式文件代码，再通过SD数据卡传递至西安非凡士机器人科技有限公司T提供的MakerBot Replicator 23D打印机，打印材料应用上海芃硕生物科技有限公司提供的环保生物降解塑料材料聚乳酸细丝，3D打印机的一般参数为：层厚0.1mm，壁厚1mm，允许回滚，底部或顶部厚度1mm，填充率10%，打印速度40mm/s，打印温度220℃，材料线直径1.75mm，打印时间24～36h。采用喷头喷出累积成型，最终制成实体1：1大小的骨端骨折模型。根据这一骨折模型，从而了解股骨远端骨折的移位方向、骨块位置和相关关系、关节面的完整性以及是否存在塌陷以及骨缺损，在3D假体上行骨折复位术，可以选择合适的钢板，由于没有术野限制以及软组织的遮挡，能够任意调整骨折块，可以应用适宜螺钉长度及螺钉置入方向，从而获得较为满意的复位结果。实际手术中常出现骨折与软组织相连而移动范围有限或不确定骨块复位位置，在3D模型上标记关键解剖点，方便手术中辨认，以减少手术时间。根据打印出的实体模型进行模拟手术，在模型上根据手术不走模拟复位情况，应用克氏针使骨折块逐一固定，复位满意后，选择适宜的钛版预弯并黏附与骨折模型上，调节至适宜的位置，螺钉的置入方向、位置需要对骨折块具有适宜的固定作用，选择合适的钛版规格、型号以及放置位置。患者及其家属能够了解损伤情况，便于与患者沟通。

1.4.2术中操作[9]:对照组予以全麻或持续硬膜外麻醉，患者取仰卧位，患肢应用止血带，压力50kpa，术前常规碘伏消毒铺巾，驱血带驱血后止血带充气加压，对照组患者均予损伤关机内外侧双切口手术入路，逐层切开，两切口间皮瓣宽度≥7cm，先选择骨科相对较、容易复位一侧作为切口，对内侧平台采用内侧切口复位，先用直径2.0克氏针进行临时固定，再选择合适大小长度的螺钉钢板固定，螺钉方向一般自后向前；对于外侧平台骨折予以内侧切口复位，切开皮肤、皮下组织，然后根据术前CT结果选择适宜的克氏针插入，并进行暂时固定，可观察骨质缺损，先将外侧平面骨快向外侧翻开，自下而上顶起倒塌的关节面，下方空腔采用同种异体骨填塞植骨。试验组患者根据数字化设计的手术方案，将导航模块以及术野中的骨面紧密卡位，手术按压模块固定，另外一只手采用克氏针经过导航模块通道缓慢钻入至骨质，电钻钻入预计长度后一次移除导航模块，剪短克氏针，选择相应接骨板孔套入克氏针，准确置入。另外一块接骨板体外对比，采用模拟微创经皮接骨板内固定技术(MIPPO)、丝维扩孔，沿钉道方向拧入已经测量好的长度以及直径螺钉。

1.4.3术后处理:术后切口采用弹力绷带加压保包扎，常规应用抗生素预防感染，术后1～2日拔除引流管，术后麻醉消失后即进行康复功能训练，根据骨折部位进行对应关节功能训练，术后2周左右拆线。定期进行CT扫描检查，术后2.5个月可行部分负重行走锻炼，无显著的疼痛则进行复查观察骨折内固定在位，无明显位移，就继续增加负重量，至患者能够正常行走；若患者存在严重的骨质松散或内固定不牢固者，可斟酌辅助石膏外固定并延长卧床时间。

1.5观察指标

1.5.1疗效评价[10]:术后3个月进行X线检查，痊愈为显示骨折端愈合，关节匹配良好，未形成角畸形，缩短<5mm，关节功能恢复正常；显效为显示骨折端大部分愈合，形成角畸形<5度，5mm≤缩短<10mm，关节功能恢复超过75%；有效为显示骨折端基本愈合，形成角畸形超过5度低于10度，10mm≤缩短<20mm，关节功能恢复超过50%，不足75%；无效为显示骨折端未愈合，关节匹配差，成角畸形超过10度，缩短超过20mm，关节功能恢复低于50%，同时可能伴有感染、神经血管受损等并发症。总有效率=[(痊愈+显效+有效)/治疗例数]×100%。统计并对比两组患者手术时间、术中出血量、术后引流量以及骨折愈合时间。

1.5.2骨痂评分:根据《实验骨伤学》[11]中骨痂评分的评分标准，X线显示骨痂生长的情况，根据无骨痂至结构性骨痂形成分为5各等级，分别记0～4分，分数愈高证实骨痂形成越好。

1.5.3关节功能恢复情况:根据《实验骨伤学》中关节活动度拟定功能恢复标准，如下：优为关节活动度、功能均恢复正常；良为关节活动度情况以及功能恢复超过80%，功能稍受限；可为关节活动度情况以及功能恢复超过75%，低于80%，功能受限较为明显；差为关节活动度情况以及功能恢复未超过75%，功能严重受限，甚至患者生活不能自理。优良率=优率+良率。

1.5.4疼痛评定方法[12]:采用McGill疼痛评分表(MPQ)对疼痛分级指数(PRI)感应分、情绪分、总分、目测类比等级(VAS)以及现有疼痛强度(PPI)5个项目进行评分。

1.5.5手术的并发症以及不良反应:记录治疗期间患者出现的并发症以及不良反应。

1.6统计学方法:采用SPSS17.0统计进行统计学分析，手术时间、术中出血量、术后引流量以及骨折愈合时间、骨痂评分、疼痛评分等计量资料均数±标准差表示，采用配对或两独立样本t检验，治疗疗效比较采用秩和检验，临床总有效率、关节功能恢复情况等计数资料采用率(%)表示，组间比较采用独立样本卡方检验，以P<0.05为差异有统计学意义

2 结 果

2.1两组患者治疗效果分析:总体上看，实验组的治疗疗效优于对照组(Z=-2.023，P<0.05)。从总有效率看，试验组治疗有效率92.11%(35/38)，对照组治疗有效率68.42%(26/38)，试验组高于对照组，差异具有统计学意义(χ2=6.728,P<0.05)。见表1。

表1 两组患者治疗效果分析n(%)

2.2两组患者骨痂评分、手术时间、术中出血量以及骨折愈合时间比较:本研究显示，经治疗后试验组骨痂评分明显高于对照组，手术时间、术中出血量以及骨折愈合较对照组低，差异均有统计学意义(P<0.05)，见表2。

表2 两组患者骨痂评分、手术时间、术中出血量以及骨折愈合时间比较

表3 两组患者关节功能恢复情况分析n(%)

2.3两组患者关节功能恢复情况:总体上看，实验组的关节功能恢复情况优于对照组(Z=-2.307，P<0.05)试验组治疗后关节功能恢复优良率为89.47%(34/38)，对照组治疗后关节功能恢复优良率为65.79%(25/38)，试验组高于对照组，差异有统计学意义(χ2=6.138,P<0.05)。见表3。

2.4两组患者疼痛评分比较:本研究结果显示，治疗前两组患者PRI感应分、情绪分、总分、VAS评分以及PPI评分差异均无统计学意义(P>0.05)。治疗后，两组患者PRI感应分、情绪分、总分、VAS评分以及PPI评分降低。与对照组相比，试验组PRI感应分、情绪分、总分、VAS评分以及PPI评分较低，差异有统计学意义(P<0.05)。见表4。

表4 两组患者疼痛评分比较

2.5手术的并发症及不良反应:随访中发现，两组患者均未出现骨不连、下肢深静脉血栓等严重并发症。仅对照组出现1例皮瓣坏死症状，后期行处理后自行恢复，试验组与对照组手术的并发症及不良反应相比，差异无统计学意义(P>0.05)。

3 讨 论

现代社会的进步，伴随而来的是各种疾病的困扰，由于车祸、意外等因素所致的外伤逐渐增多，复杂骨端骨折呈逐年升高趋势。复杂骨端骨折属于高能量损伤，是一种难以处理的复杂外伤[13]，具有并发症多，致残率高等特点，治疗时应符合解剖复位以及有效的骨折固定。现代治疗本病的方案多种多样，例如石膏、夹板、锁定钢板以及髓内钉等。内固定具有增强骨端骨折术后固定的稳定性，改善断端复位的作用，同时能够预防肢体短缩、力线不正以及旋转的问题，对提升稳定性有很大的帮助[14]。但是在进行这一治疗时，接骨板和骨折远端骨面解剖贴合不紧密、螺钉以及皮质骨咬合不佳等能够导致内固定失败。对于复杂骨折，如何植入接骨板以及众多螺钉，或牢靠固定关节面骨折块尤为关键。3D打印技术最早出现于20世纪80年代，是一种采用粉末状金属或者塑料的那年和材料制成三维物体的技术[15]，借助这一技术，我们能够打印出1：1的模型，能够直观的从各个角度观察骨折线行径和各主要骨折块移位以及旋转情况，对移位距离进行实际测量，明确骨折分型。借助这一技术我们能够对病变进行更为直观的认识，并作出判断，制订合理的个体化手术方法，从而大大节约了手术时间以及手术准确度。我们研究显示，借助3D打印技术的试验组治疗有效率92.11%，对照组治疗有效率68.42%，试验组高于对照组，提示3D打印技术应用于复杂骨端骨折治疗的效果显著，是手术成功的关键。采用3D打印技术涉及手术，具有直观、测量准确的特点，应用于各类手术术前诊断以及手术方案设计[16]。

本试验中应用3D打印技术辅助治疗的复杂骨端骨折患者76例，平均手术时间以及术中出血量较对照组低，关节功能恢复较好，骨痂评分明显高于对照组，术后未出现皮瓣坏死以及感染发生。术前借助3D打印技术行手术方案的模拟操作，以在实际手术操作中能够有条不紊的行骨折断端的复位固定，使显露和固定需要的有限切口得到满足，防止过多的软组织受损，相比传统的大切口以及术中发现一个切口不能顺利行手术后需要另取切口，有充分优势；能够有效避免皮瓣设计不当，致使术后皮瓣坏死或术中反复复位，缩短切口暴露时间。我们研究提示，因此，3D打印技术能够在一定程度上，使手术的成功率提高，手术并发症发生率降低，使患者的功能恢复加快。

现今基层骨科医师亚专业未细化分类，因此缺乏对骨折移位的三维空间感，3D打印技术的应用为医师以及患者带来福音。本研究通过对复杂骨端骨折患者76例进行研究，探究两组患者临床疗效、骨痂评分、手术时间、术中出血量、骨折愈合时间、关节功能恢复情况、疼痛评分、手术并发症以及不良反应发生情况，证实了3D打印技术在复杂骨端骨折治疗的疗效显著，降低术中出血量，缩短治疗时间，改善关节功能，缓解疼痛，在骨科手术中的应用价值无可限量。但现今3D打印出骨、软组织等三维模型，仅是3D打印的最初应用，骨科导航的研发、个性化假体的制作以及新型骨科器械的研发工作等，才是学术热点以及难点所在，这需要手术标准化，对内固定植入数字化方案精准指导的手术操作，将对日后骨端骨折治疗具有积极的推动作用。

[1] 张开,苗晓燕,杨晶,等.跟骨关节内骨折中载距突骨折移位发生率及对手术复位的影响[J].河北医药,2016,38(24):3738～3742.

[2] 刘涛,王志焘,周富道,等.桡骨远端复杂性骨折两种治疗方法的对比性研究[J].职业卫生与病伤,2015,30(3):190～191.

[3] 费俊梁,王黎明,桂鉴超,等.有限切开内固定结合组合式外固定器治疗复杂胫骨平台骨折[J].中国骨与关节损伤杂志,2008,23(4):324～325.

[4] 王然,陆丽娟,林建.3D打印技术在精准微创治疗中的应用进展[J].中国疼痛医学杂志,2017,23(2):81～85.

[5] 黄秋实,李良琦,高彬彬.国外金属零部件增材制造技术发展概述[J].国防制造技术,2012,10(5):28～31.

[6] 李健伟,佘黎平,周世梅,等.3D打印技术在踝关节骨折手术中的应用[J].中国骨科临床与基础研究杂志,2014,6(6):333～338.

[7] 电子书.实用骨科学[M].第3版.解放军医学杂志,2006,31(9):918.

[8] 欧娈海,苏伟,赵劲民,等.3D打印技术在复杂骨折手术治疗中的应用[J].中国骨与关节损伤杂志,2016,31(8):890～891.

[9] 吴长福,郑祖高,陈宣煌,等.基于3D打印股骨远端骨折标准件库接骨板的数字化内固定[J].中国组织工程研究,2016,20(13):1895～1903.

[10] 张永飞,李仁增,段德胜,等.3D打印技术在复杂胫骨平台骨折治疗中的应用[J].中国骨与关节损伤杂志,2015,30(12):1321～1322.

[11] 时光达,陈宝兴.实验骨伤科学[M].人民卫生出版社,1993.103.

[12] 陈志成,张贵锋,黄泳,等.基于SF-MPQ评价温针灸合用中药外洗对膝关节炎疼痛干预的研究[J].长春中医药大学学报,2011,27(2):173～174.

[13] 费俊梁,蒋纯志,王黎明,等.结构性植骨在复杂桡骨远端骨折骨缺损中的应用[J].中华创伤杂志,2011,27(9):793～796.

[14] 郑立槟,吴轲,袁立仁,等.动力与静力交锁髓内钉内固定治疗成年新鲜股骨干骨折的比较研究[J].中国骨与关节损伤杂志,2015,30(6):589～591.

[15] 徐惟,段小翠,丁晓慧,等.3D打印技术在医学领域的应用[J].沈阳医学院学报,2015,17(3):174～175.

[16] 李健伟,佘黎平,周世梅,等.3D打印技术在踝关节骨折手术中的应用[J].中国骨科临床与基础研究杂志,2014,6(6):333～338.

StudyontheApplicationof3DPrintingTechnologyintheTreatmentofComplexBoneFracture

KONGXiang'an

(TheSecondPeople'sHospitalofHefei,AnhuiHefei230011,China)

Objective: To investigate the application of 3D printing technology in the treatment of complex bone fracture.Methods76 cases of complex fractures of the distal end of our hospital were selected and randomly divided into two groups. In the control group, 38 cases were treated with plate screw.38 cases in the experimental group were treated with 3D printing technology combined with plate screw fixation. The clinical efficacy of two groups of bone callus score, operative time, intraoperative bleeding volume, fracture healing time, the recovery of knee function, pain score, postoperative complications and the incidence of adverse reactions were compared, the results using statistical software SPSS 17.0 to deal with.ResultsAfter treatment, the two groups of patients with PRI induction, emotional score, total score, VAS score and PPI score decreased; The effective rate of the treatment group was 92.11%, and the effective rate of the control group was 68.42%. The effective rate of the treatment group was higher than that of the control group (P < 0.05) . The score of callus in the experimental group was significantly higher than that in the control group, the operation time, intraoperative blood loss and fracture healing time were lower than those in the control group, the difference was statistically significant (P<0.05); After the treatment, the recovery rate of joint function was 89.47%, and the recovery rate of the control group was 65.79%.The experimental group was higher than the control group, with statistical significance (P < 0.05); In the experimental group, the scores of PRI induction, emotion score, total score, VAS score and PPI score were lower than those of the control group, the difference was statistically significant (P<0.05); There was no significant difference between the experimental group and the control group in the complications and adverse reactions (P > 0.05).Conclusion3D printing technology in the treatment of complex fracture of the bone has a significant effect, good safety, suitable for clinical application.

3D printing technology; Complex bone fracture; Articular surface injury

1006-6233(2017)11-1823-06

合肥市临床重点扶持专科院级科研项目，(编号：2015002124)

A

10.3969/j.issn.1006-6233.2017.11.018