引用本文: 黄敏强, 丁焕文, 黄淼俊, 王虹, 滕强. 3-D打印个性化外固定器在严重胫腓骨骨折的初步应用. 中国修复重建外科杂志, 2016, 30(2): 156-160. doi: 10.7507/1002-1892.20160032 复制
胫腓骨严重粉碎性骨折多由交通事故、高处坠落等高能量损伤所致,其发生率约占全身骨折的10%以上[1],其骨折严重、移位明显,多合并严重的软组织损伤,临床治疗困难[2]。外固定器作为治疗严重胫腓骨粉碎性骨折的有效方法之一得到广泛应用[3-4]。目前常用的外固定器存在质量重、结构复杂、操作繁琐、个性化程度不高、体积大而累赘、不利于患者日常生活及康复锻炼、矫形复位功能不理想、对骨折治疗作用有限等缺点。3-D打印技术的发展与进步,为疾病的诊断与治疗提供了新的契机。虽然3-D打印技术在骨科领域应用相对广泛,但仍局限于模型和导板的制作阶段,真正应用于治疗的报道尚不多见,而使用3-D打印技术制作外固定器治疗骨折的文献报道更少。为此,本研究通过3-D打印技术制作个性化程度较高的外固定器,治疗1例严重胫腓骨粉碎性骨折患者,现总结其临床疗效及可行性。报告如下。
1 临床资料
1.1 一般资料
2015年4月选择1例左下肢高能量损伤患者纳入研究。患者为男性,年龄18岁,身高171 cm,体质量67 kg。由交通事故伤导致左股骨骨折及胫腓骨粉碎性骨折,伤后9 h入院,一期行左股骨切开复位内固定术;考虑左胫腓骨粉碎严重,切开复位可能出现内固定困难、固定不牢靠及术后感染、骨折不愈合、骨坏死等问题[5],术中采用左胫腓骨闭合复位,并以单臂外固定器临时固定。由于单臂外固定器疗效不理想,患者患肢短缩2.5 cm,远折端向后成角39°、向外成角5.7°,力线外移,故拟采用3-D打印技术制作个性化程度较高的外固定器固定治疗。患者签署知情同意书。
1.2 3-D打印个性化外固定器制备及安装
1.2.1 仪器设备
双源电子计算机断层扫描装置(GE公司,美国)。电脑基本配置:CPU主频为2.67 GH,内存为2.00 G。软件:Mimics10.01软件(试用版)(Materialise公司,比利时);Imageware13.2软件、UG-NX8.0软件(EDS公司,美国)。打印设备:Fortus400mc升级版3-D打印机(包含实体打印装置和配套Insight软件)(Stratasys公司,美国)。
1.2.2 骨折三维模型建立
采用双源电子计算机断层扫描装置连续扫描,获得双下肢二维数据,扫描参数:层厚0.625 mm、共1 024层、电压120 kV、电流300 mAs;得到DICOM格式图片1 024张并导入Mimics10.01软件中。由于外固定钉密度较大,CT扫描会出现散射,因此先根据螺纹钉密度CT值利用“区域分割”功能设置灰度阈值(2 300~3 200)并创建蒙版,再通过“区域增长”功能将外固定钉图像从原蒙版中分离,创立新蒙版,并作标识重命名。再根据骨组织的CT值设定骨灰度阈值(178~226),创立新蒙版,通过“蒙版编辑”、“区域增长”等方法将双下肢各正常骨块及骨折块逐一分离,创立独立蒙版并标识重命名。应用Mimics10.01软件的高精度三维模型计算功能建立双下肢三维模型。通过对模型的“光顺”、“缩减三角面片”及“包裹”等功能进一步完善胫骨骨折三维模型[6]。见图 1a。

1.2.3 模拟手术复位
将Mimics10.01软件中的骨折三维模型数据导出为STL文件,并导入Imageware13.2软件中,测量双下肢力线及患肢的偏移度。通过镜像原理,以健侧肢体为模板创立患肢正常三维模型(图 1b);利用独立图层模块的旋转、图素任意位移,以镜像模型作为参照,对齐下肢力线、模拟手术复位(图 1c、d)。
1.2.4 外固定器设计
在Imageware13.2软件中模拟骨折复位成功后,根据复位后外固定针的位置选点,应用“画线”、“曲面构建”功能,初步建立个性化外固定架计算机辅助设计片体模型。见图 1e。将所建立的支架三维轮廓表面数据以IGES格式储存,导入UG-NX8.0软件中,应用“缝合”功能将各个曲面缝合成实体,进一步设计外固定针道,在转折部位运用倒圆角操作,力学薄弱部位采用圆柱体弧形加强设计建立计算机辅助设计实体模型。为进一步减轻其重量,利于患者功能锻炼同时节省打印耗材,在UG-NX8.0软件中对支架主体采取中空设计,加强弧形连接杆采用实心设计,弧形连接杆设计可使支架所受应力分散,增加支架的强度和抗折弯能力。通过“顺滑”、“美化”、“填充”以及使用有限元分析法优化及改进支架力学结构[7],得出支架最终效果图(图 1f)。支架模型以STL格式输出后重新导回Imageware13.2软件中,得出支架安装后效果图(图 1g)。
1.2.5 外固定器打印及安装
外固定支架模型设计匹配完备后,在Imageware13.2软件中以STL格式输出,并导入Insight分层软件中,选择合适的模型打印摆放方式,对模型进行分层、添加支撑、编写打印程序、形成打印文件,将打印文件输出到Fortus400mc升级版3-D打印机中,进行自动打印。打印工艺采用熔融沉积成型技术(打印层厚0.127 mm,打印精度≤±0.127 mm)。为了提高外固定器的强度及减轻其重量,选择高强度、热熔点较高、生物性能良好的ABS-M30i材料[8-9]作为打印原料。打印完成后,从设备中取出实体模型,去除支撑,对模型进行打磨处理,得到支架实体(图 1h)。
支架制作完备后,在患者床边卸载原临时外固定架(图 2);牵引患肢,将原外固定钉钉尾套入外固定架预留的钉道中,并拧紧锁定钉固定,安装完成(图 3)。整个安装过程耗时约10 min,无需X线透视,以支架预留的钉道作为骨折端复位的体外参照,一次安装成功。
2 结果
3-D打印个性化外固定器安装后复位效果良好,双下肢恢复等长;复查X线片示远折端向后成角纠正了37°、外翻成角纠正了4°,胫骨骨折端对位对线良好,下肢力线完全矫正,与软件模拟复位后模型一致。术后第2天患者骨折端疼痛明显减轻,可自主抬腿、屈膝锻炼,术后1周可扶拐离床。术后未出现新的骨折移位,3.5个月后骨折临床愈合,8个月后达坚强骨性愈合;左膝关节活动功能良好。见图 4。
3 讨论
外固定器虽是骨折治疗中的一种经典且疗效确切的方法,但并非现代骨科创伤治疗中的首选方法,目前其主要用于开放性损伤的临时固定[10]。随着计算机辅助设计技术和生产工艺的发展,外固定器的应用领域也有所拓展。Taylor等(1994)利用计算机辅助设计发明了TSF外固定器,并应用于下肢长骨骨折治疗。该技术将术前X线片测量参数输入计算机软件计算后,分别得出6个连接杆的长度参数,并根据该长度值对支架进行调整。该技术虽然可提高复位的精准度和减少透视次数,但X线片的质量和平面测量误差大大影响了复位效果[11]。此后,Koo等[12]为提高复位的精准度,基于CT数据和7个调试杆发明了BRD外固定器,实验表明该装置对骨折模型的复位效果极佳;但因其结构复杂、安装调试困难、单边结构稳定性较差、对整体测量要求较高,限制了其临床应用。如今新材料技术的飞速发展和3-D打印技术的成熟,使得其在骨科领域的应用得以拓展,从用于诊断的解剖模型和手术导板到定制假体的制备,直到现在新兴的外固定器研究逐步加深[13-14]。有研究者[15]应用3-D打印技术制作了CORTEX骨骼外固定支架,该支架质轻、透气、易于清洁,个性化程度高,但不具备复位功能,仅相当于石膏的外固定效果。与之类似,黄若景[16]采用3-D打印计算机辅助设计小夹板外骨骼系统,该系统虽然与3-D打印技术相结合,提高了夹板的匹配度和固定效果,但无法摆脱其自身松动率高、固定不牢靠、缺乏复位功能的缺陷。最近,Qiao等[17]参照Ilizarov骨搬运装置,运用计算机辅助技术结合3-D打印技术创造了QF外固定架。该支架为双框式Q型装置,有4根平衡杆,为可调式装置,并具有复位良好、固定牢靠、操作简便、可进行断端加压等优点,但仍存在支架体积过大、不利于患者功能锻炼等问题。
本研究在上述研究的基础上有所拓展,在支架精度上采用CT薄层扫描数据作为原始数据,并与计算机辅助技术相结合进行骨折复位及支架设计,采用3-D打印技术制作支架实物。为了克服QF外固定架体积过大等问题,本支架采用“T”型单边设计,支架由1个支架主体和2个固定针槽锁定垫片3个部件组成;因4个外固定针不在同一平面上,与“T”型支架连接形成一多维立体型,可避免骨折端旋转及再次移位的发生。研究表明[18-19],支架的应力集中在拐角处,也是疲劳性折端常发生的地方,故我们在“T”型支架拐角的张力侧增加了圆柱体弧形加强杆,弧形加强杆设计可使支架所受应力分散,增加支架的强度和抗折弯能力。支架安装成功后其位置与正常力线平衡,在骨折愈合前起主要的承重作用,同时避免了应力遮挡,给予骨折良好的愈合环境。
本研究中的3-D打印外固定器具有以下优势:①以个体CT连续薄层扫描数据作为原始数据,生物匹配度高、精确个性化,误差低至0.1 mm[17];②支架通过有限元分析,力学结构优良[18];③质量轻,有利于长时间固定及功能锻炼[15];④创伤小,能简便、有效、及时地复位固定骨折断端,同时有效保护骨折周围生物学环境和软组织平衡,显著提高骨折愈合速度[20];⑤物美价廉,3-D打印外固定支架费用仅相当于接骨板的1/20~1/10,而且可避免二次手术,降低医疗费用[15, 21];⑥具有矫形复位功能,由于采用计算机三维辅助设计,仿真模拟骨折复位,并通过对支架力学结构进行调整,可达到骨折断端复位矫形的功能[17];⑦生产方便快捷,利用3-D打印快速成型技术,能在短时间内制作出支架实体[17, 22]。
综上述,本研究中的3-D打印外固定器是治疗胫腓骨粉碎性骨折一种有效的微创外固定方法,其安装简便,固定牢靠,复位效果良好。另外,采用计算机辅助技术与3-D打印技术相结合,针对性强,个性化程度高,可快速制作出各种复杂构型,实现骨折复位治疗[18]。其不仅可用于胫腓骨严重骨折,还可用于其他长骨骨折和各种感染或骨不连(萎缩性骨不连和肥大性骨不连)等的外固定治疗。对于骨不连可通过适当调整支架的主体长度,使用骨不连端加压的方法进行治疗[23]。3-D打印外固定支架治疗本例严重胫腓骨骨折获较好疗效,但目前仍存在研究缺陷,如病例样本量较小、疾病谱单一、随访时间短,尚需要大样本量及更多疾病模型长期随访,验证其临床疗效。
胫腓骨严重粉碎性骨折多由交通事故、高处坠落等高能量损伤所致,其发生率约占全身骨折的10%以上[1],其骨折严重、移位明显,多合并严重的软组织损伤,临床治疗困难[2]。外固定器作为治疗严重胫腓骨粉碎性骨折的有效方法之一得到广泛应用[3-4]。目前常用的外固定器存在质量重、结构复杂、操作繁琐、个性化程度不高、体积大而累赘、不利于患者日常生活及康复锻炼、矫形复位功能不理想、对骨折治疗作用有限等缺点。3-D打印技术的发展与进步,为疾病的诊断与治疗提供了新的契机。虽然3-D打印技术在骨科领域应用相对广泛,但仍局限于模型和导板的制作阶段,真正应用于治疗的报道尚不多见,而使用3-D打印技术制作外固定器治疗骨折的文献报道更少。为此,本研究通过3-D打印技术制作个性化程度较高的外固定器,治疗1例严重胫腓骨粉碎性骨折患者,现总结其临床疗效及可行性。报告如下。
1 临床资料
1.1 一般资料
2015年4月选择1例左下肢高能量损伤患者纳入研究。患者为男性,年龄18岁,身高171 cm,体质量67 kg。由交通事故伤导致左股骨骨折及胫腓骨粉碎性骨折,伤后9 h入院,一期行左股骨切开复位内固定术;考虑左胫腓骨粉碎严重,切开复位可能出现内固定困难、固定不牢靠及术后感染、骨折不愈合、骨坏死等问题[5],术中采用左胫腓骨闭合复位,并以单臂外固定器临时固定。由于单臂外固定器疗效不理想,患者患肢短缩2.5 cm,远折端向后成角39°、向外成角5.7°,力线外移,故拟采用3-D打印技术制作个性化程度较高的外固定器固定治疗。患者签署知情同意书。
1.2 3-D打印个性化外固定器制备及安装
1.2.1 仪器设备
双源电子计算机断层扫描装置(GE公司,美国)。电脑基本配置:CPU主频为2.67 GH,内存为2.00 G。软件:Mimics10.01软件(试用版)(Materialise公司,比利时);Imageware13.2软件、UG-NX8.0软件(EDS公司,美国)。打印设备:Fortus400mc升级版3-D打印机(包含实体打印装置和配套Insight软件)(Stratasys公司,美国)。
1.2.2 骨折三维模型建立
采用双源电子计算机断层扫描装置连续扫描,获得双下肢二维数据,扫描参数:层厚0.625 mm、共1 024层、电压120 kV、电流300 mAs;得到DICOM格式图片1 024张并导入Mimics10.01软件中。由于外固定钉密度较大,CT扫描会出现散射,因此先根据螺纹钉密度CT值利用“区域分割”功能设置灰度阈值(2 300~3 200)并创建蒙版,再通过“区域增长”功能将外固定钉图像从原蒙版中分离,创立新蒙版,并作标识重命名。再根据骨组织的CT值设定骨灰度阈值(178~226),创立新蒙版,通过“蒙版编辑”、“区域增长”等方法将双下肢各正常骨块及骨折块逐一分离,创立独立蒙版并标识重命名。应用Mimics10.01软件的高精度三维模型计算功能建立双下肢三维模型。通过对模型的“光顺”、“缩减三角面片”及“包裹”等功能进一步完善胫骨骨折三维模型[6]。见图 1a。

1.2.3 模拟手术复位
将Mimics10.01软件中的骨折三维模型数据导出为STL文件,并导入Imageware13.2软件中,测量双下肢力线及患肢的偏移度。通过镜像原理,以健侧肢体为模板创立患肢正常三维模型(图 1b);利用独立图层模块的旋转、图素任意位移,以镜像模型作为参照,对齐下肢力线、模拟手术复位(图 1c、d)。
1.2.4 外固定器设计
在Imageware13.2软件中模拟骨折复位成功后,根据复位后外固定针的位置选点,应用“画线”、“曲面构建”功能,初步建立个性化外固定架计算机辅助设计片体模型。见图 1e。将所建立的支架三维轮廓表面数据以IGES格式储存,导入UG-NX8.0软件中,应用“缝合”功能将各个曲面缝合成实体,进一步设计外固定针道,在转折部位运用倒圆角操作,力学薄弱部位采用圆柱体弧形加强设计建立计算机辅助设计实体模型。为进一步减轻其重量,利于患者功能锻炼同时节省打印耗材,在UG-NX8.0软件中对支架主体采取中空设计,加强弧形连接杆采用实心设计,弧形连接杆设计可使支架所受应力分散,增加支架的强度和抗折弯能力。通过“顺滑”、“美化”、“填充”以及使用有限元分析法优化及改进支架力学结构[7],得出支架最终效果图(图 1f)。支架模型以STL格式输出后重新导回Imageware13.2软件中,得出支架安装后效果图(图 1g)。
1.2.5 外固定器打印及安装
外固定支架模型设计匹配完备后,在Imageware13.2软件中以STL格式输出,并导入Insight分层软件中,选择合适的模型打印摆放方式,对模型进行分层、添加支撑、编写打印程序、形成打印文件,将打印文件输出到Fortus400mc升级版3-D打印机中,进行自动打印。打印工艺采用熔融沉积成型技术(打印层厚0.127 mm,打印精度≤±0.127 mm)。为了提高外固定器的强度及减轻其重量,选择高强度、热熔点较高、生物性能良好的ABS-M30i材料[8-9]作为打印原料。打印完成后,从设备中取出实体模型,去除支撑,对模型进行打磨处理,得到支架实体(图 1h)。
支架制作完备后,在患者床边卸载原临时外固定架(图 2);牵引患肢,将原外固定钉钉尾套入外固定架预留的钉道中,并拧紧锁定钉固定,安装完成(图 3)。整个安装过程耗时约10 min,无需X线透视,以支架预留的钉道作为骨折端复位的体外参照,一次安装成功。
2 结果
3-D打印个性化外固定器安装后复位效果良好,双下肢恢复等长;复查X线片示远折端向后成角纠正了37°、外翻成角纠正了4°,胫骨骨折端对位对线良好,下肢力线完全矫正,与软件模拟复位后模型一致。术后第2天患者骨折端疼痛明显减轻,可自主抬腿、屈膝锻炼,术后1周可扶拐离床。术后未出现新的骨折移位,3.5个月后骨折临床愈合,8个月后达坚强骨性愈合;左膝关节活动功能良好。见图 4。
3 讨论
外固定器虽是骨折治疗中的一种经典且疗效确切的方法,但并非现代骨科创伤治疗中的首选方法,目前其主要用于开放性损伤的临时固定[10]。随着计算机辅助设计技术和生产工艺的发展,外固定器的应用领域也有所拓展。Taylor等(1994)利用计算机辅助设计发明了TSF外固定器,并应用于下肢长骨骨折治疗。该技术将术前X线片测量参数输入计算机软件计算后,分别得出6个连接杆的长度参数,并根据该长度值对支架进行调整。该技术虽然可提高复位的精准度和减少透视次数,但X线片的质量和平面测量误差大大影响了复位效果[11]。此后,Koo等[12]为提高复位的精准度,基于CT数据和7个调试杆发明了BRD外固定器,实验表明该装置对骨折模型的复位效果极佳;但因其结构复杂、安装调试困难、单边结构稳定性较差、对整体测量要求较高,限制了其临床应用。如今新材料技术的飞速发展和3-D打印技术的成熟,使得其在骨科领域的应用得以拓展,从用于诊断的解剖模型和手术导板到定制假体的制备,直到现在新兴的外固定器研究逐步加深[13-14]。有研究者[15]应用3-D打印技术制作了CORTEX骨骼外固定支架,该支架质轻、透气、易于清洁,个性化程度高,但不具备复位功能,仅相当于石膏的外固定效果。与之类似,黄若景[16]采用3-D打印计算机辅助设计小夹板外骨骼系统,该系统虽然与3-D打印技术相结合,提高了夹板的匹配度和固定效果,但无法摆脱其自身松动率高、固定不牢靠、缺乏复位功能的缺陷。最近,Qiao等[17]参照Ilizarov骨搬运装置,运用计算机辅助技术结合3-D打印技术创造了QF外固定架。该支架为双框式Q型装置,有4根平衡杆,为可调式装置,并具有复位良好、固定牢靠、操作简便、可进行断端加压等优点,但仍存在支架体积过大、不利于患者功能锻炼等问题。
本研究在上述研究的基础上有所拓展,在支架精度上采用CT薄层扫描数据作为原始数据,并与计算机辅助技术相结合进行骨折复位及支架设计,采用3-D打印技术制作支架实物。为了克服QF外固定架体积过大等问题,本支架采用“T”型单边设计,支架由1个支架主体和2个固定针槽锁定垫片3个部件组成;因4个外固定针不在同一平面上,与“T”型支架连接形成一多维立体型,可避免骨折端旋转及再次移位的发生。研究表明[18-19],支架的应力集中在拐角处,也是疲劳性折端常发生的地方,故我们在“T”型支架拐角的张力侧增加了圆柱体弧形加强杆,弧形加强杆设计可使支架所受应力分散,增加支架的强度和抗折弯能力。支架安装成功后其位置与正常力线平衡,在骨折愈合前起主要的承重作用,同时避免了应力遮挡,给予骨折良好的愈合环境。
本研究中的3-D打印外固定器具有以下优势:①以个体CT连续薄层扫描数据作为原始数据,生物匹配度高、精确个性化,误差低至0.1 mm[17];②支架通过有限元分析,力学结构优良[18];③质量轻,有利于长时间固定及功能锻炼[15];④创伤小,能简便、有效、及时地复位固定骨折断端,同时有效保护骨折周围生物学环境和软组织平衡,显著提高骨折愈合速度[20];⑤物美价廉,3-D打印外固定支架费用仅相当于接骨板的1/20~1/10,而且可避免二次手术,降低医疗费用[15, 21];⑥具有矫形复位功能,由于采用计算机三维辅助设计,仿真模拟骨折复位,并通过对支架力学结构进行调整,可达到骨折断端复位矫形的功能[17];⑦生产方便快捷,利用3-D打印快速成型技术,能在短时间内制作出支架实体[17, 22]。
综上述,本研究中的3-D打印外固定器是治疗胫腓骨粉碎性骨折一种有效的微创外固定方法,其安装简便,固定牢靠,复位效果良好。另外,采用计算机辅助技术与3-D打印技术相结合,针对性强,个性化程度高,可快速制作出各种复杂构型,实现骨折复位治疗[18]。其不仅可用于胫腓骨严重骨折,还可用于其他长骨骨折和各种感染或骨不连(萎缩性骨不连和肥大性骨不连)等的外固定治疗。对于骨不连可通过适当调整支架的主体长度,使用骨不连端加压的方法进行治疗[23]。3-D打印外固定支架治疗本例严重胫腓骨骨折获较好疗效,但目前仍存在研究缺陷,如病例样本量较小、疾病谱单一、随访时间短,尚需要大样本量及更多疾病模型长期随访,验证其临床疗效。