髋臼骨折是以高能量损伤为主的关节内骨折，常合并毗邻脏器、重要血管神经损伤，是创伤骨科最为复杂的骨折之一。由于位置深入，周围解剖关系复杂，骨性结构不规则等生理特点，使得髋臼骨折的治疗颇为棘手。虽然并不是所有的骨折都需要通过手术治疗来达到满意的复位，但发生在身体承重区诸如髋臼的移位骨折应当通过切开复位内固定以恢复髋关节表面的平整与力学稳定性^[1-2]。与其他复杂骨折治疗不同的是，髋臼骨折允许在充分的准备和计划后进行治疗^[3]。并且，髋臼骨折的手术效果与骨折的复位程度呈正相关^[4]。因此，科学的伤情评估与精确的术前规划对理想的手术效果至关重要。较传统影像学检查而言，3D打印技术在骨盆、颌面等复杂部位的术前规划已逐渐体现出优势^[5-7]。国内近来也有类似应用报道^[8-9]，但都缺乏实际手术方案与术前虚拟设计的直接有效对比，难以客观说明术前虚拟设计实施的准确性及有效性。鉴于此，2013年9月开始，我们应用3D打印技术计算机辅助下对髋臼骨折进行术前规划，截止2015年12月对行手术治疗并获完整随访的53例髋臼骨折患者资料进行回顾性分析，旨在介绍应用3D打印技术计算机辅助进行术前规划、虚拟复位、手术模拟等方式辅助治疗髋臼骨折，同时也探讨应用3D打印技术计算机辅助进行术前规划治疗髋臼骨折的有效性。

本研究选取自2013年9月～2015年12月我院收治的有手术指征并获完整随访的53例髋臼骨折患者，其中男性37例，女性16例；年龄19~62（37.53±10.37）岁。致伤原因：交通伤44 例，高处坠落伤5 例，重物砸伤4例。髋臼骨折根据Letoumel-Judet分型^[10]：双柱骨折25例，前柱骨折14例，T型骨折8例，横行伴后壁骨折6例（表 1）。合并伤：四肢骨折32例，颅脑外伤17例，泌尿系损伤9 例，胸腹部损伤8 例。受伤至手术时间为4~14（8.02±2.48）d。其中19例患者应用CT三维重建、计算机虚拟复位内固定、3D模型打印、个性化手术模拟，术中按术前规划手术（3D组）；34例患者行术前常规检查，术中经验性手术（常规组）。两组患者术前一般资料的比较差异均无统计学意义（P＞0.05，表 1），具有可比性。本组53例均为同一术者操作完成，所有患者术前均行骨盆正侧位X线片及骨盆CT薄层扫描、三维重建检查。简单移位微小的髋臼骨折及合并有髋关节脱位需要立即手术的病例被排除。本研究已获得南方医科大学第三附属医院伦理委员会批准，3D组所有参与研究患者均已签署知情同意书。

表 1(Table 1)

表 1 3D组与常规组患者术前一般资料比较 Table 1 Comparison of preoperative data between 3D group and conventional group Group Cases Age（year, Mean±SD） Letoumel-Judet classification (cases) Cause of injury (cases) Associated injury (cases) Time to surgery （d, Mean±SD） Male Female A B C D Traffic injury Falling injury Bruise E F G H 3D 12 7 37.68±11.20 9 5 3 2 15 3 1 8 2 2 1 8.89±2.18 CON 23 11 37.44±10.05 16 9 5 4 29 2 3 24 15 6 8 7.53±2.53 Test statistic 0.325 0.081 0.056 0.165 0.807 1.978 P 0.747 0.936 0.955 0.870 0.422 0.053 A represents a fracture of the double column fracture, B is a type of anterior columnfracture, C is T-shape fracture, and D is transverse with posterior wall fracture; E on behalf of the limbs fracture, F is craniocerebral trauma, G is thoraco abdominal injury, and H is urinary system injury.

表 1 3D组与常规组患者术前一般资料比较 Table 1 Comparison of preoperative data between 3D group and conventional group

将患者骨盆进行0.5 mm薄层CT扫描，扫描图像软组织窗以DICOM格式保存，并导入Mimics17.0 软件（Materialise 公司，比利时）进行三维重建、图像编辑。为了更清晰的暴露骨折端，重建成高品质的3D模型图像，我们把图像阈值上调到165，然后祛除腰椎及股骨成像以更好的显示关节面骨折线。应用软件分割功能对三维重建图形进行碎骨块分割，并将分割开的骨块配以不同的颜色作为一个独立模块，如图 1C所示，通过碎块分割功能我们可以更加清晰的看见这是一例双柱骨折。应用软件模拟选项中的复位功能，通过移动、旋转等功能项复位碎骨块，以重建骨盆髋臼的解剖形态（图 1）。

图 1(Figure 1)

图 1 术前计算机辅助下重建复位后骨盆模型 Figure 1 Computer-assisted reduction of the acetabular fracture. A: Positive of the pelvis; B: The imaging of pelvis after removing lumbar vertebra and femoral; C: Broken bone block segmentation; D: The pelvis model after reduction.

根据骨折线的方向和位置确定内固定物的放置方式。应用模拟功能选项对内固定物进行一系列模拟设计，包括钢板螺钉最佳位置、钢板预弯程度、螺钉长度、螺钉数量、方向及进入角度等，记录数据作为术前规划的一部分。将模拟复位后的骨盆保存为STL文件并加载到3D打印机桌面版软件（Makerbot公司，美国），进行如分辨率、温度、打印支持材料等具体参数设置，然后等比例打印出重建后的患者骨盆实体模型。将打印出的三维模型与内固定物进行贴合模拟，对内固定物进行微调预弯处理，以确定内固定物与骨块形成良好贴合（图 2）。最终将预弯板和螺钉术前送手术室消毒备术中用。

图 2(Figure 2)

图 2 术前内固定方案模拟 Figure 2 Preoperative internal fixation simulation. A: Computerassisted virtual simulation of the internal fixation; B: 3D printed pelvis model; C-D: Internal fixation simulation on 3D-printed pelvis model.

根据Letoumel-Judet分型对53例髋臼骨折患者进行骨折分型。髋臼前柱骨折采用腹直肌旁入路进行手术^[11]，后柱骨折采用Kocher-langenbeck（K-L）入路，双柱骨折选择前后联合入路进行手术。鼓励一般情况良好的患者，术后早期下床活动。术后一周，所有患者均进行随访CT扫描，通过Mimics17.0软件对内固定物进行虚拟三维模型重建，将生成的三维内固定模型与术前设计的钢板和螺钉模型进行对比。骨折复位质量根据Matta^[12]标准进行评估比较：（1）解剖复位：最大移位0~1 mm；（2）满意复位：最大移位1~3 mm；（3）不满意复位：最大移位大于3 mm。末次随访时髋关节功能根据改良Merle D'Aubigne&Postel^[13]评分标准评定：优18分，良15~17 分，可13~14 分，差＜13 分。优良率=（优+良）/总例数。

采用SPSS19.0 统计学软件，计量资料首先进行Shapiro-Wilk检验判断是否为正态分布，其中年龄、受伤至手术时间、术中出血量、围手术期输血量、术中透视次数、手术时间符合正态分布，且方差齐性，采用两独立样本t检验比较，以均数±标准差表示；计数资料采用χ²检验，P＜0.05认为差异有统计学意义。

本组53例髋臼骨折患者均顺利完成手术，与常规组相比，3D组术中出血量、围手术期输血量、术中透视次数均少、手术时间缩短，两组间比较差异均有统计学意义（P＜0.05，表 2）。其中3D组术中所见骨折块及移位情况与术前基于计算机三维重建模型吻合度较高，术前预弯钢板没有经过进一步微调即跟患者髋臼达到良好贴合，并且有助于术中骨折块复位。术后骨盆X线片显示骨折复位质量高，预弯版放置位置佳，贴合良好。利用术后CT扫描数据提取钢板螺钉图像，将其与术前模拟设计进行充分对比，发现术中放置钢板和螺钉的位置及方向均与术前规划一致，虽然有些模拟螺钉比实际应用于手术的螺钉稍长，但绝大部分钢板螺钉位置与术前设计位置相重叠（典型病例见图 3）。

表 2(Table 2)

表 2 3D组与常规组患者手术情况比较 Table 2 Comparison of surgical data between 3D group and conventional group Group Cases Intraoperative blood loss（mL, Mean±SD） Transfusion volume （mL, Mean±SD） Perspective times （times, Mean±SD） Operation time （h, Mean±SD） Matta score E&Grate (%, cases) Merle D'Aubigne & PostelE&G rate (%, cases) 3D 19 763.16±238.17 452.11±158.94 6.42±1.35 2.09±0.50 94.7% (18/19) 89.5%（17/19） CON 34 967.06±252.33 678.24±239.13 10.71±3.35 3.24±0.84 82.4% (28/34） 85.3%（29/34） Test statistic - 2.877 3.684 5.317 5.41 1.272 0.424 P - 0.006 0.001 0.000 0.000 0.209 0.674

表 2 3D组与常规组患者手术情况比较 Table 2 Comparison of surgical data between 3D group and conventional group

图 3(Figure 3)

图 3 患者手术前后髋臼影像资料分析比较术前规划效果 Figure 3 Analysis of the effect of preoperative planning based on preoperative and postoperative acetabular radiographic data. A: Preoperative pelvic X-ray film; B: d axial position of CT scanning; C: postoperative pelvic X-ray film; D: axial position of CT scanning; E: Plates and screw images derived from postoperative CT scan were used to perform the simulation fixation on the image of computer-assisted reduced acetabula; F: The actual position of the plate and screw well matched that in preoperative design.

3D组、常规组患者术后分别获6.0~26.5（15.47±5.43）月、18.0~34.5（27.21±4.67）月随访，骨折均达到临床愈合。骨折复位质量根据Matta标准：3D组优14例，良4例，可1例，优良率为94.7%；常规组优12例，良16例，可5例，差1例，优良率为82.4%；术后6个月末次随访时髋关节功能根据改良Merle D’Aubigne&Postel评分标准：3D组优13例，良4例，可2例，优良率89.5%；常规组优10例，良19例，可4例，差1例，优良率为85.3%，以上两组间比较差异无统计学意义（P＞0.05，表 2）。

术后3D组与常规组分别出现1例腹部切口皮下脂肪液化，经积极换药处理1周后愈合；常规组出现尿路感染2例，给予对症治疗后好转。两组患者均没有发现术后严重并发症如医源性神经损伤、股骨头坏死、内固定失效和深静脉血栓形成等情况出现。

髋臼骨折多是由于高能量损伤所致的严重关节内创伤^[14]。由于局部解剖关系复杂，骨性结构不规则，损伤程度重等诸多因素，至今仍然是较为棘手的临床难题。对于有移位的髋臼骨折手术治疗才是金标准，但术后并发症的发生率也一直居高不下，可达19%~41%^[15]，究其原因，除了手术时机及粉碎程度有关外，也与术中骨折复位质量与内固定质量息息相关。术前进行详尽准确的规划是骨折治疗成功的关键^[16]，包括手术指征的正确掌握、骨折分型的正确判定、手术入路及内固定方案选择等。传统的术前规划，主要依靠术者凭借X线、CT、MRI等二维图像与个人经验对骨折类型进行判断，并基于此制定手术方案。但髋臼局部骨质解剖形态不规则，又多因高能量损伤所致，骨折类型复杂，加之股骨头的遮挡，常不能对关节面骨折进行直接有效的观察，势必会对对临床诊断和手术方案制定造成一定影响，且术中视野有限，仅依靠术者个人经验及术中透视，难以对骨折块的复位质量和内固定放置位置及贴合度进行精确判断。因此，对于较为复杂的髋臼骨折来说，仅靠传统的二维影像和个人经验进行术前方案制定存在着很大的局限性。

近年来，随着影像学与数字医学的发展，已能够在计算机中利用患者薄层CT数据对骨折块进行三维重建、复位编辑及手术模拟，并能精确打印出患者骨折部位的3D模型，用以规划复杂骨折的内固定物放置，以及术前钢板预弯等^{[7, 17-18]}。这一过程可以帮助术者术前更清晰的掌握骨折块的形态走形，关节面的受损情况等诸多信息，便于术前能够进行良好的治疗方案规划及手术模拟，术中更加精确有效的对骨折块完成复位固定。

3D打印计算机辅助技术能全面、直观、准确地显示骨折的立体形态和各部位解剖结构的空间关系，对于复杂骨折的疾病诊断、骨折分型及手术治疗均有很强的指导作用，较传统术前规划而言优势明显，在临床中的应用也越发广泛。Yu等^[18]对复杂髋臼骨折进行三维重建，充分了解骨折情况，做出正确诊断分型并确定手术入路，术前在计算机辅助下对手术过程进行充分模拟，3D 打印技术打印出患者骨盆模型，验证虚拟模拟方案，手术顺利完成；Sciberras等^[19]在严重骨缺损的复杂髋臼翻修术前借助计算机辅助系统，对骨性情况进行深入观察剖析，模拟术中情形并制定术前规划方案，取得满意效果；国内也有不少学者报道通过计算机虚拟辅助技术，术前对复杂髋臼骨折进行手术规划，效果理想^[8-9]。这些研究报道都证明了良好的术前规划是获得满意手术效果的关键，充分说明了术前规划对良好手术治疗效果的重要性。但也都缺乏术前规划方案与实际手术方案的横向对比，难免会让人怀疑术中方案是否与术前具体设计一致，缺乏直接有效证据说明术前虚拟设计实施的准确性及有效性，以及良好术前规划对于满意手术效果的必要性。在本研究中，我们应用3D打印计算机辅助技术术前对患者进行充分手术规划，模拟手术过程并建立应对策略，最终用以指导手术，结果显示3D组患者复位满意度高，且较传统而言，缩短了手术时间，减少了术中出血量^[20-21]。同时，我们将术后内固定方案与术前规划进行对比，发现术中放置钢板和螺钉的位置及方向与术前规划匹配度较高，虽然有些模拟螺钉比实际应用于手术的螺钉稍长，但绝大部分钢板螺钉位置与术前设计位置相重叠，前后方案的一致性及理想的手术效果都说明了术前基于3D打印技术计算机辅助下的良好规划能有效辅助复杂髋臼骨折的治疗，改善治疗效果提高手术安全性。基于3D打印技术计算机辅助下良好的术前规划在髋臼骨折的治疗应用中起到良好作用，保障手术精准性的同时也更加安全可靠，能有效缩短手术时间，减少出血量及术中透视次数，并且创伤小，缩短患者住院时间，节约医疗成本。

3D打印计算机辅助模拟技术在外科手术中已成功应用^{[18, 22-24]}，较传统手术而言，3D打印技术计算机辅助下虚拟手术模拟能显著提高骨科手术的准确性和安全性。得益于实体模型，临床工作人员可以直视下观察患者的病变部位、破坏程度，有助于对损伤进行立体定位和骨折的正确诊断分型。此外，术前虚拟模型还能够为手术人路的选择及手术方案的制定提供更为直观、可靠的根据。特别是对于复杂骨折，其优势更加明显。但就目前而言，3D打印技术在医学领域的应用还未得到广泛普及，其应用不仅要求骨科医生具备丰富的临床经验进行术前设计，还需要熟练掌握应用CAD、Mimics等数字骨科软件操作。另外，3D打印材料种类尚不齐全，特殊用处的高性能材料也有待发掘，打印精度依然需要提升等挑战，使得其自身发展还有相当一段路程要走。

总之，通过3D实物模型与计算机虚拟手术模拟结合的方式，可以帮助我们更好的理解局部解剖结构，更有效的进行术前规划，并提供了一个机会，使我们能够进行术前模拟获得精确的预弯板。通过虚拟模拟平台使手术团队及患者充分了解手术程序，改善医患关系，提高治疗效果。