3D打印的关节骨折复制品，用于手术计划和患者同意：两年多中心经验

概要
背景
目前，使用3D重建图像的CT扫描用于研究整形外科和创伤外科手术中的关节骨折。 3D打印机从3D计算机表示开始创建实体对象。

案例描述
作者报告了两年的关节骨折3D打印多中心经验。

讨论和评估
在研究期间，102名患者（桡骨远端骨折，桡骨头，胫骨平台，黄芪，跟骨，踝关节，肱骨头和关节盂）进行3D打印。外科医生使用医学模型来理解碎片的脱位和关节表面的屈服。此外，作为在手术前获得知情同意的一部分，向患者显示模型。

结论
关节骨折的3D打印是创新的程序，可以实现术前有形的，非常有用的骨折评估，以计划干预和教育患者。

关键词：胫骨平台，桡骨头，桡骨远端骨折，丙烯腈丁二烯苯乙烯，关节骨折

背景
3D打印是一种成本相对较低的技术，它使用3D计算机表示（图形或3D虚拟对象）来创建可用于医疗保健应用的实体复制品;健康或骨折骨骼的3D打印模型用于面部和神经外科手术，以选择适当和最佳骨缝合的位置，研究适当的骨折模式，减少手术时间，改善患者的预后[3]。

实际上，在矫形外科和创伤外科手术中，使用具有MPR（多平面重建）和3D体积渲染的X射线和计算机断层扫描（CT）来了解碎片的脱位，移位量和关节骨折的关节受累。

最近，随着医院环境中商用3D打印机的迅速发布，整形外科医生开始使用骨盆骨折，髋臼骨折[12]，锁骨骨折[6]和各种关节骨折（如手腕[2]，肘部，胫骨板...）通过触觉和视觉经验提高对骨折的认识[1,10]。其他病理状况如脊柱疾病，髋关节发育不良或骨肿瘤都是用于手术计划的三维骨肿瘤[9]。然而，缺乏专注于收集患者的出版物。本文的目的是介绍作者为骨科和创伤外科和手外科手术中关节骨折三维打印模型的两年多中心经验。

案例描述
该研究包括六家医院，这些医院为创伤和/或手部手术提供亚专科手术服务。研究期间为2014年1月至2015年12月，期间招募了102名患者（年龄范围20-78岁，45名男性和57名女性）。获得了每位患者的书面知情同意书（本研究项目）。

患者出现以下骨折：桡骨远端（n = 31），胫骨平台（n = 19），桡骨头（n = 9），跟骨（n = 15），黄芪（n = 5），踝关节（n = 11），肱骨头（n = 8）和关节盂（n = 4）。招募的先决条件是由于骨折移位，碎片脱位和/或不稳定，患者有资格接受手术（因此对临床需要医学模型）。

所有102例患者均接受CT扫描：Hitachi Presto（日立日立医疗公司），Siemens Somatom（西门子，德国），GE Optima CT660（GE医疗系统，美国），飞利浦iCT256（飞利浦，荷兰），位于作者登记中心的医院。以0.625mm的增量重建数据，重建0.625mm。重建的DICOM图像被上传到OsiriX Dicom Viewer。获得多平面重新格式化（MPR）和3D体积描绘以诊断和评估3D打印的解剖结构。在进行3D体积渲染重建时，用数字剪刀工具分离骨折骨。

然后，使用“曲面渲染”工具，创建骨折骨骼的3D模型并将其导出到.stl文件。 使用3D专用软件包Mesh Lab对文件进行分析和准备打印。 模型是手工着色的：黄色选择骨骼，沿着断裂的碎片涂上红色线条，在放射科医师的监督下，白色分布在关节表面区域（可见）（图1）。


图1
创建.stl文件和桡骨远端骨折的颜色文件。二维多平面重建; b 3D体绘制; c表面渲染模式，d Meshlab控制;在Meshlab中着色的模型

模型以.obj导出并送到医院附近的打印机服务。有时需要后处理步骤（使用3D渲染软件）来创建人工桥以连接严重的移位碎片以维持骨折的“解剖结构”。 ProJet 660彩色打印机（3D Systems，Rock Hill，SC）用于使用石膏粉材料3D打印模型。根据作者的经验，作者支持这种材料（而不是丙烯腈丁二烯苯乙烯材料，ABS），因为它非常逼真地复制骨骼。

结果
根据解剖学区域，在4-8小时内印刷1：1模型。 （桡骨远端骨折4小时，胫骨平台8小时）。成本范围从远端半径模型的大约10美元到胫骨平台的75美元。

先前由外科医生，住院医生以及随后由患者处理印刷的骨折骨进行研究和检查（图2）。


图2
摩托车受伤后45岁男性胫骨平台骨折的X射线（a），2D CT扫描（b），3D体积渲染（c）和3D打印复制品（d）

随着手中的模型，外科医生以现实的方式评估细节作为关节面的关节碎裂，屈服和脱位;这些被呈现给年轻住院医生和医学院学生，以提高对创伤和骨折的认识。

一般来说，作者注意到复制关节外/非移位骨折的3d打印模型与复合体/严重移位骨折的模型相比并不是非常有利。外科医生评估使用对关节骨折最有利的模型，关节间隙或2 mm的台阶，或多片段模式（即关节骨折的AO分类B和C型）;对于简单和甲骨文骨折（即AO分类A型），模型无效。

在手术室前一天，使用桡骨远端骨折（图3），跟骨（图4），踝关节，桡骨头和胫骨平台的复制品来测试合适的钢板和适当的螺钉长度和方向（图3） 5）。通常对胫骨平台和踝关节骨折进行经皮手术的外科医生，对模型进行消毒并将其置于患者附近的手术室中，以改善经皮复位移位碎片的空间定向感（图6）。


图3
3D桡骨远端骨折印刷复制品：例子。 颜色模型（a），无颜色（b），实际测量（c）


图4
跟骨骨折的X射线（a），CT扫描（b），3D体积渲染（c）和3D打印复制品（d）


图5
桡骨远端骨折的钢板和螺钉试验（a）。 无菌模型的桡骨头骨折（二）


图6
2D CT扫描（a），3D体积渲染（b）3D打印踝关节骨折复制品，在手术台上使用无菌模型进行板材测试（c）

所有3D打印模型都与3D可视化工具一起使用，以获得患者的知情同意，显示和解释他的具体情况，特定碎片坏死的风险以及说明外科手术程序。患者对作者医院使用这项新技术表示热烈的普遍赞赏。在观看3D打印模型之前和之后，对骨折的理解有了实质性的改善。

讨论和评估
采用3D打印技术的个性化医疗将成为未来医学研究中最重要的领域之一[11]。 3D打印目前正在全球范围内发展，医生3D打印整形外科疾病，肿瘤和先天性儿科问题。使用3d打印复制品进行面部手术和神经外科手术在全世界都是众所周知的[7]。

3D打印在计划关节创伤手术中的应用并不常见;这种差距可能是由于组织工作流程的所有步骤的困难。

必须使用薄的准直采集CT图像，并且应该以小于1毫米的厚度重建图像。否则，最终的3D模型可能没有足够的空间分辨率。

转换为.stl文件必须在CT扫描后立即执行，并直接发送到位于医院或附近服务中的3D打印机。转换是直接使用CT工作站或商业软件，如OrisiX或Mimics [8]，由医生接受培训。

通过这种工作流程，该模型通常可在12小时内供外科医生和患者使用。

专业3D打印机可以使用不同的材料打印。对于医学模型，医生使用不同颜色（白色，透明，红色......）的ABS，PLA印刷，或VisiJet（如石膏）区分解剖部位和病理。

根据作者的经验，作者建议使用VisiJet材料（有色或无色）来复制骨折，因为模型比其他材料更逼真。

或者，用白色ABS或PLA印刷的骨折是外科医生和患者可接受的模型。

在转换“DICOM到stl：”中软件之间存在差异，包括分割技术和STL生成算法在内的众多因素可能是最终模型中潜在错误和细节松动的根源[4,5]。

在未来，必须应用更标准化的过程（医生/放射科医师技术人员培训，软件算法分割，打印机质量......），以便在全球临床实践中安全使用这些模型。

在这种多中心体验中，作者注意到这些模型的使用得到外科医生和患者的高度赞赏，作者目前正在讨论将3d打印复制品的使用作为手术知情同意的必要步骤。作者不建议打印简单或骨干骨折，首先没有迹象用CT扫描来研究骨折（根据一般良好的整形外科实践）。必须围绕该主题进行进一步的研究和成本分析，以研究该过程的可行性。

结论
关节骨折的3D打印是创新的程序，并生成模型，以实现对骨折和手术的真实术前有形评估，并改善患者的依从性和护理。该应用程序是个性化医疗的未来和卫生系统质量改进的一小步。

作者没有收到补助金或外部资金来支持他们的研究或准备这份手稿。未收到或将从直接或间接与本条主题相关的商业方收到任何形式的任何利益。

作者的贡献
注意：创建三维打印裂缝复制品的工作流程。 IT：有助于在临床实践中测试复制品。 AS：有助于在临床实践中测试复制品。 RA：有助于在临床实践中测试复制品。 PP：由放射科医生监督创建模型。 DR：有助于准备研究并撰写手稿。 GC：为准备研究和撰写手稿做出了贡献。 FF：有助于创建模型（3d打印机）。 SF：有助于创建模型（3d打印机）。 BM：有助于在临床实践中测试复制品。所有作者阅读并认可的终稿。

参考：
3D Printed replica of articular fractures for surgical planning and patient consent: a two years multi-centric experience
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