【摘要】目的 探讨利用计算机辅助设计和3D打印制作的个体化手术导板实现骶髂螺钉精确置入的可行性。方法 选取1例骨盆骨折患者，男性,35岁，术前进行CT检查。该患者骨盆后环损伤的情况为经骶孔骶骨骨折，按照Denis等（1988）的分类标准，为II区骨折，骨盆前环损伤情况为对侧耻骨上下支骨折。依据CT数据使用3D打印机打印个体化骨盆模型，通过软件设计并打印出骶髂螺钉置入导板，3D打印导板通过术前预试验验证后，术中于导板辅助下置入骶髂螺钉。术后参照Matta功能评分系统评价骨盆骨折术后功能情况。结果 应用骶髂螺钉导板辅助置入骶髂螺钉的进钉点、进钉方向都与术前设计方案一致，螺钉在骶髂关节内位置良好，未见螺钉穿破骶骨侧块皮质。3D打印的骨盆模型及个体化设计定制的手术导板能够满足骶髂螺钉精确置入的要求，螺钉置入后经术后X线及CT证实与术前设计一致，导板与骨性标志匹配良好。该患者骶髂螺钉置入的手术时间约30min，出血量约为50ml，未输血，术后伤口一期愈合。置入过程中仅使用术中CT透视两次，该技术节省了手术时间并减轻了手术操作人员的射线暴露风险。术后3个月随访，骨盆骨折临床愈合，按Matta功能评分系统评价骨盆骨折术后功能情况为满意，骶髂螺钉无松动、断裂，骨折愈合良好，无感染。结论 利用计算机辅助设计、3D打印技术打印的个体化骨盆模型及手术导板，可以实现骶髂螺钉的精确置入。这项技术可以提高螺钉置入的安全性，值得在临床实践中进一步研究应用。

【关键词】 计算机辅助 3D打印技术 骶髂螺钉 手术导板

垂直不稳定的骨盆骨折中通常存在骶骨骨折、骶髂关节骨折脱位，骶髂螺钉因其具有良好的生物力学性能,是目前治疗骨盆骨折后环损伤、降低致残率的优选方案。

然而,由于骶骨的特殊解剖结构，骶髂螺钉置入很难达到理想的位置，导致螺钉置入时存在困难。第一，骶髂螺钉置入通道毗邻骶神经及盆腔内脏等重要结构，螺钉的穿出可导致骶神经、髂内动静脉、腰骶干及闭孔神经等重要血管、神经的损伤，造成不可挽回的并发症；第二，螺钉置入区域狭小，置入过程需要反复透视以确定螺钉的入定点及钉道方向，以免螺钉置入位置偏移，导致内固定失败，影响手术疗效。传统的多角度反复透视下置入螺钉会增加患者及手术操作人员的射线暴露风险，导致医源性辐射损伤并可增加肿瘤的发生率。为提高螺钉置入的准确性及减少透视时间，多可采用CT扫描引导或术中导航系统进行骶髂螺钉的置入。而随着数字骨科的发展，3D打印技术的临床应用为骶髂螺钉的置入提供了新的方法。

3D打印是一种基于材料堆积法的新制造技术，初衷是实现产品的快速研发、制造，自上世纪80年代后期起，开始应用于工程制造等领域。目前，3D打印手术导板已应用于临床研究，Klaus Radermacher等报道，通过术前计算机辅助设计制作的个性化导板，已成功应用于一些髋关节、膝关节、脊柱手术，术中可以做到不再使用任何计算机辅助的导航、透视等设备，可避免接受电离辐射，并能极大的节省手术时间。

鉴于此，2014年12月，我们对1例累及后环的经骶孔骶骨骨折（DenisⅡ型）及对侧耻骨上下支骨折的TileC型骨盆骨折患者术前尝试采用计算机辅助三维重建并打印骨盆骨折模型，而后依据逆向工程设计打印出骶髂螺钉置入导板，并在术前进行预实验，验证在置入导板的辅助下骶髂螺钉能否精确置入，最后术中将导板与伤侧骨盆后部骨性标志进行契合，从而精确置入骶髂螺钉。本研究对这例患者的治疗过程、临床及影像学资料进行回顾性研究，目的是：（1）探讨3D打印骶髂螺钉置入导板临床应用的可行性及精确性，（2）阐明3D打印骶髂螺钉置入导板的适应证，（3）总结3D打印骶髂螺钉置入导板用于骨盆骨折治疗的优势及手术注意事项。

资料与方法

一、一般资料

2014年12月治疗1例男性骨盆骨折患者，年龄35岁。致伤原因：车祸伤。骨折类型为累及后环的经骶孔骶骨骨折（DenisⅡ型）及对侧耻骨上下支骨折（图1），此例患者骶骨骨折及对侧耻骨上下支骨折均无明显移位，为潜在不稳定型骨折。患者伤后4小时入院，合并有闭合性胸部外伤。入院后给予左侧下肢胫骨骨牵引，牵引重量约为体重的1/8。于伤后7天采用左侧骶髂螺钉并右侧耻骨上下支骨折皮下重建钢板固定。

术前使用64排螺旋CT（西门子，德国）采集骨盆扫描数据；扫描条件：电压120kV,电流150mA,层厚1mm；将采集的CT数据以DICOM格式存储于移动硬盘内。

本研究取得医院伦理委员会批准，告知患者并与患者签署知情同意书。

图1术前X线示右侧耻骨上下支骨折及骶骨左侧II区纵行骨折

二、骨盆三维重建及制作3D打印模型

将移动硬盘内存储的骨盆CT数据导入计算机（Intel COREi52G内存Windows7系统），通过Mimics10.01软件（Materialise，比利时）进行骨盆三维图像重建。通过软件阈值调整及图像分割、填充等功能将骨盆原始蒙罩（Mask）进行去噪处理，然后给予蒙板进行骨盆三维模型重建。重建后的骨盆可以放大和缩小，在360°空间范围内任意转，且可以同时在一个界面上显示三维图像、横断面图像、矢状面图像和冠状面图像。将重建的骨盆3D模型数据以STL格式存储后导入3D打印机（交大恒通激光SPS450B，中国）打印，其3D打印的骨盆模型材质为石膏（图2）。

图2骨盆三维重建及3D打印模型a.Mimics软件中骨盆三维重建图像；b.依据重建模型使用3D打印机打印出的骨盆石膏模型

三、骶髂螺钉置入最佳通道设定及钉道设计

骨盆数据导入Mimics软件后，生成3D重建的骨盆模型。在骨盆模型的冠状面、矢状面及横断面坐标内，根据卢超等方法确立骶髂螺钉的最佳入点，即髂前上棘与髂后上棘连线与股骨纵轴延长线的交点，钉道末端终点选择贴近S1椎体上终板中心点；骶髂螺钉的入点及止点之间即为钉道；通过软件重建冠状面、矢状面及横断面与周围结构的毗邻关系，确定钉道安全后测量钉道的长度。

基于设计并标记的钉道路径，在Mimics软件的MedCAD模块中，用2mm直径的圆柱体代替螺钉，观察骶髂螺钉在钉道内的轨迹。缓慢拖动滚轴，分别在3D界面、轴面、矢状面观察圆柱体通过骶骨侧块的位置关系，确定CAD圆柱体与设计钉道一致。将模型数据以STL格式保存。（图3）

图3术前骶髂螺钉置入通道设计过程a.Mimics软件中定位骶髂螺钉髂骨入定点；b-d.使用CAD辅助设计模拟骶髂螺钉通道后，矢状面（b）、冠状面（c）、水平面（d）观察螺钉在骶骨内的位置；e-g.3D重建后使用半透明状态显示虚拟骶髂螺钉置后骨盆于出口位、入口位、后前位角度观察虚拟螺钉与骨盆骶骨的解剖关系

四、设计并打印骶髂螺钉置入导板

在Geomagicstudio12(Geomagic，美国)中打开保存的数据，转动三维结构，从各个角度观察钉道是否穿破骶骨侧块周围皮质，并根据剖面和三维结构观察结果对钉道做适当的微调。按照设计轨迹轴心线设定钉道导板内径为2mm，并将导板钉道外径设为15mm，高度设为70mm，以完成导向模板定位针套管的设计。提取髂后上棘及邻近髂嵴后方对应骨性表面解剖数据，并将其做反向增厚4mm处理后，建立与之形态一致的反向基板，同时导入钉道数据，将两者组合重建成导板雏形(外置钉道未贯通)，形成带有双侧定位管的骶髂螺钉个体化定位模板。布尔运算(Boolean Operation)后，贯通导板钉道，最后对边界进行修整，完成导板的设计制作。在Magic12.0（Materialise公司,比利时）软件中，摆放导板模型，加支撑，导出模型数据，将数据以STL格式导入3D打印机，使用光敏树脂材料打印出导向模板。

将打印出的导向模板放置在骨盆3D石膏模型的相应位置，验证骶髂螺钉导向模板和髂后上棘及邻近髂嵴后部骨性结构表面贴合良好。（图4）

图4导板设计制作过程a.Geomagicstudio12软件中导板模型后与骨盆模型匹配图像；b.导板3D打印后实物模型；c.3D打印导板实物模型与骨盆模型契合图像

五、基于骨盆和导板3D模型进行术前预实验

将骨盆模型和骶髂螺钉导板模型进行解剖部位的匹配契合，并使用直径1.5mm克氏针沿导板指引打入骨盆模型内，使用西门子术中CT机（ARCADISOrbic3D）进行扫描，将扫描结果与术前设计进行比较，冠状面、矢状面及水平面逐层观察，确定导针置入通道的准确性。（图5）

图5术前预实验,即使用导向模板置入骶髂螺钉A.导板与骨盆模型契合后打入导针；B-D.术中应用导向模板置入导针后冠状位（B）、水平位（C）、冠状位（D）C示导针在骶骨内的位置及与周围结构的毗邻关系。

六、手术操作

全麻后，患者取俯卧位，依据骶髂螺钉导板大小设计手术切口及长度。取髂后上棘为中心纵弧形手术切口，分离暴露髂后上棘及近端部分髂嵴，剔除髂后上棘后侧、邻近髂嵴及髂骨外板上的软组织，将导板贴附于相应的髂后上棘及邻近的部分髂嵴上，助手把持导板并维持其在骨性依托上的稳定性，手持电钻依据导板指引方向打入一枚1.5mm导针，置入骨内深度控制为65mm。留置导针，术中CT机（ARCADISOrbic3D）三维重建显示导针置入位置正确后，采用空心钻沿导针方向进行钻孔，钻孔深度即为术前测量的进钉深度，选取合适长度的螺钉。本例置入的骶髂螺钉直径为6.5mm，长度为65mm，尾端带有垫片。螺钉置入后，再次使用CT显示骶髂螺钉置入位置与术前设计一致后（图6），冲洗伤口，放置引流管，逐层缝合伤口。对于合并的前环损伤，我们采用微创经皮重建钢板进行内固定。

图6术中使用导板置入骶髂螺钉过程a.患者体位及手术切口标志；b.将导板贴附于相应的髂后上棘及邻近的部分髂嵴后打入导针；c，d.术中的冠状位（c）、矢状位（d）CT重建示的螺钉置入

七、术后处理

术后24h常规应用头孢唑啉预防感染（2.0g，静脉滴注，12h一次，至术后24h）。术后24h开始应用低分子肝素钙预防深静脉血栓形成（5100单位，皮下注射，1d一次，共7d）。术后24h拔除引流管。术后1周内功能锻炼以肌肉等长收缩、被动活动为主，以后逐渐过渡到主动活动。

八、疗效评价方法

根据Matta和Saucedo方法对骨盆骨折术后的临床结果评价系统进行满意度评价：行走能力、久坐、疼痛、髋关节活动范围及双下肢不等长距离共五项分别进行评分，每项6分总分30分，26分及以上可以认为临床结果满意。

结果

一、术前钉道路径设计及骨盆模型及导板的设计制备

本例患者骨盆骨折3D模型打印、骶髂螺钉钉道设计及到向模板的设计及打印时间分别为6h、1h、4h。骨盆骨折石膏模型及导向模板制作的花费约为2000元人民币。

二、手术结果

本例患者骶髂螺钉置入手术时间约30min，术中出血量约为50ml，未输血，术中两此使用CT机透视确定骶髂螺钉置入情况，透视时间为2min。术中导向模型与髂后上棘及邻近髂嵴骨性标志契合紧密，在置入导针应用时稳定性良好。

三、术后影像学检查结果及螺钉置入的准确性评估

应用术后复查X线及CT结果来确认骶髂螺钉置入的准确性。螺钉置入的准确性分级通过Lonstein等所制定的钉位评估标准基础上进行改良，基于轴位像对骶髂螺钉的位置进行分级：0级，螺钉未穿破皮质；1级，穿破皮质＜2mm；2级，螺钉直径中心穿破皮质2～4mm；3级，螺钉完全穿破皮质。将术后CT数据导入Mimics软件，建立三维模型，结果显示螺钉的进钉点、进钉方向，螺钉与骶1椎弓根侧块的关系均与术前设计方案的最佳进钉点和方向一致，未见螺钉穿破骶骨侧块皮质，依据上述钉位评估标准,螺钉置入属于O级（图7）。

图aCT三维重建显示，螺钉未穿出骶前皮质。图b，c，dCT三维重建显示水平面、冠状面、矢状面上骶髂螺钉位置与术前钉道设计吻合。图e术后骨盆X线，示骶髂螺钉及对侧耻骨上下支骨折重建钢板位置

四、疗效评价结果及并发症情况

术后随访3个月时，根据Matta和Saucedo评定标准，本例患者评分为29分，结果满意。

本例患者通过导向模板辅助精确完成了骶髂螺钉的置入，随访3个月时骨盆骨折临床愈合，骶髂螺钉未发生松动、断裂，无血管、神经损伤并发症出现，切口一期愈合，未发生浅表及深层感染。

讨论

一、3D打印骶髂螺钉置入导板临床应用的可行性及精确性

本研究通过数字化设计个体化的骶髂螺钉置入导向模板，利用3D打印技术制造出骨盆骨折实物及导板模型，并经过在打印骨盆模型上进行模拟置钉实验，验证了导向模板置入骶髂螺钉的可行性；其后将导向模板应用于临床实践取得了良好效果。本研究钉道的设计是基于数字化的三维测量，可任意对三维模型执行切割、旋转等操作，从内部、外部、及各个方向进行观察测量，使用软件的测量工具精度高，利用透视法确定最佳骶髂螺钉通道精确，可重复性高。

然而，本研究使用的骶髂螺钉导向模板在设计及应用中可能存在偏差，其原因包括CT扫描层厚、软件数据转换编辑造成的骨盆模型与真实骨性标本的细微差距，以及导板设计的大小、打印材料的特性、与骨性标志的契合程度、术中导板稳定性，电钻的应用及软组织的剔除等；这些偏差产生的原因与胡勇等报告相同。因此，在使用计算机辅助术前设计骶髂螺钉通道、3D打印骨盆模型及骶髂螺钉导向模板的过程中，需要将每一步设计操作的偏差因素降到最低。我们建议：（1）CT扫描的层厚不要超过1mm，以降低数据转换及三维重建中模型的失真；（2）导向模板宜选择选择具有一定硬度、韧性，受力后不易变形的材质，可消毒，以便术中应用；（3）导向模板设计中，模板的骨性依托部分应多点、立体选择骨性标志，以增加导板契合程度及稳定性，导板的导向管道内径设计应与导针直径匹配，管道外部长度应足够，以增加导针导向的准确性。

二、3D打印骶髂螺钉置入导板的适应症

本方法目前仅适用于骨折本身移位不明显或通过术前牵引基本达到复位要求的患者。本例患者因为骨盆后环骨折移位不明显，术中并未进行复位操作，因此可以患侧作为制作到向模板的依托。另外，由于骨盆两侧的骨性解剖标志是不完全对称，所以健侧镜像为依托制作患侧导向模板会存在偏差，这也是为何我们使用患侧骨性解剖标志为依托制作导向模板的原因之一。本研究结果显示，以患侧为依托制作的导向模板与骨性标志结构表面贴合良好。针对移位明显的骨折，理论上可以使用软件模拟复位后的钉道设计导针指向，并以患侧为依托制作导向模板，同时术中必须骨折复位，且与术前设计的复位标准一致。由于我们的研究应用尚处于起步阶段，设计方案还需进一步优化，对骶髂关节的复杂移位骨折应用的可行性还需进临床验证。所以针对骨盆后环存在明显骨折脱位的患者，若置钉前通过闭合复位、牵引等仍复位不佳，建议更改手术方案。

三、3D打印骶髂螺钉置入导板用于骨盆骨折治疗的优势及手术注意事项

骶髂螺钉对进针角度与方向有严格的要求。游景扬等报道：进针方向前后偏差4°即会损伤S1神经或穿透骶骨皮质损伤骶前的神经、血管。而传统术前设计中，主要以X线片和二维CT图像为依据，对于累计后环的不稳定型复杂类骨盆骨折，X片不能做出具体的诊断，二维CT虽然可以提供后环结构损伤的详细信息，但不能对骨折碎片进行准确的三维定位，更不能进行骶髂螺钉进入的角度进行模拟设计。影像科提供的三维重建图像有助于了解骨折三维情况，但只限于几个截面的三维图像，手术医生无法按照自己需要任意角度、方向观察骨折情况，严重影响了手术医生对骨折情况的全面了解和制定详细的术前计划。因此，术中需反复透视，放射线暴露严重；而体位偏差及透视经验的不足均会直接影响骶髂螺钉置入的准确性。

本例患者在导向模板指引下一次置入导针，经导针指引一次置入骶髂螺钉，无钉道修正过程。与传统透视下手术及导航下手术相比，避免了钉道修正及反复透视操作的过程，手术操作更加简便。骶髂螺钉置入手术的时间约为30min，均少于Schep等报道的C臂透视下传统组手术平均时间116min及CT导航下手术平均时间97min。

在透视时间上，曹帅军等报道的计算机辅助三维导航下每枚螺钉置入的平均透视时间3.5-5.2（4.55±0.80）min。而文献关于传统透视方法下置入螺钉平均透视时间的报道差异较大，多中心研究下显示，传统透视下单枚螺钉平均透视时间为126s。本例患者骶髂螺钉置入过程中的两次术中CT扫描时间合计为2min，虽然透视时间较传统透视方法的平均时间并无显著减少，但手术导向模板设计的初衷是为了术中不依托导航、透视等设备进行个体化的精确手术；本例患者术中进行的两次透视仅是为了导向模板初步应用时的验证步骤，相信随着导向模板应用例数的增加及熟练程度的提高，此验证步骤肯定会去除，真正做到无需任何导航及透视等设备辅助下仅应用导向模板即可安全、准确地置入骶髂螺钉。

骶髂螺钉导板的设计应用也存在一定缺陷，本临床研究采用后路有限切开显露骨性标志来作为骶髂螺钉导板定位的依托，故较经皮CT引导下置钉创伤大，剥离范围过大有损伤臀后动静脉及股后皮神经的风险，因此术中应用时应谨慎操作。

参考文献（略）