著者: Sa Haiming、Ma Zhiqiang、Zhu Jiang、Wuilahan Tolewuhan、Tian Sheng、Xu Wu、Li Tao、Huang Yifei、Lv Gang 出典: Chinese Journal of Orthopaedic Traumatology、2022、24(12)
骨盤骨折や寛骨臼骨折は高エネルギー損傷によって引き起こされることが多く、人体における骨損傷全体の3％～7％を占め[1]、整形外科的外傷患者の重要な死亡原因の1つとなっています。近年、交通事故による外傷の件数と重症度が増加しており、発生率も上昇傾向にある[2]。
骨盤骨折および寛骨臼骨折の治療原則は、患者のバイタルサインを安定させ、解剖学的整復と強固な固定を実施し、早期に機能訓練を実施して良好な機能回復を達成することである[3,4]。最小侵襲性内固定が最良の治療法である[5,6,7,8]。外科的アクセスが限られており、ネジを挿入するための骨の通路が狭いため、骨盤骨折や寛骨臼骨折の外科的治療の技術的閾値と合併症リスクは高い[9,10,11]。
近年、医療技術の進歩により、骨盤および寛骨臼骨折の患者の死亡率は年々減少しています[12]。 3Dナビゲーション、整形外科ロボット、3Dプリント技術などのさまざまな新興技術が骨盤および寛骨臼骨折の診断と治療に適用され始めており、ネジの配置の効率と精度が向上しています。 しかし、3Dナビゲーションには長い術前準備時間が必要です。 手術領域内の参照オブジェクトの位置、患者の位置、3Dナビゲーショントレーサーの安定性、患者の肥満などの要因が画像の精度に影響を与える可能性があります。 使用プロセスは複雑で、機械、サポート機器、専門家のスキルに対する要件が高く、対応するコストが比較的高価です[13,14,15,16]。整形外科手術ロボットのロボットアームは安定して正確に動き、高速ネットワークのサポートにより遠隔手術を実行できます。ただし、手術の触覚フィードバックがなく、手術の補助には機械のフィードバック画像のみに依存しているため、医原性損傷のリスクが高まる可能性があります。大きなスペースを占有し、適用シナリオが限られており、大きな変位を伴う骨盤骨折や寛骨臼骨折には適していません[17,18,19,20,21]。さらに、機器が複雑でコストも高くなります。 3Dプリント技術に関しては、外科医は術前の3Dモデルの設計に参加するだけでよく、ガイドプレートなどの製造プロセスに参加する必要はありません。手術中にガイドプレートやその他の完成品を使用する手順は簡単で、適用シナリオも幅広いため、作業負荷は最初の2つよりも少なくなります。骨プレートの印刷に必要なチタン含有金属材料を除けば、3Dプリンター、印刷材料、その他の関連機器のコストは比較的低いです。
この技術では、患者のCTまたはMRIスキャンデータに基づいてMimicsなどのモデリングソフトウェアを使用して骨盤と寛骨臼のモデルを構築し、データに基づいて骨プレートとドリリングガイドを設計し、ネジチャネルパラメータなどを測定し、適切な材料を選択して物理的なオブジェクトを印刷するだけで済みます。消毒などの手順を経た後、臨床現場で使用できます。
1. 3Dプリント技術の応用状況
1. 術前計画 骨盤骨折および寛骨臼骨折の整復固定は外傷整形外科において最も困難な手術であり、厳密な術前評価と分類、術前手術計画および術前設計を必要とします (図 1)。手術計画を策定する過程では、骨折の種類と変位の程度を判断することが重要なステップです。この点で、3Dプリントされた骨盤骨折および寛骨臼骨折モデルは、CTスキャンや3次元再構成などの従来の画像データよりも多くの利点があります[22,23,24,25]。 Mainiら[26]は、骨盤および寛骨臼骨折の患者21人をランダムに3Dプリント群（10例）と従来の手術群（11例）に分ける前向きランダム化比較試験を実施した。3Dプリント群の患者は3Dプリントされた骨盤および寛骨臼モデルを使用し、シミュレーション手術を実施し、手術前に骨板を事前に曲げた。事前に曲げた骨板は、手術中に寛骨臼の整復と固定に使用された。術後のCTスキャンでは、従来の手術群の患者4名に寛骨臼の解剖学的整復を達成できなかった2～3mmの段差があったのに対し、3Dプリント群の患者には段差が見られなかったことが明らかになりました。すべての事前成形プレートは骨盤によくフィットし、手術後の2つの患者群間で骨折端の吻合の程度に大きな違いがありました。
骨盤骨折や寛骨臼骨折を整復固定するためにテンションスクリューを使用する場合、手術前に行う利点もあります。Wang Jianshunら[3]は、骨盤骨折や寛骨臼骨折の患者137人を、手術前の処置の有無に基づいて3Dプリントグループ（65例）と従来の手術グループ（72例）に分けました。その結果、従来の手術グループの患者と比較して、3Dプリントグループの患者は、平均手術時間とスクリュー配置時の透視回数において有意な利点があることが示されました。従来の外科手術に基づいて、手術前に同じスケールの3Dプリント骨盤骨折モデルと寛骨臼骨折モデルを使用すると、患者に個別化された手術計画を提供でき、術中の出血量と透視検査の回数を減らし、手術時間を短縮し、骨折整復の質を向上できることが証明されています[22,23,24,25]。
(II) 3Dプリントされた掘削ガイド
1.外部 3D プリントされた掘削ガイド:
近年、骨盤トンネルスクリュー技術は、骨盤骨折および寛骨臼骨折の低侵襲治療における標準的な内部固定オプションとなっている[27]。その中で、仙腸関節スクリュー固定術は、後骨盤輪損傷の治療によく用いられる外科手術法である[28]。従来の経皮透視ガイド下手動スクリュー固定法は、患者の肥満や、スクリューが通過できる仙骨内の狭い通路などの要因の影響を受ける。従来の方法では、スクリューの脱臼（2％～15％）や深刻な神経・血管損傷が発生しやすい。また、長期にわたる放射線被ばくは、手術室の医療スタッフの健康にも悪影響を及ぼす[29]。仙腸関節ネジの配置を支援する外部 3D プリントドリリングガイドは、上記の問題を解決する画期的な技術となりました。
Chenら[29]は、ガイドプレートを実際の手術に適用し、仙腸関節ネジ1本当たりの平均挿入時間は19.2分、恥骨上枝ネジ1本当たりの平均挿入時間は25.2分、透視検査は1回の手術あたり平均35回、整復率は89.3%（25/28）であったことを明らかにした。 Yangら[30]は、不安定な後骨盤輪骨折の患者40名をガイドプレート群（22例）と従来群（18例）に分けた。ガイドプレート群には合計37本のネジが挿入され、従来群には28本のネジが挿入された。従来群と比較して、ガイドプレート群では1本のネジ挿入あたりの手術時間が約55％短縮され、ガイドプレート群の患者のX線放射線量は従来群と比較して約58％減少しました。ガイドプレート群ではネジの穿孔が1例、従来群では4例発生しました。ガイドプレート群は従来群に対して明らかに優位性がありました。これは、仙腸関節ネジの配置を支援するために外部3Dプリントドリリングガイドを使用したシミュレーション実験でDurusoyら[31]が導き出した結論と基本的に一致しています。
複数の同様の研究の結果によると、他のネジ配置方法と比較して、パーソナライズされた3Dプリントドリリングガイドを使用してネジ配置をガイドすると、手術時間、術中のネジ軌道調整回数、X線放射線量、手術合併症が減少し、内部固定精度が向上するという利点があります。異なる外部3Dプリントガイド間の違いは、ガイドの固定方法とガイドネジ穴の位置と角度のみです[32,33]。
2.内蔵の 3D プリントされた掘削ガイド:
開放整復手術では、内蔵の 3D プリントされたドリリング ガイドの使用にも大きな利点があります (図 2)。 Doら[34]は、寛骨臼内固定手術のネジ挿入をガイドするために、内蔵の3Dプリントドリリングガイドを使用しました。術中出血量と手術時間はそれぞれ280mLと135分でした。彼らが以前に使用していた従来のオープンスクリュー内固定手術と比較して、術中出血量が大幅に減少し、手術時間が大幅に短縮されました。術後のCTスキャンでは、骨折が解剖学的に整復され、テンションスクリューが適切に配置され、スクリューの挿入点と設計点の間に3.75mmの偏差があることが示されました。 Meestersら[35]は人間の死体を使って同様の実験を行い、実際のネジの挿入位置と計画されたネジの挿入位置の偏差は2～5mmであることを発見した。したがって、上記の偏差 3.75 mm は許容範囲内です。
Zhouら[36]は、仙腸関節複合体損傷の患者31名をガイド群（16例）と従来群（15例）に分け、ネジの配置を支援するために内蔵の3Dプリントドリリングガイドを使用するかどうかに基づいて比較研究を行いました。結果、従来群と比較して、ガイド群ではネジ1本あたりの手術時間が約55%短縮され、ネジ1本あたりの透視回数が約82%短縮されました。 Liu Yiら[37]は同様の方法を用いて後方骨盤リング内固定術を行った。ガイドプレート群の患者は、従来の群の患者よりも手術時間と各ネジ配置の透視回数を減らし、整復固定効果を改善したという点で優れていた。
3.プレートマッチング内蔵ネジガイド：
寛骨臼の特殊形状プレートにおけるネジの配置精度を向上させるために、3D プリント技術を使用して、さまざまな種類の特殊形状プレートに基づいてプレートマッチング組み込みネジガイドを設計し、正確なネジの配置を保証します。 IJpmaら[38]は、複雑な寛骨臼骨折の患者10名を固定するためにロッキング圧縮プレートを使用する際に、カスタマイズされたガイドプレートを使用してネジの配置を補助した。ガイドプレートのガイド下で合計95本のネジが配置された。ネジの配置精度を評価するための術後CTスキャン（層厚≤1mm）では、すべてのネジが正確に配置され、計画されたネジのドリル角度と実際のネジのドリル角度の四分位範囲の差はわずか7.1°であることが示された。すべての患者は手術後に順調に回復した。
3. 3Dプリントされた骨プレート 骨盤および寛骨臼骨折の整復と固定の複雑さにより、完全な手術計画を策定する必要があります。手術前の個々の骨盤および寛骨臼の3次元データに基づいて、パーソナライズされた健側鏡像金属3Dプリントプレートが設計され、手術中に適用されます。これにより、マッチングが向上し、整復と固定率が優れ、手術時間が短縮され、出血と輸血が減り、X線放射線量が減るという利点があります。
ウェンら[39]は、3Dプリント技術を使用してチタン粉末を原料として骨プレートを印刷し、それを研磨して完成した骨プレートを作成した。彼らは、3Dプリントプレートと従来のプレートを使用して、それぞれ骨盤骨折と寛骨臼骨折を整復および固定した。結果は、3Dプリントプレートの軸方向剛性と機械的限界荷重が従来のプレートよりも大幅に優れていることを示しました。王ら[40]は、実際の応用において、3Dプリントされた骨プレートが骨表面に完全にフィットし、骨折の解剖学的整復を達成できることを発見した。 Mai Qiguangらによる研究[41]でもこの見解が実証されています。手術は順調に進み、すべての患者は術後6か月間追跡調査され、すべての患者で骨折の治癒が良好でした。 Huang Ganら[42]は、3Dプリントされたパーソナライズプレート（16例）または従来のプレート（15例）を使用して、骨盤骨折および寛骨臼骨折の患者91人を治療しました。結果によると、従来のグループと比較して、3Dプリントグループの手術時間は約16％短縮され、術中出血量と輸血量はそれぞれ37％と40％減少し、術中透視回数は43％減少し、通常活動に復帰するまでの時間は11％短縮され、合併症の発生率は3％減少し、骨折整復品質の優秀率は5％向上し、骨盤Majeedスコアの優秀率は4％向上しました。
2. 3Dプリント技術の精度の鍵<br /> 3D プリント支援による骨盤および寛骨臼骨折手術における重要な手順の正確性を確保することが、その有効性を保証する鍵となります。 1:1骨盤模型は手術プロセスには関与しません。模型が歪んでいない限り、手術計画と術前ケアの正確さが保証されます。さらに、さまざまな 3D プリント ガイドと骨プレートの精度は、術前のモデル設計と印刷、術中の正確な位置決め、およびガイド針の軌道の術中の透視モニタリングに関係しています。設計段階では、外部ガイドプレートには、ガイドプレートの固定位置の基準となる外部固定器具などの外部マーカーが必要です。手術中は、ガイドプレートを外部固定器具またはその他の基準物の所定の位置に固定するだけで、ガイド針が挿入され、ガイド針の角度が従来の透視角度に従って監視および修正されます。 3Dプリント内蔵ガイド、3Dプリントプレートマッチング内蔵ガイド、および3Dプリント骨プレートは、設計段階で皮下骨解剖学的ランドマークを固定基準として使用します。手術中は、筋膜やその他の組織を完全に剥離して所定の骨解剖学的ランドマークを露出させ、ガイドプレートを固定してからガイドピンを挿入し、ガイドピンの角度を従来の遠近角に従って監視および修正して、その精度を確保する必要があります。 3D プリント技術の助けにより、骨盤および寛骨臼骨折手術の敷居は下がったようですが、さまざまなガイドやモデルはあくまで補助的なツールです。現在のところ、これらが熟練外科医の手術技術や経験に取って代わる能力があることを証明する文献はありません。骨盤および寛骨臼骨折手術のほとんどは、依然として熟練外科医による手術を必要としています。
3. まとめと展望
骨盤および寛骨臼骨折手術の補助における 3D プリント技術の欠点: 内蔵の 3D プリント ドリリング ガイドと 3D プリント スチール プレート マッチング内蔵ガイドは、皮下筋筋膜やその他の組織を剥離し、骨の解剖学的ランドマークを完全に露出させる条件下で使用する必要があり、患者の損傷した組織の損傷を悪化させ、患者の機能回復に役立ちません。外部 3D プリントドリリングガイドは比較的低侵襲ですが、骨盤外部固定器具または少なくとも 2 本の位置決めピンを事前に経皮的に骨盤内に挿入して使用する必要があり、その適用シナリオは比較的限られています。 1:1 骨盤モデルは術前計画にのみ使用でき、整形外科手術ロボットや 3D ナビゲーションのように手術中にネジの配置をガイドすることはできません。
3Dプリント技術はデジタルプラットフォームであり、プリント技術はデザイン思考と臨床個人を有機的に組み合わせ、応用シナリオを大幅に拡大し、外傷整形外科における最先端の骨盤および寛骨臼骨折手術に完全に反映されています。臨床初期段階における 3D 病変モデルの術前評価から、臨床に近い術前計画の策定、さらにはネジ配置ガイドや個人に合わせたマッチング骨プレートの開発まで、臨床医は臨床ニーズに基づいて新たな疑問や新たなアイデアを提起し続け、3D プリントの新たな応用方向も提案しています。骨盤骨折および寛骨臼骨折における 3D プリント技術の応用に関するさまざまな過去の文献をまとめたところ、3D プリント技術は、手術効率の向上、骨盤骨折および寛骨臼骨折の優れた整復固定率の向上、患者の予後の改善、および手術合併症の軽減において優れた結果を達成していることがわかりました。
骨盤および寛骨臼骨折手術の臨床的理解が深まるにつれ、新たな低侵襲手術アプローチ、整復器具、内部固定法はすべて、精度と低侵襲性の向上に向かっています。これには、3D 印刷技術によるデータベースのさらなる拡張、指標の分類と改良、製品の精度と機器の小型化の向上、そしてこれに基づく標準化された技術アプリケーション プロセスの開発が求められ、臨床推進の基準を提供します。同時に、3Dモデルとインテリジェントな縮小は臨床現場で研究されてきましたが、現在は機器の統合開発と個々の臨床の違いによって制限されています。画像データと精度の向上、データベースの改善により、3Dプリント技術は整形外科医が臨床効果を向上させる強力なツールになると考えられています。
参考文献: 省略
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寛骨臼、骨折、骨盤、医療、インプラント |
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