3D打印技術(shù)在復(fù)雜脛骨平臺(tái)骨折手術(shù)中的應(yīng)用研究

周明 丁文斌 劉全 金紹林 江建平 白鵬程

脛骨平臺(tái)骨折多為高能量損傷，常合并關(guān)節(jié)面塌陷，以及交叉韌帶、半月板、內(nèi)外側(cè)副韌帶的損傷，常見的并發(fā)癥為創(chuàng)傷性關(guān)節(jié)炎和關(guān)節(jié)僵硬［1］，因此精準(zhǔn)的手術(shù)方案和充分的術(shù)前準(zhǔn)備顯得尤為重要。脛骨平臺(tái)骨折的手術(shù)目的是準(zhǔn)確恢復(fù)脛骨的力線，盡可能糾正關(guān)節(jié)面的塌陷。傳統(tǒng)的手術(shù)方法為了解決關(guān)節(jié)面的塌陷及粉碎性游離骨塊的問(wèn)題，往往進(jìn)行充分的軟組織暴露，對(duì)骨折塊進(jìn)行多角度的復(fù)位及固定，然而很多情況下，術(shù)中的復(fù)位及透視不能達(dá)到良好的復(fù)位效果；手術(shù)切口的選擇不能充分暴露骨折端；術(shù)前的影像學(xué)參考不能為術(shù)中的接骨板和螺釘?shù)拈L(zhǎng)度提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)參考［2］。因此，針對(duì)脛骨平臺(tái)骨折的治療，目前研究主要集中于骨折分型的進(jìn)一步細(xì)化、手術(shù)入路的處理、內(nèi)固定的選擇及安放等［3］。3D打印技術(shù)作為目前骨科領(lǐng)域熱點(diǎn)之一，其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)在于可以立體化、個(gè)性化進(jìn)行三維影像學(xué)的分析和應(yīng)用。針對(duì)復(fù)雜的脛骨平臺(tái)骨折，我們利用3D打印技術(shù)，術(shù)前將CT數(shù)據(jù)進(jìn)行軟件處理，快速建模成型［4］，術(shù)前進(jìn)行充分的討論和準(zhǔn)備，并與傳統(tǒng)手術(shù)方式相比較，探討術(shù)前結(jié)合3D打印技術(shù)輔助手術(shù)治療后骨折復(fù)位的效果和膝關(guān)節(jié)的功能恢復(fù)情況。

資料與方法

一、納入與排除標(biāo)準(zhǔn)

納入標(biāo)準(zhǔn)：①單側(cè)閉合性新鮮脛骨平臺(tái)骨折；②Schatzker分型為Ⅳ～Ⅵ型的病人；③年齡為19～55歲；④需手術(shù)治療的病人。排除標(biāo)準(zhǔn)：①雙膝脛骨平臺(tái)骨折；②開放性骨折；③合并神經(jīng)血管損傷；④隨訪丟失的病人；⑤術(shù)前檢查無(wú)法耐受手術(shù)及不愿意參加臨床試驗(yàn)者；⑥病理性骨折、骨腫瘤；⑦發(fā)生骨筋膜室綜合征的病人。本研究經(jīng)醫(yī)院倫理委員會(huì)評(píng)審?fù)ㄟ^(guò)，所有病人同意并簽署知情同意書。

二、一般資料

選取2014年1月至2017年3月我院收治的符合納入與排除標(biāo)準(zhǔn)的29例病人進(jìn)行前瞻性研究，其中13例為車禍傷，9例為高處跌倒摔傷，7例為跌倒扭傷，均為單側(cè)閉合性脛骨平臺(tái)骨折且需要手術(shù)治療，隨機(jī)分為兩組：觀察組和對(duì)照組。觀察組15例，年齡為（33.55±8.22）歲（22～47歲）；其中男10例，女5例；均為單側(cè)骨折，Schatzker分型：Ⅳ型7例、Ⅴ型5例、Ⅵ型3例；半月板損傷5例，合并交叉韌帶損傷4例，內(nèi)外側(cè)副韌帶損傷10例。對(duì)照組14例，年齡為（30.67±7.46）歲（19～45歲）；其中男9例，女5例；均為單側(cè)骨折，Schatzker分型：Ⅳ型7例、Ⅴ型4例、Ⅵ型3例；其中半月板損傷4例，合并交叉韌帶損傷3例，內(nèi)外側(cè)副韌帶損傷9例（表1）。

術(shù)前根據(jù)骨折類型選用合適的接骨板，本研究采用的接骨板材料來(lái)自江蘇艾迪爾醫(yī)療器械公司。對(duì)兩組病人的性別、年齡、骨折分型、合并癥等術(shù)前資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P均＞0.05），具有可比性。

表1 兩組病人術(shù)前一般資料比較

三、手術(shù)方法

（一）術(shù)前準(zhǔn)備

兩組病人術(shù)前均抬高患肢、消腫、鎮(zhèn)痛處理。消腫藥物使用七葉皂苷鈉20 mg+生理鹽水500 ml，每天1次，使用7 d，根據(jù)病人腎功能情況，甘露醇250 mg靜脈滴注，每天1次，使用5～7 d；鎮(zhèn)痛藥物使用帕瑞昔布40 mg肌肉注射，每天1次，7 d左右。兩組病人均待腫脹消退、皮紋出現(xiàn)，軟組織穩(wěn)定后進(jìn)行手術(shù)。術(shù)前討論確定骨折入路、接骨板螺釘位置、是否需要植骨等。

觀察組15例行三維CT掃描，掃描間隔1 mm，并將數(shù)據(jù)以DICOM格式保存，運(yùn)用Mimics 10.01軟件（Materialise公司，比利時(shí)）進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，計(jì)算機(jī)模擬建模，設(shè)置參數(shù)，獲得3D模型，采用3D快速成形機(jī)進(jìn)行支架打印，原材料為聚乳酸，患側(cè)及健側(cè)1∶1建立模型，體外預(yù)手術(shù)模擬（圖1）。

（二）手術(shù)方案設(shè)定

結(jié)合目前脛骨平臺(tái)骨折三柱理論［5］，三維立體對(duì)脛骨平臺(tái)骨折進(jìn)行骨折診斷及分型，以Schatzker分型進(jìn)行數(shù)據(jù)錄入。根據(jù)骨折的類型、骨折線走行、關(guān)節(jié)面的塌陷程度來(lái)決定接骨板及螺釘?shù)奈恢茫?］。

（三）手術(shù)步驟

采用全身麻醉或腰硬聯(lián)合麻醉，平臥位，累及后柱或需要后路切開的病人按漂浮體位準(zhǔn)備。

觀察組按術(shù)前設(shè)計(jì)選用相對(duì)應(yīng)入路。對(duì)照組根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇入路，包括前外、后外或聯(lián)合后內(nèi)側(cè)入路。逐層分離軟組織，顯露骨折部及關(guān)節(jié)面。觀察組按照術(shù)前規(guī)劃演示的方法進(jìn)行復(fù)位，選用術(shù)前準(zhǔn)備好的接骨板及螺釘型號(hào)。對(duì)照組根據(jù)術(shù)前骨折情況，如累及脛骨平臺(tái)內(nèi)外側(cè)骨折，先復(fù)位簡(jiǎn)單一側(cè)骨折，恢復(fù)關(guān)節(jié)面的塌陷及脛骨力線，再?gòu)?fù)位固定嚴(yán)重一側(cè)，根據(jù)術(shù)中透視選擇內(nèi)固定型號(hào)。兩組關(guān)節(jié)面如塌陷明顯，均予以植骨，術(shù)中接骨板選用鎖定鋼板聯(lián)合支撐鋼板及拉力螺釘。

圖1 a：SchatzkerⅤ型骨折，術(shù)前通過(guò)3D打印建立骨折模型；b：體外模擬術(shù)中接骨板及螺釘位置、長(zhǎng)度

骨折復(fù)位固定后，再次進(jìn)行術(shù)中透視，確認(rèn)復(fù)位滿意后逐層縫合傷口，檢查膝關(guān)節(jié)活動(dòng)無(wú)異常，內(nèi)外側(cè)各留置負(fù)壓引流管1根，所有手術(shù)均由同一組醫(yī)生完成。

（四）術(shù)后處理

術(shù)后常規(guī)進(jìn)行消腫、鎮(zhèn)痛處理。復(fù)查X線片及CT，術(shù)后第2天病人疼痛緩解后指導(dǎo)病人進(jìn)行膝關(guān)節(jié)主動(dòng)屈伸及下肢伸直抬高鍛煉，術(shù)后1周左右開始膝關(guān)節(jié)持續(xù)被動(dòng)運(yùn)動(dòng)儀（continuous passive motion,CPM）輔助功能鍛煉，爭(zhēng)取術(shù)后2周使膝關(guān)節(jié)屈曲達(dá)到90°左右，術(shù)后6～8周左右逐漸開始負(fù)重鍛煉［7］。術(shù)后3、6、9、12個(gè)月門診隨診，術(shù)后12個(gè)月采用Rasmussen評(píng)分［8］評(píng)價(jià)康復(fù)情況。

四、觀察指標(biāo)

統(tǒng)計(jì)兩組病例的手術(shù)時(shí)間、術(shù)中出血量、術(shù)后X線片和CT觀察關(guān)節(jié)面塌陷情況以及術(shù)后12個(gè)月Rasmussen評(píng)分。Rasmussen評(píng)分［8］包括主觀功能評(píng)分和放射學(xué)評(píng)分，主觀功能評(píng)分包括疼痛、行走能力、關(guān)節(jié)穩(wěn)定性、伸膝關(guān)節(jié)、關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍5個(gè)亞項(xiàng)，滿分為30分，27分及以上為優(yōu)，20～26分為良，10～19為中，小于10分為差。放射學(xué)評(píng)分包括髁部是否變寬、關(guān)節(jié)面是否塌陷、是否成角畸形3個(gè)亞項(xiàng)，滿分為18分，18分為優(yōu)，12～17分為良，6～11為中，小于6分為差。比較兩組Rasmussen評(píng)分差異及其優(yōu)良率。

五、統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

運(yùn)用SPSS 15.0軟件（IBM公司，美國(guó)）進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，數(shù)據(jù)以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差（）的形式表示，兩組之間手術(shù)時(shí)間、術(shù)中出血量、術(shù)后關(guān)節(jié)面塌陷情況、Rasmussen評(píng)分的比較采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)；年齡、骨折分型、合并癥等計(jì)數(shù)資料的比較采用卡方檢驗(yàn)，P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

結(jié) 果

觀察組的手術(shù)時(shí)間、出血量均低于對(duì)照組，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（t=2.297，P=0.029；t=2.674，P=0.013）。術(shù)后病人均骨性愈合（圖2、3），兩組病人術(shù)后關(guān)節(jié)面塌陷情況比較，觀察組優(yōu)于對(duì)照組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（t=2.658，P=0.020），詳見表2。

隨訪12個(gè)月進(jìn)行Rasmussen評(píng)分統(tǒng)計(jì)（表3），結(jié)果顯示觀察組優(yōu)10例、良4例、中1例、差0例，優(yōu)良率為93.33%；對(duì)照組優(yōu)8例、良2例、中3例、差1例，優(yōu)良率為78.57%。觀察組的優(yōu)良率高于對(duì)照組。兩組主觀功能評(píng)分和放射學(xué)評(píng)價(jià)的比較，觀察組均高于對(duì)照組，差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（t=1.550，P=0.132；t=1.178，P=0.266)。

表2 兩組的一般資料（±s）

表2 兩組的一般資料（±s）

分組觀察組對(duì)照組t值P值例數(shù)15 14--手術(shù)時(shí)間（min）79.58±5.01 98.29±6.50 2.297 0.029術(shù)中出血量（ml）95.86±11.64 152.35±17.98 2.674 0.013術(shù)后關(guān)節(jié)面塌陷情況（mm）0.84±0.07 2.02±0.23 2.658 0.020

表3 兩組術(shù)后12個(gè)月的膝關(guān)節(jié)Rasmussen評(píng)分（±s，分）

表3 兩組術(shù)后12個(gè)月的膝關(guān)節(jié)Rasmussen評(píng)分（±s，分）

分組觀察組對(duì)照組t值P值例數(shù)15 14--主觀功能評(píng)分25.40±1.02 21.88±1.98 1.550 0.132放射學(xué)評(píng)分16.70±2.60 14.15±3.54 1.178 0.266

術(shù)后并發(fā)癥：29例病人中，對(duì)照組切口延遲愈合2例，未見合并腓總神經(jīng)及腘窩后方重要神經(jīng)血管的損傷。對(duì)照組1例（SchatzkerⅤ型）病人術(shù)后2周切口延遲愈合、滲液、切口裂開，予以清創(chuàng)VSD負(fù)壓吸引，對(duì)癥處理，術(shù)后2個(gè)月切口愈合良好出院；1例病人（SchatzkerⅥ型）術(shù)后3個(gè)月門診復(fù)查膝關(guān)節(jié)活動(dòng)障礙，關(guān)節(jié)僵硬，膝關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍為30°～60°，予以康復(fù)科被動(dòng)功能鍛煉及合理康復(fù)理療，術(shù)后5個(gè)月膝關(guān)節(jié)功能恢復(fù)至10°～90°。兩組術(shù)中及術(shù)后均無(wú)骨筋膜室綜合征及神經(jīng)血管損傷情況。

圖2 觀察組病人，女，36歲，車禍傷 a、b：術(shù)前左膝關(guān)節(jié)正側(cè)位X線片可見右側(cè)脛骨平臺(tái)骨折，SchatzkerⅥ型，移位明顯；c、d：CT提示內(nèi)、外、后三柱骨折，前外側(cè)及前內(nèi)側(cè)骨塊移位明顯，后內(nèi)側(cè)骨折塊向后內(nèi)方移位，關(guān)節(jié)面向內(nèi)側(cè)及后側(cè)塌陷超過(guò)5 mm，骨折向后方成角畸形；e、f：術(shù)后1周復(fù)查X線片，采用前外、后內(nèi)聯(lián)合入路，分別固定雙柱骨折，力線糾正良好，關(guān)節(jié)面塌陷糾正滿意；g、h：術(shù)后1年復(fù)查X線片，內(nèi)固定位置正常，骨折愈合良好；i、j：術(shù)后1年取出內(nèi)固定，關(guān)節(jié)面未見塌陷，力線良好；k、l：術(shù)后1年膝關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍為0°～140°，關(guān)節(jié)功能恢復(fù)良好

圖3 對(duì)照組病人，男，38歲，高處墜落傷 a、b：SchatzkerⅥ型，三柱骨折，累及內(nèi)外側(cè)柱及后柱，外側(cè)及后側(cè)平臺(tái)塌陷、移位明顯，脛骨近端骨折伴有短縮移位，后外側(cè)關(guān)節(jié)面塌陷超過(guò)2 cm；c、d：采用內(nèi)外側(cè)及后側(cè)柱固定；e、f：術(shù)后1年內(nèi)固定取出，膝關(guān)節(jié)正側(cè)位X線片提示膝關(guān)節(jié)面塌陷基本糾正，內(nèi)外側(cè)間隙及脛骨平臺(tái)寬度恢復(fù)良好，脛骨近端少量異位骨化形成；g、h：術(shù)后1年左右膝關(guān)節(jié)伸直0°，屈曲120°左右

討 論

脛骨平臺(tái)骨折手術(shù)治療的目的是糾正脛骨平臺(tái)的力線及恢復(fù)關(guān)節(jié)面的平整［9］，為術(shù)后病人的功能鍛煉提供可靠的力學(xué)基礎(chǔ)條件。傳統(tǒng)手術(shù)方案是根據(jù)術(shù)前X線片、CT及MRI在二維圖像上依據(jù)經(jīng)驗(yàn)制定手術(shù)計(jì)劃［10］，術(shù)中可能出現(xiàn)手術(shù)時(shí)間延長(zhǎng)、內(nèi)固定物匹配不理想、難復(fù)位骨折塊、植骨不滿意等情況。

通過(guò)3D打印制作1∶1實(shí)體模型，術(shù)前在模型上進(jìn)行預(yù)手術(shù)，觀察接骨板及螺釘?shù)拈L(zhǎng)度、匹配情況、是否需要植骨等，評(píng)定術(shù)中可能會(huì)出現(xiàn)的困難，進(jìn)行手術(shù)方案的設(shè)定。根據(jù)骨折分型選取手術(shù)入路及術(shù)中體位。設(shè)計(jì)需要考慮以下幾點(diǎn)［11］：①Ⅳ～Ⅵ型骨折常累及內(nèi)外側(cè)及后側(cè)脛骨平臺(tái)，手術(shù)入路尤為重要。針對(duì)觀察組的骨折分型，我們進(jìn)行了如下分類總結(jié)，脛骨外側(cè)平臺(tái)骨折采用前外側(cè)入路，如合并半月板損傷，常規(guī)顯露關(guān)節(jié)進(jìn)行一期修復(fù)；后內(nèi)側(cè)入路注意保護(hù)隱神經(jīng)，并對(duì)內(nèi)側(cè)副韌帶進(jìn)行探查修復(fù)；如累及脛骨后外側(cè)，采用后外側(cè)入路，切口沿腓骨頭稍向內(nèi)下延伸，同時(shí)注意保護(hù)腓總神經(jīng)；對(duì)于脛骨后方的塌陷骨折塊，前方入路存在無(wú)法進(jìn)行有效固定的缺點(diǎn)，可采用后外側(cè)入路，此入路于比目魚肌起點(diǎn)開始分離，沿內(nèi)向外方向進(jìn)行分離，全層牽拉保護(hù)皮下軟組織；針對(duì)后內(nèi)外側(cè)骨折，利用后外側(cè)切口可同時(shí)顯露前外和后外側(cè)骨折塊，如后外側(cè)骨折難以顯露，可以進(jìn)行腓骨頭截骨，此外改良后外側(cè)入路［12］，可以通過(guò)切開關(guān)節(jié)囊直接顯露前外及后外的骨折并進(jìn)行復(fù)位；對(duì)于復(fù)雜的后柱骨折，可以采用后內(nèi)后外側(cè)聯(lián)合入路，但此入路對(duì)神經(jīng)血管的損傷風(fēng)險(xiǎn)可能增加，對(duì)膝關(guān)節(jié)解剖熟練程度有一定要求。②術(shù)前3D打印的骨折模型如難以復(fù)位，可提前判斷接骨板是否需要術(shù)前矯形。③根據(jù)手術(shù)方案確定病人術(shù)中最佳體位（如仰臥位、平臥位、側(cè)臥位或者漂浮體位），及接骨板的最佳擺放位置。④手術(shù)入路與相鄰神經(jīng)及重要血管的分析，評(píng)估手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。⑤如合并游離難復(fù)位骨折塊，需要考慮采用接骨板還是單純螺釘固定以及接骨板及螺釘?shù)拈L(zhǎng)度，術(shù)前模擬，提前預(yù)備，以節(jié)省手術(shù)時(shí)間。⑥如關(guān)節(jié)面塌陷明顯，是否需要開窗植骨，評(píng)估植入骨量［13］。⑦結(jié)合術(shù)前MRI檢查決定術(shù)中是否需要修復(fù)半月板、內(nèi)外側(cè)副韌帶、交叉韌帶，是否需要術(shù)前準(zhǔn)備錨定等器械。⑧人性化術(shù)前談話，借助3D模型讓病人及其家屬對(duì)骨折及手術(shù)方案有深入的了解，包括手術(shù)的必要性、手術(shù)接骨板的選擇、治療總體費(fèi)用等。

下肢力線、關(guān)節(jié)面塌陷的糾正及軟組織損傷的修復(fù)情況很大程度決定了手術(shù)效果［14］，為術(shù)后早期功能鍛煉提供保證［15］。本研究29例病人中，觀察組的手術(shù)時(shí)間及出血量均低于對(duì)照組；術(shù)后膝關(guān)節(jié)塌陷糾正情況，觀察組優(yōu)于對(duì)照組，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。這與術(shù)前對(duì)骨折的充分評(píng)估和良好的手術(shù)方案設(shè)定有直接關(guān)系。術(shù)前設(shè)定合適的手術(shù)入路，選擇好接骨板，備好術(shù)中難以復(fù)位的骨折塊的策略等為膝關(guān)節(jié)塌陷的糾正起到了積極的作用。兩組病人術(shù)后12個(gè)月膝關(guān)節(jié)Rasmussen評(píng)分的差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，但觀察組的優(yōu)良例數(shù)多于對(duì)照組。關(guān)節(jié)功能的恢復(fù)情況與以下3個(gè)方面有關(guān)：①膝關(guān)節(jié)的骨折類型及有無(wú)合并韌帶半月板損傷等；②關(guān)節(jié)面及下肢力線的糾正情況；③術(shù)后的功能康復(fù)鍛煉［16］。本研究也間接說(shuō)明膝關(guān)節(jié)面塌陷的糾正情況和術(shù)后關(guān)節(jié)功能恢復(fù)有一定關(guān)系，但不是主要決定因素。

目前，骨科手術(shù)越來(lái)越重視微創(chuàng)理念，提倡對(duì)軟組織的保護(hù)、精細(xì)操作，強(qiáng)調(diào)術(shù)中準(zhǔn)確復(fù)位和術(shù)后早期功能鍛煉的重要性。3D打印技術(shù)在良好的骨折復(fù)位基礎(chǔ)上，減少手術(shù)時(shí)間及降低術(shù)中出血，避免過(guò)度剝離骨折塊損傷骨膜，減少軟組織損傷，對(duì)骨折的愈合及膝關(guān)節(jié)的功能恢復(fù)起到積極的作用［17，18］。3D打印技術(shù)在轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)及骨組織工程領(lǐng)域開展了廣泛的研究［19］，如骨折手術(shù)復(fù)位固定、骨組織支架材料的研究等方面。相信3D打印技術(shù)作為骨科研究領(lǐng)域里的一個(gè)重要技術(shù)手段，會(huì)有更好的應(yīng)用前景。