3D打印導板結合數字化技術治療復雜距骨骨折

胡翰生，顏連啟，陶玉平，陳鵬濤，周岳來，王驊，方永超，盧志華

(江蘇省蘇北人民醫院骨科，江蘇 揚州 225000)

距骨骨折臨床少見，僅占全身骨折的1%，足部骨折的3%～6%[1]，而復雜的距骨更少見，但是其并發癥發生率高、且嚴重影響踝關節功能[2-3]。這是由于距骨形態不規則，且被脛腓骨、跟骨、舟骨包繞，顯露困難，復位、固定難度更大，且多數醫生診治距骨骨折經驗不多，僅依靠X線片和普通CT三維重建難以迅速明確手術入路和復位固定方式的選擇，導致術中易出現剝離過多、血運破壞甚至螺釘誤入關節。我們通過3D打印導板結合數字化模擬踝關節截骨入路、復位、內固定手術，指導術中入路選擇、骨折復位、螺釘的精準安放，探索3D打印導板結合數字化技術輔助距骨骨折手術治療中的途徑和方法。

1 資料與方法

1.1 距骨骨折的三維建模與模擬復位 選取2013年1月至2017年6月收治的復雜距骨骨折病例15例，男13例，女2例；年齡16～57歲，平均年齡36.8歲。15例患者均為距骨頸部骨折，其中Hawkin’s Ⅱ型11例，Ⅲ型4例。高處墜落傷8例，車禍外傷6例，運動損傷1例。合并內踝骨折1例。

1.2 方法 使用64螺旋CT對所有病例進行距骨薄層掃描，掃描數據以DICOM格式導入至交互式醫學影像處理軟件Mimics 10.1系統中。經過閾值分割、區域增長等操作，分別構建包括內踝、外踝、跟骨以及距骨各骨折塊的三維模型。通過對去除內踝、外踝、跟骨觀察距骨骨折塊的分布、移位情況，分析骨折塊對位關系并利用三維旋轉、平移的功能對骨折塊進行模擬復位，利用二維和三維圖像檢測復位結果。

按照不同螺釘的直徑，在solidwork軟件內建立不同長度的螺釘模型，螺釘模型長度與術中一致按2 mm遞增。在復位后的距骨骨折三維模型上，用Mimics三維測量功能測量擬安放螺釘的長度、最佳角度、進釘點，以STL格式導入Mimics軟件中進行模擬內固定，并模擬內踝、外踝截骨，觀察不同的截骨方案對顯露、復位骨折端和內固定的幫助，據此設計最佳手術入路。根據最佳手術入路處距骨表面形態設計螺釘最佳進釘點導板，導出導板的STL文件，用3D打印機打印出3D導板，消毒后備用。術中根據術前設計入路顯露、復位骨折，按預定距骨骨性解剖標志安放3D導板，鉆孔、放置螺釘，按術前設計的安全角度植入對應長度的螺釘。

1.3 術后評價 按預定方案完成手術后復查X線片，觀察骨折復位情況，并與術前設計的螺釘位置進行比較，以評價數字模擬手術和3D打印導板的準確性。骨折愈合后按美國足踝外科協會(American orthopaedic foot and ankle society，AOFAS)踝-后足評分標準評定。

2 結果

15例患者根據數字化模擬手術結果，6例采用經內踝截骨入路；4例采用內外側雙切口；3例采用內側單一切口；2例采用內側小切口撬撥復位，后方切口植入空心釘。患者均在術中成功應用3D打印導板置入螺釘，術后1周內復查X線片，解剖復位10例，復位良好3例，復位可2例，螺釘長度、角度與術前計劃一致性良好，無螺釘誤入關節。所有患者均獲得隨訪，隨訪時間8～36個月，平均16.5個月。踝關節功能按AOFAS踝-后足評分標準評價，優9例，良4例，可2例。隨訪期內患者骨折均愈合，未觀察到患者發生距骨壞死、塌陷、骨不愈合、嚴重創傷性關節炎、皮膚軟組織壞死、骨髓炎等并發癥。

典型病例為一19歲男性患者，高處墜落至距骨頸部粉碎性骨折。術前CT顯示為Hawkin’s Ⅲ型。術前在Mimics交互式手術模擬模塊中模擬骨折復位，設計固定骨折的螺釘導板，并輸出至3D打印機打印成3D導板。手術中根據3D導板置入克氏針導針，術后復查X線片顯示骨折復位良好，螺釘位置滿意。手術前后影像學資料見圖1～3。

圖1 術前CT示Hawkin’s Ⅲ型距骨粉碎性骨折

圖2 術前數字化模擬手術圖及3D打印導板大體照

圖3 術后X線片示骨折復位、固定良好

3 討論

距骨連接下肢與足，在足踝活動和力學傳遞中具有重要功能。其形狀不規則，韌帶附著、毗鄰關節眾多，解剖較足部其他骨更復雜。且距骨60%～70%的區域為關節軟骨所覆蓋，骨折幾乎均會累及承重關節面，復位要求高。但因其血液供應集中于距骨頸部，不允許廣泛的剝離，因此術中顯露范圍受限。是否需要通過截骨來擴大手術顯露？如何在有限的顯露窗口內判斷骨折塊的旋轉、移位方向和復位、固定方法，需豐富的臨床經驗和空間想象力。而由于復雜距骨骨折發生率相對較少，不同類型的骨折的致傷機制、復位、固定方法有各自個性化特點，所以對于復雜的距骨骨折而言，解剖復位難度大，學習曲線較長。如何合理選擇內、外踝截骨線的位置，也基本根據術者個人或參考其他醫師的經驗，缺乏患者個體化的客觀依據。另外由于距骨形態不規則，復位固定時如螺釘長度、角度選擇不當，發生螺釘誤入踝關節更會導致災難性后果。Stone等[2]統計了1 527例接受手術治療的距骨骨折患者的隨訪資料，發現其總體并發癥率達到19.5%；而Buckwalter等[3]則發現在復雜的距骨骨折患者中，術后距骨壞死或創傷性關節炎的發生率竟然高達41%。數字化技術能通過模擬手術直觀的比較不同截骨方式對骨折塊顯露的范圍，確定螺釘植入的最佳位置和長度，而3D打印導板技術能使術前模擬手術的結果，轉化為在真實手術中可以實施術前計劃的工具，并已在脊柱骨折、關節置換等手術中證實了其有效性[4-5]。因此，已有少數學者開始探索數字化技術在距骨骨折治療中的臨床應用方法[6-8]。

我們通過3D打印導板結合數字化技術輔助手術治療復雜距骨骨折的臨床實踐，證明了此技術路線的可行性和有效性，并體會到應用此技術與傳統手術相比具有以下優勢：a)通過術前數字化技術分析骨折塊分布和移位的特點，比較不同截骨方案的顯露范圍、復位方法和內固定計劃，可以有效縮短手術時間，明確是否需要截骨和如何截骨，合理剝離需顯露部分的軟組織，減少手術創傷，從而降低距骨壞死的發生率。b)通過模擬手術術前即可比較不同的克氏針入釘點對復位、固定的影響，選擇最有利的撬撥復位位置，從而提高術中復位效率。c)模擬不同長度、角度的螺釘植入，并通過mimic軟件的透視功能觀察螺釘與距骨各骨塊、關節面的位置關系，從而確定骨折固定牢靠且安全的進釘角度和長度，再據此設計、打印個性化3D導板。術中按個性化3D導板植入螺釘，可顯著縮短選擇進釘角度和長度的時間，提高精確度，減少螺釘未有效固定骨折塊和進入踝關節風險，降低手術失敗和醫源性踝關節損害的可能性。d)減少術中透視的時間和傷害，由于術中復位骨折后直接按個性化3D導板植入螺釘，熟練后基本可以一次成功，避免了術中反復透視調整螺釘導針，節約時間的同時，減少了醫患雙方的射線損傷和患者術中失血。e)有利于總結經驗，學術交流，比較術中復位、內固定實際放置位置與術前計劃的差別，總結制作、應用3D打印導板的技巧，均可在術后重現手術計劃到實施過程，有利于學術交流。

本研究探索并證明了3D打印導板結合數字化技術治療復雜距骨骨折的可行性和實用價值，但由于復雜距骨骨折臨床發病率相對較低，本組研究病例數較少，受此局限，此技術的安全性仍需進一步研究加以證實。另外，3D打印導板必須緊貼骨性解剖標記，所以置入軟組織下方時仍需剝離進釘點的部分軟組織，制作導板對打印機精度和打印材料的要求較高，所以此技術的具體應用方式、優缺點也需要繼續深入探索。