3D打印聯(lián)合計(jì)算機(jī)輔助Taylor空間外固定架治療下肢復(fù)雜畸形

宗群川，張啟福，楊建成，曹志強(qiáng)，陳貝貝，張鶴令，胡一博，王濤*

(1.青海大學(xué)附屬醫(yī)院創(chuàng)傷骨科，青海 西寧 810000；2.青海省人民醫(yī)院創(chuàng)傷骨科，青海 西寧 810000)

下肢畸形一直是外科界的難題，其中足畸形較為復(fù)雜，例如馬蹄內(nèi)翻足畸形，多表現(xiàn)為前足內(nèi)收仰趾和后足內(nèi)翻畸形，還包括腓骨肌進(jìn)行性萎縮癥所致足畸形等。目前可采用的糾正手術(shù)方法較多，包括肌腱轉(zhuǎn)移，中足楔形切除，三關(guān)節(jié)固定術(shù)，距骨切除和跟骨截骨術(shù)等[1]。但對嚴(yán)重畸形進(jìn)行的手術(shù)矯正，尤其是在成年患者中，可導(dǎo)致脛神經(jīng)麻痹和皮膚壞死等并發(fā)癥[2]。Taylor空間框架(Taylor space frame，TSF)的臨床應(yīng)用，通過六軸的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)空間的矯正，在下肢畸形治療和并發(fā)癥的預(yù)防上取得了較大的進(jìn)步。3D打印技術(shù)利用三維CT影像，通過mimics程序還原空間畸形關(guān)節(jié)，輔助進(jìn)行畸形參數(shù)測量、精確截骨及完善矯正方案，聯(lián)合TSF以達(dá)到精準(zhǔn)矯形的目的。為了進(jìn)一步明確此項(xiàng)聯(lián)合治療的臨床效果，本文對接受此項(xiàng)技術(shù)治療患者的資料進(jìn)行了相關(guān)研究，現(xiàn)報(bào)告如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料 該研究回顧性分析了2016年1月至2020年1月于我院利用3D打印技術(shù)聯(lián)合計(jì)算機(jī)輔助下Taylor空間外固定架治療的下肢畸形患者13例，男5例，女8例；年齡18～41歲，平均(31.62±8.99)歲。其中足畸形患者12例(3例雙足)，小腿畸形1例，所有患者入院后均由同一主任醫(yī)師團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)手術(shù)及相關(guān)治療。

1.2 手術(shù)要點(diǎn)

1.2.1 術(shù)前準(zhǔn)備 術(shù)前患者常規(guī)檢查行走步態(tài)、小腿及足部肌群肌力、痛點(diǎn)及活動(dòng)范圍等，進(jìn)行踝關(guān)節(jié)或下肢骨正側(cè)位片及三維CT、雙下肢立位片進(jìn)行力線測量，運(yùn)用mimics軟件對CT圖像進(jìn)行三維重建和3D打印，術(shù)前利用影像資料及3D打印模型分析畸形形態(tài)及發(fā)病原因，結(jié)合術(shù)者經(jīng)驗(yàn)，針對患者的畸形特點(diǎn)和致畸原因制定個(gè)體化治療方案及詳細(xì)且完善的具有可行性的術(shù)前計(jì)劃，同時(shí)進(jìn)行畸形參數(shù)的測量，確定截骨的位置及后期外架調(diào)節(jié)方案。術(shù)前與患者及家屬詳細(xì)交待患者治療計(jì)劃、手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)及并發(fā)癥。

1.2.2 手術(shù)要點(diǎn) 術(shù)中根據(jù)預(yù)定方案進(jìn)行脛腓骨、足外側(cè)柱、跟骨或其他部位截骨，足畸形患者根據(jù)需要選擇跟腱的延長、軟組織松解及脛后肌腱轉(zhuǎn)位等，在軟硬組織得到一定程度矯正后，進(jìn)行Taylor環(huán)形外固定架的安裝，近段環(huán)垂直骨干，足遠(yuǎn)端環(huán)可采用“U”型加半環(huán)，克氏針及半針固定后立柱連接，立柱序號(hào)固定后記錄參數(shù)。

1.2.3 術(shù)后處理 術(shù)后患者常規(guī)復(fù)查踝關(guān)節(jié)或下肢骨正側(cè)位片、雙下肢立位片，根據(jù)影像資料進(jìn)一步計(jì)算畸形參數(shù)及安裝參數(shù)。通過計(jì)算機(jī)程序輔助計(jì)算，依據(jù)患者病情設(shè)定調(diào)節(jié)時(shí)限，得出矯形立柱的調(diào)節(jié)方案來進(jìn)行緩慢矯正。當(dāng)依據(jù)X線片所得參數(shù)存在明顯誤差時(shí)，可再次通過CT資料進(jìn)行3D影像重建，空間測量相關(guān)參數(shù)和矯形模擬。同時(shí)術(shù)后要注意并發(fā)癥的預(yù)防，如釘?shù)栏腥尽⑵つw壞死等。

1.3 效果評價(jià) 術(shù)后患者在Taylor外架拆除后進(jìn)行肢體評價(jià)，主要評價(jià)結(jié)果根據(jù)Paley提出的標(biāo)準(zhǔn)，分為優(yōu)、良、一般和差[3]。評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為：(1)跖行足；(2)無疼痛或疼痛受限(活動(dòng)后VAS評分<2分)；(3)隨訪中無復(fù)發(fā)畸形；(4)患者是否滿意[4]。當(dāng)所有四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)都滿足時(shí)，效果評價(jià)為優(yōu)；當(dāng)滿足其中3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，效果評價(jià)為良；當(dāng)滿足其中2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，效果評價(jià)為一般；當(dāng)滿足達(dá)不到2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，效果評價(jià)為差。足畸形患者還通過采用美國足踝外科協(xié)會(huì)(American orthopedic foot ankle society，AOFAS)踝-后足評分系統(tǒng)及曼徹斯特-牛津足部問卷(Manchester-Oxford foot questionnaire，MOXFQ)評分量表進(jìn)行術(shù)前和術(shù)后的評價(jià)[5-6]。

2 結(jié) 果

13例患者中，小腿畸形1例，足畸形12例(患足15只)；隨訪時(shí)間46～132周，平均(79.76±32.68)周；隨訪期間4例出現(xiàn)關(guān)節(jié)僵硬，3例術(shù)后有疼痛癥狀，2例出現(xiàn)皮膚壞死及釘?shù)栏腥締栴}；術(shù)后拆除外固定架后對患者進(jìn)行Paley評價(jià)，6例次優(yōu)(37.5%)，7例次良(43.75%)，3例次一般(18.75%)，見表1。足畸形患者手術(shù)前后AOFAS評分差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)；在MOXFQ評分中，行走/站立，疼痛及社會(huì)聯(lián)系明顯改善，MOXFQ指數(shù)手術(shù)前后差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，見表2。

表1 13例患者基本信息、并發(fā)癥及Paley評價(jià)

表2 患者手術(shù)前后AOFAS及MOXFQ評價(jià)結(jié)果分)

典型病例一為39歲男性患者，創(chuàng)傷后致右小腿畸形伴皮膚壞死15年入院。入院后患者診斷為右小腿畸形、右小腿軟組織疾患。脛腓骨截骨術(shù)后采用3D打印技術(shù)聯(lián)合Taylor外固定架治療，術(shù)后療效評價(jià)為優(yōu)(見圖1～4)。

圖1 術(shù)前X線片及大體照示右小腿畸形明顯，小腿中段見皮膚潰瘍面，軟組織條件差

圖2 3D模型重建畸形脛腓骨，確定旋轉(zhuǎn)角度及截骨位置

圖3 外固定架矯正后效果圖

典型病例二為39歲女性患者，雙足內(nèi)翻畸形數(shù)10年入院。入院后患者診斷為右足腓骨肌萎縮癥、雙側(cè)足畸形。入院后患者接受了3D打印技術(shù)聯(lián)合Taylor外固定架固定，矯形術(shù)中同時(shí)進(jìn)行了右足跟骨截骨、跟腱延長、軟組織松解及脛后肌腱轉(zhuǎn)位，術(shù)后患者皮瓣壞死，后期逐步改善，療效評價(jià)為良(見圖5～8)。

3 討 論

下肢畸形包括先天性和后天性兩種類型，足畸形是下肢畸形的常見類型，致畸原因主要有先天性馬蹄內(nèi)翻足、創(chuàng)傷后內(nèi)翻畸形足、腦癱及神經(jīng)性馬蹄內(nèi)翻足等。復(fù)雜足畸形的治療是矯形外科的一大挑戰(zhàn)，通過截骨和關(guān)節(jié)固定矯正多有皮膚和切口愈合問題，矯正過度或不完全等問題[7-8]。Ilizarov環(huán)形外架的出現(xiàn)為20世紀(jì)的畸形矯正做出了重要貢獻(xiàn)，但在多平面復(fù)雜畸形矯正時(shí)多需要進(jìn)行多次調(diào)整和建立更多的鉸鏈，即使對于有經(jīng)驗(yàn)的外科醫(yī)生來說，Ilizarov框架矯正復(fù)雜畸形也是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)[9]。Taylor外架通過六柱理論三維校正，利用計(jì)算機(jī)程序計(jì)算畸形參數(shù)，更加科學(xué)、有效地矯正足部畸形[10-11]。Manner等[11]比較了155例使用TSF和Ilizarov外架的復(fù)雜畸形校正結(jié)果，發(fā)現(xiàn)用TSF治療的患者中有91%達(dá)到了矯正目標(biāo)，而用Ilizarov固定器治療的患者中只有56%達(dá)到了矯正的目的。

圖4 拆除外架后X線片及大體照示下肢力線及軟組織條件改善，下肢功能恢復(fù)可

圖5 術(shù)前X線片及大體照示右足內(nèi)翻畸形明顯，伴下肢力線改變

圖6 3D模型重建雙足，計(jì)算右足畸形參數(shù)，確定截骨位置

圖7 術(shù)后X線片及大體照示足畸形糾正良好，外觀正常

圖8 術(shù)后切口周圍及足背見皮瓣壞死，后期軟組織條件恢復(fù)

早在17世紀(jì)出現(xiàn)的數(shù)學(xué)幾何定理就為TSF奠定了數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，18世紀(jì)兩環(huán)六柱的機(jī)械裝置被運(yùn)用到了工業(yè)領(lǐng)域，直到1994年，TSF由泰勒兄弟發(fā)明并運(yùn)用到了外科手術(shù)中[12]。目前，TSF被認(rèn)定為一種有效的外科手術(shù)矯形工具，可以用計(jì)算機(jī)精度矯正任何類型的畸形[1，13]。Floerkemeier等[4]研究發(fā)現(xiàn)，TSF治療的9例復(fù)雜足畸形患者中，8例表現(xiàn)出良好的效果。同樣，Waizy等[10]報(bào)告了9例接受TSF治療的患者中，7例有良好結(jié)果。Eidelman[14]在他們的11例殘存的馬蹄內(nèi)翻足畸形患者中，接受TSF治療后，結(jié)果分為優(yōu)異(3例)，良好(6例)和較差(1例)。Hassan等[15]在9例中有8例報(bào)告了令人滿意的結(jié)果。顏景濤等[16]研究發(fā)現(xiàn)Taylor外固定架結(jié)合有限截骨術(shù)治療重度馬蹄內(nèi)翻足畸形療效滿意。盡管各項(xiàng)研究使用了不同的評價(jià)指標(biāo)使得我們無法集中比較，但良好的臨床效果無可厚非，在我們的研究中也表現(xiàn)了類似的結(jié)果：所有患者下肢畸形均被矯正，Paley評價(jià)均為優(yōu)、良或一般，術(shù)后較術(shù)前患肢功能明顯改善。

雖然TSF技術(shù)治療下肢畸形是有效的，但術(shù)前治療方案的設(shè)計(jì)、截骨部位及外架的安裝多與手術(shù)醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)相關(guān)，失敗經(jīng)驗(yàn)換來的成功率不可忽視，尤其對于復(fù)雜畸形來說常是治療最困難的部分。3D打印技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用剛好幫助解決該問題，在外科應(yīng)用中，與計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)/磁共振成像(MRI)相比，3D打印技術(shù)不僅可以生成模型，3D視覺及觸覺模型提供了更好的解剖學(xué)描述，可以針對患者作出精準(zhǔn)手術(shù)方案。既往有類似研究，Shi等[17]對比了3D打印輔助股骨遠(yuǎn)端截骨與傳統(tǒng)術(shù)式，下肢力線調(diào)整的精確率、手術(shù)時(shí)間的長度及透視的次數(shù)，3D打印組均有明顯優(yōu)勢。陳青植[18]在小腿矯形矯正治療中聯(lián)合3D打印技術(shù)也表現(xiàn)了較好的臨床效果。

此次研究中術(shù)前利用3D打印技術(shù)重建了復(fù)雜畸形的三維模型結(jié)構(gòu)，明確定位截骨位置，精準(zhǔn)計(jì)算矯正角度，模型預(yù)手術(shù)設(shè)計(jì)出實(shí)施方案。另外Taylor外固定架固定后，畸形參數(shù)和安裝系數(shù)的測量多存在較大誤差，多因術(shù)后X線或CT影像受肢體的擺放及術(shù)中安裝誤差的影響。該研究中，術(shù)后利用3D影像技術(shù)，在三維空間進(jìn)行精確測量畸形參數(shù)和安裝系數(shù)，提高外架調(diào)整方案的準(zhǔn)確性，使得復(fù)雜畸形的治療成功率也有所提高。

下肢畸形矯正并發(fā)癥的預(yù)防與患者預(yù)后密切相關(guān)，并發(fā)癥出現(xiàn)與畸形病因類型、復(fù)雜程度及術(shù)者經(jīng)驗(yàn)等相關(guān)。首先足畸形發(fā)病原因與并發(fā)癥的關(guān)系容易被忽視，如先天性或后天性馬蹄內(nèi)翻足軟組織損傷程度多有不同，如脛前肌及腓骨外側(cè)肌力的不同，固定不變的手術(shù)方式往往會(huì)導(dǎo)致后期的矯正不足或矯枉過正的外翻足現(xiàn)象；另外腓骨肌營養(yǎng)不良所致足內(nèi)翻畸形多呈進(jìn)行性發(fā)展，術(shù)后患者內(nèi)翻畸形復(fù)發(fā)率較高。其次足畸形復(fù)雜程度較高時(shí)，截骨術(shù)區(qū)及足趾遠(yuǎn)端多會(huì)有血供不佳的情況，嚴(yán)重時(shí)有皮膚壞死或足趾缺血壞死現(xiàn)象出現(xiàn)，主要?dú)w因于矯正部位術(shù)區(qū)血供的破壞，或外固定裝置對畸形骨骼及攣縮軟組織進(jìn)行過快牽拉，違背了張力-應(yīng)力原理[19]。研究報(bào)道，過快矯正復(fù)雜足畸形并發(fā)癥發(fā)生率較高，感染和傷口并發(fā)癥發(fā)生率可高達(dá)27%[20]，但軟組織多數(shù)會(huì)隨末梢循環(huán)的重建而改善，壞死皮膚也會(huì)逐漸愈合。另外脛后神經(jīng)損傷也可發(fā)生在足畸形的急性矯正術(shù)后[21]，在此研究中采用逐步矯正方式，均未出現(xiàn)神經(jīng)損傷并發(fā)癥。同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)，矯正足畸形時(shí)，踝關(guān)節(jié)僵硬發(fā)生率較高，既往也有類似報(bào)道，Dela Huerta[22]通過環(huán)形外架逐步矯正12例成年的馬蹄內(nèi)翻畸形患者，雖然所有患者均達(dá)到了矯正目的，但在最終隨訪時(shí)踝關(guān)節(jié)普遍有僵硬，平均活動(dòng)范圍為10°。并發(fā)癥的發(fā)生與醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)仍有緊密關(guān)系，3D打印技術(shù)的聯(lián)合使用立體呈現(xiàn)畸形形態(tài)，可有效彌補(bǔ)術(shù)者經(jīng)驗(yàn)不足的缺點(diǎn)，完善矯形治療方案，有效預(yù)防相關(guān)并發(fā)癥發(fā)生。

綜上所述，此次研究表明，3D打印技術(shù)聯(lián)合TSF技術(shù)有較好的臨床效果，能夠更加科學(xué)和精確的完善手術(shù)截骨及畸形矯正，但研究樣本量較小，需擴(kuò)大樣本量，通過設(shè)立對照組進(jìn)一步發(fā)掘優(yōu)化治療效果及預(yù)防并發(fā)癥的優(yōu)勢。