3D打印技術(shù)輔助治療脛骨平臺骨折

黃道強(qiáng)，馮偉力，陳路遙，黃 儉，韋展圖，胡世鏘，吳瑋偉，王小平

脛骨平臺骨折Schatzker分型中的Ⅴ、Ⅵ型或者AO/OTA分型中的C型在臨床上被定義為嚴(yán)重脛骨平臺骨折[1-2]。該類型骨折復(fù)位要求高、手術(shù)難度大，X線和CT影像不能全方位、直觀地了解骨折情況，臨床醫(yī)師無法很好地根據(jù)影像資料模擬手術(shù)操作，難以預(yù)期術(shù)中可能出現(xiàn)的情況[3-4]。近年來，利用3D打印骨折模型制定手術(shù)方案并輔助治療脛骨平臺骨折在臨床取得良好效果[5-6]，但是由于骨折復(fù)位偏差及軟組織遮擋，術(shù)中常不能準(zhǔn)確定位術(shù)前規(guī)劃中鋼板和螺釘?shù)奈恢?，使得?shí)際手術(shù)情況與術(shù)前規(guī)劃有偏差。本研究回顧性分析2016年1月～2018年10月南方醫(yī)科大學(xué)附屬小欖人民醫(yī)院收治的17例脛骨平臺骨折患者資料，術(shù)前采用3D打印技術(shù)制作骨折實(shí)體模型，制定個性化的手術(shù)方案，同時(shí)設(shè)計(jì)手術(shù)導(dǎo)板，進(jìn)一步提高手術(shù)準(zhǔn)確性，療效滿意，報(bào)道如下。

1 材料與方法

1.1 病例資料納入標(biāo)準(zhǔn)：① 脛骨平臺骨折Schatzker分型Ⅴ、Ⅵ型；② 年齡18～60歲，骨骼發(fā)育成熟；③ 術(shù)前患肢無畸形及活動功能障礙。排除標(biāo)準(zhǔn)：① 合并嚴(yán)重心、肝、腎功能不全；② 合并同側(cè)下肢神經(jīng)血管損傷。本研究納入17例，男10例，女7例，年齡18～58歲。致傷原因：車禍傷11例，高處墜落傷4例，重物壓傷2例。Schatzker分型：Ⅴ型5例，Ⅵ型12例。三柱分型：內(nèi)外側(cè)柱3例，內(nèi)外側(cè)柱+后內(nèi)側(cè)柱5例，內(nèi)外側(cè)柱+后外側(cè)柱9例。合并傷：前、后交叉韌帶止點(diǎn)撕脫性骨折4例，半月板損傷7例?；颊呷朐汉缶兄Ь呋蚋菭恳潭ㄖ苿樱Ц呋贾⑹褂帽浞鬁p少滲出、促進(jìn)消腫，待患肢軟組織改善、皮膚皺褶征出現(xiàn)后行手術(shù)治療。受傷至手術(shù)時(shí)間4～18 d。本研究已獲醫(yī)院倫理委員會批準(zhǔn)，患者及家屬均簽署知情同意書。手術(shù)均由同一組骨科醫(yī)師完成。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及影像學(xué)數(shù)據(jù)采集① 16排螺旋CT機(jī)器(GE公司)，Windows 10旗艦版64位操作系統(tǒng)，英特爾i5-8400 六核處理器2.80 GHz，英偉達(dá)GTX 1050 2 G顯卡，金士頓8 GB內(nèi)存，CR-X 3D打印機(jī)(創(chuàng)想三維有限公司)，三維醫(yī)學(xué)圖像重建軟件Mimics 20.0(Materialise公司)，正向工程軟件3-matic 12.0(Materialise公司)，創(chuàng)想三維切片軟件(創(chuàng)想三維有限公司)。② 患者術(shù)前均行膝關(guān)節(jié)X線及CT檢查。根據(jù)選定興趣區(qū)域進(jìn)行CT薄層掃描，掃描基本參數(shù)：電壓 120 kV，電流220 mA，掃描間距1.25 mm。獲取的膝關(guān)節(jié)薄層CT影像學(xué)圖像數(shù)據(jù)以DICOM格式上傳至PACS系統(tǒng)圖像工作站或刻盤保存。

1.3 三維模型重建、打印CT圖像數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics 20.0軟件進(jìn)行圖像分割，重建骨折模型，然后進(jìn)一步分割骨折塊并指定不同的顏色顯示，建立細(xì)化的骨折三維模型。利用Mimics軟件中的Simulation手術(shù)模塊以對側(cè)脛骨平臺作為參照，通過平移和旋轉(zhuǎn)工具模擬術(shù)中復(fù)位骨折塊操作。將復(fù)位后的三維模型導(dǎo)入3-matic 12.0軟件中，規(guī)劃鋼板和螺釘位置，并以此設(shè)計(jì)手術(shù)導(dǎo)板。骨折復(fù)位前后和手術(shù)導(dǎo)板模型均以.stl格式分別導(dǎo)出，再導(dǎo)入創(chuàng)想三維切片軟件進(jìn)行切片處理，最后將模型輸入3D打印機(jī)，打印出1∶1的實(shí)體三維模型。

1.4 術(shù)前模擬結(jié)合膝關(guān)節(jié)X線片和重建的三維模型分別對每例脛骨平臺骨折同時(shí)進(jìn)行Schatzker分型及三柱分型，制定患者體位、手術(shù)入路、骨折復(fù)位順序、克氏針臨時(shí)置入的位置與方向以及選擇鋼板并進(jìn)行預(yù)彎。參照預(yù)定的手術(shù)方案，結(jié)合手術(shù)導(dǎo)板，在復(fù)位后的三維模型中模擬實(shí)際手術(shù)過程，最后測量置入螺釘?shù)拈L度。

1.5 手術(shù)方法腰硬聯(lián)合麻醉。雙柱骨折患者采用仰臥位，三柱骨折患者采用漂浮位或俯臥位+仰臥位?；贾现寡獛?。雙柱骨折患者取膝關(guān)節(jié)前外側(cè)+后內(nèi)側(cè)入路，三柱骨折患者采用前外側(cè)+后內(nèi)側(cè)或前外側(cè)+倒L形入路。切開并顯露骨折端，利用3D打印模型輔助復(fù)位脛骨平臺骨折，放置3D打印導(dǎo)板并鉆孔定位，取出導(dǎo)板后將鎖定鋼板放置于合適位置(雙柱骨折患者置于前外側(cè)+內(nèi)側(cè)，三柱骨折患者置于前外側(cè)+內(nèi)側(cè)+后外側(cè))，鉆孔后擰入螺釘固定?？p合切口，敷料加壓包扎。合并前、后交叉韌帶止點(diǎn)撕脫性骨折者術(shù)中進(jìn)行韌帶止點(diǎn)重建；合并半月板損傷者術(shù)中進(jìn)行半月板的修復(fù)或者部分切除。

1.6 術(shù)后處理冷敷并抬高患肢減輕腫脹。預(yù)防性靜脈滴注抗生素2～3 d，患肢腫脹明顯、出現(xiàn)張力性水皰、切口滲液較多、傷口愈合情況較差者可適當(dāng)延長抗生素使用時(shí)間。術(shù)后第2天開始踝泵功能鍛煉，第3天開始股四頭肌等張收縮練習(xí)，第5天在支具保護(hù)下行膝關(guān)節(jié)主動屈、伸功能鍛煉。

1.7 觀察指標(biāo)及療效評價(jià)① 術(shù)后行患肢膝關(guān)節(jié)X線、CT及MRI檢查，采用Rasmussen脛骨髁部骨折復(fù)位解剖學(xué)評分標(biāo)準(zhǔn)評價(jià)骨折復(fù)位質(zhì)量。② 術(shù)后定期攝膝關(guān)節(jié)X線片復(fù)查，記錄骨折愈合情況。③ 術(shù)后12個月根據(jù)HSS評分標(biāo)準(zhǔn)評價(jià)膝關(guān)節(jié)功能。④ 記錄末次隨訪時(shí)膝關(guān)節(jié)活動度。

2 結(jié)果

手術(shù)入路、鋼板位置及螺釘長度均與術(shù)前規(guī)劃一致?；颊呔@得隨訪，時(shí)間12～18個月。手術(shù)時(shí)間85～120(99.12±9.56)min，術(shù)中出血量200～500(314.71±96.44)ml。術(shù)后根據(jù)Rasmussen脛骨髁部骨折復(fù)位解剖學(xué)評分標(biāo)準(zhǔn)評價(jià)骨折復(fù)位質(zhì)量：優(yōu)10例，良6例，可1例，優(yōu)良率16/17。患者均獲得骨性愈合，時(shí)間12～16周。術(shù)后12個月根據(jù)HSS評分標(biāo)準(zhǔn)評價(jià)膝關(guān)節(jié)功能：總分54～88分，其中優(yōu)4例，良6例，中5例，差2例，優(yōu)良率10/17。末次隨訪時(shí)膝關(guān)節(jié)屈曲活動度為105°～135°(118.2°±9.2°)。

典型病例見圖1、2。

圖1 患者，女，41歲，左脛骨平臺骨折(Schatzker分型為Ⅵ型，三柱分型為內(nèi)外側(cè)柱)，采用3D打印輔助鋼板內(nèi)固定治療 A.術(shù)前X線片，顯示左脛骨內(nèi)外側(cè)平臺骨折；B.術(shù)前模擬與導(dǎo)板設(shè)計(jì)；C.術(shù)后X線片，顯示關(guān)節(jié)面復(fù)位良好，鋼板位置可；D.術(shù)后1個月X線片，顯示骨折端復(fù)位保持良好，鋼板位置可；E.術(shù)后2個月X線片，顯示骨折端復(fù)位保持良好，鋼板位置可；F.術(shù)后3個月X線片，顯示骨折基本愈合，鋼板位置可；G.術(shù)后4個月X線片，顯示骨折已愈合，鋼板位置可；H.術(shù)后5個月X線片，顯示骨折已愈合，鋼板位置良好；I.術(shù)后6個月X線片，顯示骨折已愈合，鋼板位置良好；J.術(shù)后12個月X線片，顯示骨折已愈合，鋼板位置良好；K.術(shù)后18個月X線片，顯示骨折已愈合，鋼板位置良好

3 討論

Schatzker Ⅴ、Ⅵ型脛骨平臺骨折通常為高能量損傷所致，脛骨關(guān)節(jié)面塌陷、骨折塊粉碎及膝關(guān)節(jié)周圍軟組織損傷是該類型骨折的主要特點(diǎn)[1]。手術(shù)治療應(yīng)盡可能恢復(fù)關(guān)節(jié)面平整，實(shí)現(xiàn)解剖復(fù)位，同時(shí)使用可靠的內(nèi)固定裝置允許患者早期功能鍛煉，避免膝關(guān)節(jié)僵硬，減少創(chuàng)傷性骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生，因此切開復(fù)位內(nèi)固定是目前脛骨平臺骨折的主要治療方式。但是，由于骨折類型及膝關(guān)節(jié)周圍解剖的復(fù)雜性導(dǎo)致手術(shù)難度較大，是目前骨科醫(yī)師面臨的一大難題。因此，對骨折類型的全面認(rèn)識、充分的術(shù)前規(guī)劃及精準(zhǔn)的手術(shù)操作顯得非常重要。

骨科醫(yī)師術(shù)前通過重建3D打印骨折模型，在模型中反復(fù)模擬手術(shù)操作，制定出詳細(xì)的手術(shù)方案，可以提高實(shí)際手術(shù)的熟練度及準(zhǔn)確性[7]。但是由于術(shù)中缺乏精確的定位，鋼板和螺釘?shù)姆胖孟鄬τ谛g(shù)前規(guī)劃的方案容易產(chǎn)生偏差，影響手術(shù)結(jié)果，而3D打印的手術(shù)導(dǎo)板是提高手術(shù)準(zhǔn)確度的重要保證。王燎 等[8]在1例脛骨高位截骨中設(shè)計(jì)并使用個性化導(dǎo)板，提高了截骨部位及下肢力線糾正的準(zhǔn)確性。姜良海 等[9]通過對比3D打印導(dǎo)板與傳統(tǒng)徒手的脊柱置釘發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用導(dǎo)板輔助置釘更加準(zhǔn)確，而且與計(jì)算機(jī)導(dǎo)航技術(shù)相比，3D打印導(dǎo)板輔助更為簡單、便宜。本研究采用3D打印模型和手術(shù)導(dǎo)板輔助術(shù)中骨折復(fù)位和鋼板、螺釘?shù)闹萌耄Y(jié)果顯示手術(shù)入路、鋼板位置及螺釘長度與術(shù)前規(guī)劃一致，術(shù)后骨折復(fù)位優(yōu)良率16/17，患者功能恢復(fù)較好。

圖2 患者，女，30歲，左脛骨平臺骨折(Schatzker分型為Ⅵ型，三柱分型為內(nèi)外側(cè)柱)，采用3D打印輔助鋼板內(nèi)固定治療 A.術(shù)前X線片，顯示左脛骨內(nèi)外側(cè)平臺骨折；B.術(shù)前模擬與導(dǎo)板設(shè)計(jì)；C.術(shù)后X線片，顯示關(guān)節(jié)面復(fù)位良好，鋼板位置可；D.術(shù)后1個月X線片，顯示骨折端復(fù)位保持良好，鋼板位置可；E.術(shù)后2個月X線片，顯示骨折端復(fù)位保持良好，鋼板位置可；F.術(shù)后3個月X線片，顯示骨折基本愈合，鋼板位置可；G.術(shù)后4個月X線片，顯示骨折已愈合，鋼板位置可；H.術(shù)后5個月X線片，顯示骨折已愈合，鋼板位置良好；I.術(shù)后6個月X線片，顯示骨折已愈合，鋼板位置良好；J.術(shù)后12個月X線片，顯示骨折已愈合，鋼板位置良好；K.術(shù)后18個月X線片，顯示骨折已愈合，鋼板位置良好

綜上所述，術(shù)前重建3D打印骨折模型有助于為脛骨平臺骨折患者制定個性化手術(shù)方案，同時(shí)結(jié)合手術(shù)導(dǎo)板，可進(jìn)一步提高手術(shù)準(zhǔn)確度，獲得較好的手術(shù)療效。本研究的局限性：① 缺乏傳統(tǒng)術(shù)前規(guī)劃下的手術(shù)資料作為對照，且病例數(shù)較少。② 因3D打印模型沒有軟組織附著，故需要有經(jīng)驗(yàn)的骨科醫(yī)師結(jié)合臨床實(shí)際情況去模擬手術(shù)操作，制定更為精準(zhǔn)的手術(shù)方案，而且還要準(zhǔn)備多套手術(shù)應(yīng)急措施，以解決術(shù)前規(guī)劃與實(shí)際術(shù)中可能存在的差異。