3D打印個性化截骨導板輔助踝關節周圍截骨治療踝關節骨關節炎的臨床研究

鄒運璇，張宏寧，沈國棟，朱永展，尹航

(佛山市中醫院足踝外科，廣東 佛山 528000)

踝關節骨關節炎是一種慢性退行性疾病，臨床特征表現為軟骨退化、骨質增生硬化、骨贅形成、關節畸形等，年齡的增長會導致踝關節骨關節炎愈發嚴重。病因主要是創傷、勞損，癥狀一般表現為關節壓痛、僵硬、腫脹、畸形等，對患者下肢功能及生活質量造成嚴重影響[1]。踝關節骨關節炎的保守治療僅適用于輕微踝關節炎患者，病情嚴重者需盡快手術治療，踝上截骨通過改變應力分布將負重軸外移，從而恢復正常力線，阻止病情進展，可以保留更多踝關節功能[2-3]。近年來，隨著信息科學與醫學的互相結合，數字醫學應運而生，3D打印手術導板在關節外科的創傷、矯形領域的臨床應用已經獲得一定成果，其可以根據患者病情指定個性化治療方案，從而提高手術的安全性和精確性[4-5]。已有報道[6]表明，3D打印技術可以改善足踝骨折患者的踝關節功能。本研究旨在探討3D打印個性化截骨導板輔助踝關節周圍截骨術治療踝關節骨關節炎的效果。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選取2018年1月至2021年1月佛山市中醫院收治的80例踝關節骨關節炎患者為研究對象，按照治療方法不同分為3D打印組和常規組，每組各40例。3D打印組中，男性23例，女性17例；年齡(55.18±7.37)歲；左踝21例，右踝19例；體質量指數(BMI)(25.97±2.34)kg/m2；Takakura分期：2期9例，3a期19例，3b期12例；病程(5.4±2.2)年。常規組中，男性25例，女性15例；年齡(55.42±7.61)歲；左踝24例，右踝16例；BMI(26.04±2.52)kg/m2；Takakura分期：2期8例，3a期19例，3b期13例；病程(5.8±2.4)年。本研究經醫院倫理委員會批準，患者及家屬知情同意，兩組患者一般資料比較，差異無統計學意義(P>0.05)。納入標準：(1)患者均診斷為踝關節骨關節炎，原發性或創傷性，經X線證實[7]；(2)年齡>18歲；(3)Takakura分期：2、3期；(4)均為內翻畸形，X線顯示脛骨遠端關節面角<84 °；(5)患者均行動受限，存在下肢疼痛及功能障礙；(6)治療方式均使用踝上內側開放截骨術。排除標準：(1)脛骨骨骺閉合不良或青少年患者；(2)合并夏科氏關節病、類風濕性關節炎；(3)存在神經肌肉功能障礙；(4)關節感染患者；(5)合并凝血功能異常及重大心腦血管疾?。?6)精神疾病；(7)麻醉藥物過敏。

1.2 方法

3D打印組采用3D打印個性化截骨導板輔助的踝上截骨術治療，具體如下：(1)術前計算機輔助設計。獲得患者影像數據：入院后，均拍攝站立位雙下肢X線片，包括正位和側位。踝關節CT掃描，踝關節三維重建及模擬手術：獲得患者踝關節掃描DICOM文件數據，導入Mimics 16.0軟件中進行定位，首先去除不需要的圖像，進行三維重建圖像分割，保留脛骨遠端三維圖像。再導入3D掃描分析軟件Geomagic studio 2013中，對網格進行處理，完成非均勻有理B樣條曲線(NURBS)曲面處理，輸出至Unigraphics NX(UG NX)9.0中進行測量。點擊region growing進行三維模型數據重建，獲得與患者患側骨骼1∶1的三維模型數據(A)，再點擊dynamic region，重建直徑稍大于患者患側骨骼的三維模型數據(B)，B-A后可獲得外殼，厚度約5 mm，點擊CMF/simulation-Cut，獲得導板數據(C)，大小約40 mm×50 mm?？紤]截骨設計，在MEDCAD模塊選擇3根圓柱體(α、β、γ)，直徑均為4.0 mm，再選取直徑為2.0 mm的3根圓柱體(α’、β’、γ’)，α-α’、β-β’、γ-γ’獲得一組同軸圓管，設置其為絕對平行狀態，添加至C，即可獲得定位導板。選擇四個板狀幾何體，移動、旋轉這些板狀幾何體，按確定的截骨線位置和方向添加到C上作為方向調整，切除C中截骨面及多余部分，作為截骨孔，附加上述一組平行圓管，即成為截骨導板。根據術前測量的脛骨成角旋轉中心(CORA)進行模擬截骨，選擇脛骨遠端部分，移動、旋轉，使得脛距關節面達到平行，測量脛骨遠端內側開放截骨張開的距離。(2)3D打印截骨導板。打印材料選擇尼龍粉末，根據三維模型結合下肢X線片確定截骨角度，從而確定截骨面，將計算機虛擬模型導出，3D打印制作模型和導板，初次查看手術截骨導板與脛骨遠端三維模型之間的匹配度，匹配不完全需再次調試后打印，匹配完全即用于手術。(3)手術方法：患者麻醉仰臥，手術視野消毒、鋪巾，準備好模型、導板、驅血帶等所需器械及藥物。選擇內側踝關節入路，自內踝尖至近端縱向切開，長10～15 cm。切開皮膚小心分離組織、筋膜直至暴露脛骨，注意保護大隱靜脈及隱神經。將術前制作的截骨導板貼服于脛骨內側皮質，4枚2.0克氏針固定，擺鋸放入導板上的截骨孔進行截骨，然后進行一次性外翻，達到模擬手術中的張開長度后橫向克氏針固定，C臂機透視確認截骨效果。透視見踝穴位置、距骨傾斜角(TT)恢復正常后，按測量所得的長度取同側髂骨進行植骨，然后行脛骨遠端解剖鋼板固定。術后常規處理，石膏固定8周，8周后負重行走。常規組采用傳統踝上截骨術治療，具體如下：(1)術前準備：術前常規雙下肢站立位正位X線片、側位X線片及踝關節負重正側位，測量TT、脛骨踝穴角(TC)、脛骨前面角(TAS)和脛骨側面角(TLS)，根據CORA角設計截骨平面及方向。(2)手術方法：步驟基本同3D打印組，不同之處為暴露脛骨后，依術者經驗按照截骨位置及方向打入1枚2.0克氏針，借助C臂機透視，確認位置恰當后，擺鋸沿克氏針方向進行截骨，然后進行逐步外翻，反復C臂機透視確認脛距關節面情況。兩組患者均進行術后隨訪，隨訪時間≥1年。

1.3 觀察指標

(1)圍術期指標：包括手術時間、手術出血量、透視次數、術后止痛藥使用次數；(2)踝關節影像學指標：術前及末次隨訪時在標準踝關節正側位X線片上評價患者距骨傾斜角(TT)、脛骨踝穴角(TC)、脛骨前面角(TAS)及脛骨側面角(TLS)；(3)踝關節功能：采用美國足踝外科協會踝-后足評分系統(AOFAS)和踝關節骨性關節炎評價系統(AOS)評價。AOFAS包括疼痛、動能、足部對線，總分100分，優：90～100分，良：75～89分；一般：50～74分；差：<50分。AOS包括疼痛和活動受限兩項，每項計1分，分值越高程度越重；(4)術后并發癥發生情況：包括切口延遲愈合、淺層感染、行走受限、輕度內翻畸形等。

1.4 統計學分析

2 結果

2.1 兩組患者圍術期指標比較

3D打印組手術時間、手術出血量、透視次數、術后止痛藥使用次數均少于常規組，差異有統計學意義(P<0.05)。見表1。

表1 兩組患者圍術期指標比較

2.2 兩組患者踝關節影像學指標比較

末次隨訪時，兩組患者TT均較術前減小(P<0.05)；TC、TAS、TLS均較術前增大(P<0.05)，但組間差異無統計學意義(P>0.05)。見表2。

表2 兩組患者踝關節影像學指標比較

2.3 兩組患者踝關節功能比較

末次隨訪時，兩組患者AOFAS評分均較術前上升(P<0.05)，AOS疼痛評分、AOS功能評分均較術前降低(P<0.05)；但組間差異無統計學意義(P>0.05)。見表3。

表3 兩組患者踝關節功能指標比較分)

2.4 兩組患者術后并發癥發生情況比較

3D打印組患者術后并發癥總發生率低于常規組，差異有統計學意義(χ2=4.812，P=0.028)。見表4。

表4 兩組患者術后并發癥發生情況比較[n(%)]

3 討論

踝關節骨關節炎具有進展性，患者因勞損、創傷等導致關節力線不正，行走時患足因負重疼痛借助健足起步，起步時負重不均導致下肢出現畸形[8]。截骨術可以通過調整距骨和脛骨的空間關系來糾正力線，矯正效果較理想[9]，但既往踝關節周圍截骨術極大地依賴于術者的經驗，需要在術中多次透視才能確認截骨效果，手術難以達成標準化，還對醫護人員造成了較大的放射劑量。近年來，三維重建技術使患者可以獲得個性化治療方案，從科學角度上提高治療效果[10]?；谝酝鶊蟮溃狙芯繉?D打印個性化截骨導板應用于踝關節周圍截骨，以期達到手術標準化，簡化手術操作，減少放射及更精準的恢復踝關節正常關系，得到更好的臨床效果。

多項研究[11-12]表明，手術導板應用于骨科手術具有較好的輔助效果，對臨床減少手術時間、出血量等效果顯著，3D打印個性化截骨導板應用于踝關節目前還處于發展階段，需要研究證實。本研究結果顯示，3D打印組手術時間、手術出血量、透視次數、術后止痛藥使用次數均少于常規組(P<0.05)，表明3D打印個性化截骨導板輔助踝關節周圍截骨術可以縮短踝關節骨關節炎患者手術時間，減少手術出血量、透視次數和術后止痛藥使用次數，不僅使患者創傷更小，還降低了醫護人員的放射劑量。鮮文峰等[13]運用3D打印模擬截骨輔助治療脊柱后凸畸形，與常規經椎弓根椎體截骨術相比，手術時間、術中出血量均降低，證實了3D打印輔助手術治療對患者圍術期指標有改善作用。術前通過計算機輔助設計重建踝關節骨骼三維模型，有助于直觀地看到截骨段與踝關節的解剖關系，術前即可確定螺釘的置入位置、方向、深度，制定個性化截骨方案。應用3D打印技術可以在該基礎上模擬體外截骨，在模擬結果基礎上有助于縮短術中探尋螺釘置入位置的時間和透視次數，在正式手術時避免非必要的術野暴露和出血，從而減少術后止痛藥的使用。本研究結果顯示，兩組患者在末次隨訪時TT均較術前減小(P<0.05)，TC、TAS、TLS均較術前增大(P<0.05)，AOFAS評分均較術前上升(P<0.05)，AOS疼痛評分、AOS功能評分均較術前降低(P<0.05)，與施忠民等[14]研究結果相似。踝關節周圍截骨術對踝關節的治療效果明顯，矯正了距骨傾斜，使TT、TC、TAS、TLS趨于正常角度。研究中3D打印個性化截骨導板輔助與常規截骨手術并無明顯差別，兩組患者治療效果一致，推測可能是因為樣本量較小所致，還有可能是末次隨訪時間差異導致。截骨導板原料為尼龍粉末，具有高硬度及剛度，在高溫高壓滅菌環境下不會變形、斷裂，充分滿足手術要求，3D打印截骨導板能夠使醫生更為充分了解患者踝關節畸形情況，幫助截骨手術順利進行。

3D打印組術后并發癥低于常規組(P<0.05)，通過計算機輔助設計與3D打印個性化截骨導板模擬術前最優方案可以幫助減少手術過程中對踝關節毗鄰血管和神經的損傷，從而降低術后并發癥。

綜上所述，3D打印個性化截骨導板輔助與常規踝關節周圍截骨術均能矯正患者內翻畸形，療效無統計學差異，但計算機輔助設計與3D打印個性化截骨導板輔助在縮減手術時間，減少術中出血量、透視次數、術后止痛藥使用次數上具有明顯優勢。