3D打印個體化模型輔助治療復雜踝關節骨折的效果分析*

紀振中，張 奕，李 焱，艾 卓

(武漢市普仁醫院骨科 430000)

復雜踝關節骨折是一種臨床高發關節內創傷，多因軸向暴力或直接暴力所致，以后踝、內外踝骨折為主[1]。因踝關節損傷類型多樣，治療難度高，如未及時復位或復位效果不佳，將影響踝關節功能，導致疼痛、跛行等問題，嚴重降低患者生存質量[2]。目前復位固定術是臨床治療復雜踝關節骨折的常用方式，可有效復位、固定骨折，但整體效果仍有較大提升空間[3]。3D打印是一種以粉末狀黏合材料累加原理為基礎的增材制造技術，常應用于工業零部件及機械制造[4]。近年來，3D打印技術在醫療行業的應用范圍逐漸拓寬，在骨科治療中的優勢也凸顯出來，可為每例患者建立個體化模型，設計最佳手術方案，提升手術準確性及安全性[5]。本研究通過回顧性分析2017年6月至2019年6月本院收治的65例復雜踝關節骨折患者的臨床資料，分析復雜踝關節骨折應用3D打印個體化模型聯合微創復位固定術的效果。現報道如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料

回顧性分析2017年6月至2019年6月本院收治的65例復雜踝關節骨折患者的臨床資料，納入標準：(1)符合《骨與關節損傷》中踝關節骨折診斷標準[6]，經CT、X線片等影像學檢查確診；(2)踝部外傷史明確；(3)踝部表現為明顯壓痛、腫脹、踝關節功能障礙，踝關節間隙變化，骨皮質不連續，發生明顯移位；(4)均知曉研究內容并自愿參與。排除標準：(1)踝關節骨折前伴有關節炎、關節功能障礙者；(2)伴有神經或大血管損傷者；(3)韌帶、肌腱斷裂需修補者；(4)因處理感染、復雜合并傷、開放性損傷等因素導致骨折至手術時間大于14 d者；(5)長期使用糖皮質激素患者；(6)合并腎功能不全、心臟疾病、凝血功能異常等基礎性疾病者；(7)精神障礙者。根據治療方式的不同分為對照組和觀察組。對照組(n=29)：其中，男17例，女12例，年齡20～67歲，平均(44.97±6.52)歲；受傷至手術時間2 h～14 d，平均(6.21±0.75)d；Gustilo分型Ⅰ型9例，Ⅱ型15例，ⅢA型5例；合并韌帶損傷24例，合并距骨軟骨損傷12例；交通傷8例，扭傷14例，高處跌落傷7例。觀察組(n=36)：其中，男21例，女15例，年齡19～65歲，平均(45.02±6.53)歲；受傷至手術時間4 h～12 d，平均(6.02±0.81)d；Gustilo分型Ⅰ型11例，Ⅱ型17例，ⅢA型8例；合并韌帶損傷27例，合并距骨軟骨損傷15例；交通傷10例，扭傷16例，高處跌落傷10例。兩組患者性別、年齡、受傷至手術時間、Gustilo分型、致傷原因等基線資料比較，差異均無統計學意義(P>0.05)。該研究經本院倫理委員會批準通過，患者及家屬對本研究內容知情同意。

1.2 方法

1.2.1對照組治療方法

對照組行微創復位固定術治療。(1)外踝骨折經皮微創鋼板內固定術治療：C型臂X射線機透視下行手法復位，復位后巾鉗夾持固定。外踝尖行2 cm切口，深筋膜下鈍性分離，以骨膜剝離器在深筋膜與骨膜間向上推移，開通軟組織通道，將干骺端鎖定鋼板或重建鋼板直接推入切口到達骨折近端，將鋼板近端以帶鎖導向器固定，C型臂X射線機下認定骨折端對線、鋼板位置滿意后，骨折兩端各以2枚螺釘固定。(2)內踝骨折經皮微創空心釘內固定術治療：C型臂X射線機透視下行手法復位，復位后巾鉗夾持固定。根據骨折位置從內踝后丘或前丘以30°～45°進針，置入2枚導針，穿過并垂直于骨折面中心，順導針置入2枚空心釘，C型臂X射線機下認定復位、固定滿意。(3)后踝骨折經皮微創空心釘內固定術治療：C型臂X射線機透視下從后向前垂直置入2枚空心釘導針，遠端1枚盡可能向軟骨下骨靠近。(4)下脛腓聯合經皮微創空心釘內固定術治療：針對旋前-外旋、旋后-外旋、旋前-外展型骨折，采用足外旋試驗或Hock試驗證實存在下脛腓聯合分離的患者，在踝關節上方2.5 cm左右位置，經鋼板后緣或鋼板孔向前方25°鉆孔，穿過3層皮質置入松質骨螺釘。如為高位腓骨骨折，向遠端牽引外踝，經皮置入1枚螺釘，在上方2.0 cm左右位置置入第2枚螺釘以固定外踝。

1.2.2觀察組治療方法

觀察組行3D打印個體化模型聯合微創復位固定術治療。(1)術前建立3D打印個體化模型：行踝部64排薄層CT掃描及三維重建，以腳掌正中線為Z軸，記錄左、右、上、下共4幅圖像，明確近側跖骨間關節、踝關節、前方跗骨間關節之間的關系與距離，獲取準確影像學數據，精確化處理后保存為DICOM格式，輸入計算機，導入Mimics軟件，處理后導入3D打印機(購自深圳市金石三維打印科技有限公司)，按照1∶1的比例打印出骨折模型及復位后骨折模型，將影像學資料與3D模型作為依據進行手術方案的設計，評估骨折移位方向、復位后骨折位置，確定手術入路與內固定方式。在模型上行模擬手術步驟，預彎鋼板，確定固定位置、螺釘位置、數量、方向。(2)手術時根據3D打印模型復位：常規消毒鋪巾后采用手法復位，必要時使用復位鉗輔助復位；針對骨塊較大且明顯移位的患者，先采用3D打印模型模擬復位，基于術前設計情況確定預彎鋼板的放置位置，使用螺釘加固，C型臂下確認鋼板位置與長度滿意。

1.2.3觀察指標

(1)兩組患者圍術期相關指標比較。包括手術時間、術中失血量、住院時間、開始活動時間。(2)兩組患者復位效果比較。術后3 d行踝關節正側位、踝穴位X線片檢查，根據Burwell-Charnley標準評估骨折復位情況[7]。解剖復位：①無內踝、外踝向外側或內側移位；②無成角移位；③內踝、外踝縱向分離與嵌插小于1 mm；④后踝向近側移位小于2 mm；⑤無距骨移位。復位一般：①無內踝、外踝向外側或內側移位；②無成角移位；③外踝前后方位移位2～5 mm；④后踝向近側移位2～5 mm；⑤無距骨移位。復位差：①任何內踝、外踝向外側或內側移位；②外踝前后方位移位大于5 mm或后踝移位大于5 mm；③距骨移位。(3)術后1、3、6、12個月兩組患者踝關節功能比較。以美國矯形外科足踝協會(AOFAS)的踝關節功能評分系統評價[8]，包括疼痛、功能、力線3個項目，分數分別為0～40分、0～50分、0～10分，總分0～100分，分數越高，患者踝關節功能越好。(4)兩組患者骨折愈合時間及并發癥發生情況。隨訪12個月，統計患者骨折愈合時間及隨訪期間并發癥發生情況。

1.3 統計學處理

2 結 果

2.1 兩組患者圍術期相關指標比較

觀察組患者手術時間、住院時間、開始活動時間短于對照組，術中失血量少于對照組(P<0.01)；觀察組患者解剖復位構成比高于對照組(P<0.05)，見表1、2。

表1 兩組患者圍術期相關指標比較

表2 兩組患者復位效果比較[n(%)]

2.2 兩組患者術后1、3、6、12個月踝關節功能比較

術后1、3、6、12個月觀察組患者踝關節功能評分均高于對照組(P<0.05)；術后12個月兩組患者踝關節功能評分均高于術后1、3、6個月(P<0.05)，術后6個月均高于術后1、3個月(P<0.05)，術后3個月均高于術后1個月(P<0.05)，見表3。

表3 兩組患者術后1、3、6、12個月2組踝關節功能比較分)

2.3 兩組患者骨折愈合時間及并發癥比較

觀察組患者骨折愈合時間短于對照組(P<0.05)，隨訪期間并發癥總發生率低于對照組(P<0.05)，見表4。

表4 兩組患者骨折愈合時間及并發癥比較

2.4 兩組患者治療費用比較

觀察組、對照組治療費用分別為(2.11±0.42)、(1.86±0.34)萬元，觀察組高于對照組，兩組比較差異有統計學意義(t=2.592，P=0.012)。

2.5 典型病例

患者，男，35歲，不慎從3 m高處墜落摔傷導致足跟活動障礙及腫痛，診斷為復雜右踝關節骨折。完善相關檢查，行踝部64排薄層CT掃描及三維重建，術前Mimics軟件處理后導入3D打印機，獲取骨折模型(圖1A)，模擬復位后骨折模型(圖1B)，術前X線片顯示踝關節骨折(圖1C)，微創復位固定術后X線片顯示骨折內固定解剖復位(圖1D)。術后1個月進行踝關節主動屈伸鍛煉，術后2個月行部分負重鍛煉，隨訪12個月，患者右下肢活動良好，無明顯疼痛，外形滿意。

A：術前導入3D打印機獲取骨折模型；B：模擬復位后骨折模型;C：術前X線片；D：術后X線片。

3 討 論

踝關節是將重力自垂直方向轉變為弓狀平面形式的重要關節，由脛腓骨遠端與距骨構成，皮下組織較薄，周圍肌肉及脂肪組織較少，抗緩沖能力差，因此損傷較為嚴重[9]。踝關節骨折通常伴有復雜的位置變化與關節面塌陷，復位難度大，為盡可能提升復位效果通常需擴大切口，剝離過多組織，影響局部血運，延長恢復時間[10]。目前CT平掃及X線片是踝關節骨折的常用診斷方式，但檢查時單一體位難以清晰顯示骨、關節面、韌帶之間關系，且很難將骨碎片移位情況及骨折細節反映出來，容易導致誤診或漏診[11]。此外，踝關節骨折范圍通常較小，且多以線狀、點狀為主要表現，對層厚、層數、層間距環節中技術參數的應用要求較高。隨著3D打印技術的持續發展，復雜踝關節骨折的診斷及治療已突破二維平面圖像的限制，使構建個體化實體模型成為可能。有國外學者使用術前規劃軟件，規劃了復位和固定程序，并設計了植入物和鉆頭導向器，然后對設計的植入物和導板進行3D打印，結果顯示患者特定的3D打印板和鉆頭導向器可能有助于保持選擇髖臼骨折模式的準確復位和固定[12]。

本研究結果顯示，微創復位固定術前行3D打印個體化模型可改善圍術期指標與復位效果。3D打印技術采用可黏合材料，基于數字模型逐層打印構建三維圖像，把二維影像學資料轉換為實體模型，在骨科領域可制作出精度0.1 mm的等比例模型，直觀呈現骨折病變與周圍結構的立體關系，為施術者提供精確的診斷信息，從而制訂針對性的手術方案[13-14]。3D打印個體化模型應用于復雜踝關節微創復位固定術前，通過行踝關節逐層掃描，獲取不同層面圖像，從多角度、多方位進行立體觀察，全面展現骨折狀態，可提前設計好內固定物，提升手術準確性、安全性，改善復位效果，縮短手術操作時間，減少創傷及出血量，從而加快患者恢復速度，縮短骨折愈合時間。白磊鵬等[15]在大齡兒童Gartland Ⅱ、Ⅲ型肱骨髁上骨折治療中采用3D打印技術進行術前設計與手術預演，結果顯示手術時間明顯縮短，且術后愈合快、肘關節功能恢復好，提示3D打印技術在骨科手術中的應用優勢，但X射線輻射有所提升。由于3D打印技術是一項新型的外科技術，患者對其不了解，容易心存疑慮與擔憂，因此在圍術期需加強患者健康教育，向患者與家屬展示其本人的3D打印模型，詳細介紹其優勢，增強患者治療信心及配合度。

復雜踝關節骨折并發癥通常與術中血管及神經繼發性損傷，施術者粗暴操作或對踝部解剖關系不了解有關，導致手術時間過長，患者應激反應較為嚴重[16]。3D打印個體化模型可為術中操作提供參考，盡可能減少手術切口及軟組織損傷，并且減少C型臂使用頻率，提升手術成功率，減輕應激損傷及血管肌肉損傷，降低并發癥發生率[17]。本研究結果顯示，3D打印個體化模型可有效減少患者并發癥。本研究通過對兩組費用進行比較發現，觀察組治療費用高于對照組，提示3D打印個體化模型在衛生經濟學方面將增加患者經濟負擔。因此，在臨床應用3D打印個體化模型技術時，需結合患者意愿及經濟承受能力，選擇合適的治療方案。

綜上所述，3D打印個體化模型聯合微創復位固定術可改善復雜踝關節骨折患者圍術期指標及復位效果，促進踝關節功能恢復，減少并發癥，但費用較高。以往關于3D打印模型的研究多集中在手術效果、復位效果及術后恢復情況上，鮮有關于衛生經濟學的研究，本研究對比了單純使用微創復位固定術、3D打印個體化模型聯合微創復位固定術治療復雜踝關節骨折的費用，以便為患者提供參考，使其受益。