術前3D數(shù)字化技術模擬對脛骨平臺骨折手術操作、術后關節(jié)功能恢復的影響

李璐兵,阿依丁·夏哈太,李 飛，韓 然

1.新疆醫(yī)科大學第六附屬醫(yī)院骨病矯形外科,烏魯木齊 830002；2.新疆醫(yī)科大學第六附屬醫(yī)院國際病區(qū)骨科組,烏魯木齊 830002

脛骨平臺是膝關節(jié)負荷的主要承擔者，一旦因外力骨折將嚴重損傷其結(jié)構(gòu)及功能，同時還可能導致附近的內(nèi)外副韌帶、交叉韌帶以及半月板等組織結(jié)構(gòu)破壞，最終導致患者膝關節(jié)功能受限[1]。內(nèi)固定術是脛骨平臺骨折的主流術式，術前臨床常需根據(jù)患者局部X線片、CT成像圖來設計治療方案，但這些成像結(jié)果均屬于平面圖像，患者骨折局部解剖結(jié)構(gòu)極易因骨塊重疊、遮擋等因素而無法有效成像，增加了內(nèi)固定手術難度及風險[2-3]。3D數(shù)字化技術可將CT掃描參數(shù)進行三維重建，并構(gòu)建打印出骨折局部三維實物模型，為隨后的內(nèi)固定治療提供準確指導[4]。本文前瞻性研究2016年2月—2018年8月新疆醫(yī)科大學第六附屬醫(yī)院骨病矯形外科收治的92例復雜型脛骨平臺骨折患者臨床資料，以探討術前3D數(shù)字化技術模擬手術復位及操作對復雜脛骨平臺骨折患者的手術效果及關節(jié)功能恢復的影響。

臨床資料

1一般資料

納入標準[5]：(1)年齡26～65歲；(2)創(chuàng)傷病史明確，單側(cè)膝關節(jié)脛骨平臺骨折； (3)Schatzker分型為Ⅴ型、Ⅵ型； (4)骨折至手術時間間隔<14d； (5)由同一組醫(yī)護人員實施手術。排除標準[6]：(1)存在骨腫瘤、骨結(jié)核； (2)伴有大片的組織缺損、血管損傷、神經(jīng)損傷； (3)合并全身其他系統(tǒng)的重大創(chuàng)傷； (4)陳舊性骨折； (5)伴有嚴重的骨代謝及骨質(zhì)疏松疾病。

本組共收治92例復雜型脛骨平臺骨折患者，按照隨機數(shù)字表法分為3D模擬組(術前3D數(shù)字化技術模擬骨折復位、手術入路等操作)和對照組(常規(guī)手術治療)，各46例。兩組患者年齡、性別等一般資料比較，差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)。見表1。本研究經(jīng)筆者醫(yī)院醫(yī)學倫理委員會審核[院倫(研)(2015)17號]，患者及其家屬簽署知情同意書。

表1 兩組患者一般資料

2 方法

2.13D及數(shù)字化模擬 對照組：行東芝64排螺旋CT常規(guī)掃描，掃描參數(shù)如下：電流200mA，電壓120Kv，厚層為0.5mm。

3D模擬組：CT掃描同對照組，將CT數(shù)據(jù)導入Minics軟件內(nèi)進行三維重建，并創(chuàng)想三維 CT-228 3D打印機進行三維打印。構(gòu)建骨折區(qū)域1∶1模型，根據(jù)模型確定患者骨折類型，并通過軟件自帶的閾值分割及區(qū)域增長功能，對骨折塊進行分離。觀察骨折斷裂、位置以及大小等參數(shù)，并以此設計手術方案，并在模型上進行模擬手術，以獲得最佳的復位路徑。確定內(nèi)固定所需器材的型號、大小以及固定位置。影像學檢測均由2名專業(yè)影像學醫(yī)師完成。

2.2手術操作 全麻，取平臥或俯臥位，根據(jù)患者骨折情況及3D模擬手術方案選擇合理的入路方案，包括內(nèi)側(cè)、外側(cè)以及后側(cè)等。鈍性分離皮下組織，向外牽拉并脛神經(jīng)、腘血管等組織，顯露關節(jié)囊及骨折面，清理淤血、破碎組織后，根據(jù)CT圖像結(jié)果或之前的模擬設計進行復位。將接骨板置入并與骨骼恰當貼合，根據(jù)患者骨折情況選擇合理的螺釘及鋼板植入，固定位置。再次確定復位及內(nèi)固定結(jié)果，滿意后逐層縫合切片，包扎。兩組手術均由同2名專業(yè)骨科醫(yī)師實施。

2.3評價指標 比較兩組患者手術時間、出血量、手術切口長度、術中透視時間、解剖復位率、住院時間、骨折愈合時間及手術并發(fā)癥(內(nèi)固定松動、關節(jié)腔感染、切口感染)。膝關節(jié)功能評價采用Lysholm評分量表評價[7]，跛行總分5分、支持總分5分、絞鎖總分15分、不穩(wěn)定總分25分、腫脹總分10分、上樓總分10分、下蹲總分5分、疼痛總分25分,分別于術后4、6個月進行評價。于手術后即刻，術后4、6個月對患側(cè)膝關節(jié)進行前后位、側(cè)位標準X線平掃，并測量患者脛骨平臺內(nèi)翻角(TPA)、脛骨平臺后傾角(PA)的變化。

3 統(tǒng)計學分析

結(jié) 果

3D模擬組手術時間、出血量、術中透視時間均少于對照組(P<0.05)，3D組模擬組解剖復位率高于對照組(P<0.05)，3D模擬組和對照組手術切口長度、住院時間、骨折愈合時間比較差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)。見表2。

表2 兩組患者手術過程及術后康復指標比較

術后4個月，3D模擬組Lysholm評分高于對照組(P<0.05)，術后6個月，3D組模擬組的Lysholm評分與對照組比較差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)。見表3。

表3 兩組患者手術后Lysholm評分比較分)

手術后即刻，術后4、6個月，3D模擬組和對照組的膝關節(jié)TPA、PA角比較差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)；術后4、6個月，兩組患者膝關節(jié)TPA、PA角與術后即刻比較，差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)。見表4。

表4 兩組患者術后膝關節(jié)TPA、PA角比較

3D模擬組手術并發(fā)癥發(fā)生率4%與對照組9%比較，差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)。見表5。典型病例見圖1。

圖1 患者男性，39歲，建筑工地重物砸傷致左側(cè)脛骨平臺骨折，Schatzker Ⅵ型。a.術前患者X線片檢查結(jié)果;b.術前CT三維重建;c.術前3D打印模型；d.術前對3D打印模型進行復位、模擬手術練習；e.術后2個月X線片,復位達到解剖復位，內(nèi)固定良好

表5 兩組患者手術并發(fā)癥率比較[n(%)]

討 論

3D數(shù)字化技術是一種將患者CT掃描參數(shù)導入計算機，并以“分層制作，逐層疊加”為原理，借助3D打印技術模擬、打印患者骨骼三維實體模型的醫(yī)療新技術[6]。3D數(shù)字化技術在骨科治療工作中優(yōu)勢：(1)為醫(yī)師提供全面的骨折病理結(jié)構(gòu)，3D數(shù)字化技術制備的1∶1模型可直觀、全面反映骨折移位、塌陷情況，這為手術入路、內(nèi)固定方案選擇等提供了客觀指導[7]；(2)提高術前準備效果，3D數(shù)字化技術可為醫(yī)師提供合適的鈦板模型，并可對鈦板進行精確塑形，以確保其與骨折面貼合性，同時醫(yī)師還可將調(diào)整好的鈦板打印出來，并根據(jù)其結(jié)構(gòu)對實際施術鈦板進行預處理，有效保障復位鈦板的力學強度，降低周圍組織損傷，縮短鈦板現(xiàn)場制備所需時間[8]。

本研究中3D模擬組手術時間、出血量、術中透視時間均少于對照組，這與3D模擬組可于術前進行手術方案預演，其施術方案優(yōu)化程度更高有關。同時3D模擬組解剖復位率高于對照組，表明3D數(shù)字化技術可有效指導醫(yī)師術中復位操作，這與醫(yī)師可根據(jù)3D數(shù)字化技術的1∶1模型直觀了解患者骨折移位、坍塌情況有關[9]。但3D模擬組和對照組手術切口長度、住院時間、骨折愈合時間比較差異無統(tǒng)計學意義，表明3D數(shù)字化技術雖然可加速內(nèi)固定施術時間，降低患者術中出血量，但這一技術對手術整體創(chuàng)傷并無明顯改善，因此患者術后恢復時間相似。

Lysholm評分是國內(nèi)應用較廣泛的一種關節(jié)功能評分系統(tǒng)[10]。本組研究發(fā)現(xiàn)3D模擬組可在術后早期獲得更高的膝關節(jié)功能，分析其原因可能為3D數(shù)字化技術模擬手術復位及操作可為手術提供預演，醫(yī)師可在預演時掌握患者局部骨折情況，明確鈦板結(jié)構(gòu)，了解釘?shù)雷罴厌斎敕桨福@對提高鈦板內(nèi)固定穩(wěn)定性具有重要意義。此外，手術預演還可優(yōu)化手術入路方案，有效降低患者術中軟組織損傷率，這對患者術后早期關節(jié)功能恢復具有重要作用。

膝關節(jié)對位穩(wěn)定、力線正常與否是脛骨平臺骨折內(nèi)固定術后患者關節(jié)功能及術后疼痛的重要影響因素。膝關節(jié)TPA、PA角則是臨床常用的下肢力線測量、評估指標。本研究中手術后即刻，術后4、6個月，3D模擬組和對照組的膝關節(jié)TPA、PA角比較差異無統(tǒng)計學意義，表明兩種方案均可有效恢復患者下肢力線，確保膝關節(jié)對位。TPA、PA值只受脛骨平臺結(jié)構(gòu)影響，而本研究中3D數(shù)字化技術指導下的復位操作可顯著糾正TPA、PA值。隨后不良反應研究顯示，兩組方案安全性相似，患者術后并發(fā)癥發(fā)生率較低。提示3D數(shù)字化技術模擬手術復位及操作在降低復雜脛骨平臺骨折患者術后并發(fā)癥發(fā)生率的療效上與常規(guī)CT掃描相似。

平面影像學指導下的脛骨平臺骨折內(nèi)固定術往往因術前掃描圖像的二維性出現(xiàn)種種缺陷，并因此導致內(nèi)固定不佳、復位不完整等不良結(jié)果。而3D數(shù)字化技術具有的骨折局部模擬、三維打印功能則可直觀反映骨折局部現(xiàn)狀，為手術設計、預演提供準確參考，這必然大幅提升脛骨平臺骨折內(nèi)固定術療效，可以預期該技術必然會成為骨折治療的重要輔助技術。

綜上所述，術前3D數(shù)字化技術模擬手術復位及操作有利于減少復雜脛骨平臺骨折患者手術操作的難度、提高解剖復位率、促進早期膝關節(jié)功能的恢復。