3D打印個(gè)性化截骨導(dǎo)板輔助踝關(guān)節(jié)周?chē)毓侵委燉钻P(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎的臨床研究

鄒運(yùn)璇，張宏寧，沈國(guó)棟，朱永展，尹航

(佛山市中醫(yī)院足踝外科，廣東 佛山 528000)

踝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎是一種慢性退行性疾病，臨床特征表現(xiàn)為軟骨退化、骨質(zhì)增生硬化、骨贅形成、關(guān)節(jié)畸形等，年齡的增長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致踝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎愈發(fā)嚴(yán)重。病因主要是創(chuàng)傷、勞損，癥狀一般表現(xiàn)為關(guān)節(jié)壓痛、僵硬、腫脹、畸形等，對(duì)患者下肢功能及生活質(zhì)量造成嚴(yán)重影響[1]。踝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎的保守治療僅適用于輕微踝關(guān)節(jié)炎患者，病情嚴(yán)重者需盡快手術(shù)治療，踝上截骨通過(guò)改變應(yīng)力分布將負(fù)重軸外移，從而恢復(fù)正常力線(xiàn)，阻止病情進(jìn)展，可以保留更多踝關(guān)節(jié)功能[2-3]。近年來(lái)，隨著信息科學(xué)與醫(yī)學(xué)的互相結(jié)合，數(shù)字醫(yī)學(xué)應(yīng)運(yùn)而生，3D打印手術(shù)導(dǎo)板在關(guān)節(jié)外科的創(chuàng)傷、矯形領(lǐng)域的臨床應(yīng)用已經(jīng)獲得一定成果，其可以根據(jù)患者病情指定個(gè)性化治療方案，從而提高手術(shù)的安全性和精確性[4-5]。已有報(bào)道[6]表明，3D打印技術(shù)可以改善足踝骨折患者的踝關(guān)節(jié)功能。本研究旨在探討3D打印個(gè)性化截骨導(dǎo)板輔助踝關(guān)節(jié)周?chē)毓切g(shù)治療踝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)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(yī)院收治的80例踝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎患者為研究對(duì)象，按照治療方法不同分為3D打印組和常規(guī)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(zhì)量指數(shù)(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(guī)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(jīng)醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)，患者及家屬知情同意，兩組患者一般資料比較，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。納入標(biāo)準(zhǔn)：(1)患者均診斷為踝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎，原發(fā)性或創(chuàng)傷性，經(jīng)X線(xiàn)證實(shí)[7]；(2)年齡>18歲；(3)Takakura分期：2、3期；(4)均為內(nèi)翻畸形，X線(xiàn)顯示脛骨遠(yuǎn)端關(guān)節(jié)面角<84 °；(5)患者均行動(dòng)受限，存在下肢疼痛及功能障礙；(6)治療方式均使用踝上內(nèi)側(cè)開(kāi)放截骨術(shù)。排除標(biāo)準(zhǔn)：(1)脛骨骨骺閉合不良或青少年患者；(2)合并夏科氏關(guān)節(jié)病、類(lèi)風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎；(3)存在神經(jīng)肌肉功能障礙；(4)關(guān)節(jié)感染患者；(5)合并凝血功能異常及重大心腦血管疾病；(6)精神疾病；(7)麻醉藥物過(guò)敏。

1.2 方法

3D打印組采用3D打印個(gè)性化截骨導(dǎo)板輔助的踝上截骨術(shù)治療，具體如下：(1)術(shù)前計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。獲得患者影像數(shù)據(jù)：入院后，均拍攝站立位雙下肢X線(xiàn)片，包括正位和側(cè)位。踝關(guān)節(jié)CT掃描，踝關(guān)節(jié)三維重建及模擬手術(shù)：獲得患者踝關(guān)節(jié)掃描DICOM文件數(shù)據(jù)，導(dǎo)入Mimics 16.0軟件中進(jìn)行定位，首先去除不需要的圖像，進(jìn)行三維重建圖像分割，保留脛骨遠(yuǎn)端三維圖像。再導(dǎo)入3D掃描分析軟件Geomagic studio 2013中，對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行處理，完成非均勻有理B樣條曲線(xiàn)(NURBS)曲面處理，輸出至Unigraphics NX(UG NX)9.0中進(jìn)行測(cè)量。點(diǎn)擊region growing進(jìn)行三維模型數(shù)據(jù)重建，獲得與患者患側(cè)骨骼1∶1的三維模型數(shù)據(jù)(A)，再點(diǎn)擊dynamic region，重建直徑稍大于患者患側(cè)骨骼的三維模型數(shù)據(jù)(B)，B-A后可獲得外殼，厚度約5 mm，點(diǎn)擊CMF/simulation-Cut，獲得導(dǎo)板數(shù)據(jù)(C)，大小約40 mm×50 mm。考慮截骨設(shè)計(jì)，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(shè)置其為絕對(duì)平行狀態(tài)，添加至C，即可獲得定位導(dǎo)板。選擇四個(gè)板狀幾何體，移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)這些板狀幾何體，按確定的截骨線(xiàn)位置和方向添加到C上作為方向調(diào)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(dǎo)板。根據(jù)術(shù)前測(cè)量的脛骨成角旋轉(zhuǎn)中心(CORA)進(jìn)行模擬截骨，選擇脛骨遠(yuǎn)端部分，移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)，使得脛距關(guān)節(jié)面達(dá)到平行，測(cè)量脛骨遠(yuǎn)端內(nèi)側(cè)開(kāi)放截骨張開(kāi)的距離。(2)3D打印截骨導(dǎo)板。打印材料選擇尼龍粉末，根據(jù)三維模型結(jié)合下肢X線(xiàn)片確定截骨角度，從而確定截骨面，將計(jì)算機(jī)虛擬模型導(dǎo)出，3D打印制作模型和導(dǎo)板，初次查看手術(shù)截骨導(dǎo)板與脛骨遠(yuǎn)端三維模型之間的匹配度，匹配不完全需再次調(diào)試后打印，匹配完全即用于手術(shù)。(3)手術(shù)方法：患者麻醉仰臥，手術(shù)視野消毒、鋪巾，準(zhǔn)備好模型、導(dǎo)板、驅(qū)血帶等所需器械及藥物。選擇內(nèi)側(cè)踝關(guān)節(jié)入路，自?xún)?nèi)踝尖至近端縱向切開(kāi)，長(zhǎng)10～15 cm。切開(kāi)皮膚小心分離組織、筋膜直至暴露脛骨，注意保護(hù)大隱靜脈及隱神經(jīng)。將術(shù)前制作的截骨導(dǎo)板貼服于脛骨內(nèi)側(cè)皮質(zhì)，4枚2.0克氏針固定，擺鋸放入導(dǎo)板上的截骨孔進(jìn)行截骨，然后進(jìn)行一次性外翻，達(dá)到模擬手術(shù)中的張開(kāi)長(zhǎng)度后橫向克氏針固定，C臂機(jī)透視確認(rèn)截骨效果。透視見(jiàn)踝穴位置、距骨傾斜角(TT)恢復(fù)正常后，按測(cè)量所得的長(zhǎng)度取同側(cè)髂骨進(jìn)行植骨，然后行脛骨遠(yuǎn)端解剖鋼板固定。術(shù)后常規(guī)處理，石膏固定8周，8周后負(fù)重行走。常規(guī)組采用傳統(tǒng)踝上截骨術(shù)治療，具體如下：(1)術(shù)前準(zhǔn)備：術(shù)前常規(guī)雙下肢站立位正位X線(xiàn)片、側(cè)位X線(xiàn)片及踝關(guān)節(jié)負(fù)重正側(cè)位，測(cè)量TT、脛骨踝穴角(TC)、脛骨前面角(TAS)和脛骨側(cè)面角(TLS)，根據(jù)CORA角設(shè)計(jì)截骨平面及方向。(2)手術(shù)方法：步驟基本同3D打印組，不同之處為暴露脛骨后，依術(shù)者經(jīng)驗(yàn)按照截骨位置及方向打入1枚2.0克氏針，借助C臂機(jī)透視，確認(rèn)位置恰當(dāng)后，擺鋸沿克氏針?lè)较蜻M(jìn)行截骨，然后進(jìn)行逐步外翻，反復(fù)C臂機(jī)透視確認(rèn)脛距關(guān)節(jié)面情況。兩組患者均進(jìn)行術(shù)后隨訪，隨訪時(shí)間≥1年。

1.3 觀察指標(biāo)

(1)圍術(shù)期指標(biāo)：包括手術(shù)時(shí)間、手術(shù)出血量、透視次數(shù)、術(shù)后止痛藥使用次數(shù)；(2)踝關(guān)節(jié)影像學(xué)指標(biāo)：術(shù)前及末次隨訪時(shí)在標(biāo)準(zhǔn)踝關(guān)節(jié)正側(cè)位X線(xiàn)片上評(píng)價(jià)患者距骨傾斜角(TT)、脛骨踝穴角(TC)、脛骨前面角(TAS)及脛骨側(cè)面角(TLS)；(3)踝關(guān)節(jié)功能：采用美國(guó)足踝外科協(xié)會(huì)踝-后足評(píng)分系統(tǒng)(AOFAS)和踝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎評(píng)價(jià)系統(tǒng)(AOS)評(píng)價(jià)。AOFAS包括疼痛、動(dòng)能、足部對(duì)線(xiàn)，總分100分，優(yōu)：90～100分，良：75～89分；一般：50～74分；差：<50分。AOS包括疼痛和活動(dòng)受限兩項(xiàng)，每項(xiàng)計(jì)1分，分值越高程度越重；(4)術(shù)后并發(fā)癥發(fā)生情況：包括切口延遲愈合、淺層感染、行走受限、輕度內(nèi)翻畸形等。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

2 結(jié)果

2.1 兩組患者圍術(shù)期指標(biāo)比較

3D打印組手術(shù)時(shí)間、手術(shù)出血量、透視次數(shù)、術(shù)后止痛藥使用次數(shù)均少于常規(guī)組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。見(jiàn)表1。

表1 兩組患者圍術(shù)期指標(biāo)比較

2.2 兩組患者踝關(guān)節(jié)影像學(xué)指標(biāo)比較

末次隨訪時(shí)，兩組患者TT均較術(shù)前減小(P<0.05)；TC、TAS、TLS均較術(shù)前增大(P<0.05)，但組間差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。見(jiàn)表2。

表2 兩組患者踝關(guān)節(jié)影像學(xué)指標(biāo)比較

2.3 兩組患者踝關(guān)節(jié)功能比較

末次隨訪時(shí)，兩組患者AOFAS評(píng)分均較術(shù)前上升(P<0.05)，AOS疼痛評(píng)分、AOS功能評(píng)分均較術(shù)前降低(P<0.05)；但組間差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。見(jiàn)表3。

表3 兩組患者踝關(guān)節(jié)功能指標(biāo)比較分)

2.4 兩組患者術(shù)后并發(fā)癥發(fā)生情況比較

3D打印組患者術(shù)后并發(fā)癥總發(fā)生率低于常規(guī)組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(χ2=4.812，P=0.028)。見(jiàn)表4。

表4 兩組患者術(shù)后并發(fā)癥發(fā)生情況比較[n(%)]

3 討論

踝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎具有進(jìn)展性，患者因勞損、創(chuàng)傷等導(dǎo)致關(guān)節(jié)力線(xiàn)不正，行走時(shí)患足因負(fù)重疼痛借助健足起步，起步時(shí)負(fù)重不均導(dǎo)致下肢出現(xiàn)畸形[8]。截骨術(shù)可以通過(guò)調(diào)整距骨和脛骨的空間關(guān)系來(lái)糾正力線(xiàn)，矯正效果較理想[9]，但既往踝關(guān)節(jié)周?chē)毓切g(shù)極大地依賴(lài)于術(shù)者的經(jīng)驗(yàn)，需要在術(shù)中多次透視才能確認(rèn)截骨效果，手術(shù)難以達(dá)成標(biāo)準(zhǔn)化，還對(duì)醫(yī)護(hù)人員造成了較大的放射劑量。近年來(lái)，三維重建技術(shù)使患者可以獲得個(gè)性化治療方案，從科學(xué)角度上提高治療效果[10]。基于以往報(bào)道，本研究將3D打印個(gè)性化截骨導(dǎo)板應(yīng)用于踝關(guān)節(jié)周?chē)毓牵云谶_(dá)到手術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化，簡(jiǎn)化手術(shù)操作，減少放射及更精準(zhǔn)的恢復(fù)踝關(guān)節(jié)正常關(guān)系，得到更好的臨床效果。

多項(xiàng)研究[11-12]表明，手術(shù)導(dǎo)板應(yīng)用于骨科手術(shù)具有較好的輔助效果，對(duì)臨床減少手術(shù)時(shí)間、出血量等效果顯著，3D打印個(gè)性化截骨導(dǎo)板應(yīng)用于踝關(guān)節(jié)目前還處于發(fā)展階段，需要研究證實(shí)。本研究結(jié)果顯示，3D打印組手術(shù)時(shí)間、手術(shù)出血量、透視次數(shù)、術(shù)后止痛藥使用次數(shù)均少于常規(guī)組(P<0.05)，表明3D打印個(gè)性化截骨導(dǎo)板輔助踝關(guān)節(jié)周?chē)毓切g(shù)可以縮短踝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎患者手術(shù)時(shí)間，減少手術(shù)出血量、透視次數(shù)和術(shù)后止痛藥使用次數(shù)，不僅使患者創(chuàng)傷更小，還降低了醫(yī)護(hù)人員的放射劑量。鮮文峰等[13]運(yùn)用3D打印模擬截骨輔助治療脊柱后凸畸形，與常規(guī)經(jīng)椎弓根椎體截骨術(shù)相比，手術(shù)時(shí)間、術(shù)中出血量均降低，證實(shí)了3D打印輔助手術(shù)治療對(duì)患者圍術(shù)期指標(biāo)有改善作用。術(shù)前通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)重建踝關(guān)節(jié)骨骼三維模型，有助于直觀地看到截骨段與踝關(guān)節(jié)的解剖關(guān)系，術(shù)前即可確定螺釘?shù)闹萌胛恢谩⒎较颉⑸疃龋贫▊€(gè)性化截骨方案。應(yīng)用3D打印技術(shù)可以在該基礎(chǔ)上模擬體外截骨，在模擬結(jié)果基礎(chǔ)上有助于縮短術(shù)中探尋螺釘置入位置的時(shí)間和透視次數(shù)，在正式手術(shù)時(shí)避免非必要的術(shù)野暴露和出血，從而減少術(shù)后止痛藥的使用。本研究結(jié)果顯示，兩組患者在末次隨訪時(shí)TT均較術(shù)前減小(P<0.05)，TC、TAS、TLS均較術(shù)前增大(P<0.05)，AOFAS評(píng)分均較術(shù)前上升(P<0.05)，AOS疼痛評(píng)分、AOS功能評(píng)分均較術(shù)前降低(P<0.05)，與施忠民等[14]研究結(jié)果相似。踝關(guān)節(jié)周?chē)毓切g(shù)對(duì)踝關(guān)節(jié)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(gè)性化截骨導(dǎo)板輔助與常規(guī)截骨手術(shù)并無(wú)明顯差別，兩組患者治療效果一致，推測(cè)可能是因?yàn)闃颖玖枯^小所致，還有可能是末次隨訪時(shí)間差異導(dǎo)致。截骨導(dǎo)板原料為尼龍粉末，具有高硬度及剛度，在高溫高壓滅菌環(huán)境下不會(huì)變形、斷裂，充分滿(mǎn)足手術(shù)要求，3D打印截骨導(dǎo)板能夠使醫(yī)生更為充分了解患者踝關(guān)節(jié)畸形情況，幫助截骨手術(shù)順利進(jìn)行。

3D打印組術(shù)后并發(fā)癥低于常規(guī)組(P<0.05)，通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與3D打印個(gè)性化截骨導(dǎo)板模擬術(shù)前最優(yōu)方案可以幫助減少手術(shù)過(guò)程中對(duì)踝關(guān)節(jié)毗鄰血管和神經(jīng)的損傷，從而降低術(shù)后并發(fā)癥。

綜上所述，3D打印個(gè)性化截骨導(dǎo)板輔助與常規(guī)踝關(guān)節(jié)周?chē)毓切g(shù)均能矯正患者內(nèi)翻畸形，療效無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，但計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與3D打印個(gè)性化截骨導(dǎo)板輔助在縮減手術(shù)時(shí)間，減少術(shù)中出血量、透視次數(shù)、術(shù)后止痛藥使用次數(shù)上具有明顯優(yōu)勢(shì)。