3D打印技術(shù)輔助手術(shù)治療Schazker Ⅴ、Ⅵ型脛骨平臺骨折的初步應(yīng)用

張峰 李瑋 宋遠(yuǎn)征 張率功 林峰 沈冰 王樹方

濟(jì)寧醫(yī)學(xué)院附屬滕州市中心人民醫(yī)院創(chuàng)傷一科，滕州 277599

由于脛骨平臺位于關(guān)節(jié)內(nèi)，周圍有廣泛的軟組織包裹，該區(qū)域的骨折治療非常困難，尤其是移位的脛骨平臺雙髁骨折通常會影響膝關(guān)節(jié)的對齊、穩(wěn)定性和活動［1-3］。目前，主要通過二維和三維計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）圖像與普通X線結(jié)合識別主要的骨折塊及彼此的空間關(guān)系。然而，由于這些圖像是在屏幕上查看的，因此外科醫(yī)生對骨折的物理結(jié)構(gòu)的了解有限，選擇最佳的手術(shù)方案相對困難。固定的穩(wěn)定性和術(shù)后早期關(guān)節(jié)活動對于患者康復(fù)至關(guān)重要，是關(guān)節(jié)內(nèi)骨折復(fù)位固定的主要目標(biāo)，即使是最有經(jīng)驗(yàn)的骨科醫(yī)生，高能量損傷的復(fù)雜的脛骨平臺骨折仍然是一個挑戰(zhàn)［4-5］。Schazker V、VI型脛骨平臺骨折常伴有關(guān)節(jié)面的塌陷和骨折塊的相互咬合，對于骨折特征的認(rèn)識和理解有助于骨科醫(yī)生更好的了解損傷機(jī)制，規(guī)劃最佳手術(shù)程序來處理這些骨折。3D 打印模型可以讓骨科醫(yī)生更直觀的觀察骨折形態(tài)和塌陷程度，為內(nèi)固定手術(shù)設(shè)計(jì)更準(zhǔn)確的手術(shù)入路和復(fù)位方法，減少軟組織剝離和傷口并發(fā)癥。本研究于2020 年1月至2021年1月采用3D打印技術(shù)輔助手術(shù)與傳統(tǒng)手術(shù)技術(shù)對Schazker V、VI型脛骨平臺骨折的30例患者進(jìn)行治療，并評估了3D 打印技術(shù)輔助手術(shù)在Schazker V、VI 型脛骨平臺骨折的臨床價值。

資料與方法

1、一般資料

選擇2020年1月至2021年1月入住滕州市中心人民醫(yī)院的30例Schazker V、VI型脛骨平臺骨折患者并隨機(jī)分組，男13例，女17例。按照隨機(jī)數(shù)字表法將患者隨機(jī)分為觀察組（3D 打印技術(shù)輔助手術(shù)治療）和對照組（傳統(tǒng)手術(shù)治療）。觀察組 15 例，其中男 6 例，女 9 例，年齡為 23～79（53.40±17.82）歲。損傷機(jī)制：高處跌落7 例，摔傷3 例，交通意外5 例；損傷側(cè)別：左 10 例，右 5 例；骨折類別：Schatzker V 型9 例，Schatzker VI 型 6 例。對照組 15 例，其中男 7 例，女8 例，年齡43～77（60.40±10.76）歲。損傷機(jī)制：高處跌落5 例，摔傷 5 例，交通意外 5 例；損傷側(cè)別：左 8 例，右 7 例；骨折類別：V 型 10 例，VI 型 5 例。納入標(biāo)準(zhǔn)：診斷為脛骨平臺性骨折且Schatzker 分型為V 型和VI 型。排除標(biāo)準(zhǔn)：嚴(yán)重軟組織損傷、多發(fā)性骨折、開放性骨折、膝關(guān)節(jié)陳舊性骨折或先天畸形、年齡＜18周歲。所有研究對象及親屬均知情同意并簽署知情同意書。

本研究經(jīng)滕州市中心人民醫(yī)院醫(yī)學(xué)倫理委員會審批通過（2020-倫理審查-06）。

2、研究方法

所有患者術(shù)前都進(jìn)行了X 線（前后位、側(cè)位）和CT（矢狀、冠狀、軸向和3D 重建圖像）檢查，必要時進(jìn)行磁共振成像（MRI）檢查。除了消腫和減輕疼痛外，術(shù)前管理還擴(kuò)展到跟骨牽引，使骨折接近軸向?qū)R。觀察組術(shù)前從CT 中獲取的原始數(shù)據(jù)（切片厚度1 mm）保存為醫(yī)學(xué)數(shù)字成像和通信（digital imaging and communications in medicine，DICOM）格式，并導(dǎo)入Mimics Medical 20.0軟件進(jìn)行3D 重建和編輯。通過該軟件重建了3D 數(shù)字脛骨平臺骨折模型，將數(shù)據(jù)存儲為“stl”文件輸入3D 打印機(jī)，按患者真實(shí)尺寸打印實(shí)物模型，在3D 模型上再次明確骨折的類型，模擬骨折的復(fù)位固定順序，找好解剖復(fù)位標(biāo)志，明確手術(shù)切口選擇的具體位置，如何以更小的創(chuàng)傷切口達(dá)到滿意的復(fù)位要求。在體外即設(shè)計(jì)好最佳方法復(fù)位塌陷的骨折，克氏針臨時固定后塑形鈦板，選擇合適鈦板，并且測量好所需的螺釘長度及方向，鈦板塑形及螺釘長度選擇好后消毒備用。對照組術(shù)前評估通過 X 線、CT 和 MRI 等進(jìn)行的，未采用 3D 打印技術(shù)輔助。

3、術(shù)后管理

所有患者均在術(shù)后第1 天復(fù)查X 線（前后位、側(cè)位），傷口放置引流管不超過48 h，常規(guī)給予低分子量肝素抗凝，術(shù)后3 d待患肢疼痛、腫脹減輕后給予患者CPM機(jī)持續(xù)被動康復(fù)鍛煉，并且遵從疼痛可耐受的原則給予患者持續(xù)鍛煉并逐漸增加活動度及次數(shù)。術(shù)后12～14 d給予刀口拆線。術(shù)后6周指導(dǎo)患者在雙拐輔助下適當(dāng)下地負(fù)重，復(fù)查X線片確認(rèn)骨折完全愈合后開始完全負(fù)重活動。

4、主要觀察指標(biāo)

評估圍手術(shù)期參數(shù)包括手術(shù)時間、失血量、術(shù)中透視次數(shù)、術(shù)中更換螺釘次數(shù)、骨折復(fù)位時間。臨床結(jié)果包括基于Rasmussen 評分系統(tǒng)的骨折復(fù)位質(zhì)量評價和基于美國特種外科醫(yī)院（HSS，Hospital for Special Surgery）評分系統(tǒng)的膝關(guān)節(jié)功能評價［6-7］。此外，還記錄了住院時間、住院費(fèi)用。記錄了術(shù)后并發(fā)癥包括感染、膝關(guān)節(jié)不穩(wěn)定、外傷性膝關(guān)節(jié)炎、膝關(guān)節(jié)僵硬、螺釘松動和靜脈血栓栓塞。

5、統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

所有數(shù)據(jù)分析均使用SPSS 17.0 版統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行，符合正態(tài)分布的計(jì)量資料用（）表示，組間比較采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)。 計(jì)數(shù)資料采用Fisher 確切概率法或Free-man-Halton 檢驗(yàn)，等級分類資料采用兩獨(dú)立樣本秩和檢驗(yàn)，P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

結(jié) 果

1、兩組患者一般資料比較

兩組患者的性別、年齡、受傷側(cè)別、損傷機(jī)制、骨折類別比較，差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（均P＞0.05），有可比性，見表1。

表1 兩組SchazkerV、VI型脛骨平臺骨折患者術(shù)前一般資料比較

2、兩組患者圍手術(shù)期參數(shù)比較

觀察組患者在手術(shù)時間、失血量、術(shù)中透視次數(shù)、術(shù)中更換螺釘次數(shù)、骨折復(fù)位時間均小于對照組，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（均P＜0.05），見表2。

表2 兩組SchazkerV、VI型脛骨平臺骨折患者圍手術(shù)期參數(shù)比較（）

表2 兩組SchazkerV、VI型脛骨平臺骨折患者圍手術(shù)期參數(shù)比較（）

注：觀察組患者采用3D打印技術(shù)輔助手術(shù)，對照組采用傳統(tǒng)手術(shù)

組別觀察組對照組t值P值骨折復(fù)位時間（min）51.67±10.29 75.33±10.77-6.153＜0.001例數(shù)15 15手術(shù)時間（min）117.00±13.07 168.20±13.07-10.729＜0.001失血量（ml）265.00±18.03 392.67±16.35-20.315＜0.001術(shù)中透視次數(shù)（例）8.87±2.13 15.53±1.06-10.837＜0.001術(shù)中更換螺釘次數(shù)（例）0.60±0.51 4.93±0.88-16.472＜0.001

3、兩組患者臨床效果比較

兩組患者住院時間、住院費(fèi)用比較，差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（均P＞0.05）；所有患者均獲得隨訪，隨訪時間6～18 個月，平均11.8 個月。隨訪過程中，對照組出現(xiàn)1 例傷口淺表感染，給予患者傷口分泌物培養(yǎng)并給予抗生素靜滴、加強(qiáng)換藥，刀口順利愈合，3 例創(chuàng)傷性關(guān)節(jié)炎，1 例出現(xiàn)下肢深靜脈血栓，1 例出現(xiàn)肌肉靜脈叢血栓，1 例膝關(guān)節(jié)僵硬；觀察組1例出現(xiàn)異位骨化。觀察組術(shù)后并發(fā)癥發(fā)生率小于對照組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）；觀察組患者術(shù)后第1天X線片復(fù)位質(zhì)量Rasmussen 評分和末次隨訪時膝關(guān)節(jié)HSS 評分均優(yōu)于對照組，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（均P＜0.05）。見表3。

表3 兩組SchazkerV、VI型脛骨平臺骨折患者臨床效果比較

討 論

恢復(fù)復(fù)雜脛骨平臺骨折關(guān)節(jié)面的平整性和生物力學(xué)上的穩(wěn)定性，對于預(yù)防創(chuàng)傷性關(guān)節(jié)炎非常重要，一般需要手術(shù)治療［8-9］。為了獲得良好的影像學(xué)和功能結(jié)果，解剖復(fù)位和充分穩(wěn)定的內(nèi)固定是關(guān)鍵。術(shù)前對骨折特征的識別和理解有利于創(chuàng)傷骨科醫(yī)生選擇最佳手術(shù)程序［10］。過去我們主要依靠術(shù)前的X 線片、CT、MRI等檢查進(jìn)行骨折的分型以及手術(shù)方案的設(shè)計(jì)，由于三維影像是在二維影像的基礎(chǔ)上計(jì)算機(jī)技術(shù)合成的圖像，并且影像學(xué)也存在靜態(tài)化、平面化的特點(diǎn)，提供的圖像無法完全滿足臨床需求，醫(yī)生更多的是依靠經(jīng)驗(yàn)在大腦中形成三維影像進(jìn)行術(shù)前方案的設(shè)計(jì)［11］。

3D 打印技術(shù)基于數(shù)字建模，使用粘合劑通過分層掃描、逐層累加打印的方式來重建物體，已在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域迅速發(fā)展并應(yīng)用于骨科［12-16］。通過3D 打印機(jī)快速、精確構(gòu)建完整的1∶1 比例的個體化骨折模型，可以很好的還原骨折的具體情況，通過測量骨折來定義不同Schatzker 類型的形態(tài)特征線角度與凹陷深度，并繪制出凹陷區(qū)域，還可以提供術(shù)前計(jì)劃和術(shù)中指導(dǎo)，包括最佳切入點(diǎn)、軌跡、螺釘長度、安全區(qū)、脛骨平臺結(jié)構(gòu)在內(nèi)部的解剖變異性，明確術(shù)中可能出現(xiàn)的情況，以及術(shù)中的操作重點(diǎn)和難點(diǎn)。在3D 打印實(shí)物模型上進(jìn)行體外模擬外科操作，沿著標(biāo)記的骨折線切割后，使用工藝刀將每個骨折碎片分離，同時明確骨折塊的最佳復(fù)位順序。Schatzker VI 型骨折凹陷的解剖復(fù)位很困難，因?yàn)樗鼈兏Ｎ挥诿劰瞧脚_的中心和后外側(cè)。使用1∶1 模擬模型可以在術(shù)前對關(guān)節(jié)面進(jìn)行虛擬修復(fù)，并評估植骨量及是否需要腓骨截骨。植入物可以根據(jù)3D 打印的個體化脛骨平臺骨折模型進(jìn)行預(yù)塑性，并且可以在術(shù)前確定鋼板的位置、長度、形狀和螺釘?shù)拈L度，這都降低了植入物相關(guān)并發(fā)癥的風(fēng)險［17］。

在過去幾年中，3D 打印模型的使用有所增加，對技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)不足的外科醫(yī)生的培訓(xùn)產(chǎn)生了積極影響［18-19］。有經(jīng)驗(yàn)的外科醫(yī)生可能不需要3D 模型，特別是在簡單骨折的情況下。但是，它們對于熟悉新的植入物或程序仍然很有用。越來越多的證據(jù)顯示，基于患者影像數(shù)據(jù)（CT 或MRI）的3D打印技術(shù)具有強(qiáng)大的定制功能，改進(jìn)了解剖結(jié)構(gòu)的可視化，提高了干預(yù)的準(zhǔn)確性，并增強(qiáng)了醫(yī)生之間以及與患者之間的溝通［20］。我們發(fā)現(xiàn)使用真實(shí)尺寸3D 模型的手術(shù)時間、術(shù)中透視次數(shù)、骨折復(fù)位時間都顯著減少，同時也減少了因測量誤差原因引起更換螺釘?shù)拇螖?shù)，這與馬騰等［21］、Lou 等［22］的研究結(jié)果相似。此外，術(shù)后CT 證實(shí)骨折復(fù)位和植入物位置是合適的。本研究通過對術(shù)后第1 天脛骨平臺骨折的復(fù)位質(zhì)量以及在末次隨訪時膝關(guān)節(jié)功能進(jìn)行評估發(fā)現(xiàn)，觀察組優(yōu)于對照組，我們分析認(rèn)為術(shù)前在3D 打印模型上模擬復(fù)位，明確解剖復(fù)位標(biāo)志，可更好的復(fù)位關(guān)節(jié)面的平整及下肢的力線，避免因調(diào)整鋼板位置反復(fù)鉆空導(dǎo)致的骨量丟失。同時術(shù)前塑形鋼板達(dá)到與骨面的良好匹配，使得鋼板放置的位置與螺釘?shù)姆较蚝侠砘?，因而提高了手術(shù)效果、減少了術(shù)中失血量，具有更好的預(yù)后。雖然3D 打印模型存在一定的制作時間和經(jīng)濟(jì)成本，但是我們發(fā)現(xiàn)兩組患者總體的住院時間和費(fèi)用差異不明顯，我們考慮很多復(fù)雜脛骨平臺在術(shù)前等待軟組織條件的同時也為3D 打印贏得了時間，3D打印技術(shù)良好的預(yù)后降低了額外的醫(yī)療費(fèi)用這也在一定程度上抵消了3D打印的經(jīng)濟(jì)成本。

本研究還存在一定的局限性：首先，我們的3D 骨骼模型沒有考慮軟組織，我們認(rèn)為這也是3D 打印技術(shù)發(fā)展的方向，重點(diǎn)應(yīng)該放在進(jìn)一步模仿皮膚、肌肉、肌腱、韌帶等軟組織的紋理以及皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨上，讓初學(xué)者在3D 模型上進(jìn)行模擬手術(shù)。此外，本研究樣本量較小，仍需要更多的隨機(jī)對照試驗(yàn)和更長的隨訪時間，以確定3D 打印技術(shù)的臨床結(jié)果。最后，由于從CT 掃描到制作完成骨折的3D 實(shí)體模型需要幾天時間，因此該技術(shù)無法用于緊急情況。