3D打印導航模板在兒童后天性肘內翻畸形矯形手術中的應用

沈 濬，秦 蓉，王武愉，毛永敏，唐 凱，張愛國，徐大鵬

（無錫市兒童醫院，江蘇 無錫 214000）

兒童肘內翻畸形多為肱骨遠端骨折并發癥[1]，畸形可表現為冠狀面內翻、矢狀面屈伸和（或）水平面旋轉畸形[2]。恢復肘關節正常解剖結構與功能是肘內翻畸形矯形治療的目標。選取肱骨髁上部位進行截骨是矯正肘內翻畸形的常用方法，如外側楔形截骨術、倒V 形截骨術、等腰三角形截骨術、雙L 形截骨術等。目前已有的文獻報道以外側楔形截骨術多見，總體而言，截骨在實際操作中在很大程度上依賴于骨科醫生的專業知識和經驗，截骨操作出現定位不準確或截骨固定不當會導致移位畸形、校正過度或不足等[3]。隨著數字醫學和3D 打印技術的進步，截骨手術術前規劃、術中導航模板制作為截骨的精確性提供了巨大幫助[4]。2012 年7 月至2021年7 月收入本院的11 例肘內翻畸形患兒，接受了采用計算機輔助設計和3D 打印導航模板輔助的截骨矯形手術，本文對這11 例患兒的臨床資料進行回顧性研究，以探討3D 導航模板在肘內翻畸形矯形手術中應用的可行性。

1 資料與方法

1.1 一般資料

本組男9 例，女2 例，左側畸形7 例，右側畸形4例，年齡5 歲至12 歲，平均7.9 歲，11 例均為肱骨髁上骨折的并發癥，肘內翻畸形矯形手術時機在骨折發生后1.5 年至10 年，術前肘內翻角度10°至20°，平均16.36°。所有患兒均無基礎性疾病。術前CT 影像由64排螺旋CT（philip，荷蘭）采集，數據以DICOM 格式存儲。用Mimics17.0 軟件進行術前規劃和導航模板設計。

1.2 手術方法

1.2.1 術前計算機模擬和導航模板制作 將患兒雙上肢的CT 數據（DICOM 格式）導入Mimics21.0 軟件，建立肱骨的三維模型，將健側圖像生成鏡像，與患側圖像進行比對，并結合入院前X 片測量的提攜角差值，確定冠狀面截骨平面和角度。以肱骨遠端外側髁為骨性標志，在Mimics21.0 軟件中提取肱骨遠端外側表面解剖數據，生成相應的模板，分別設置兩枚平行于近端截骨面和遠端截骨面的定位管道，生成導航模板。根據患側肱骨與健側肱骨鏡像比對結果，相應調整定位管道角度以應對矢狀面、水平面的合并畸形[5]。布爾運算后修整邊緣多余部分，完成導航模板的制作，將導板以STL 格式導出至3D 打印機打印（圖1）。

圖1 計算機模擬和導航模板外觀照

1.2.2 導航模板消毒方法 采用環氧乙烷對導航模 板 進 行 消 毒， 溫 度 設 置 為（50±5） ℃， 濃 度300 ～1000mg/L，濕度控制在30%RH 至80%RH 范圍內。

1.2.3 導航模板使用 麻醉穩妥后，局部消毒鋪巾。取肘外側切口，依次切開皮膚、皮下組織，在二頭肌、三頭肌之間切開骨膜，暴露肱骨遠端髁間窩上水平，3D 打印模板嵌入肱骨，尋及最嵌合處，四根克氏針自導針方向鉆入肱骨，取出模板，克氏針范圍內楔形截骨，肱骨內側柱處相交，截骨角度約30°，糾正肘內翻角度，截骨后肱骨斷端外翻閉合后經皮分別從肱骨外髁打入三枚克氏針，固定于截骨近端，活動肘關節，查看術后提攜角改變情況。C 臂機透視查看截骨面對位對線情況。稀碘伏沖洗手術切口，縫合骨膜皮下組織。克氏針尾折彎留皮外，功能位石膏固定。見圖2。

圖2 導航模板使用

2 結果

2.1 導航模板描述

我們設計的導航模板整體呈弧形，包括貼合面、2個上截骨面定位管和2 個下截骨面定位管，同一截骨面的定位管處于同一水平分布，上下截骨面定位管冠狀面成角即冠狀面外翻截骨角度，在水平面成角即水平旋轉角度。根據計算機三維成像結果，設計好不同角度。

2.2 手術結果

11 例患兒均成功設計并制作出導航模板，術前計算機設計時間68 ～120min（平均109min）。導航模板與患兒肱骨遠端匹配度良好，從暴露出骨質至截骨面固定牢靠耗時9 ～25min（平均16min），截骨均一次性成功，達到預定截骨角度。

2.3 肘關節術后功能評價

術后定期復查，6 ～8 周復查見截骨線消失則拆除石膏、拔除克氏針行功能鍛煉。術前患肢提攜角-10°至-20°，術后患肢提攜角糾正為3°至15°，平均矯正27°，末次隨訪時患肢肘關節活動度最大伸直角度為-10°～12°〔平均(2±0.4)°〕，最大屈曲角度為118°～134°〔平均(130.7±2.2)°〕，根據Bellemore 等[6]標準進行評估：優10 例，良1 例，無并發癥發生。

3 討論

兒童肘內翻畸形多見于肱骨遠端骨折復位不充分、保守治療過程中復位丟失、肱骨遠端生長紊亂后[7]。本次研究納入11 例患兒均是肱骨髁上骨折對合欠佳引起。肘內翻畸形造成肘關節生物力線、尺骨鷹嘴及肱三頭肌向內側移位，對尺骨產生長期反復的外旋力矩，造成肘關節外側副韌帶的松弛，遠期來看可以導致肘關節外側旋轉的不穩定性[8]。Gurkan 指出肘內翻畸形與尺神經脫位及同側肩關節后方不穩定存在相關性[9]。

對肱骨髁上部位進行截骨是矯正肘內翻畸形的常用方法，目前已有的截骨方式包括：外側楔形截骨術[10]、倒V 形截骨術[11]、等腰三角形截骨術[12]、雙L 形截骨術[13]、階梯型截骨術[14]、弧形截骨術[15]等。每種手術方式各有優缺點，例如外側閉合楔形截骨術由于簡單易操作的特點，在臨床選用較多，但不能解決外側髁的突出問題, 而且存在畸形矯正中心點外移的現象[16-17], 若將截骨遠端內移則可改善外髁凸起問題，但部分患兒會出現神經損傷[18]；階梯型截骨術、弧形截骨術可解決截骨后外側髁突出問題，但是操作相對復雜，術中出血多，術中定位難度高，術后并發癥多，而且出現神經損傷者多見[1,16,17]；等腰三角形截骨術可在三維平面矯正畸形，但手術操作復雜，可能會導致肢體短縮[19]。

理想的截骨術應該是一種三維矯治，包括矯治冠狀面的內翻畸形、矢狀面的過伸畸形、水平面的內旋畸形。目前對于肘內翻畸形的治療也傾向于三維矯治，這對術者在精準控制截骨位點和矯正角度要求較高，實際操作中往往需要反復調試，根據大體外觀、個人經驗進行術中決策。我們遵守相對保守的原則，在外側楔形截骨術的基礎上采用計算機術前規劃，設計出3D 導航模板，可在三維平面進行輔助定位和截骨，取得了良好的臨床效果。

我們選擇外側楔形截骨術的原因如下：1）術者對此手術入路熟悉，截骨方法熟練，截骨后遠端對近端折彎復位時術者和助手配合默契，能較好地處置術中關鍵操作步驟。2）納入病例內翻角度介于-10°至-20°，預期采用楔形截骨術后外側髁突出不明顯，外觀可以接受。3）針對楔形截骨術的3D 打印導航模板結構簡單小巧，可以實現三維矯形。

本研究小組對納入的11 例肘內翻患兒的影像資料進行了術前計算機模擬，3 例是單純冠狀面畸形，其余8 例合并其他維度畸形，包括過伸畸形和（或）內旋畸形。其他維度畸形較健側相差均小于5°，Chung M S 和Takagi T 等人，認為肩關節對此畸形角度可以代償[20-21]，我們在設計導航模板時重點是對冠狀面畸形進行矯正。我們設計的導航模板整體呈弧形，包括貼合面、2 個上截骨面定位管和2 個下截骨面定位管，同一截骨面的定位管處于同一水平分布，上下截骨面定位管冠狀面成角即冠狀面外翻截骨角度，在水平面成角即水平旋轉角度。

既往我們做外側楔形截骨術時存在以下風險：定位不夠精準，需反復透視，導針角度存在變數。截骨遠端骨皮質需存留2mm，做鉸鏈支撐，但是沒有導航模板情況下經常截斷對側骨皮質或骨皮質存留過多影響折彎，有時需反復多次截骨，延長手術進程，增加出血量。借助于3D 打印導航模板，貼合面與肱骨遠端外側面匹配度好，貼合緊密，準確定位了截骨平面，截骨、截骨面的吻合1 次就成功，這大大縮短了手術時間，符合手術矯形預期。我們認為3D 打印導航模板優點如下：1）增加確定性，包括截骨平面和角度，預期旋轉角度，能實現多維度矯形。2）降低了手術難度，縮短了截骨時間，減少了術中出血量，增加了手術安全性，利于年輕醫生開展此類手術。3）減少術中透視次數。

總結經驗，我們羅列出導航模板如下缺點和相應對策：1）導航模板缺少術中固定裝置，在截骨過程中可能會產生偏移影響精準度[5,22]。我們的導航模板設計簡潔，整體貼合滿意，設計的定位管道長度大于3.0cm，可避免導針擺動彎曲造成定位偏移，導航模板使用過程中未見偏移。下一步設計導航模板時我們考慮在貼合面設計一穩定孔，增加穩定性。2）非金屬材質的導航模板在截骨過程中因電鋸摩擦可能發生形變[19,23]，克氏針轉動過程中磨損模板可增加手術污染機會，產生熱量也會破壞管道結構[24]。此類形變及磨損確實是一個現實問題，我們制作模板使用的PLA 材料（復翔科技，中國）克氏針確實會磨損定位孔，為此我們選用較細的克氏針導針，直徑較定位管內徑小0.3mm。采用低速電鉆，轉動過程中導針冷水沖浴，降低導針溫度，減少污染可能性。3）導航模板增加成本（材料成本、前期時間成本）[4]。包括3D 打印材料、較高精度的3D 打印機、高分辨率的CT 數據[25]、術前模擬耗時[23,26]、醫生需要掌握處理成像數據的技術。對于這一缺點，我們認為這是發展性問題，隨著科技的進步和發展，成本問題會得到解決。臨床上我們應加強術前醫患溝通，取得患兒家長認可。

本研究局限性：病例數較少，隨訪時間較短，無對照試驗，相關統計學分析無法開展（結論可靠性降低）。影像學數據來源64 排螺旋CT，對于小年齡患兒，肱骨遠端軟骨成分較多，CT 不顯影，若采用磁共振影像可更好地展示解剖特征。3D 打印導航模板采用PLA 材料，不耐高溫，消毒需較長時間，且術中存在碎屑污染的風險。導航模板理論上可以糾正矢狀面屈伸畸形、水平面旋轉畸形，在我們的研究中體現不深入，主要原因是納入研究的11 例患兒存在其他維度畸形不明顯，考慮到兒童有自我塑形能力和術者手術操作習慣，我們偏保守，后期將開展三維矯形工作。術前計算機規劃設計和3D導航模板打印耗費工時，醫生需要掌握處理成像數據的技術，導航模板打印增加了患兒的治療費用，對于這一缺點，我們認為隨著科技的進步和發展，病例的積累，該技術成本會顯著降低。

綜上所述，設計出個性化導航模板有利于手術操作，能簡化操作程序，提高術中定位和截骨角度的精確性，減少手術操作時間，是一種切實可行的手術方法。