實體鏡像對比技術聯合切割預制技術在特殊類型踝關節骨折中應用的臨床療效評價

嚴曉薇, 隋 磊, 李小東, 薛鑫鑫, 司景元, 劉 飛, 姜洪濤, 孔 宇, 王 培

(承德醫學院附屬醫院手足外科, 河北 承德 067000)

踝關節是人體的負重關節,功能極為重要,踝關節骨折是最為多見的下肢關節內骨折。踝關節骨折的分型及類型較多,有種較為少見的特殊類型的踝關節骨折,即伴有踝關節骨性結構缺損的骨折,臨床上處理較為棘手,具有治療難度大、并發癥多、致殘率高等特點,若處理不恰當,會出現嚴重的關節功能障礙、難以忍受的疼痛,嚴重影響患者的生活質量[1]。對于骨性結構的缺損,予以精確的修復重建,術前規劃就顯得極為重要。目前學術界針對這類特殊類型的踝關節骨折,傳統的術前規劃主要依賴影像學資料,例如:X線、CT等檢查,只能在大體上制定手術方案,無法形成缺損骨質的外觀形態,無法精確計算丟失骨質的體積,存在不可避免的缺點,需要研發新的方法解決上述問題。現階段以3D打印鏡像對比技術及切割預制技術等為代表的骨科數字技術,可以打印等比的實物模型,依據臨床需求予以模型切割,提供骨組織缺損的精確形態,同時模擬手術過程,使手術可視化,為個性化治療提供了可能性[2]。我科室將上述技術應用在特殊類型踝關節骨折的術前規劃中,與傳統的術前規劃方式進行比較研究,客觀評價其療效,為臨床診療提供合理的決策依據,現報道如下。

1 資料與方法

1.1一般資料:2015年5月至2022年6月,該院收治的63例符合特殊類型踝關節骨折診斷標準的患者,按照術前規劃的方式,分為數字技術組(即應用實體鏡像對比技術聯合切割預制技術進行術前規劃)31例,車禍傷14例,輾壓傷8例,壓砸傷5例,其他原因傷4例;影像學技術組(即應用影像學資料進行術前規劃)32例,車禍傷15例,壓砸傷6例,輾壓傷7例,其他原因傷4例。兩組間手術前一般情況的各項指標比較差異均無統計學意義(P>0.05),可進行該研究(詳見表1)。承德醫學院附屬醫院醫學倫理委員會批準實施,倫理編號(CYFYLL2022497),所有研究對象均知曉倫理權責。納入標準:①單側踝關節骨折;②踝關節骨性結構缺損,波及關節面;③若為開放性踝關節骨折,患者要求Ⅱ期手術踝關節骨性結構重建;④均未合并顱腦、胸腹臟器損傷;⑤髂骨骨性結構正常;⑥檢查指標評估顯示患者可以耐受該術式。排除標準:①患者雙側踝關節骨折;②健側踝關節病理性骨折、陳舊性骨折;③健側踝關節存在先天性畸形、后天缺失;④患側踝關節感染、骨髓炎。

表1 兩組手術前一般情況的各項指標比較

1.2手術治療:若患者踝關節為開放性骨折,需Ⅰ期行踝關節清創、支具外固定術,伴(或不伴)封閉式負壓引流術,待創面條件改善,未見明顯滲出及感染病灶,可實施下一步手術;若患者踝關節為閉合性骨折,不需行此步手術。

1.2.1數字技術組:①實體鏡像對比技術+切割預制技術的實施:依據CT掃描雙側踝關節建立的數據庫,提取原始DICOM數據,導入Mimics軟件,獲取患者雙側踝關節骨性結構的三維模型,進而獲得所需患者的三維虛擬數字模型,最后以STL文件輸出。將存儲的STL文件通過3D打印機,以丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物為原料進行模型打印,逐層加工最終去除支撐及平臺得到需要的等比的健側、患側踝關節的實體模型,依據患側模型,在健側模型上精準確定缺損的骨質范圍,并在健側模型上予以精確的切割,再在患側模型上進行組裝及驗證,確定骨質缺損的最終模型;②髂骨取骨模型的形成及模擬手術:依據CT掃描同側髂骨建立的數據庫,提取原始DICOM數據,導入Mimics軟件,應用3D儀器打印形成同側髂骨的實體模型,將上述確定的骨質缺損最終模型,在髂骨實體模型上進行比對,確立取骨的最佳區域。將取下的髂骨塊,在患側踝關節模型上模擬實施手術,確定植入物規格、位置及螺釘長度,予以拼合和臨時固定;③實施取同側髂骨游離移植重建踝關節骨質缺損內固定術式:按照模擬手術計劃,進行手術入路,暴露骨結構缺損的斷端,依據上述確定的骨質缺損模型,在同側髂骨上切取骨源骨塊,切取1/2髂前上棘及其附著的1/2闊筋膜張肌腱膜和縫匠肌肌腱,以用于受區的韌帶修復。骨源的切取范圍為能滿足固定和修復踝關節面的需要,非關節面部分若骨量不足,可予以植骨填充。將骨塊移植至踝關節缺損處,恢復關節面平整,復位成功后鋼板螺釘系統固定,閉合創面。

1.2.2影像學技術組:①依據患者足踝部X線、CT,測量骨缺損范圍,制定重建方案;②確定無凝血功能障礙、活動性出血等手術禁忌證后,暴露骨結構缺損的斷端,依據放射學確定的骨質缺損的體積,予以術中測量及確定供區,在同側髂骨上切取骨源骨塊,骨源的切取范圍應盡量充足,同時攜帶上周圍肌肉的腱膜,用于受區的韌帶修復,將骨塊移植至踝關節缺損處,按照骨缺損的實際形狀,一邊比對一邊修剪骨塊,確定最終骨塊的外形,恢復關節面平整,予以固定,閉合創面。

1.2.3術后處理:予以補液、抗炎、抗凝等常規治療。術后1周踝關節正側位X線片檢查。每月定期復查,行X線檢查1次,決定完全負重及功能康復的時間。

1.3觀察指標

1.3.1圍手術期觀察指標:①術前規劃費用:實體鏡像對比技術、切割預制技術實施的相關費用;影像學資料(包括X線、CT、MRI等)的費用;②術前規劃時間:包括雙側實體模型建立、髂骨模型建立、確定取骨區域、體外模擬手術等步驟所需要的時間;依據影像學資料測量確定骨缺損范圍的時間;③術中總出血量:特指實施取同側髂骨游離移植重建踝關節骨質缺損內固定術的出血量,包括:創面清潔、取髂骨、固定髂骨及閉合創面的出血量;④術中時間:特指實施取同側髂骨游離移植重建踝關節骨質缺損內固定術的時間,從手術開始到閉合創面的時間;⑤Burwell-Charnley解剖復位率:術后1周踝關節正側位X線片,觀察骨折塊側方移位、成角移位以及是否存在距骨移位等,采用Burwell-Charnley標準對患者骨折復位程度進行評價,分為解剖復位、一般復位和較差復位3個等級。術后骨折解剖復位的患者總例數/本組患者例數×100%。

1.3.2隨訪評價指標:①并發癥發生率:隨訪并發癥包括:切口感染、深靜脈血栓形成、關節僵硬、畸形愈合、腓骨肌腱疼痛及創傷性關節炎等。術后并發癥發生率=發生并發癥的患者總例數/本組患者例數×100%;②骨折愈合時間:患肢體踝關節X線照片顯示骨折線模糊,有連續性骨痂通過骨折線,同時局部無壓痛,無縱向叩擊痛及無異常活動等,即可認為骨折愈合,記錄此時間;③完全負重時間:負重時承擔的體重占到正常體重的100%,稱為完全負重,記錄此時間;④美國足踝外科協會(American 0rthopedic Foot Ankle Society,AOFAS)踝-后足功能評分[3]:評定標準:優:90～100 分;良:75～89分;一般:50～74 分; 差:低于50分,術后9個月的數值;⑤患側足底壓力:利用足底力學分析儀,采集患足負重時的壓力,采集術前、術后3個月、術后6個月的數值;⑥關節活動范圍的度數(Range of motion,ROM):即患側肢體踝關節背伸與跖屈的度數之和,采集術前、術后3個月、術后6個月的數值。

2 結 果

2.1兩組圍手術期觀察指標的比較:術前規劃費用、術前規劃時間、Burwell-Charnley解剖復位率,數字技術組多(高)于影像學技術組,兩組間比較差異均有統計學意義(P<0.05)。術中總出血量、術中時間,數字技術組低(少)于影像學技術組,兩組間比較差異均有統計學意義(P<0.05)。見表2。

表2 兩組圍手術期相關指標的比較

2.2兩組隨訪療效評價指標的比較:患者均獲得隨訪,隨訪9～13個月,平均(11.23±2.62)個月,數字技術組病例未出現切口感染、骨髓炎、骨質不愈合等并發癥,1例患者腓靜脈血栓形成,請血管外科會診處理,隨訪效果滿意;1例患者出現踝關節僵硬,保守治療緩解;1例出現創傷性關節炎,行關節融合術,術后疼痛顯著改善。影像學技術組病例1例患者出現切口軟組織感染,予以換藥、藥敏分析、調整抗生素,術后22d愈合;1例患者腘靜脈血栓形成,請專科會診處理,深靜脈血栓清除;1例患者出現踝關節僵硬,保守治療緩解;2例出現創傷性關節炎,關節融合術,疼痛緩解。骨折愈合時間、完全負重時間、并發癥發生率,數字技術組少(低)于影像學技術組,兩組間比較差異均有統計學意義(P<0.05);AOFAS評分,數字技術組高于影像學技術組,兩組間比較差異均有統計學意義(P<0.05)。見表3。

表3 兩組隨訪療效評價指標的比較

2.3兩組干預不同時間點足底壓力及ROM度數的比較:運用重復測量方差結果顯示:數字技術組對于患側足底壓力提高作用強于影像學技術組,組間比較具有統計學差異(F組間=429.42,P<0.001);患側足底壓力隨著不同時間點變化而變化,兩組比較具有統計學差異(F時間=1938.22,P<0.001);兩組的患側足底壓力存在顯著的組間與時間的交互效應,表現為數字技術組上升幅度高于影像學技術組,具有統計學差異(F時間×組間=1842.19,P<0.001)。數字技術組對于患側ROM度數提高作用強于影像學技術組,組間比較具有統計學差異(F組間=244.17,P<0.001);患側ROM度數隨著不同時間點變化而變化,兩組比較具有統計學差異(F時間=850.01,P<0.001);兩組的患側ROM度數存在顯著的組間與時間的交互效應,表現為數字技術組上升幅度高于影像學技術組,具有統計學差異(F時間×組間=753.82,P<0.001)。見表4。

表4 兩組干預不同時間點足底壓力及運動參數的比較

2.4典型病例:患者,女性,26歲,因車禍傷導致右內踝關節骨性結構缺損(圖1),放射學資料(圖2,3),應用實體鏡像對比技術打印患側及健側3D模型,利用切割預制技術精準生成缺損骨塊(圖4,5),運用三維打印技術呈現與患肢同側的髂骨3D模型,將缺損骨塊在髂骨3D模型上進行比對,確定最佳取骨區域(圖6),依據缺損骨塊的模型,在患者髂骨上切取右側踝關節骨質缺損的帶關節面的骨塊(圖7),在患肢上予以固定(圖8),術后14d拆線,切口Ⅰ期愈合。術后6周開始踝關節非負重功能鍛煉,3個月X線示骨痂形成(圖9,10),踝關節間隙正常。行患肢負重功能鍛煉,隨訪11個月,踝關節屈伸活動范圍45～60度,步態正常,行走無明顯疼痛,評分92分,踝功能為優(圖11,12)。

圖1～12 典型病例

3 討 論

特殊類型踝關節骨折術前規劃的現狀:隨著高速交通、重工業的發展,踝關節創傷疾病日益上升,踝關節骨折在足踝部骨折的發病率已躍升為首位,當創傷暴力較大的時候,會出現骨性結構缺損的踝關節骨折,這種特殊類型的踝關節骨折,很難自行修復,如果治療不及時,易發生不可逆的病理改變,出現創傷性關節炎、活動功能障礙等嚴重并發癥,導致患者踝關節疼痛率高達81%,后期踝關節功能喪失,嚴重影響患者活動和生活質量,處理較為困難,是骨科臨床工作的熱點[4]。當前學界的修復重建術式,主要依靠良好的術前規劃方案,臨床醫生利用影像學資料進行測量,收集數據制定術前規劃,但針對骨質缺損沒有一個可供術者參考的“模板”,骨質缺損的大小、形狀、角度等參數均無法進行精準測量,上述傳統的術前規劃難以令人滿意,治療效果不佳。所以,需要研發新的治療方法,根據踝關節缺損程度給予骨性組織精準重建,建立科學、高效的術前規劃方案,恢復損傷肢體的最大功能,擴大患者群體的臨床收益。

實體鏡像對比技術聯合模擬切割預制技術在特殊類型踝關節骨折中應用的可行性、臨床療效及優缺點:①該技術的可行性及臨床療效:現階段隨著 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,使構建實體術前模型成為可能。以實體鏡像對比技術為代表的3D打印數字骨科技術,在患側肢體骨質缺損的情況下,以健側正常肢體為“鏡像標準”,創新性的使患側肢體的正常結構以實物模型再現,將其與患側肢體的骨質缺損的實體模型,應用三維位點標記及切割預制技術,使丟失部分的踝關節骨性結構,立體實物再現,讓骨質缺損的精確重建成為可能,最后模擬手術過程,建立科學的術前規劃,設計最佳手術方案,指導臨床應用,所以該技術在特殊類型踝關節骨折術前規劃中應用具備可行性、可操作性。我科應用該技術對31例特殊類型踝關節骨折進行術前計劃,患者術中總出血量、術中時間較傳統的影像學技術指導的患者顯著減少,手術創傷降低,踝關節骨折解剖復位率提高,患者嚴格隨訪,骨折愈合時間、完全負重時間較為滿意,術后患肢足底壓力、ROM度數,與術前數值及影像學技術組數值比較,明顯改善(P<0.05),臨床效果顯著。②該技術應用的優點:該技術通過CT掃描健側、患側的踝關節骨性結構,通過鏡像對比技術和分割預制技術,獲取缺損組織的數據,采用三維打印技術打印出踝關節骨組織缺損形態的實物模型,為手術實施提供良好術前規劃,同時打印出同側的髂骨模型,可依據缺損形態確定最佳的骨性供區,明顯降低供區的組織浪費,將副損傷降至最低[5];3D打印提供等比的實物模型,提供骨組織缺損的精確形態,使手術“可視”化,體外進行模擬手術,確定合適型號的鈦板及螺釘,對內置入物進行預塑形,最大限度縮短手術過程中測量所需的時間,提高手術操作的熟練度,極大提高手術效率,而傳統術前規劃憑借影像學資料,進行二維平面圖像分析,不能將骨質缺損實物再現,也無法精確測量,更不能模擬手術,臨床療效不滿意[6];數字技術指導下的術前規劃,依據骨質缺損的實物模型,保證良好的形態學匹配,使其精確“立體復原”,制定個性化入路,有效避開重要血管、神經,提高手術的安全性[7]。③該技術應用的不足:具備3D打印的設備、原料及專業技術人員,需要院內、外多部門協作,故在基層醫院實施該技術,具有一定難度;該組病例術前規劃的費用平均(1735.48±145.28)元,術前規劃時間平均(5.68±1.42)h,而傳統術前規劃應用X線、CT等放射學資料進行術前規劃,不需要該研究的費用和時間付出,所以從衛生經濟學方面考慮,該技術會增加患者的經濟、時間負擔;該技術應用范圍受限,若健側踝關節病理性骨折、陳舊性骨折及先天性畸形等情況,不適用該技術。

實體鏡像對比技術聯合模擬切割預制技術在特殊類型踝關節骨折術前規劃中應用的注意事項:①該技術在特殊類型踝關節骨折術前規劃中應用,臨床療效滿意,但需要CT掃描雙側踝關節、單側髂骨,導致輻射量較傳統的手術方法有所提高;同時3D打印實體鏡像對比技術及切割預制技術,是一項新穎、創新的工業技術[8],將其應用在修復重建領域,患者及家屬對這項技術不甚理解,容易產生焦慮和不解,因此在手術規劃期間需要加強患者健康教育,利用患者的3D打印實體模型與其本人及親屬術前告知,詳細介紹該技術的優勢,增強患者治療的依從性及配合度,減輕患者的心理負擔,提高了患者對手術的整體滿意度,減少醫療糾紛的發生,保障醫療安全。②該研究應用髂骨作為踝關節骨質缺損的供區模板,并未選擇腓骨頭及股骨髁,這是由于:髂骨作為供區操作相對簡單,對神經、血管的損傷可能性較小,手術副損傷較低,不會遺留嚴重的并發癥;同時髂骨是具一定弧度的扁平骨,不同區域的角度具有多樣性,可以適應外踝、內踝等部位的弧度改變,髂骨骨質密度和踝關節也比較接近,具有較為顯著的力學優勢,髂骨體積較大,切取髂骨后可以依據3D打印預制模型進行修剪,供區與受區匹配度更高;長期臨床觀察發現,患者踝關節負重后,髂骨骨膜在應力作用下具有轉化為關節軟骨的能力,比較腓骨頭及股骨髁具有優勢,更好的恢復患側踝關節功能,故該術式應用髂骨作為踝關節骨質缺損的供區[9]。③踝關節的三維結構不規則,鈦板的放置及塑形較為困難,術后易發生畸形,影響治療效果,所以術前規劃可基于實體鏡像對比技術,利用健側對稱的、正常的踝關節骨性結構,對鈦板進行預塑形,確定內置物的型號、位置、長度及形狀,確保術中對骨折精準復位,使鈦板更佳附著于踝關節骨質,使無效固定的發生率降低,同時進行術前演練,模擬不同的手術入路、多樣的體位變化、科學的骨折塊復位順序,以提高手術操作的精確性[10]。

臨床中,完全復原踝關節骨性缺損是不可能的,只能無限的接近丟失的踝關節骨性組織,以3D打印技術為代表的數字骨科技術的出現,可能是一個突破口,將其應用在踝關節骨性缺損中,是一種有益的探索和嘗試,臨床療效確實,值得臨床推廣。但該研究也有一定的局限性:納入的樣本數量較少且缺乏長期隨訪,結果可能存在一定的偏差,期待日后進行大樣本研究,得出更為可靠的結論。