3D打印技術(shù)在成人距骨骨折手術(shù)中的臨床應(yīng)用

孫曉亮，官建中，吳敏，周建生

距骨骨折屬于較少見的足部跗骨骨折，大部分距骨體及移位的HawkinsⅡ～Ⅳ型距骨頸骨折[1]均需要手術(shù)治療，手術(shù)治療的原則是保護(hù)血運前提下解剖復(fù)位骨折，穩(wěn)定及合理的固定，早期康復(fù)。但距骨的位置特殊位于踝穴內(nèi)，且外形不規(guī)則解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，手術(shù)視野受限，而手術(shù)入路及內(nèi)固定方式選擇是手術(shù)的難點，不合理的手術(shù)方案及操作會增加距骨缺血性壞死及創(chuàng)傷性關(guān)節(jié)炎風(fēng)險。3D打印技術(shù)近幾年在創(chuàng)傷骨科、關(guān)節(jié)外科及脊柱外科領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，體現(xiàn)出其獨特的優(yōu)勢，可以實體重現(xiàn)手術(shù)部位解剖特點[2]，幫助術(shù)者對手術(shù)部位病變進(jìn)行更為全面的觀察，制定合理的手術(shù)方案?；?D打印技術(shù)的特點，本研究對2016年1月至2017年10月蚌埠醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院骨科收治的8例成人新鮮距骨骨折病人(受傷時間3周內(nèi))，利用3D打印1∶1實體模型進(jìn)行骨折的分型，術(shù)前制定合理的手術(shù)方案，提供了更為精準(zhǔn)的術(shù)前設(shè)計，取得滿意效果。

1 資料與方法

1.1 一般資料收集2016年1月至2017年10月蚌埠醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院骨科收治的8例距骨骨折病人的資料，其中男性6例，女性2例；年齡范圍32～79歲；均為單側(cè)骨折，左側(cè)5例，右側(cè)3例。受傷原因：高處墜落傷7例，車禍傷1例，受傷至手術(shù)的時間為48～72 h，平均為60 h。8例病人均為閉合性損傷。按骨折線部位分為距骨頸5例及距骨體骨折3例；將距骨頸骨折按Hawkins分型標(biāo)準(zhǔn)[3]：Ⅱ型(距骨頸骨折并距下關(guān)節(jié)脫位)3例(37.5%)；Ⅲ型(距骨頸移位骨折，伴有距下關(guān)節(jié)及脛距關(guān)節(jié)半脫位或全脫位)1例(12.5%)；Ⅳ型(距骨頸移位骨折，合并脛距、距下及距舟關(guān)節(jié)的半脫位或全脫位)1例(12.5%)。將距骨體骨折按Sneppen分型標(biāo)準(zhǔn)[4]：Ⅱ型(距骨體冠狀面、矢狀面或水平面的骨折)2例(25.0%)；Ⅲ型(距骨后突骨折)1例(12.5%)。入院后所有病人均行踝關(guān)節(jié)正側(cè)位X線片及踝關(guān)節(jié)薄層CT掃描。所有病人手術(shù)均由同一組醫(yī)師完成，采用切開復(fù)位及Herbert螺釘或單頭中空螺釘內(nèi)固定。

1.2 納入與排除標(biāo)準(zhǔn)納入標(biāo)準(zhǔn)：距骨骨折病人，包括合并周圍踝關(guān)節(jié)骨折病人，對于骨折移位的 HawkinsⅡ～Ⅳ型距骨頸骨折，SneppenⅠ～Ⅳ型距骨體骨折，受傷時間<3周，隨訪時間>6個月者。排除標(biāo)準(zhǔn)：開放性骨折需一期復(fù)位內(nèi)固定病人，有嚴(yán)重心肺腦疾病無法耐受手術(shù)者。本研究符合《世界醫(yī)學(xué)協(xié)會赫爾辛基宣言》相關(guān)要求,征得病人或其近親屬同意并簽署知情同意書。

1.3 數(shù)字化三維重建與3D打印模型的制作設(shè)備采用蚌埠醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院醫(yī)學(xué)影像中心64排螺旋CT(GE公司)進(jìn)行踝關(guān)節(jié)掃描。掃描容積層厚為5.00 mm，矩陣為512×512，掃描后進(jìn)行骨窗重建，重建厚度為1 mm，掃描后數(shù)據(jù)結(jié)果以DICOM格式輸入到Mimics17.0,選擇無損壓縮模式，確定圖像的空間方位，完成數(shù)據(jù)導(dǎo)入，采用閾值分割和區(qū)域增長技術(shù)重建骨骼模型，再利用模擬(Simulation)模塊中鏡像(Mirror)和布爾運算(Boolean)等功能生成三維模型，以STL文件輸出。將存儲的STL文件通過M400熔融沉積制造3D打印機(上海昕建醫(yī)療科技公司)，利用聚乳酸材料，逐層加工最終去除支撐及平臺得到需要的1∶1模型。根據(jù)術(shù)前3D打印模型明確距骨骨折的結(jié)構(gòu)特點，制定合理的手術(shù)方案，選擇合適的內(nèi)固定物。同時術(shù)前可利用3D打印模型向病人家屬講解手術(shù)過程，進(jìn)行術(shù)前談話，這有利于醫(yī)患的溝通。

1.4 手術(shù)方法的制定與模擬基于打印的1∶1實體踝關(guān)節(jié)模型，明確距骨骨折的類型，骨折線走向及游離骨塊移位程度及方向，初步制定手術(shù)入路及內(nèi)固定裝置，包括經(jīng)內(nèi)踝截骨入路4例，外踝截骨1例，踝關(guān)節(jié)前內(nèi)側(cè)及前外側(cè)各1例，踝關(guān)節(jié)內(nèi)外側(cè)聯(lián)合入路1例[5]，內(nèi)固定裝置包括Herbert螺釘及單頭空心加壓螺釘，在快速原型上模擬截骨，充分顯露脛距，距下及距舟關(guān)節(jié)，在直視下將骨折塊復(fù)位，選擇合理內(nèi)固定物固定。手術(shù)過程：麻醉成功后，患肢大腿上1/3處捆綁電動止血帶，取仰臥位，消毒鋪巾。具體病人的體位和手術(shù)入路由3D打印模型所顯示骨折的程度及具體類型決定。(1)如游離骨塊位于后內(nèi)側(cè)，采用內(nèi)踝偏后側(cè)縱弧行切口，自內(nèi)踝上方5 cm越過內(nèi)踝尖彎曲向前下，前后拉開皮膚及皮下組織，暴露內(nèi)踝及三角韌帶。預(yù)先用鉆頭在內(nèi)踝尖向近端鉆2個孔，以備手術(shù)完畢后固定內(nèi)踝截骨塊，于內(nèi)踝平脛骨內(nèi)側(cè)穹頂處橫行截骨并標(biāo)記，將內(nèi)踝以三角韌帶為蒂向下翻轉(zhuǎn)。分別將踝關(guān)節(jié)內(nèi)翻或外翻，顯露距骨體及距骨頸，直視下利用充分的對抗?fàn)恳?，將前足背伸，增大踝關(guān)節(jié)空間，復(fù)位距骨體關(guān)節(jié)面，并在距骨頸進(jìn)針，向距骨體打入數(shù)枚導(dǎo)針，透視下復(fù)位及導(dǎo)針方向滿意后，打入無頭加壓空心螺釘，復(fù)位內(nèi)踝截骨塊，2枚空心釘固定內(nèi)踝骨塊，常規(guī)閉合切口。(2)如游離骨塊位于外側(cè)，取外踝后下緣弧形切口，長約10 cm，顯露外踝，于下脛腓聯(lián)合下方約1 cm處行外踝橫行截骨，以跟腓韌帶為蒂向下翻轉(zhuǎn)外踝，充分顯露距骨頭、頸、體及后跟距關(guān)節(jié)面，復(fù)位距骨骨折，用Herbert螺釘固定，外踝截骨處用克氏針鋼絲張力帶固定，常規(guī)關(guān)閉切口，留置負(fù)壓引流管。

1.5 術(shù)后處理術(shù)后24～48 h內(nèi)拔除引流管，術(shù)后短腿石膏踝關(guān)節(jié)功能位固定6～8周，術(shù)后謹(jǐn)防下肢深靜脈血栓，血腫及感染。術(shù)后當(dāng)天即可開始足趾活動，根據(jù)隨訪踝關(guān)節(jié)X線片骨折愈合情況決定下地負(fù)重時間。術(shù)后常規(guī)復(fù)查踝關(guān)節(jié)正側(cè)位X線片。

1.6 療效評定術(shù)后功能根據(jù)美國矯形外科足踝協(xié)會(AOFAS)標(biāo)準(zhǔn)[6]進(jìn)行療效評定，按照踝關(guān)節(jié)疼痛(40分)，功能和自主活動，支撐情況(10分)，最大步行距離(街區(qū)數(shù))(5分)，地面步行(5分)，反常步態(tài)(8分)，前后活動(屈曲加伸展)(8分)，后足活動(內(nèi)翻加外翻)(6分)，踝-后足穩(wěn)定性(前后，內(nèi)翻-外翻)(8分)，足部對線(10分)，總分：優(yōu)為90～100分；良為75～89分；可為50～74分；差為50分以下；術(shù)前后疼痛評價采用疼痛視覺模擬(VAS)評分。

1.7 統(tǒng)計學(xué)方法本研究對8例病人手術(shù)前后AOFAS和VAS評分的比較，屬于配對設(shè)計資料，因此首先要對手術(shù)前后評分的差值進(jìn)行正態(tài)性檢驗，運用SPSS 22.0軟件處理，采用K-S方法檢驗，得出AOFAS評分差值(P=0.2>0.05),VAS評分差值(P=0.2>0.05)，均服從正態(tài)性分布，故采用配對樣本的t檢驗進(jìn)行比較，以P<0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

所有病人均按照術(shù)前3D打印模型所制定的計劃手術(shù)，進(jìn)行術(shù)中、術(shù)后均未損傷重要血管、神經(jīng)及肌腱，內(nèi)側(cè)入路切口長度5～8 cm，平均6 cm，無明顯失血。1例術(shù)后切口出現(xiàn)延遲愈合，經(jīng)二次清創(chuàng)縫合后愈合。術(shù)后均未出現(xiàn)深靜脈血栓形成，8例病人術(shù)后獲6～18個月(平均10.3個月)隨訪，骨折愈合時間為9～12周(平均10.2周)。均獲得骨性愈合。隨訪過程中所有病人均未出現(xiàn)復(fù)位丟失、內(nèi)固定松動及距骨壞死等并發(fā)癥。AOFAS評分由術(shù)前平均(5.6±3.8)分提高到末次隨訪的(89.3±8.0)分，采用配對樣本t檢驗，手術(shù)前后差異有統(tǒng)計學(xué)意義(t=16.502，P<0.001)。按AOFAS評分標(biāo)準(zhǔn)術(shù)后優(yōu)5例，良2例，中1例，優(yōu)良率87.5%；VAS評分也由術(shù)前平均(9.4±0.8)分降為術(shù)后末次隨訪的(1.1±0.8)分，采用配對樣本t檢驗，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(t=23.134，P<0.001)，疼痛改善明顯。

典型病例：男性，55歲，系高處墜落傷病人，診斷為：左側(cè)距骨體骨折。術(shù)前踝關(guān)節(jié)三維CT檢查，經(jīng)MIMICS軟件處理后，導(dǎo)入3D打印機，打印1∶1實體模型，進(jìn)行詳細(xì)術(shù)前規(guī)劃后，設(shè)計手術(shù)入路及內(nèi)固定選擇，予以經(jīng)內(nèi)踝截骨+復(fù)位+空心螺釘內(nèi)固定術(shù)。術(shù)后隨訪X線片見恢復(fù)良好，見圖1。

圖1 典型病例影像圖：a，b圖為術(shù)前踝關(guān)節(jié)正側(cè)位X線片；c圖為3D打印距骨骨折1∶1模型；d，e圖為術(shù)中C臂X光機透視影像；f圖為術(shù)后3個月復(fù)查踝關(guān)節(jié)正側(cè)位片

3 討論

隨著近些年3D打印技術(shù)在骨科領(lǐng)域的快速發(fā)展，在創(chuàng)傷骨科方面，尤其針對復(fù)雜的足踝部骨折，3D打印技術(shù)體現(xiàn)出其獨特的優(yōu)勢，石維祥等[7]利用3D打印內(nèi)外踝尖部撕脫骨折模型，術(shù)前參照模型進(jìn)行鋼板塑形，術(shù)中鋼板與骨面貼敷良好，術(shù)后骨折愈合率及AOFAS評分優(yōu)良率均高于石膏外固定組。李玉泉等[8]將6例陳舊性距骨骨折病兒足踝部CT數(shù)據(jù),進(jìn)行三維重建和1∶1的3D打印,在模型上進(jìn)行預(yù)手術(shù),提供詳細(xì)的術(shù)前計劃，手術(shù)過程順利，效果良好。但目前3D打印技術(shù)在成人距骨骨折應(yīng)用的報道較少。

對于距骨骨折的手術(shù)治療，良好的復(fù)位及固定需要以合理的手術(shù)方案為前提，既要清楚顯露骨折部位又能減少對距骨血運的破壞，有學(xué)者[9]對距骨骨折手術(shù)后距骨壞死率做了臨床研究，結(jié)果顯示距骨頸骨折缺血性壞死的總發(fā)生率為31.2%，其中HawkinsⅠ～Ⅳ型骨折距骨壞死的發(fā)生率分別為 9.8%，27.4%，53.4%及48.0%；而文獻(xiàn)[10]結(jié)果顯示，相比距骨體骨折，距骨頸骨折更易發(fā)生壞死，且分型越高壞死率越高；較高的壞死率使距骨骨折的治療更為棘手，怎樣降低壞死率是目前研究的熱點，張璽等[11]利用三維數(shù)字化技術(shù)獲得距骨頸和跗骨管的高度值，獲得螺釘自距骨頸穿出進(jìn)入跗骨管的模型；獲得以距骨內(nèi)側(cè)壁遠(yuǎn)端中1/3和下1/3為入點、自不同方向置人時螺釘?shù)拈L度值和角度值，計算出螺釘不同固定方向的長度、角度的安全范圍，認(rèn)為距骨內(nèi)側(cè)壁中1/3是螺釘固定的良好入釘點。但是在手術(shù)中怎么確定具體解剖位置及入釘點，往往并不容易，此時3D打印技術(shù)便體現(xiàn)出其優(yōu)勢。

我們將3D打印技術(shù)同骨折切開復(fù)位內(nèi)固定術(shù)結(jié)合起來，解決手術(shù)中的核心難點：(1)手術(shù)顯露的問題，距骨位置特殊，不容易顯露影響術(shù)中對骨折的觀察；(2)內(nèi)固定物的植入位置及其分布，距骨形態(tài)不規(guī)則，內(nèi)固定位置暫時未形成共識，如何最大限度保護(hù)距骨殘留的血供，減少醫(yī)源性損傷。既往的骨折復(fù)位往往只能依靠術(shù)前對影像的閱讀及術(shù)中的反復(fù)透視，憑術(shù)者的經(jīng)驗進(jìn)行術(shù)中的骨折復(fù)位及內(nèi)固定物植入，而3D打印模型則提供了真實的參照模型，本研究選取距骨頸骨折病人5例及距骨體骨折3例，均屬于復(fù)雜的距骨骨折，根據(jù)術(shù)前計劃實施手術(shù)，術(shù)中未臨時更改手術(shù)方案，手術(shù)均順利進(jìn)行，根據(jù)術(shù)前對模型的觀察，確定Herbert螺釘在距骨的入釘點，最大限度保護(hù)距骨血供，減少了術(shù)者及病人X光透視次數(shù)，術(shù)后AOFAS評分優(yōu)良率達(dá)到87.5%。8例病人中男女比例達(dá)3∶1，這與男性多從事高空作業(yè)有關(guān)，高處墜落傷病人占87.5%，均為高能量損傷。有2例合并踝關(guān)節(jié)骨折，經(jīng)3D打印模型觀察后，術(shù)中直接將內(nèi)踝骨折塊掀起顯露距骨，并未行內(nèi)踝截骨，實體模型精確指導(dǎo)手術(shù)。其中1例年齡78歲的男性病人發(fā)生術(shù)后切口延遲愈合，可能與病人長期吸煙史及下肢靜脈曲張有關(guān)，后經(jīng)二期清創(chuàng)縫合后愈合。在隨訪期內(nèi)8例病人均未發(fā)生距骨壞死，一定程度上得益于術(shù)前的合理手術(shù)方案，將復(fù)雜骨折簡單化處理，縮短手術(shù)時間，加速功能康復(fù)。通過將3D打印技術(shù)初步應(yīng)用于距骨骨折臨床，筆者認(rèn)為應(yīng)注意以下兩個方面：(1)在實體模型打印完成后，在觀察模型時需與周圍的血管，韌帶神經(jīng)的走行和病人局部皮膚軟組織條件相結(jié)合，避免將手術(shù)方案設(shè)計的過于理想化，脫離實際解剖；(2)在進(jìn)行3D打印時，一定要包括周圍的跟骨，骰骨及足舟骨和下脛腓，保證重現(xiàn)完整的骨關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，才能使手術(shù)方案更為全面。

綜上所述，對于復(fù)雜的距骨骨折病例，3D打印技術(shù)可以提供準(zhǔn)確的術(shù)前規(guī)劃，能夠提高切開復(fù)位內(nèi)固定術(shù)的成功率，減少術(shù)后并發(fā)癥，達(dá)到精準(zhǔn)化及個體化治療的目的。但本研究仍存在一定的局限性，研究的病例數(shù)相對較少且未設(shè)置對照組，后期將進(jìn)一步擴大樣本量進(jìn)行研究。另外隨訪時間尚短，對遠(yuǎn)期距骨壞死及創(chuàng)傷性關(guān)節(jié)炎的發(fā)生缺乏進(jìn)一步的觀察，其次CT掃描層厚較厚，導(dǎo)致3D打印精度欠佳，影響術(shù)中精準(zhǔn)操作，采用的3D打印技術(shù)僅能顯示骨的結(jié)構(gòu)，暫不能顯示軟組織(包括踝關(guān)節(jié)周圍的神經(jīng)血管及韌帶)，尚不能提供可預(yù)手術(shù)的完整實體模型。