內(nèi)踝斜形截骨角度數(shù)字化分析與3D打印個性化截骨導板的臨床運用

黃雯潔 黃若昆 歐陽斐 趙晶晶 雷波 吳明正 張紹華

武漢市第四醫(yī)院，華中科技大學同濟醫(yī)學院附屬普愛醫(yī)院足踝外科（武漢 430033）

對于慢性距骨骨軟骨損傷和外傷導致的距骨體粉碎性骨折，因距骨周圍均有骨性遮擋，常規(guī)前外側(cè)和前內(nèi)側(cè)手術(shù)入路顯露距骨體部及內(nèi)側(cè)后中部關(guān)節(jié)面不清，術(shù)中很難對距骨有效顯露與操作處理。采取內(nèi)踝截骨是臨床常選取的手術(shù)方式[1]。內(nèi)踝截骨文獻報道有不同截骨方式。1947年RAY等[2]最早描述內(nèi)踝橫形截骨，此后相繼有不同類型的截骨方式報道，包括倒V形截骨、弧形截骨、梯形和倒U形截骨[3-4]。內(nèi)踝斜形截骨具有操作簡便、顯露充分、再復位固定可靠的特點，是臨床工作中最常采用的手術(shù)方式。在獲得良好手術(shù)視野顯露的同時，截骨需盡量避免破壞脛骨負重關(guān)節(jié)面，復位固定后獲得良好的關(guān)節(jié)面匹配，避免醫(yī)源性關(guān)節(jié)炎的發(fā)生。截骨線相對于脛骨遠端關(guān)節(jié)面過于垂直或水平易導致關(guān)節(jié)面不匹配（如出現(xiàn)截骨關(guān)節(jié)面處臺階感）或內(nèi)踝固定后短縮移位。斜形截骨在已往的文獻中很少提及截骨角度方向，有作者建議45°角度值截骨[5]，但沒有一個基于影像學數(shù)據(jù)測量及如何指導臨床手術(shù)的報道。本研究通過數(shù)字化技術(shù)手段，對內(nèi)踝斜形截骨平面角度進行測量，并結(jié)合3D打印個性化截骨導板行臨床驗證。

1 資料與方法

1.1 一般資料通過本院圖像歸檔與傳輸系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，采集2015年3月至2016年3月40例患者踝關(guān)節(jié)正位X線片及CT數(shù)據(jù)。年齡25～38歲，平均32.0歲。男21例，女19例；左踝18例，右踝22例。原始數(shù)據(jù)掃描條件：采用Siemens 64排螺旋CT行踝部連續(xù)斷層掃描。掃描參數(shù)：電壓120 kV，電流94 mA，層厚0.625 mm，512×512距陣。其中6例患者術(shù)前行截骨導板設(shè)計及術(shù)中驗證。男、女各3例；年齡21～54歲，平均36.0歲。致傷原因：慢性運動損傷4例；交通傷1例，墜落傷1例，均為閉合性骨折。研究得到本單位倫理委員會批準，所有患者均知情同意并簽署知情同意書。

1.2 病例納入和排除標準納入標準：（1）具備手術(shù)指征的距骨粉碎性骨折和距骨骨軟骨損傷患者，內(nèi)踝部無骨折；（2）一般情況可，無其他系統(tǒng)重大疾病，患者依從性好；（3）同意參與本研究，并已簽署知情同意書。排除標準：（1）有骨性畸形者；（2）踝部腫瘤、結(jié)核患者；（3）病史有陳舊外傷者；（4）力線不正者。

1.3 方法

1.3.1 X線片及CT測量在PACS系統(tǒng)中踝關(guān)節(jié)正位X線片測量脛骨遠端關(guān)節(jié)面與內(nèi)踝關(guān)節(jié)面交互角（ɑɑ）；以脛骨解剖軸作為參考測量截骨方向角度，等分截骨線與脛骨長軸的夾角（β）（圖1）。因內(nèi)踝Henry解剖切跡，同樣方法選取冠狀面CT數(shù)據(jù)行前、中間及后關(guān)節(jié)面測量評估并與X線數(shù)值對比（圖2）。

圖1 內(nèi)踝和脛骨關(guān)節(jié)面的交叉角Fig.1 Intersection angle between the medial malleolus and tibial articular

圖2 冠狀CT掃描Fig.2 Coronal computed tomography scans

1.3.2 截骨導板的設(shè)計與臨床驗證對6例手術(shù)患者將CT掃描斷層數(shù)據(jù)以.dicom格式導人Mimicsl 6.0軟件，采用最佳模式重建三維模型，并以.stl格式輸出保存。利用軟件Unigraphics NX 5.0根據(jù)相關(guān)測量數(shù)據(jù)與角度設(shè)計出相應截骨導板截骨平面及二枚進針通道的stl文件。利用光敏樹脂材料通過激光照射逐層固化的光固化成型法將導板制作出來并行體外模擬（圖3）。將3D打印個性化截骨導板等離子消毒后，術(shù)中再將模板與骨質(zhì)貼合，進行導針定位及截骨手術(shù)操作，術(shù)后評估截骨導板的準確性。

圖3 數(shù)字化分析和3D打印導板并體外模擬Fig.3Digital analysis and 3D printed guide plate and in vitro simulation

1.4 統(tǒng)計學方法采用Graphpad Prism 6統(tǒng)計學軟件（Graphpad公司，美國）進行統(tǒng)計學分析。CT前中后關(guān)節(jié)面角度測量之間，采用單因素（oneway NOVA）方差分析；X線測量值同CT前中后關(guān)節(jié)面測量角度的均值比較采用配對樣本t檢驗，P＜0.05認為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結(jié)果

2.1 各角度測量結(jié)果描述結(jié)果描述采用均數(shù)±標準差，X線片脛骨遠端關(guān)節(jié)面和內(nèi)踝間交角等分角（ɑ）測量值（114.8±3.7）°，截骨面相對脛骨遠端關(guān)節(jié)面是（57.4±1.8）°，相對脛骨軸線角度β為（31.0±2.1）°，CT測量前關(guān)節(jié)面ɑɑ測量值（117.4±3.0）°，中關(guān)節(jié)面ɑɑ測量值（112.1 ± 2.8）°，后關(guān)節(jié)面ɑɑ測量值（117.1 ± 3.1）°，前中后關(guān)節(jié)面平均ɑɑ角（115.6±3.8）°。三者之間對比有統(tǒng)計學意義F（2，119）=40.61，P＜0.001。具體表現(xiàn)為前中關(guān)節(jié)面對比有統(tǒng)計學意義（t=8.056，P＜0.001）：前后關(guān)節(jié)面對比沒有統(tǒng)計學意義（t=0.5287，P＞0.05），中后關(guān)節(jié)面對比有統(tǒng)計學意義（t=7.527，P＜0.001）；說明前后關(guān)節(jié)面與中關(guān)節(jié)面ɑɑ角有差別。

2.2 術(shù)后結(jié)局和隨訪結(jié)果X線片和CT對比無統(tǒng)計學差異（t=1.549，P＞0.05）。6例內(nèi)踝截骨采用導板患者術(shù)后X線片復查截骨關(guān)節(jié)面對合及螺釘位置良好，術(shù)后隨訪2年無局部創(chuàng)傷性關(guān)節(jié)炎的發(fā)生。見圖4。

圖4 術(shù)中經(jīng)截骨導板截骨和術(shù)后影像Fig.4 Intraoperative transosteotomy guide plate osteotomy and postoperative images

3 討論

3.1 內(nèi)踝截骨的必要性與方式距骨體粉碎性骨折需要切開復位內(nèi)固定。對于保守治療失敗有癥狀的距骨骨軟骨損傷同樣是手術(shù)的適應證，開放手術(shù)或關(guān)節(jié)鏡取決于病灶位置或損傷類型。對原發(fā)病灶小于15 mm通過關(guān)節(jié)鏡行清創(chuàng)或骨髓刺激術(shù)是很好的選擇。對于距骨囊性變較大（Hepple V期）或微骨折術(shù)后不緩解的患者而需要采取其他治療方式。包括自體松質(zhì)骨移植、骨軟骨移植（OATS）、自體軟骨移植（ACI）、金屬表面部分置換和異體骨移植[6]。損傷位于距骨穹頂部內(nèi)側(cè)面發(fā)生率約占63%[7]，為達到良好顯露大部分需要行內(nèi)踝截骨。內(nèi)踝截骨文獻報道有各種不同方法，各有利弊。內(nèi)踝橫形截骨相對低平但因顯露距骨穹頂部不充分而被臨床淘汰。倒V和U型截骨顯露內(nèi)側(cè)距骨范圍有限，弧形截骨與距骨輪廓匹配，但因水平制距骨穹隆部垂直顯露困難。梯形截骨提供良好顯露但截骨線進入負重關(guān)節(jié)軟骨面。因此斜形截骨是臨床中最常采用的方法。斜形截骨有較好優(yōu)勢，包括手術(shù)簡單，距骨顯露良好，有效保護三角韌帶，理想的螺釘加壓固定。大多數(shù)醫(yī)師主張截骨點應位于脛骨遠端關(guān)節(jié)面和內(nèi)踝關(guān)節(jié)面交界處。太靠內(nèi)側(cè)截骨可能顯露有限，靠外側(cè)截骨損傷負重的關(guān)節(jié)軟骨面。但此術(shù)式也存在包括骨塊移位關(guān)節(jié)面對線不齊導致的潛在畸形愈合的可能。固定后關(guān)節(jié)面不匹配可能導致繼發(fā)醫(yī)源性踝關(guān)節(jié)炎。

3.2 斜形截骨的并發(fā)癥內(nèi)踝斜形截骨的并發(fā)癥和結(jié)果文獻報道很少。但在臨床工作中會發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)截骨處脛骨關(guān)節(jié)面臺階感，是否出現(xiàn)關(guān)節(jié)炎國內(nèi)無相關(guān)報道。JARDE等報道30例病例通過內(nèi)踝截骨與無截骨關(guān)節(jié)清理或關(guān)節(jié)鏡術(shù)結(jié)果顯示踝關(guān)節(jié)功能無明顯差別。BAZAZ和FERKE報道9例截骨患者無術(shù)后并發(fā)癥。相反，GAULRAPP等報道內(nèi)踝截骨導致局部關(guān)節(jié)炎而無截骨的關(guān)節(jié)清理術(shù)很少有臨床表現(xiàn)。22例患者術(shù)后5年隨訪有超過50%的骨關(guān)節(jié)炎改變。BALTZER報道20例中有1例發(fā)生畸形愈合。在他們的報道中，內(nèi)踝截骨后踝關(guān)節(jié)跖屈輕度受限，而采用踝關(guān)節(jié)前側(cè)清理與健側(cè)相比踝關(guān)節(jié)活動度無明顯差別。相關(guān)結(jié)果與截骨有無相關(guān)均未提及。

臨床截骨依賴個人經(jīng)驗，沒有基于影像學數(shù)據(jù)測量，采用的手術(shù)方法達到描述的角度也未提及。本研究測量內(nèi)踝斜形截骨相對脛骨長軸線的角度，以脛骨長軸（機械軸）作為內(nèi)踝截骨術(shù)中的參考線，這在下肢畸形矯形及力線評估中經(jīng)常采用。脛骨遠端關(guān)節(jié)面與內(nèi)踝關(guān)節(jié)面交角的等分線以脛骨長軸的交點O為圓心，載骨線與OA為半徑的圓相切，垂直于脛骨內(nèi)踝部關(guān)節(jié)軟骨面。是不易移位的理想截骨角度。本研究利于數(shù)字化測量并比較個體間變異程度和放射學方法的可信性。分析得出應用30度截骨方向復位后關(guān)節(jié)面最小出現(xiàn)臺階感。放射學或CT測量是可信的，本研究組顯示個體間差異較小，30度角可運用于大部分患者。除了截骨位置和角度，螺釘放置也很重要。拉力螺釘理想進針點應垂直截骨面獲得理想加壓使關(guān)節(jié)面匹配。假如螺釘方向過于水平或垂直也會導致關(guān)節(jié)面臺階。過于垂直螺釘尾帽可能對三角韌帶產(chǎn)生刺激。理想的螺釘方向應相對靠近端，進釘方向與脛骨長軸成角60度。截骨塊不會產(chǎn)生加壓偏移，可較好保護遠端的三角韌帶。不同性別截骨測量角度一致說明截骨及置釘角度方面術(shù)中不必考慮性別差異。但是虛擬的手術(shù)方案設(shè)計如何指導現(xiàn)實手術(shù)實施，如何縮小術(shù)前虛擬設(shè)計與現(xiàn)實之間的差距是數(shù)字化技術(shù)應用的重要問題[8-10]。按照描述的方法按個體化方法準確截骨是很好的選擇。

3.3 3D打印截骨模板的優(yōu)勢近年出現(xiàn)的3D打印導板技術(shù)在輔助截骨方面展現(xiàn)了獨特的優(yōu)勢，實現(xiàn)了術(shù)中精準截骨。3D打印截骨導板技術(shù)以極其簡便的手術(shù)方式，在較少的手術(shù)損傷下高質(zhì)量完成更準確的釘?shù)婪较?，最大限度接近術(shù)前精準設(shè)計擬定的內(nèi)固定效果。在曲面選擇中如何表面特征越明顯會提高導板的精確性。在脛骨遠端解剖中，內(nèi)踝部因存在脛前前唇與內(nèi)踝部轉(zhuǎn)角，且內(nèi)踝部有前丘及尖部。因而曲面有其特征，選擇導板可在術(shù)中嵌壓于脛骨骨踝部，術(shù)中不會位移而影響精確度。本研究內(nèi)踝截骨導板取得較好的臨床療效，縮短手術(shù)時間，減少透視次數(shù)。相對于傳統(tǒng)的截骨手術(shù)而言，3D打印截骨導板輔助截骨技術(shù)展現(xiàn)了其高效、精準的優(yōu)越性[11-13]。

本研究不足之處是三維形態(tài)結(jié)構(gòu)采用二維的測量方法。通過冠狀面CT比較脛骨前中后關(guān)節(jié)面交互角。研究發(fā)現(xiàn)最大區(qū)別在前中關(guān)節(jié)面（平均7.5度），這個區(qū)別反映在截骨方向上有3.8度區(qū)別。因此，理論上從前至后截骨角度是有區(qū)別的。然而在手術(shù)方式甚至數(shù)字化設(shè)計上很難以如此設(shè)計截骨，因為擺鋸片是直的。因此采用前中后平均角度是較好的選擇。另一個局限是個性化導板只做了6例，因樣本量少，故我們沒有設(shè)置導板組與傳統(tǒng)手術(shù)組的統(tǒng)計學分析研究。但從其6例患者的臨床運用體會都是一次截骨及內(nèi)固定完成，術(shù)中只透視1次。相比于傳統(tǒng)手術(shù)明顯縮短手術(shù)時間及減少透視量。運用數(shù)字化個性化設(shè)計截骨導板技術(shù)，使截骨和置入螺釘位置精確、安全、有效。