計算機輔助測量聯(lián)合3D 打印技術在Taylor 空間支架治療小腿畸形中的應用

陳青植 謝亮文 蔡合國 余躍偉 劉忠國 王少杰

【關鍵字】 計算機輔助測量；3D打印；Taylor空間支架；小腿畸形

脛骨骨折是下肢常見骨折，骨折治療過程中常見多種并發(fā)癥，其中骨折畸形愈合是較嚴重的并發(fā)癥之一［1，2］。脛骨骨折畸形愈合可導致下肢負重力線的改變，久而久之并發(fā)脊柱、髖、膝及踝的骨關節(jié)炎［3］。單純的骨折畸形愈合，通過截骨矯形內(nèi)固定手術，以及3D 打印輔助技術提高截骨精準度，均可獲得滿意療效［4，5］。然而，對于合并肢體短縮的脛骨骨折畸形愈合，既要校正畸形，又要恢復肢體長度，具有一定的困難和挑戰(zhàn)。該類型畸形通常根據(jù)牽張成骨理論，運用Ilizarov 外固定架緩慢牽張，達到矯正畸形、恢復肢體長度的目的［6］。

Taylor空間外固定支架是在Ilizarov支架的基礎上演變而來，它是根據(jù)相關參數(shù)，運用計算機軟件模擬畸形矯正并生成電子處方，指導術后螺紋標桿的調整［7］。然而，其中的畸形參數(shù)和安裝參數(shù)均根據(jù)X線片進行測量，誤差相對大，導致隨訪過程中還需進行修正?；仡櫺苑治龈＝ㄖ嗅t(yī)藥大學附屬廈門第三醫(yī)院骨科2016 年5 月到2018 年10 月治療的6 例小腿骨折畸形愈合的病例資料，通過CT 薄層掃描，3D 打印技術制作骨模型和截骨導板，根據(jù)Taylor 空間支架配套軟件所需參數(shù)應用Mimics 軟件進行測量，按照配套軟件的規(guī)劃在3D打印模型驗證矯形結果，探討其臨床療效，為治療此類畸形提供參考。

資料與方法

一、一般資料

2016年5月至2018年10月，福建中醫(yī)藥大學附屬廈門第三醫(yī)院骨科共收治6例小腿骨折畸形愈合病人，其中男5 例，女1 例，年齡為22～41 歲，平均29.5 歲。以小腿畸形、關節(jié)疼痛和行走功能障礙為主要表現(xiàn)，病人一般資料詳見表1。

二、治療方法

（一）術前準備

常規(guī)行雙下肢負重全長位X 線，雙小腿CT 掃描，層厚為0.625 mm，導出DICOM 文件。運用Mimics 對DICOM 文件進行三維重建，映像健側，測量患側的短縮、成角、移位及旋轉等畸形參數(shù)（圖1）。根據(jù)三維重建及畸形測量確定截骨水平并制作截骨導板（圖2）。

（二）手術方法

采用全身麻醉或腰硬聯(lián)合麻醉。于小腿外側中下1/3 運用擺鋸水平截斷腓骨；垂直畸形近端骨干安裝近端基本環(huán)，再垂直畸形遠端安裝遠端環(huán)，預先估計兩環(huán)距離，減少術后換桿概率；于術前計劃截骨處應用截骨導板截斷脛骨，組裝連接桿；依次標記連接桿序號，記錄框架參數(shù)。

（三）安裝參數(shù)測量

表1 病人一般資料及畸形參數(shù)

圖1 根據(jù)健側映像測量畸形參數(shù) a：冠狀位移位；b：冠狀位成角；c：矢狀位移位；d：矢狀位成角；e：旋轉畸形；f：短縮畸形

術后患肢行CT掃描，層厚為0.625 mm，導出DICOM 文件。運用Mimics 進行三維重建，按照Taylor空間支架配套軟件需求，測量并記錄安裝參數(shù)（圖3）。標記截骨線，進出針點及遠近端環(huán)相對位置，將STL 文件導入3D 打印處理軟件進行3D 打印，根據(jù)標記點及框架參數(shù)在3D 模型上安裝Taylor 空間支架（圖4）。

圖2 術前運用截骨導板模擬截骨 a：正面觀；b：側面觀

（四）模擬矯形及處方調整

輸入畸形參數(shù)、框架參數(shù)及安裝參數(shù)，獲得電子處方。根據(jù)電子處方調整3D模型的刻度螺紋，與健側進行對比（圖5）。若誤差明顯需再次確認安裝參數(shù)測量數(shù)值，調整電子處方直到畸形矯正滿意。

（五）術后處理

術后1 周，病人根據(jù)最終電子處方調整連接桿刻度螺紋，每日延長距離不超過1 mm。術后1周病人即可在雙拐保護下下地行走。定期復查X 線，礦化時間為延長時間3 倍。礦化完成后拆除Taylor 空間支架。

結 果

6例病人均獲得隨訪，隨訪時間為9～25個月，平均15.2 個月。拆除外固定時間為12～16 周，平均13.7周。其中1例釘?shù)栏腥?，?jīng)換藥處理好轉，未發(fā)生神經(jīng)、血管損傷和骨不連。末次隨訪按照Johner-Wruhs評定標準，優(yōu)5例，良1例。典型病例見圖6。

討 論

圖3 在Mimics軟件上進行安裝參數(shù)測量 a：正位上移位及內(nèi)外傾；b：側位上移位及前后傾；c：軸位上旋轉；d：軸位上移位

Ilizarov 牽張成骨理論治療肢體畸形及短縮是上個世紀矯形外科最重要的貢獻之一［8］。該理論仍然是現(xiàn)如今使用內(nèi)固定或者外固定進行畸形矯正的基本原則。臨床上常用的外固定支架有單邊外固定支架和傳統(tǒng)Ilizarov 支架。單邊外固定支架雖然比較輕便，佩戴舒服，然而只能運用于單平面的畸形，具有一定的局限性。Ilizarov 支架已經(jīng)廣泛運用于下肢畸形的矯正，特別是多平面的復雜畸形。然而Ilizarov 架構型相對復雜，特別對于伴有旋轉移位和側方移位的畸形，需要額外的環(huán)來實現(xiàn)，操作上難度進一步增加［9，10］。Taylor 空間支架是在Ilizarov 支架的基礎上發(fā)展而來的，將Stewart平臺及Chasles理論應用于骨科。由兩個環(huán)及六根可調節(jié)支撐桿組成，配合計算機軟件，通過調整六根支撐桿，進而對短縮、成角甚至六軸畸形進行矯正［11］。相對于Ilizarov支架，能對復雜畸形更方便地進行矯正，甚至病人及家屬可自行調節(jié)。

圖4 在3D打印模型上復制術中截骨及Taylor 架安裝 a：正面觀；b：側面觀

圖5 根據(jù)電子處方在3D模型上模擬矯形結果 a：正面觀；b：側面觀

圖6 病人，男，26 歲，9 年前右脛腓骨骨折保守治療 a：術前X 線片示右脛骨短縮，成角畸形；b：術后3個月X線片示右脛骨長度同左側，可見骨痂

運用Taylor空間支架進行畸形矯正需配合計算機軟件使用，軟件所需要的畸形參數(shù)和安裝參數(shù)需要人工測量后再輸入，能否精準地矯正畸形取決于測量的準確與否。Rozbruch 等［12］應用Taylor 空間支架對102 例病人進行脛骨畸形矯正，認為該技術能精確地矯正畸形并且無明顯并發(fā)癥。然而，目前測量需要標準的正側位X 線片，環(huán)中心的確定及旋轉畸形的測量仍然比較困難，因此容易產(chǎn)生誤差，造成畸形矯正不滿意。劉彥士等［13］通過CT 三維重建、計算機輔助測量與傳統(tǒng)X線測量，在脛骨骨折復位的精準度進行比較得到：傳統(tǒng)組病人正位X 線片中位移改善度為59.56%，角度改善度為72.76%；側位X 線片中位移改善度為56.31%，角度改善度為57.44%。計算機輔助組病人正位X線片中位移改善度為70.17%，角度改善度為81.02%；側位X 線片中位移改善度為67.41%，角度改善度為70.32%。本研究6例通過計算機三維重建輔助測量均獲得精準矯形，我們認為計算機輔助測量相比于傳統(tǒng)X 線測量更精準。

由于骨骼的不規(guī)則性，骨骼畸形的矯正常常需要高年資醫(yī)師憑借其經(jīng)驗，通過術前對比、術中反復透視確認，進行截骨矯形。對醫(yī)生的技術水平要求高，手術時間較長，臨床效果重復性較低。3D 打印技術不僅能夠制備患肢骨模型，還能根據(jù)術前計劃設計并打印個體化導板，方便術中實施術前計劃［14］。Shi等［15］運用3D打印個體化截骨導板進行股骨遠端閉合截骨與傳統(tǒng)術式相比，下肢力線調整的精確率、手術時間的長度以及術后透視的次數(shù)，3D打印組均明顯優(yōu)于傳統(tǒng)手工截骨組，差異具有統(tǒng)計學意義。本研究應用3D 打印截骨導板，具有截骨精準、可重復性高、節(jié)省手術時間等優(yōu)點。3D打印導板的難度在于，術前導板的設計及術中導板的定位。我們的做法是：首先，根據(jù)Paley 等［16］研究方法確定畸形的成角旋轉中心，以該點為截骨位置，結合三維CT，反向設計截骨導板。其次，截骨導板設計應包括定位用骨性標志，脛骨近端可參考脛骨結節(jié)內(nèi)、外側緣，脛骨中段采用脛骨前嵴及后內(nèi)側嵴雙平面定位，脛骨遠端以內(nèi)踝與干骺端夾角進行定位。另外，本研究首次應用3D打印創(chuàng)建術后模型，快速模擬畸形矯正終點，相對于傳統(tǒng)X線測量后生成電子處方，根據(jù)隨訪復查X 線的結果再進行電子處方調整，具有以下顯著優(yōu)點：①可以對測量的畸形參數(shù)和安裝參數(shù)進行驗證，同時結合計算機輔助測量，大大提高精確性；②方便計算機處方的調整；③減少術后調整電子處方的次數(shù)，及時發(fā)現(xiàn)誤差并調整；④減少病人的隨訪次數(shù)。

本研究仍有不足之處，首先，這是偏重于經(jīng)驗的臨床回顧性分析，為自身對照，缺乏和傳統(tǒng)預估截骨法的對照，證據(jù)等級較低。其次，樣本量較小，將來需要更大樣本的前瞻性隨機對照研究，同時還應該納入更多復雜畸形病例，從而更好地評價該方法的臨床效果。