數(shù)字化內(nèi)固定聯(lián)合3D打印導板輔助手術治療脛骨平臺骨折臨床觀察

黃旭科，李 鵬，孫向華，林 鋼，彭國瑞

（1.中山市古鎮(zhèn)人民醫(yī)院，廣東 中山 528421；2.南方醫(yī)科大學第三附屬醫(yī)院，廣東 廣州 510630）

脛骨平臺骨折是一種較常見的關節(jié)內(nèi)骨折，治療多采用內(nèi)固定手術。因此類骨折涉及膝關節(jié)面，其內(nèi)固定要求達到關節(jié)面的解剖復位，以期減少創(chuàng)傷性關節(jié)炎、關節(jié)疼痛等術后并發(fā)癥。然而，由于骨折的個體化差異及鋼板規(guī)格的參差不齊，術中常常出現(xiàn)內(nèi)固定鋼板與骨面不匹配等情況，若反復折彎鋼板勉強匹配固定，增高了鋼板斷裂的風險。近年來，隨著數(shù)字骨科學技術的高速發(fā)展，為解決上述難題提供了很好的思路。手術醫(yī)生可以在軟件中模擬骨折復位、挑選與骨面匹配最佳的“數(shù)字鋼板”，進而設計出精準的“數(shù)字化手術方案”［1-2］。但是，如何在臨床實踐中完全實施這一精準的“數(shù)字化手術方案”，是擺在所有數(shù)字骨科學工作者的一大難題。本研究回顧性分析自2016年7月至2018年3月我科收治的8 例采用3D 打印導板手術的脛骨平臺骨折患者，借助Mimics 軟件和3D 打印技術，制作個體化脛骨平臺骨折手術導板，輔助預選的鋼板精準定位植入，有效地將“數(shù)字化術前設計”轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實手術，現(xiàn)報道如下。

1 臨床資料

本研究納入新鮮閉合性脛骨平臺骨折患者共8例，男5 例，女3 例；年齡36～52（42.15±3.17）歲；患側(cè):左側(cè)4 例，右側(cè)4 例；Schatzker 分型［3］:Ⅱ型4 例，Ⅲ型2 例，Ⅳ型1 例，Ⅴ型1 例；受傷至入院時間為0.5～3（1.15±0.53）h。

2 手術方案

2.1術前準備

2.1.1構(gòu)建脛骨平臺“數(shù)字鋼板庫” 采用我院使用的不同廠家、編號的脛骨近端鋼板，通過激光掃描、三維重建、建立全規(guī)格的脛骨“數(shù)字鋼板庫”（見圖1），可供虛擬手術時挑選與骨面匹配最佳的“數(shù)字鋼板”，手術前查詢編號由廠家調(diào)出相應實體鋼板。

圖1 脛骨平臺“數(shù)字鋼板庫”

2.1.2骨折塊虛擬復位 術前行CT 掃描（掃描層厚1.25 mm）患膝關節(jié)以獲得醫(yī)學數(shù)字成像和通信（digital imaging and communications in medicine）原始數(shù)據(jù)。將采集的數(shù)據(jù)導入Mimics 19.0 軟件中，利用閾值分割、區(qū)域增長功能分割骨折塊，運用移動、旋轉(zhuǎn)功能復位骨折塊、布爾運算合并模型。復位原則:解剖復位關節(jié)面、恢復下肢力線。

2.1.3個體化導板設計及3D 打印 以復位骨面和與之匹配的“數(shù)字鋼板”為“陽?！?，在Mimics 19.0 軟件中應用“MedCAD”模塊，布爾運算生成與“陽?！被パa的“陰模”，即為手術導板模型。導板的內(nèi)側(cè)面可與骨面貼附，導板的外側(cè)面則與鋼板契合，導板通過與鋼板共通的3 枚導針，引導鋼板精準植入術前設定的位置，見圖2。

圖2 個體化導板設計及3D打印方案

2.2麻醉與體位 采用腰硬聯(lián)合麻醉，內(nèi)側(cè)柱+后側(cè)柱平臺骨折取俯臥位，內(nèi)側(cè)柱+外側(cè)柱平臺骨折取仰臥位。

2.3手術操作 本研究的8 例患者，根據(jù)骨折類型選擇后內(nèi)側(cè)、后外側(cè)或內(nèi)外聯(lián)合切口，術中對照3D打印模型有限切開顯露骨折部位，骨膜下剝離軟組織，通過骨膜剝離器撬撥按壓復位，檢查膝關節(jié)面平整后，以2 mm 克氏針臨時固定骨折塊。按照術前設計，貼靠脛骨外側(cè)骨面放置消毒后的導板，術中見導板與復位好的骨面匹配良好，順著導板上的導針孔方向依次植入3 枚導針，3 點連線平面確定鋼板位置，移除導板，將事先挑選的鋼板沿導針方向放置于骨面，根據(jù)術前軟件測量結(jié)果，植入合適長度的螺釘，拔除所有克氏針，沖洗切口，逐層縫合，放置負壓引流，記錄手術時間和術中出血量。

2.4術后處理 術后24 h 后拔除切口引流管，在醫(yī)生指導下行股四頭肌等長收縮功能鍛煉，術后第2 d開始直腿抬高鍛煉，術后1 周開始指導膝關節(jié)活動度鍛煉，術后6 周拄拐部分負重行走。記錄末次隨訪記錄Rasmussen 膝關節(jié)功能評分（包括主觀癥狀及臨床體征）［4］。

3 結(jié) 果

所有患者均順利完成手術，手術時間為（69.45±16.15）min，術中出血量為（178.35±36.24）ml，無神經(jīng)、血管損傷等并發(fā)癥。所有病例術后隨訪12個月，均獲得骨性愈合，術后末次隨訪時，按照Rasmussen膝關節(jié)功能評估，結(jié)果:優(yōu)（27～30 分）5 例，良（20～26分）2 例，可（10～19 分）1 例，優(yōu)良率為87.5%。附1 例典型病例（男，32 歲，高處墜落傷致左脛骨外側(cè)平臺骨折，Schatzker分型為Ⅱ型骨折）手術過程，見圖3。

圖3 典型病例術后過程

4 討 論

脛骨平臺骨折是常見的關節(jié)內(nèi)骨折，其內(nèi)固定要求達到關節(jié)面的解剖復位，還要實現(xiàn)良好的生物力學性能。脛骨平臺骨折手術的內(nèi)固定效果主要取決于鋼板與骨面的匹配程度，鋼板與骨面不匹配會造成應力集中，導致斷板、斷釘。傳統(tǒng)的內(nèi)固定手術方案主要依據(jù)X 線、CT 圖像及術者經(jīng)驗實施，往往忽視內(nèi)固定鋼板的規(guī)格、螺釘植入位置等因素。由于骨折的個體化差異，不同廠家提供的接骨板規(guī)格不同，術中時常發(fā)生鋼板與骨面不匹配的情況，反復折彎鋼板貼合骨面費時、費力，而且折彎后鋼板極易發(fā)生斷裂。

Mimics 等軟件能夠?qū)T 二維圖像轉(zhuǎn)化為3D 立體骨折模型，手術醫(yī)生術前可以在電腦上對骨折模型進行虛擬復位、設計鋼板放置位置。數(shù)字醫(yī)學軟件還可以幫助醫(yī)生建立全套的“數(shù)字鋼板”模型庫實施“虛擬手術”［5-7］。在“數(shù)字鋼板庫”的幫助下，醫(yī)生挑選最佳匹配的鋼板，從而避免盲目挑選及折彎鋼板，有效縮短了手術時間，極大地優(yōu)化了內(nèi)固定效果［8］。但是，在現(xiàn)實手術中如何實現(xiàn)鋼板植入位置同數(shù)字化設計一致，這是數(shù)字骨科學亟待解決的難題。3D 打印導板技術提供了一種虛擬設計向現(xiàn)實手術轉(zhuǎn)化的有效途徑［9］。本研究在前期“數(shù)字鋼板庫”的研究基礎上［10］，以“數(shù)字鋼板”和“復位骨折模型”為藍本，按照鋼板尺寸，設計出與“鋼板面”和“骨面”均契合的導板。本研究的手術導板，其內(nèi)側(cè)面與脛骨的解剖形態(tài)完全契合，具有良好的卡位效果；其外側(cè)面為鎖定鋼板的“陰?！保砻娴闹鶢钔蛊鹂煽ㄗ′摪?，導板上的3 個進針孔即為鎖定鋼板導針孔，3 枚導針協(xié)助鋼板植入術前設計的位置。本研究的3D 打印導板具有經(jīng)濟、簡易、實用等優(yōu)點，導板的設計思路是通過確保鎖定鋼板的植入位置與術前設計的植入位置一致，通過與鎖定鋼板共通的3 枚導針，以此來引導鋼板精準植入。

導向模板的準確性主要取決于導板與骨面之間的契合程度的穩(wěn)定性［1］。本研究設計的導板，與植入的鋼板尺寸相仿，導板與骨面有充分的接觸面積，實際手術中能緊密卡位脛骨外側(cè)面。由于廠家生產(chǎn)的鋼板是按照不同尺寸標準化制造的，盡管市面上有各種解剖型鎖定鋼板，但是在實際手術中仍較難貼附骨面完成“虛擬手術設計”方案。本研究設計的導板充分整合了脛骨外側(cè)面和鋼板的表面信息，既能貼附骨面，又能卡位鋼板，真正實現(xiàn)了“虛擬手術設計”指導現(xiàn)實手術。本研究導向模板的另一優(yōu)勢是個體化設計，針對不同患者的骨折類型和與之匹配的鋼板，設計兼容兩者的個體化導板，可以靈活縮小手術切口，減少軟組織損傷。

隨著3D 打印技術在骨科應用的快速發(fā)展，骨折手術的安全性及精確性顯著提高［11-13］。余光書等［11］報道了3D 打印骨折模型結(jié)合虛擬手術設計，有效提升了復雜脛骨平臺骨折的手術效果，顯著優(yōu)于常規(guī)手術組。本臨床研究發(fā)現(xiàn)，應用3D 模型+3D導板輔助治療的脛骨平臺骨折患者，在手術時間、術中出血量、膝關節(jié)功能評分方面明顯優(yōu)于同期傳統(tǒng)手術患者，與之前學者應用3D 模型的研究結(jié)論一致［11-13］。筆者在前人研究的基礎上，設計出新型解剖型3D 打印導板，其優(yōu)勢主要是進一步縮短手術時間、減少出血量、提高內(nèi)固定質(zhì)量，縮小了“數(shù)字化術前設計”與“現(xiàn)實手術”的差距，架起了虛擬與現(xiàn)實的橋梁。

本研究的3D 打印導板尚存在一些不足:①導板應用的前提是高水平的骨折復位，這對手術醫(yī)生經(jīng)驗有較高要求；②導板固定骨面時，需要徹底剝離骨面上的一部分軟組織，這樣對骨折愈合有一定影響；③導板打印材料為生物降解塑料聚乳酸（polylactic acid，PLA），高溫消毒后導針孔會變型，只能通過環(huán)氧乙烷化學消毒；④病例數(shù)相對較少，隨訪時間相對較短。

綜上所述，數(shù)字化內(nèi)固定聯(lián)合3D 打印導板輔助手術，實現(xiàn)了脛骨平臺骨折的個體化和精準化治療，優(yōu)化選擇的鋼板在導板的輔助下與骨面達到良好的匹配，有效提升了骨折的固定效果，推動了數(shù)字骨科學的發(fā)展。