3D打印聯(lián)合Ilizarov技術(shù)治療脛骨畸形的效果

曾源，邱偉建，李建強(qiáng)，劉振康，朱旭，孟沖，孫金鵬，吳學(xué)建，肖鵬

(鄭州大學(xué)第一附屬醫(yī)院 骨科，河南 鄭州 450052)

骨折畸形愈合、骨髓炎、小兒麻痹后遺癥等眾多原因可造成脛骨畸形[1]，通常表現(xiàn)為復(fù)合畸形(短縮、成角及旋轉(zhuǎn))，對患者日常生活和工作有較大影響。針對脛骨畸形常常借助手術(shù)干預(yù)治療，但截骨手術(shù)常面臨肢體短縮或軟組織缺損等問題。Ilizarov技術(shù)不僅可以通過漸進(jìn)的骨組織重生來治療截骨后的骨缺損，促進(jìn)骨愈合，還可以通過緩慢矯形解決軟組織損傷，糾正骨搬運(yùn)過程中的畸形和肢體長度不一致[2-3]。采用傳統(tǒng)的截骨方式治療脛骨畸形時(shí)只能在直視下粗略估計(jì)截骨的位置、角度、長度等[4-5]，術(shù)中難以做到精準(zhǔn)截骨和外固定支架的精確安裝。日益成熟的3D打印技術(shù)通過計(jì)算機(jī)軟件的精確計(jì)算和手術(shù)模擬，正好可以彌補(bǔ)以上缺點(diǎn)。本研究嘗試通過3D打印技術(shù)構(gòu)建脛骨模型，在脛骨模型上提前進(jìn)行精準(zhǔn)截骨和手術(shù)預(yù)演，并評估該方式的臨床效果。

1 資料與方法

1.1 一般資料前瞻性選取2013年1月1日至2019年12月1日鄭州大學(xué)第一附屬醫(yī)院骨科病區(qū)收治的17例脛骨畸形患者。本研究經(jīng)醫(yī)院醫(yī)學(xué)倫理委員會(huì)批準(zhǔn)?；颊呔炇鹬橥鈺?7例患者：男15例，女2例；年齡18～58歲，中位年齡為36歲；右側(cè)脛骨畸形11例，左側(cè)脛骨畸形6例；脛骨骨折畸形愈合患者9例，骨髓炎導(dǎo)致脛骨短縮畸形患者8例。脛骨骨折畸形愈合患者合并成角畸形和肢體短縮，成角20°～50°，脛骨相對于健側(cè)短縮38～65 mm；骨髓炎導(dǎo)致短縮畸形患者，脛骨短縮42～68 mm。5例患者需長期借助輪椅生活，12例患者需靠拄雙拐行走。

1.2 納入標(biāo)準(zhǔn)和排除標(biāo)準(zhǔn)(1)納入標(biāo)準(zhǔn)：①使用3D打印技術(shù)打印脛骨模型；②隨訪時(shí)間≥5個(gè)月；③X線和CT檢查完善，實(shí)驗(yàn)室檢查未見明顯異常。(2)排除標(biāo)準(zhǔn)：①未通過3D打印技術(shù)打印脛骨模型；②骨髓炎急性發(fā)作期；③患有糖尿病、尿毒癥等內(nèi)科疾病且不能穩(wěn)定控制；④患者或家屬不同意手術(shù)治療。

1.3 治療方法術(shù)前均對患者行64層CT掃描，將CT斷層圖像以DICOM格式導(dǎo)入Mimics 15.0軟件(比利時(shí)Matefialise公司)，軟件將根據(jù)橫斷面圖像自動(dòng)生成矢狀面和冠狀面圖像，重建三維立體模型，將重建好的三維立體模型以STL格式輸出保存。使用3D打印設(shè)備通過FDM(熔融沉積造型)技術(shù)1∶1打印脛腓骨模型，材料為聚乳酸。通過打印的骨骼模型定制合適的環(huán)形外架，在3D打印模型上實(shí)施手術(shù)預(yù)演，確定截骨平面、截骨方式、骨搬運(yùn)長度和克氏針及Schanz螺釘置入位置。對于骨髓炎引起的患肢短縮畸形患者，需一期行手術(shù)清創(chuàng)治療，待控制感染后，行3D打印，二期進(jìn)行截骨矯形術(shù)。手術(shù)時(shí)，采用全麻，協(xié)助患者取仰臥位，于患肢大腿根部使用充氣止血帶，常規(guī)消毒、鋪巾。根據(jù)在3D打印模型上實(shí)施的手術(shù)方案在脛骨近端進(jìn)行截骨，安裝Ilizarov環(huán)形外架，克氏針和Schanz螺釘需垂直脛骨機(jī)械軸置入。安裝環(huán)形外架時(shí)，外架內(nèi)緣距皮膚1.5～2.0 cm。留置引流管，縫合包扎，針道處使用碘伏紗布纏繞以避免感染。

1.4 術(shù)后處理術(shù)后常規(guī)使用抗生素3 d，預(yù)防感染。每日使用酒精消毒針道口2次。24 h引流量少于30 mL時(shí)拔除引流管。術(shù)后第3天拍攝雙下肢全長正側(cè)位片，觀察畸形矯正情況。術(shù)后2周拆除縫線。骨搬運(yùn)一般從術(shù)后1周開始，通過調(diào)整伸縮桿上的螺母進(jìn)行搬運(yùn)，每隔4 h轉(zhuǎn)動(dòng)1/6圈，以每日1 mm的速度進(jìn)行骨搬運(yùn)。術(shù)后即開始足趾主動(dòng)屈曲背伸活動(dòng)。2～3周復(fù)查X線，觀察搬運(yùn)過程中是否有完全軸向偏移并適當(dāng)調(diào)整搬運(yùn)速度。每隔3個(gè)月復(fù)查X線，根據(jù)骨痂礦化程度決定負(fù)重程度，直至負(fù)重。分別于術(shù)前和術(shù)后3個(gè)月采用視覺模擬量表(visual analogue scale，VAS)評估患肢疼痛程度，0分表示無痛，1～3分表示輕度疼痛，4～6分表示中度疼痛，7～10分表示重度疼痛。

2 結(jié)果

2.1 圍手術(shù)期及隨訪結(jié)果患者均順利完成手術(shù)，術(shù)中出血量為75～113 mL，平均(86.0±10.0)mL，手術(shù)時(shí)間為54～75 min，平均(67.8±5.9)min，術(shù)后手術(shù)切口均一期愈合。脛骨骨折畸形愈合患者糾正成角(29.1±10.9)°，糾正短縮(49.6±7.5)mm。骨髓炎導(dǎo)致短縮畸形患者，糾正脛骨短縮(53.0±9.0)mm。所有患者的脛骨畸形均獲得基本糾正，糾正短縮畸形的同時(shí)并糾正額狀面畸形、冠狀面畸形和旋轉(zhuǎn)畸形，雙下肢基本等長，力線恢復(fù)良好，無神經(jīng)血管損傷、針道感染等并發(fā)癥發(fā)生。術(shù)后6個(gè)月隨訪，5例靠輪椅生活的患者均可扶雙拐行走，12例扶雙拐行走的患者可改為單拐行走，行走功能較術(shù)前明顯改善。術(shù)后3個(gè)月，患肢VAS評分與術(shù)前比較，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。見表1。骨髓炎患者術(shù)后骨髓炎均未復(fù)發(fā)。

表1 術(shù)后3個(gè)月與術(shù)前患肢VAS評分比較[n(%)]

2.2 典型病例患者男，40歲，脛骨骨折后畸形愈合，接受3D打印聯(lián)合Ilizarov技術(shù)治療脛骨畸形。術(shù)前脛腓骨正側(cè)位X線顯示右側(cè)脛骨短縮、成角及旋轉(zhuǎn)畸形，成角畸形處骨質(zhì)量較差(見圖1)，不適合采用傳統(tǒng)方式截骨，故采用Ilizarov技術(shù)治療。采用3D打印技術(shù)打印患肢脛腓骨模型，確定截骨方案，并在模型上行手術(shù)預(yù)演(見圖2)。圖3為術(shù)前患肢畸形輪廓和術(shù)后畸形矯正情況。術(shù)后3 d復(fù)查X線，下肢力線基本恢復(fù)(見圖4)。術(shù)后2個(gè)月X線顯示骨搬運(yùn)處骨組織開始生長，下肢力線維持良好(見圖5)。術(shù)后9個(gè)月復(fù)查X線顯示骨斷端骨折骨痂生長，骨搬運(yùn)處骨組織逐漸礦化；雙下肢外形基本等長(見圖6)。該病例仍在隨訪中，因截骨后脛骨下段較上段細(xì)，骨折愈合較正常情況下慢，但未出現(xiàn)骨折不愈合現(xiàn)象，暫不考慮植骨等其他方式治療，因骨痂生長較少，所以外固定架暫時(shí)未拆除。患者一直進(jìn)行功能鍛煉，隨訪X線顯示骨痂仍不斷增多，術(shù)后15個(gè)月X線(見圖7)顯示，骨痂已包繞斷端。

A為術(shù)前X線正位圖像；B為術(shù)前X線側(cè)位圖像。

A、B為術(shù)前3D打印模型，能清楚顯示脛骨成角及短縮畸形；C為術(shù)前手術(shù)預(yù)演。

A為術(shù)前患肢畸形輪廓；B為術(shù)后外架安裝情況。

A、B為患肢X線顯示外架固定良好，患肢成角畸形及力線已基本糾正。

A、B為患肢X線顯示骨搬運(yùn)處骨組織開始生長，下肢力線維持良好。

A為患肢輪廓，雙下肢基本等長；B、C為患肢X線顯示骨斷端骨折處骨痂生長，骨搬運(yùn)處骨組織逐漸礦化。

A、B為患肢X線顯示骨痂已包繞斷端，骨組織礦化良好。

3 討論

脛骨畸形常常影響患者的生活和日常工作，畸形的多樣性導(dǎo)致無標(biāo)準(zhǔn)的治療方式[6-8]。20世紀(jì)50年代，骨科醫(yī)生伊利扎洛夫(Gavriil A. Ilizarov)教授提出張力-應(yīng)力法則和Ilizarov技術(shù)[9]。這為各種原因引起的脛骨畸形提供了一種新的思考方式和手術(shù)方法。Ilizarov技術(shù)可通過牽拉成骨技術(shù)來進(jìn)行肢體畸形矯正、骨搬運(yùn)、肢體延長術(shù)等。在進(jìn)行肢體畸形矯正時(shí)，Ilizarov技術(shù)可同時(shí)糾正三維空間的復(fù)雜畸形[10]。利用Ilizarov技術(shù)可以有計(jì)劃地進(jìn)行緩慢矯形，避免軟組織缺損和血管神經(jīng)損傷，使之出現(xiàn)軟組織再生和微循環(huán)改善，緩慢、持續(xù)、逐漸改善皮膚軟組織條件，逐漸達(dá)到矯形的目的。

通過Ilizarov環(huán)形外架進(jìn)行畸形矯正時(shí)，截骨位置、外架安裝、克氏針及Schanz螺釘置入位置均與治療效果密切相關(guān)[5,11-12]。目前的手術(shù)計(jì)劃以二維影像學(xué)檢查為依據(jù)，由于畸形的立體復(fù)雜性，無論是通過幾何計(jì)算還是圖像拼接，都無法做到術(shù)中精準(zhǔn)截骨和外架的精確安裝，使得三維畸形矯正更加困難。

隨著3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)工程中的廣泛應(yīng)用[13]，其越來越多地被應(yīng)用于骨科手術(shù)中。3D打印技術(shù)通過計(jì)算機(jī)模擬和手術(shù)模擬[14-15]可以彌補(bǔ)以上不足，使得截骨手術(shù)術(shù)前計(jì)劃更加完整，截骨程度和目標(biāo)更加明確，術(shù)中操作更加精準(zhǔn)。3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)骨骼結(jié)構(gòu)、尺寸的精確重建，從三維立體形態(tài)探討肢體多平面畸形，進(jìn)而運(yùn)用計(jì)算機(jī)精確測量，設(shè)計(jì)個(gè)體化截骨方案，更利于達(dá)到手術(shù)預(yù)期的截骨矯形效果，更具有直觀性、準(zhǔn)確性。矯正脛骨成角畸形時(shí)，可以通過3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)制作截骨導(dǎo)板，便于術(shù)中達(dá)到精準(zhǔn)截骨[16]。王憶茗等[17]利用3D打印技術(shù)重建骨盆虛擬模型，設(shè)計(jì)并制作截骨導(dǎo)向模板，術(shù)中可以精準(zhǔn)截骨，提高手術(shù)效率，減少術(shù)后并發(fā)癥的發(fā)生。Girolami等[18]通過3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)并制作仿生假體，在脊柱腫瘤手術(shù)中進(jìn)行前柱重建，取得了良好的臨床療效。

在應(yīng)用Ilizarov技術(shù)進(jìn)行畸形矯正之前，通過3D打印技術(shù)打印出骨骼模型并制作好相應(yīng)的環(huán)形外架，將外架精準(zhǔn)安裝在3D打印模型上，進(jìn)行模擬矯正手術(shù)，確定克氏針和Schanz螺釘?shù)闹萌氩课?，這使得醫(yī)生可以提前進(jìn)行手術(shù)預(yù)演，優(yōu)化手術(shù)方式。觀察遠(yuǎn)端游離骨塊隨著外架調(diào)整的搬運(yùn)軌跡，提前進(jìn)行矯正，使得實(shí)際的延長和軸向軌跡更接近預(yù)期矯正。通過手術(shù)預(yù)演能為患者提供個(gè)體化精準(zhǔn)手術(shù)治療，縮短手術(shù)時(shí)間，減少術(shù)中出血量，精確完成手術(shù)目標(biāo)，以得到良好的臨床效果，本研究結(jié)果也證實(shí)了這一點(diǎn)。術(shù)前在骨骼模型上進(jìn)行手術(shù)預(yù)演，更方便與患者溝通，準(zhǔn)確并直觀地為患者講解治療方案，建立良好的醫(yī)患溝通模式。本研究中所有患者脛骨畸形均達(dá)到預(yù)期矯正，雙下肢力線恢復(fù)良好，無神經(jīng)血管損傷，行走功能較術(shù)前有明顯改善；術(shù)后患肢疼痛較術(shù)前有緩解。

本研究的局限性：(1)目前3D打印技術(shù)尚未納入醫(yī)保，增加了患者的經(jīng)濟(jì)支出；(2)3D打印數(shù)據(jù)分析、重建及計(jì)算機(jī)手術(shù)模擬需要專業(yè)建模人員完成；(3)3D打印流程繁瑣，需要一定時(shí)間，緊急情況下使用局限；(4)3D打印聯(lián)合Ilizarov技術(shù)治療畸形時(shí)，每步操作均對治療效果有影響，需要1個(gè)由工程師、骨科醫(yī)生、器械師及康復(fù)科醫(yī)生組建的治療團(tuán)隊(duì)；(5)本研究樣本量較少，隨訪時(shí)間短，所得結(jié)果需要大樣本長期隨訪進(jìn)一步驗(yàn)證。

在治療脛骨畸形時(shí)，采用3D打印聯(lián)合Ilizarov技術(shù)可以進(jìn)行術(shù)前精準(zhǔn)計(jì)劃、模擬手術(shù)預(yù)演、術(shù)中精準(zhǔn)截骨、術(shù)后三維復(fù)合調(diào)整(通過骨搬運(yùn)延長肢體及緩慢矯形處理軟組織缺損)等。這有助于縮短手術(shù)時(shí)間，提高手術(shù)效率，降低術(shù)中及術(shù)后并發(fā)癥發(fā)生率，取得良好的臨床治療效果。