3D 打印技術(shù)輔助治療青少年脛骨遠端骨骺骨折的臨床進展

文小林,岳 瑩,顧靖釧,古 浩,張愛國

（1. 南京醫(yī)科大學(xué)附屬無錫人民醫(yī)院兒外科，江蘇 無錫 214023；2. 無錫市兒童醫(yī)院骨科，江蘇 無錫 214023）

脛骨遠端骨骺骨折是青少年骨骺骨折較常見的類型，約占踝部骨折的6%，一旦發(fā)生極易造成踝關(guān)節(jié)周圍血管、神經(jīng)、韌帶、肌肉等軟組織及生長板損傷，導(dǎo)致骨骺缺血壞死、骨骼畸形愈合，直接影響踝關(guān)節(jié)的形態(tài)和功能[1]。因此，盡可能實現(xiàn)解剖復(fù)位、恢復(fù)力線、早期恢復(fù)踝關(guān)節(jié)功能對減少并發(fā)癥有重要意義。青少年骨折治療需盡可能避免損傷骨骺板，這極大地限制了治療方案的選擇[2]。3D 打印技術(shù)結(jié)合CT、MRI等影像學(xué)檢查，能打印出骨折部位的復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)，為手術(shù)風險評估及診斷提供參考，其在骨骺骨折的治療尤其是手術(shù)治療中具有顯著優(yōu)勢，有助于根據(jù)青少年的生長發(fā)育情況和創(chuàng)傷情況制定個體化手術(shù)方案，降低不穩(wěn)定性骨折患兒術(shù)后并發(fā)癥發(fā)生率，改善預(yù)后[3]。

1 脛骨遠端骨骺骨折分型

脛骨遠端骨折是青少年長骨骨折中的常見類型，約占長骨骨折的11%，其中20%～30%伴有骨骺損傷[6]。骨骺與骨質(zhì)尚未完全融合前骨骺鈣化區(qū)和非鈣化區(qū)存在薄弱的過渡區(qū)，在高能量沖擊下易發(fā)生分離，導(dǎo)致骨骺受損，增加了晚期創(chuàng)傷性關(guān)節(jié)炎的發(fā)生風險[1]。對于該類型的骨折分型，著重關(guān)注骨折線與關(guān)節(jié)面之間的物理關(guān)系，經(jīng)典的Salter-Harris骨骺骨折分型法將僅存在干骺端和骨骺分離的骨折分為Ⅰ型；骨折線穿過骺板累及干骺端為Ⅱ型；骨折累及整個骨骺為Ⅲ型；骨折線自干骺端起始，斜行向下縱向貫穿干骺端、生長板、骨骺，累及骨化中心為Ⅳ型；單純的壓縮性骺板軟骨損傷，易導(dǎo)致骨骺早閉為Ⅴ型；骺板邊緣軟骨膜環(huán)即Ranvier區(qū)缺失為Ⅵ型[4]。Ⅰ型及Ⅱ型骨骺骨折較穩(wěn)定，一般可采用保守治療，即手法復(fù)位后石膏固定患肢。但骨折后骺板間隙增加或移位≥5 mm 的Salter-Harris Ⅱ型骨骺骨折建議采用閉合復(fù)位內(nèi)固定手術(shù)治療。Ⅲ型及Ⅳ型骨骺骨折涉及關(guān)節(jié)面，且伴干骺端移位，骨折斷端不穩(wěn)定，易發(fā)生再次移位，增加了復(fù)位的難度，對于骺板間隙增加或移位≥2 mm 的Salter-Harris Ⅲ型、Ⅳ型骨骺骨折首選切開復(fù)位內(nèi)固定治療。Ⅴ型損傷少見，其早期X 射線表現(xiàn)常呈陰性結(jié)果，故往往在發(fā)現(xiàn)時已經(jīng)出現(xiàn)關(guān)節(jié)畸變等不良結(jié)果，因此一旦發(fā)現(xiàn)Ⅴ型損傷，應(yīng)盡快進行手術(shù)干預(yù)。Ⅵ型損傷多見于草坪切割機使用不當導(dǎo)致的內(nèi)踝切削傷，治療困難，多數(shù)患兒晚期易并發(fā)骨骺早閉，影響步態(tài)姿勢和生長發(fā)育，故除早期積極手術(shù)干預(yù)減輕損傷外，還需建立長期的跟蹤隨訪，及時處理不良預(yù)后。此外，對于單純手法復(fù)位不理想、難以維持解剖復(fù)位或伴同側(cè)神經(jīng)和血管損傷的患者也推薦手術(shù)治療。青少年處于生長發(fā)育期，在臨床治療時應(yīng)考慮其生理解剖結(jié)構(gòu)的特殊性，盡可能保護患兒長骨縱向生長潛力，矯正畸形，恢復(fù)關(guān)節(jié)功能。脛骨遠端骨骺骨折易導(dǎo)致骨骺缺血壞死及骨骼生長障礙，損傷程度和治療效果直接影響踝關(guān)節(jié)的形態(tài)和功能的恢復(fù)，嚴重影響患兒預(yù)后及生活質(zhì)量，因此個體化的治療對青少年至關(guān)重要。3D打印技術(shù)因其能高度還原實際骨折模型、提供個體化操作及反復(fù)驗證操作結(jié)果等優(yōu)點，更適用于涉及關(guān)節(jié)面的復(fù)雜骨骺骨折，其可輔助診斷，完善術(shù)前評估，制定手術(shù)方案，輔助術(shù)中導(dǎo)航，并在必要時規(guī)劃骨組織重建，極大地提高了脛骨遠端骨骺骨折的治療效果和預(yù)后[5]。

2 3D打印技術(shù)輔助診斷

X 射線及CT 均為平面成像，常因軟骨不顯影、骨折重疊和腓骨遮擋等導(dǎo)致?lián)p傷類型評估錯誤，即使采用薄層CT掃描進行三維重建顯示骨折空間位置關(guān)系，其展示方式仍然受二維平面限制[6]。而3D 打印技術(shù)解決了通過平面影像構(gòu)建骨折三維圖像的問題，從而實現(xiàn)更加精準的診療。將采集到的CT、MRI等影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入計算機Mimics 軟件進行骨折重建，再采用Geomagic 建模軟件使骨折三維立體化，然后選材打印出1∶1 的骨折模型[7-8]。通過3D 打印不同骨折切面分析骨折發(fā)生機制，可降低脛骨遠端骨骺形態(tài)不規(guī)則的影響，為診斷提供更加直觀可靠的視角，彌補了X射線和CT 掃描無法在三維空間上對微小骨折或局部骨質(zhì)損傷進行評估的不足[9-10]。此外，采用薄層CT 替代普通CT 掃描進行3D 打印可進一步減小誤差，有利于評估手術(shù)風險及手術(shù)效果[11-13]。

3 3D打印技術(shù)輔助手術(shù)治療

研究發(fā)現(xiàn)，脛骨遠端骨骺骨折更易發(fā)生在12～16 歲的青少年[14]。保護骺板的正常生長發(fā)育及踝關(guān)節(jié)功能不受影響是手術(shù)的重點。術(shù)前通過3D 打印模型驗證骨折片數(shù)量、骨折線走行、有無骨缺損或關(guān)節(jié)面塌陷等，判斷是否需要植骨，便于后續(xù)定制個體化手術(shù)方案，驗證復(fù)位效果及可行性，從而提升手術(shù)成功率，獲得良好的術(shù)后效果。

文獻報道，3D 打印技術(shù)輔助手術(shù)的骨骺骨折患者在康復(fù)優(yōu)良率、術(shù)后疼痛程度、后期并發(fā)癥發(fā)生率等方面均優(yōu)于傳統(tǒng)手術(shù)[15]。原因可能是3D 打印技術(shù)對骨折類型判斷更準確，操作的準確性更高，對周圍血運、軟骨及骨質(zhì)保護更好。傳統(tǒng)手術(shù)通常需反復(fù)透視調(diào)整內(nèi)固定物位置，以達到解剖復(fù)位，因而手術(shù)時間長，輻射暴露次數(shù)及手術(shù)效果均依賴于術(shù)者經(jīng)驗[11]；若術(shù)中術(shù)野被遮擋而選擇切開骨膜及軟組織，也易造成軟骨膜環(huán)區(qū)軟骨細胞及血運受損等醫(yī)源性損傷。3D打印技術(shù)輔助探查可標記重要解剖結(jié)構(gòu)及骨折塊，擬定復(fù)位順序[8,16-17]。模擬手術(shù)時避開踝關(guān)節(jié)周圍主要的神經(jīng)血管，按預(yù)先確定的手術(shù)入路置入內(nèi)固定物，術(shù)畢透視以確保實現(xiàn)解剖復(fù)位且內(nèi)固定穩(wěn)定，有效減少了因反復(fù)進退內(nèi)固定物造成的骨質(zhì)損傷，降低了周圍神經(jīng)血管刺傷或熱灼傷等醫(yī)源性損傷風險，減少了透視次數(shù)，從而縮短醫(yī)源性輻射暴露時間，降低因術(shù)前判斷不準確而造成的手術(shù)風險[18-19]。Rammelt 等[20]研究發(fā)現(xiàn)，3D 打印技術(shù)有助于恢復(fù)關(guān)節(jié)一致性、脛腓骨對位以及復(fù)雜的踝關(guān)節(jié)骨折的聯(lián)合穩(wěn)定，更容易達到解剖復(fù)位，在輔助手術(shù)治療方面具有更高的安全性；對伴有骨骺損傷的青少年進行術(shù)后功能評估也發(fā)現(xiàn)，3D 組術(shù)后功能恢復(fù)優(yōu)良率較傳統(tǒng)手術(shù)組更高。趙景新等[8]對16 例行3D 打印輔助脛骨遠端骨骺骨折手術(shù)的青少年行患肢踝關(guān)節(jié)功能評估，結(jié)果發(fā)現(xiàn)所有患者患側(cè)踝關(guān)節(jié)功能預(yù)后均良好，與健側(cè)踝關(guān)節(jié)功能差異不明顯，與上述一致。

術(shù)前可視化處理骨折復(fù)制品不僅能幫助延展術(shù)前設(shè)計，還能提高醫(yī)師操作熟練度及信心[21]。出于對手術(shù)室效率的要求和青少年處于生長發(fā)育階段的考慮，手術(shù)需要經(jīng)驗更豐富的操作者，限制了年輕醫(yī)生在手術(shù)室獲得初步經(jīng)驗的機會。Kang 等[11]研究發(fā)現(xiàn)，用尸體及合成骨進行訓(xùn)練仍無法完全模擬即將手術(shù)的骨折骨，因此，缺乏經(jīng)驗的外科醫(yī)師傾向于選擇3D打印技術(shù)輔助骨折手術(shù)。Aimar 等[10]經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，75%缺乏經(jīng)驗的外科醫(yī)師明確表示希望在實踐中使用3D打印模型，尤其是在處理復(fù)雜骨折時，且術(shù)前處理骨折模型并安裝植入物的機會難得，有助于提高醫(yī)師手術(shù)把控力和手術(shù)成功率。此外，3D打印技術(shù)還能定制個體化手術(shù)器械、植入物或假體，精準評估關(guān)節(jié)處皮膚缺損，從而提升修復(fù)精準度，減少關(guān)節(jié)處皮膚張力，制定出更具針對性的診療方案，提高手術(shù)安全性及舒適度[10,20,22]，對踝關(guān)節(jié)開放性骨骺骨折的治療具有重要意義。

目前，臨床上脛骨遠端骨骺骨折內(nèi)固定的材料多選擇克氏針、空心螺釘、髓內(nèi)釘、鎖定鋼板等，但跨骺固定一般用光滑的克氏針。術(shù)中內(nèi)固定材料的選擇需平衡穩(wěn)定固定和減輕骨骺損傷，達到解剖復(fù)位，實現(xiàn)內(nèi)固定穩(wěn)定，同時避免骨骺損傷[2]?；純簜€體生長發(fā)育及骨折細節(jié)上的差異，使得內(nèi)固定材料的選擇更注重個體需求，以實現(xiàn)最佳的契合效果。3D打印技術(shù)能夠輔助術(shù)前內(nèi)固定材料的篩選，規(guī)劃手術(shù)方式，模擬手術(shù)過程，并結(jié)合骨折塊的創(chuàng)傷情況對內(nèi)固定進行預(yù)塑形，減少術(shù)中對內(nèi)固定材料的反復(fù)調(diào)整和臨時塑形，提高復(fù)位效率，增加內(nèi)固定的穩(wěn)定性[21]。Yang等[17]認為，3D 打印技術(shù)能明確鋼板和螺釘?shù)姆胖梦恢?，并對其進行預(yù)彎，確保復(fù)位的準確性和內(nèi)固定的穩(wěn)定性。Bagaria 等[23]也認為，骨折模型上根據(jù)實際操作來篩選最優(yōu)手術(shù)入路、內(nèi)固定物及其置入方式，可避免選材的主觀盲目性。以上研究表明，3D打印技術(shù)輔助手術(shù)治療的真正益處在于允許從多個角度觸摸和檢查骨折，以及驗證固定效果的實際可行性。

4 3D手術(shù)導(dǎo)航模板

3D 手術(shù)導(dǎo)航模板是基于3D 打印衍生出的手術(shù)設(shè)計的逆向產(chǎn)物，具有使用簡單便捷、定位定向準確、無需反復(fù)調(diào)整螺釘或克氏針角度及長度、設(shè)計個體化等優(yōu)點，能有效避免醫(yī)源性損傷，減少術(shù)后并發(fā)癥，適用于踝關(guān)節(jié)等解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜、骨性標志明顯的骨關(guān)節(jié)骨折。Gao 等[24]研發(fā)了一種輔助置入髓內(nèi)釘?shù)膶?dǎo)航模板，與脛骨結(jié)合時可提高髓內(nèi)釘遠端定位的精確性，保護遠端組織。Zaleski 等[25]將3D 導(dǎo)航模板聯(lián)合定制器械應(yīng)用于脛骨平臺創(chuàng)傷后缺損的患者，通過術(shù)后功能隨訪及相關(guān)影像學(xué)資料證實，3D打印技術(shù)輔助手術(shù)可準確恢復(fù)關(guān)節(jié)的解剖關(guān)系，提高手術(shù)操作的可重復(fù)性，縮短手術(shù)時間。Cai 等[26]將3D 導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用于10 例下肢骨骺復(fù)雜病變患兒的治療中，結(jié)果顯示，3D導(dǎo)航模板避免了定位錯誤導(dǎo)致的醫(yī)源性損傷，且脛骨的骨性結(jié)構(gòu)便于定位導(dǎo)板的設(shè)計和使用。綜上，3D手術(shù)導(dǎo)航模板輔助手術(shù)能夠多點定位骨性標志，有利于保護周圍正常骨質(zhì)，適用于解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜的脛骨遠端骨骺骨折，可為患者恢復(fù)關(guān)節(jié)穩(wěn)定性及力線提供基礎(chǔ)。此外，3D 手術(shù)導(dǎo)航模板聯(lián)合CT、MRI 檢查能夠預(yù)測術(shù)后骨骺早閉及缺血壞死等不良事件的發(fā)生風險，以便及早進行干預(yù)[27]。

5 3D打印技術(shù)輔助骨折固定（術(shù)后及患肢保護）

傳統(tǒng)石膏固定負重大且固定時間長，給患者日?；顒訋順O大的不便；且石膏透氣性差，長時間固定易導(dǎo)致患肢皮疹、水泡、皮膚瘙癢等癥狀。3D 打印可以實現(xiàn)即時打印成型，精確的數(shù)據(jù)建模使石膏能夠完全貼合患肢，保證最佳的恢復(fù)體位，多孔設(shè)計也改善了石膏的透氣性；對于關(guān)節(jié)固定，尤其是下肢負重關(guān)節(jié)較常規(guī)石膏具有更高的佩戴舒適度。Chen 等[28]通過分析27 例關(guān)節(jié)骨折且術(shù)后采用石膏固定的患者資料發(fā)現(xiàn)，3D打印石膏不僅舒適度高，適配性更好，固定也較傳統(tǒng)石膏更簡易，患者進行功能恢復(fù)鍛煉時的運動表現(xiàn)也更加活躍。3D 打印技術(shù)還可將外固定支架或矯形器修改過程數(shù)字化，更換支架或矯形器時將測量數(shù)據(jù)輸入計算機可提高適配度，滿足個體需求[20,27]。Wang 等[29]利用3D 數(shù)字化技術(shù)將踝足矯形器修改過程中的位置可視化和量化，成功地將復(fù)雜的生產(chǎn)過程轉(zhuǎn)化為簡便的個性化數(shù)控修改過程。另外，在3D打印基礎(chǔ)上加入時間屬性的4D 技術(shù)能使打印出的物品隨外界刺激改變形態(tài)或功能，這或許是設(shè)計可活動或自主調(diào)整外固定形態(tài)的突破口[30]。

6 總結(jié)與展望

3D 打印技術(shù)使骨骺骨折的診療更加精準，從而提高了脛骨遠端骨骺骨折的治療效果，改善了預(yù)后[31]。3D打印技術(shù)能夠使骨折損傷三維立體化，更易分析骨折發(fā)生機制，直觀評估脛骨遠端骨骺骨折損傷情況，特別是在微小骨折及局部骨骺骨折方面具有較高的診斷特異性和靈敏性；同時，3D 打印技術(shù)輔助下能探查標記重要解剖結(jié)構(gòu)及骨折塊，擬定復(fù)位順序。采用3D 打印技術(shù)設(shè)計的手術(shù)導(dǎo)航模板，具有使用簡易、定位準確、無需反復(fù)調(diào)整內(nèi)固定器械等優(yōu)點，可以有效減少醫(yī)源性損傷和放射暴露，降低術(shù)前判斷錯誤導(dǎo)致的手術(shù)風險和術(shù)后并發(fā)癥發(fā)生率。3D 打印還可以制作個體化內(nèi)固定器械和植入物，進行預(yù)塑形，以提高手術(shù)效率和內(nèi)固定穩(wěn)定性，精準評估損傷程度，提高修復(fù)精準度，減輕切口張力。這些特點對治療脛骨遠端骨骺骨折具有重要意義。術(shù)后采用3D 打印技術(shù)根據(jù)患兒個體需求制作適配度和佩戴舒適度更高的石膏，可替代傳統(tǒng)石膏固定。對于不可挽回的骨骺損傷或伴有骨缺損的患兒，后續(xù)可用3D打印個性化的植入假體或填充性骨性支架，甚至可以用于打印合成骨代替結(jié)構(gòu)同種異體骨移植來矯正患肢畸形[32]。利用3D打印帶有微小孔隙的支架，在孔隙中填塞具有生物活性的材料甚至骨骺細胞，對于骨骺損傷致發(fā)育問題的患兒有重大意義[33]。

雖然3D 打印技術(shù)為青少年脛骨遠端骨骺骨折的診療及預(yù)后提供了全新視角及個體化診療思維，但仍存在設(shè)備及維護價格高、術(shù)前準備時間長、缺乏軟組織打印等不足；且其在急診骨折創(chuàng)傷等方面的應(yīng)用也存在一定缺陷，需要進一步研究，改善臨床療效。此外，3D手術(shù)導(dǎo)航模板目前在脛骨遠端骨骺骨折中的應(yīng)用較少，即使僅對植入支架進行3D 打印，支架植入后也會存在骨折愈合速度減慢的問題[34]。因此，對于這一領(lǐng)域仍需進一步研究。隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，期望在未來以適宜價格得到3D 打印產(chǎn)品，并實現(xiàn)3D 打印與骨科機器人結(jié)合完成數(shù)字化、程序化手術(shù)。新興的4D 打印技術(shù)因具有四維空間屬性可能成為未來的研究熱點[30]。