計(jì)算機(jī)輔助結(jié)合3D打印技術(shù)在復(fù)雜脛骨平臺(tái)骨折手術(shù)中的應(yīng)用研究*

單曉威 劉愛(ài)國(guó) 王久清 張顯 馬航

復(fù)雜脛骨平臺(tái)骨折是一種常見(jiàn)的下肢骨折，常由于較大創(chuàng)傷、暴力因素導(dǎo)致。此類骨折常為粉碎性，移位明顯且易傷及關(guān)節(jié)面及周圍重要韌帶、軟組織，影響下肢承重及穩(wěn)定性，治療不當(dāng)可嚴(yán)重影響膝關(guān)節(jié)的屈伸功能[1]。切開(kāi)復(fù)位內(nèi)固定術(shù)是治療復(fù)雜脛骨平臺(tái)骨折的基本方法，手術(shù)須達(dá)到解剖復(fù)位要求，但術(shù)中存在內(nèi)固定物匹配性欠佳、關(guān)節(jié)面高度恢復(fù)不理想等情況。隨著外科精準(zhǔn)化、數(shù)字化、個(gè)體化醫(yī)學(xué)觀念的深入和醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助結(jié)合3D打印技術(shù)在骨科領(lǐng)域的運(yùn)用越來(lái)越廣泛[2]。3D打印技術(shù)可將患者的二維CT檢查結(jié)果通過(guò)計(jì)算機(jī)和一系列軟件操作轉(zhuǎn)換成三維圖像，并可將骨折三維模型按照1∶1實(shí)體打印出直觀、易懂的實(shí)物，全方位、清楚地展現(xiàn)骨折部位的解剖結(jié)構(gòu)、骨折的分型及骨塊粉碎程度，還可以直接用于術(shù)前篩選合適型號(hào)的接骨板、螺釘?shù)?，進(jìn)行實(shí)際手術(shù)前模擬操作[3]。因此，本研究對(duì)比分析了這兩種不同的手術(shù)方案對(duì)于復(fù)雜脛骨平臺(tái)骨折治療的效果，做如下匯報(bào)。

1 資料與方法

1.1 納入與排除標(biāo)準(zhǔn)

納入標(biāo)準(zhǔn)：①因外傷入院，經(jīng)影像學(xué)檢查確診為脛骨平臺(tái)骨折患者；②年齡18～60歲；③骨折類型為復(fù)雜脛骨平臺(tái)骨折：Schatzker分型Ⅳ型、Ⅴ型、Ⅵ型；④已簽署本研究知情同意書。

排除標(biāo)準(zhǔn)：①結(jié)核、腫瘤病史；②合并影響骨質(zhì)代謝的系統(tǒng)性疾??；③特殊藥物長(zhǎng)期服用史；④合并較重心腦血管疾病或后遺癥；⑤合并大血管病變、大面積開(kāi)放傷。

1.2 一般資料

選取2018年12月至2020年5月在河南大學(xué)第一附屬醫(yī)院骨科收住院，確診為脛骨平臺(tái)骨折并進(jìn)行手術(shù)治療的患者65例。將入選患者隨機(jī)分為實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組。其中，實(shí)驗(yàn)組男21例，女13例；年齡25～57歲，平均（34.2±2.8）歲；按照Schatzker分型：Ⅳ型14例，Ⅴ型11例，Ⅵ型9例。對(duì)照組男19例，女12例；年齡22～59歲，平均（35.1±4.2）歲；按照Schatzker分型：Ⅳ型11例，Ⅴ型12例，Ⅵ型8例。本研究獲醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)（20190116），并取得患者的知情同意。兩組患者的一般資料比較，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），具有可比性（見(jiàn)表1）。

表1 兩組患者的一般資料比較

1.3 手術(shù)方法

將入選患者根據(jù)手術(shù)方式的不同分為實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組。對(duì)照組患者手術(shù)方式采用傳統(tǒng)切開(kāi)復(fù)位內(nèi)固定術(shù)，根據(jù)術(shù)前DR、CT圖像確定骨折情況，根據(jù)骨折部位選擇脛骨外側(cè)正中或前內(nèi)側(cè)作切口，打開(kāi)關(guān)節(jié)囊，剝離骨膜，充分顯露骨折端，清理關(guān)節(jié)腔內(nèi)骨折碎片及血塊，對(duì)骨折端進(jìn)行復(fù)位，采用克氏針進(jìn)行臨時(shí)固定，將解剖鋼板貼于骨折面進(jìn)行固定；對(duì)存在關(guān)節(jié)面塌陷的患者術(shù)中采取撬起塌陷關(guān)節(jié)面、同種異體骨植骨治療，復(fù)位后塌陷骨折處的軟骨面應(yīng)高于正常脛骨平臺(tái)軟骨面1.0～2.0 mm[4]。術(shù)中C臂機(jī)透視確認(rèn)關(guān)節(jié)面平整、鋼板及螺釘位置良好后沖洗術(shù)口，放置負(fù)壓引流，逐層縫合切口。

對(duì)實(shí)驗(yàn)組患者首先完善常規(guī)DR、CT檢查，檢查設(shè)備型號(hào)、參數(shù)同對(duì)照組不變，然后將患者的CT數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics 17.0軟件中重建患者的骨折三維模型，將骨折三維重建文件導(dǎo)入3D打印機(jī)進(jìn)行1∶1實(shí)體打印操作。將打印完畢的骨折實(shí)體骨折模塊復(fù)位，對(duì)比計(jì)算機(jī)模擬復(fù)位情況；模型復(fù)位滿意后開(kāi)始預(yù)選接骨板、螺釘，預(yù)先設(shè)計(jì)手術(shù)方案，確定后需要折彎接骨板預(yù)先進(jìn)行折彎；確定術(shù)中預(yù)使用的接骨板、螺釘型號(hào)，文字備案。實(shí)際手術(shù)時(shí)選用預(yù)先計(jì)算好的螺釘方向和長(zhǎng)度，其余手術(shù)步驟同對(duì)照組。

1.4 評(píng)價(jià)指標(biāo)

分別統(tǒng)計(jì)兩組患者的手術(shù)時(shí)間、術(shù)中出血量、術(shù)中透視總時(shí)間、術(shù)后切口引流量、平均住院時(shí)間、解剖復(fù)位率、術(shù)后并發(fā)癥率；運(yùn)用膝關(guān)節(jié)評(píng)分（HSS）分別評(píng)估兩組患者術(shù)后1個(gè)月、2個(gè)月、6個(gè)月、1年的患側(cè)膝關(guān)節(jié)功能恢復(fù)情況。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

采用SPSS 23.0軟件處理數(shù)據(jù)。計(jì)量資料以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示，組間比較行t檢驗(yàn)或單因素方差分析，兩兩比較采用SNK-q檢驗(yàn)；計(jì)數(shù)資料采用χ2檢驗(yàn)。P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 兩組觀測(cè)指標(biāo)及HSS評(píng)分對(duì)比

實(shí)驗(yàn)組的手術(shù)時(shí)間、術(shù)中出血量、術(shù)中透視總時(shí)間、術(shù)后切口引流量、平均住院時(shí)間均低于對(duì)照組（P＜0.05）；兩組患者在術(shù)后1個(gè)月內(nèi)膝關(guān)節(jié)功能（HSS）評(píng)分差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）；實(shí)驗(yàn)組在術(shù)后2個(gè)月、6個(gè)月、1年隨訪效果膝關(guān)節(jié)功能情況（HSS）評(píng)分高于對(duì)照組（P＜0.05）。各觀測(cè)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)如表2、表3所示。

表2 兩組患者的觀測(cè)指標(biāo)對(duì)比（±s）

表2 兩組患者的觀測(cè)指標(biāo)對(duì)比（±s）

組別實(shí)驗(yàn)組（n=34）對(duì)照組（n=31）t值P值手術(shù)時(shí)間（min）125.6±25.3 140.3±21.6-2.507 0.015術(shù)中出血量（mL）135.5±14.7 149.6±16.3-3.667 0.001術(shù)中透視總時(shí)間（min）10.5±3.6 25.4±4.2-15.395＜0.001術(shù)后切口引流量（mL）58.3±5.7 82.1±3.5-20.217＜0.001平均住院時(shí)間（d）9.3±1.7 13.2±2.1-5.794＜0.001

表3 兩組患者術(shù)后隨訪膝關(guān)節(jié)HSS評(píng)分對(duì)比（±s，分）

表3 兩組患者術(shù)后隨訪膝關(guān)節(jié)HSS評(píng)分對(duì)比（±s，分）

組別實(shí)驗(yàn)組（n=34）對(duì)照組（n=31）t值P值術(shù)后1個(gè)月34.2±3.1 33.6±2.6-0.841 0.404術(shù)后2個(gè)月60.5±2.7 58.6±3.8-2.340 0.023術(shù)后6個(gè)月78.3±2.8 72.7±2.4-8.616＜0.001術(shù)后1年88.4±2.5 80.3±3.1-11.642＜0.001

2.2 兩組解剖復(fù)位對(duì)比

兩組術(shù)后3個(gè)月復(fù)查X線，實(shí)驗(yàn)組31例達(dá)到解剖復(fù)位，復(fù)位率91.2%；對(duì)照組26例達(dá)到解剖復(fù)位，復(fù)位率83.9%。兩組解剖復(fù)位率比較，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。

2.3 兩組術(shù)后并發(fā)癥對(duì)比

兩組患者術(shù)后均隨訪1年，兩組骨折處均達(dá)到骨性愈合。其中實(shí)驗(yàn)組發(fā)生創(chuàng)傷性關(guān)節(jié)炎1例，關(guān)節(jié)僵硬2例；對(duì)照組發(fā)生創(chuàng)傷性關(guān)節(jié)炎2例，關(guān)節(jié)僵硬2例。實(shí)驗(yàn)組并發(fā)癥發(fā)生率（8.82%）較對(duì)照組（12.90%）比較，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（χ2=19.324，P＜0.05）。

典型病例：患者，女，38歲，脛骨平臺(tái)骨折Schatzker分型Ⅵ型（見(jiàn)圖1）。

圖1 A、B.術(shù)前左膝關(guān)節(jié)正側(cè)位X線片；C、D.骨折部位1∶1打印實(shí)物模型；E、F.術(shù)后3個(gè)月復(fù)查膝關(guān)節(jié)正側(cè)位X線片

3 討論

脛骨平臺(tái)骨折是一種常見(jiàn)的膝關(guān)節(jié)損傷，近年來(lái)由于車禍傷、墜落傷等增多，復(fù)雜脛骨平臺(tái)骨折的發(fā)生率明顯升高。在臨床上將SchatzkerⅣ、Ⅴ、Ⅵ型脛骨平臺(tái)骨折定義為復(fù)雜脛骨平臺(tái)骨折，手術(shù)治療此類骨折時(shí)解剖復(fù)位、恢復(fù)關(guān)節(jié)面平整是關(guān)鍵，并應(yīng)給予堅(jiān)強(qiáng)內(nèi)固定[5-6]。實(shí)際中因切口入路選擇欠佳、軟組織剝離過(guò)多、內(nèi)植物貼合度不夠等，可引起術(shù)后切口愈合不良、關(guān)節(jié)面塌陷、關(guān)節(jié)僵硬、韌帶粘連等并發(fā)癥出現(xiàn)，對(duì)患者膝關(guān)節(jié)功能造成明顯障礙[7]。

正常情況下，人體關(guān)節(jié)軟骨再生與磨損之間存在動(dòng)態(tài)平衡?，F(xiàn)代生物力學(xué)之父Pauwels教授研究發(fā)現(xiàn)，關(guān)節(jié)面解剖復(fù)位能擴(kuò)大關(guān)節(jié)軟骨的承重面積；干骺端畸形矯正則能避免局部關(guān)節(jié)面過(guò)度負(fù)荷，從而恢復(fù)關(guān)節(jié)軟骨愈合所需的正常生物學(xué)應(yīng)力[8]。Mitchell和Llinas等[9-10]在進(jìn)行大量動(dòng)物實(shí)驗(yàn)后得出結(jié)論認(rèn)為骨折后只有既使關(guān)節(jié)面達(dá)到解剖復(fù)位又進(jìn)行堅(jiān)強(qiáng)穩(wěn)定固定，關(guān)節(jié)面才能最終實(shí)現(xiàn)透明軟骨愈合。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，只有當(dāng)關(guān)節(jié)面不平的臺(tái)階不超過(guò)關(guān)節(jié)軟骨厚度的2倍時(shí)，關(guān)節(jié)臺(tái)階處才會(huì)有軟骨再生。因此，對(duì)于關(guān)節(jié)內(nèi)骨折，實(shí)現(xiàn)解剖復(fù)位和堅(jiān)強(qiáng)固定是恢復(fù)關(guān)節(jié)軟骨正常生物力學(xué)環(huán)境的關(guān)鍵，從而實(shí)現(xiàn)透明軟骨愈合；若關(guān)節(jié)面不能解剖復(fù)位，那么復(fù)位后的關(guān)節(jié)面臺(tái)階不應(yīng)超過(guò)關(guān)節(jié)軟骨厚度的2倍[11]。

3D打印技術(shù)又稱增材制造技術(shù)，是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體的技術(shù)[12]。在本研究中，筆者將患者CT數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics 17.0軟件處理后，將文件導(dǎo)入3D打印機(jī)，采用PLA材質(zhì)打印材料，經(jīng)過(guò)高溫熔化、成型、凝固、冷卻等程序即可按照1∶1的比例將患者骨骼模型打印出來(lái)，所打印的實(shí)物除了有助于治療團(tuán)隊(duì)更直觀了解病情，還可以預(yù)先指定某一塊鋼板供手術(shù)使用，從而避免了雜亂無(wú)章的“海選”以及術(shù)中鋼板折彎，大大縮短了手術(shù)時(shí)間及提高手術(shù)成功率，從而達(dá)到手術(shù)優(yōu)化的目的[13]。本次實(shí)驗(yàn)組經(jīng)3D打印技術(shù)術(shù)前規(guī)劃設(shè)計(jì)，實(shí)際術(shù)中手術(shù)時(shí)間、術(shù)中出血量、術(shù)中透視總時(shí)間及術(shù)后切口引流量均小于對(duì)照組，證明實(shí)驗(yàn)組術(shù)中創(chuàng)傷程度更小。實(shí)驗(yàn)組解剖復(fù)位率高于對(duì)照組，說(shuō)明3D打印輔助手術(shù)有利于使骨折達(dá)到解剖復(fù)位。本研究中兩組患者在術(shù)后1個(gè)月內(nèi)隨訪的膝關(guān)節(jié)HSS評(píng)分顯示兩組結(jié)果無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，這或許與骨折仍處于愈合期，膝關(guān)節(jié)部分功能未完全恢復(fù)有關(guān)。實(shí)驗(yàn)組在術(shù)后2個(gè)月、6個(gè)月、術(shù)后1年隨訪顯示膝關(guān)節(jié)功能恢復(fù)明顯好于對(duì)照組，且發(fā)生并發(fā)癥幾率較低，這說(shuō)明實(shí)驗(yàn)組的患者在骨折愈合后期膝關(guān)節(jié)的恢復(fù)效果要好于對(duì)照組。本次實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn)在于術(shù)前如何高精度地重建骨折三維圖像，盡可能減少計(jì)算機(jī)軟件運(yùn)行過(guò)程中引起的骨折數(shù)據(jù)丟失，過(guò)多數(shù)據(jù)的丟失或出錯(cuò)再修復(fù)過(guò)程會(huì)引起重建效果和實(shí)際情況的誤差，可能造成3D打印模型細(xì)節(jié)上與實(shí)際術(shù)中所見(jiàn)的骨折情況出現(xiàn)少許偏差，這種情況通常與醫(yī)院CT掃描質(zhì)量、數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量、計(jì)算機(jī)軟件及人工修復(fù)操作水平有一定關(guān)系。在完成骨折重建并打印出實(shí)物后，對(duì)實(shí)物進(jìn)行骨折塊游離、分解、復(fù)位的過(guò)程中盡可能減少額外損傷，以防止由此來(lái)帶來(lái)的誤差，以及術(shù)中關(guān)節(jié)面解剖復(fù)位、牢靠固定。骨科3D打印技術(shù)可廣泛應(yīng)用于臨床，但目前的局限性在于臨床科室中缺乏專業(yè)的醫(yī)工結(jié)合型人才和配套打印設(shè)施。另外，目前該技術(shù)無(wú)論是模型設(shè)計(jì)費(fèi)還是定制型內(nèi)植物均不在醫(yī)保報(bào)銷范圍，屬于自費(fèi)項(xiàng)目，較高的價(jià)格從一定程度上影響了該技術(shù)的推廣[14]。本研究不足之處在于暫不能滿足在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行虛擬模擬手術(shù)，這有待于以后更進(jìn)一步探究。

綜上所述，計(jì)算機(jī)輔助結(jié)合3D打印技術(shù)應(yīng)用于復(fù)雜脛骨平臺(tái)骨折的手術(shù)治療中可降低手術(shù)難度及風(fēng)險(xiǎn)，縮短手術(shù)時(shí)間，提升手術(shù)治療效果，有助于患者術(shù)后康復(fù)，值得臨床推廣應(yīng)用。