3D打印技术在SandersⅡ、Ⅲ型跟骨骨折手术治疗中的临床应用

陈 克，潘振宇

·论 著·

3D打印技术在SandersⅡ、Ⅲ型跟骨骨折手术治疗中的临床应用

陈 克，潘振宇

目的 探讨3D打印技术(three-dimensional printing，TDP)在手术治疗跟骨骨折中的临床应用及疗效。方法 回顾性研究武汉大学中南医院2013年2月～2016年1月收治的80例SandersⅡ、Ⅲ型跟骨骨折患者的资料，男性53例，女性27例；年龄25～62岁，平均37.3岁。左足37例，右足43例；SandersⅡ型52例，SandersⅢ型28例。研究对象分为3D打印技术辅助治疗组(TDP组，40例40足)和常规切开复位内固定组(对照组，40例40足)，其中TDP组术前打印1∶1的3D骨折模型，术前手术组成员依据3D模型规划手术方案，制定并实施个体化治疗方案及医患沟通。对照组行常规切开复位内固定术及术前医患沟通。比较两组手术操作时间、透视次数、止血带加压时间、切口并发症发生率、医患沟通效率及Maryland足部评分优良率。结果 TDP组均采取了与术前模拟一致的手术步骤，其手术操作时间、止血带加压时间及透视次数分别为(105.0±14.2)、(78.0±14.4)min和(3.4±2.9)次，较对照组(153.0±37.6)、(115.0±28.6)min和(8.5±1.2)次短，差异有统计学意义(P<0.05)。TDP组的切口并发症发生率(5.0%)较对照组(20.0%)减少，差异有统计学意义(P<0.05)。术前采取问卷的形式评估医患沟通效果，TDP组明显优于对照组，差异有统计学意义(P<0.05)。术后根据Maryland足部评分:TDP组优13例、良22例、可5例、差0例，优良率87.5%；对照组优11例、良23例、可5例、差1例，优良率85.0%；两组患足功能对比差异无统计学意义(P>0.05)。结论 3D打印技术辅助SandersⅡ、Ⅲ型跟骨骨折手术治疗，可缩短手术时间，降低切口并发症发生率，改善医患沟通效果。

跟骨骨折； 3D打印； 辅助治疗； 内固定

跟骨骨折临床多见，约占全身骨折的2%，占跗骨骨折的70%。跟骨具有独特的解剖外形，并且其周围的解剖结构也较为复杂。跟骨在人体负重运动功能中极其重要，所以在治疗移位明显的SandersⅡ、Ⅲ型骨折时，对复位精细度的要求较高。3D打印技术(three-dimensional printing，TDP)早期多应用于口腔颌面重建手术[1-2]，在骨科领域，主要应用于相对复杂、精细度要求较高的手术，如骨盆、脊柱骨折等[3]。随着武汉大学中南医院数字骨科中心的成立，TDP给手术治疗跟骨骨折提供了一个新思路。笔者回顾性分析2013年2月～2016年1月分别采用TDP治疗和常规切开复位内固定手术治疗的80例SandersⅡ、Ⅲ型跟骨骨折患者，并对比相关指标，评估临床效果。

临床资料

1 一般资料

纳入标准：(1)成人跟骨骨折，既往无患侧踝关节创伤史且功能正常；(2)术前经CT平扫确诊为SandersⅡ、Ⅲ型骨折；(3)跟骨骨折块移位≥1mm。排除标准：(1)开放性骨折或合并周围跗骨脱位、骨折；(2)伴有血管性疾病；(3)双侧跟骨骨折；(4)患者存在认知沟通障碍。

本组80例患者纳入此次研究，其中男性53例，女性27例；年龄25～62岁，平均37.3岁。致伤机制：高处坠落伤72例，挤压伤8例。左足37例，右足43例；SandersⅡ型52例，SandersⅢ型28例。研究对象分为TDP组和对照组各40例40足。两组患者一般资料对比差异无统计学意义(P>0.05)，见表1。

表1 TDP组与对照组患者一般资料比较

2 术前准备

患者入院后至术前均石膏外固定，禁烟、抬高患足、冰敷及消肿治疗。手术时机以跟骨外侧皮肤出现皱褶为准。入院后给予TDP组患者双足CT数据构建三维数字模型，按其DICOM数据采用熔融堆积技术(FDM)按1∶1比例打印患侧及健侧镜像跟骨模型。将患侧的跟骨骨折数据模型一并导入Geomagic Studio 12进行Boolean体积差集计算，获得准确的患足骨缺损量。

术前准备不同规格的锁定钛板及适配螺钉。在健侧镜像跟骨1∶1等大模型上安置钛板，并依据跟骨外侧壁外形进行裁剪预塑形；以跟骰关节、载距突、跟骨结节为定位“锚点”，在模型非植骨区打入螺钉，测量并记录其长度，最终消毒备用。在术前沟通环节，TDP组在对照组的沟通内容基础上增加了骨折模型演示，随后评估两组患者对骨折严重程度、手术风险及并发症的认知程度。

3 手术方法

两组患者的手术医师为固定人员，由副主任医师1名、主治医师1名、住院医师1名组成。手术均采用连续硬膜外麻醉，取健侧卧位。均应用气压止血带。为避免出现排异反应影响研究结果，患者均取自体髂骨植骨。手术开始时间以跟骨区切开皮肤为始，以缝合完切口为终。

对照组采用经典跟骨外侧“L”形切口，一次全层切开并直至骨膜。骨膜下全层剥离皮瓣并保护皮瓣。给予跟骨克氏针牵引辅助复位，直视下复位关节面。针对关节面下骨质压缩严重的患者，依据术中复位后形成的骨缺损，选择自体取骨植骨治疗。复位阶段需透视跟骨侧位、轴位，评估跟骨高、长、宽度、Bohler 角、Gissane 角，需Broden位透视了解距下关节面的复位情况。依据复位后跟骨外侧壁对内固定钛板进行裁剪、塑形。内固定阶段需透视确定螺钉长度，是否进入关节间隙。最后留置引流条,缝合切口。

TDP组切开复位的操作均与对照组一致。在植骨步骤，该组依据术前预估植骨量，于麻醉成功后先行取自体骨，再行切开复位操作。在内固定阶段，以跟骨结节、跟骰关节及载距突的“锚点”骨性标志置入接骨板。除在植骨区需测量螺钉长度外，其余螺钉均选取术前模拟的长度及方向置入。

4 术后处理

两组患者术后48h内行预防性抗感染治疗，并在24h内取出引流片。及时更换外敷料，以保持手术切口干燥。术后3d嘱患者行足趾、踝关节功能锻炼,并置布朗式架持续抬高1周，术后2周切口拆线。患足中立位足踝外固定4周,术后2个月开始逐步负重，至术后3个月完全负重。

5 观察指标

两组患者均记录手术时间、止血带加压时间、透视次数、术后手术切口并发症情况；术后12个月随访患足功能。采用Maryland评分系统评估患足功能。

6 统计学分析

结 果

1 两组术前医患沟通情况

本研究以问卷的形式评估，TDP组中75.0%的患者认为已完全了解骨折严重程度、手术风险及并发症情况，而对照组只有15.0%，差异有统计学意义(P<0.05)，见表2。

2 两组术中指标比较

与对照组相比，TDP组手术操作时间、止血带加压时间更短；TDP组术中透视次数较对照组更少，比较差异有统计学意义(P<0.05)，见表3。

3 两组术后并发症统计比较

TDP组出现切口并发症2例(皮缘坏死2例，无感染)；对照组术后切口并发症8例(皮缘坏死5例，感染3例)，经换药后均愈合，未出现内固定外露及骨髓炎；两组比较差异有统计学意义(P<0.05)，见表4。

所有患者在术后9～20周(平均10.6周)均获得骨性愈合。术后根据Maryland足部评分:TDP组优良率87.5%，其中优13例、良22例、可5例、差0例；对照组优良率85.0%，其中优11例、良23例、可5例、差1例。两组患足功能对比差异无统计学意义(P>0.05)。典型病例见图1。

表2 术前沟通后患者对骨折严重程度、手术风险 及并发症情况理解程度[n(%)]

Z=5.403,P=0.000<0.001

表3 TDP组与对照组术中指标比较

表4 TDP组与对照组术后并发症比较[n(%)]

图1 患者男性，36岁，高处坠落伤致左足跟部肿痛并活动受限3h入院。a.术前CT平扫及处理后健侧镜像、患侧的跟骨3D模型，并计算预植骨量(7cm3);b.经3D打印后骨折实物模型多方位图;c.健侧镜像及患侧跟骨对比；术前规划，内固定钛板选取、预塑形、裁剪等；借助3D骨折模型进行术前医患沟通；d.术中操作情况;e.术后6个月X线片，术后14个月回访情况

讨 论

SandersⅡ、Ⅲ型跟骨骨折常伴骨折块分离、翻转移位或压缩嵌插。针对复杂的病例，手术医师基于客观精确的影像学资料和良好的空间想象能力才能充分理解骨折块的移位情况。在工作中，影像科医师提供影像图像常不能充分满足手术医师真正所需的范围和角度，即使重建三维图像，也因二维平面显示效果而不尽人意。因此术者可能因主观或客观的原因，在术中复位精确度无法做到更好。3D打印技术能使复杂的骨折模型在短时间内成为医师拿在手中任意角度观察的实体模型，这有助于临床医师对骨折的三维结构做出最真实、精确的评估[4]。在本次研究中，3D打印技术在复杂跟骨骨折治疗中的辅助作用从以下几方面讨论。

1 术前规划

掌握跟骨解剖形态变化及各个骨折块移位情况至关重要[5]。针对具体病例，TDP技术能精准打印出1∶1的患侧及健侧镜像跟骨模型，使手术组医师直观地将患足跟骨与健侧跟骨对比(图1c)，充分理解骨折后跟骨解剖上的变化，以利于术中矫正畸形、精准复位。跟骨前部(跟骰关节附近)-载距突-跟骨结节可提供内固定牢固的把持力。术前在健侧模型上行模拟手术过程中，术者将上述三个解剖位置作为“锚点”，并以此标记安置接骨板、塑形、确定螺钉最佳固定位置、角度及深度。在实际手术中使用已塑形的接骨板，可以起到跟骨复位参照作用。对照组中常因内固定位置不理想，存在多次穿针钻孔、内固定螺钉进入跟骰关节和距下关节的情况。这些不必要操作或误操作对于疏松的跟骨无疑是不利的。术前模拟手术可减少上述不利因素的发生。本研究中TDP组所有病例未发现内固定螺钉进入跟骰关节和距下关节，得益于术前详细规划。

2 术中植骨

TDP组患者在术前可依据数字系统获得准确的骨缺损量，而非靠临床经验获得所需植骨具体量。本文典型病例在术前已知出现7cm3骨质缺损，患者所需自体骨可在跟骨区切开皮肤前预先取好备用，该措施从一定程度上减少了手术时间。

3 切口并发症

在与并发症相关的众多因素中，手术时间是不可忽视的一个。邹剑等[6]认为将手术时间控制在1.5h、止血带时间2h以内，可有效降低跟骨复位手术传统外侧“L”形切口的并发症风险。本研究中，TDP组较对照组发生术后并发症的概率更低，得益于在术前详细规划，减少了一些不必要的手术操作，使手术切口缺血时间及暴露时间较对照组更短。相比TDP组，对照组术中需要更多时间来多次透视了解关节面复位情况、内固定置入情况，所需手术时间更长。由于手术时间的控制性缩短，对于足跟外侧皮肤的血供干扰得以减少，并发症的发生率也会减少[7]。

4 医师成长与医患沟通

Hurson等[8]认为3D实物模型评估较传统影像评估可显著提高重复性，尤其是对欠缺经验的年轻医师。年轻医师借助3D打印的健侧患侧模型进行对比，可清晰了解骨折块的移位情况。在独立手术之前，年轻医师的手术能力在TDP技术辅助下沿学习曲线快速上升。对于较复杂的病例，TDP技术也有利于指导经验丰富的医师术中精准复位。因为TDP技术可以呈现更清晰、更易理解的骨折模型，所以在表2中可见两组患者对手术认知的差异较大。Niikura等[9]将3D打印技术制作的复杂骨盆骨折模型作为与患者术前沟通的常用工具。利用个体化骨折模型向患者讲述病情和治疗方案，帮助患者了解治疗的必要性，提高患者依从性，对提升患者满意度有潜在的积极影响[10]。

对于多数基层医院，构建成套3D打印系统需要一笔不小的经费。本研究中打印模型的经费约数百元/足，部分患者因拒绝承担这笔自费费用而不愿实施TDP辅助手术治疗，故TDP组的样本量较少。其次，两组患者术后平均跟踪随访时间只有12.6个月，无法获得例如距下关节创伤性关节炎、跟痛症、跟腓撞击综合征等远期并发症的发病率，因此无法评估两组在避免远期并发症方面是否有差异；同时两组患者均没有术后CT扫描资料，无法更加详细地评估骨折复位效果的差异。因此需要更多的样本来支持TDP技术的应用价值。

[1] Salgueiro MI,Stevens MR.Experience with the use of prebent plates for the reconstruction of mandibular defects[J].Craniomaxillofac Trauma Reconstr，2010,3(4):201-208.

[2] Mehra P,Miner J,D’Innocenzo R,et al.Use of 3-d stereolithographic models in oral and maxillofacial surgery[J].J Maxillofac Oral Surg,2011,10(1):6-13.

[3] Bagaria V,Deshpande S,Rasalkar DD,et al.Use of rapid prototyping and three-dimensional reconstruction modeling in the management of complex fractures[J].Eur J Radiol,2011,80(3):814-820.

[4] 王燎，戴尅戎．骨科个体化治疗与3D打印技术[J].医用生物力学，2014，29(3)：193-199．

[5] 孟国林，刘建，裴国献，等．快速成型模型在跟骨骨折诊断分型中的辅助指导作用[J].中华创伤骨科杂志，2015,17(1)：59-62.

[6] 邹剑,章暐，张长青，等.跟骨骨折切开复位内固定术后伤口并发症的临床分析[J].中华创伤骨科杂志,2006,8(7):647-649.

[7] Zhang T,Su Y,Chen W,et al.Displaced intra-articular calcaneal fractures treated in a minimally invasive fashion[J].J Bone Joint Surg(Am),2014,96(4):302-309.

[8] Hurson C，Tansey A，O’Donnchadha B，et al．Rapid prototyping in the assessment，classification and preoperative planning of acetabular fracture[J].Injury，2007，38(10):1158-1162.

[9] Niikura T,Sugimoto M,Lee SY,et al.Tactile surgical navigation system for complex acetabular fracture surgery[J].Orthopedics,2014,37(4):237-242.

[10] Malik HH,Darwood AR,Shaunak S,et al.Three-dimensional printing in surgery:a review of current surgical applications[J].J Surg Res,2015,199(2):512-522.

(本文编辑： 郭 卫)

Clinical application of 3D printing technique in surgical treatment of Sanders Ⅱ&Ⅲ type calcaneal fracture

CHENKe，PANZhen-yu
(Department of Orthopedics，Zhongnan Hospital of Wuhan University，Wuhan 430070，China)

Objective To investigate the clinical application and curative effect of 3D printing technology (three-dimensional printing,TDP) in surgical treatment of calcaneal fracture. Methods Data of 80 patients with Sanders typeⅡ,Ⅲ calcaneal fractures were retrospectively analyzed,who were admitted in Zhongnan Hospital of Wuhan University from Feb.2013 to Jan. 2016. There were 53 males and 27 females；age ranged from 25 to 62 years (mean 37. 3 years). There were 37 cases of left foot injury and 43 cases of right foot injury；52 cases of Sanders typeⅡand 28 cases of Sanders type Ⅲ. The subjects were divided into 3D print assisted therapy group(TDP group，40 cases,40 feet)and routine open reduction and internal fixation group(control group，40 cases,40 feet).In TDP group,1:1 3D fracture model was printed before operation.The operation group planned the operation according to the 3D model before operation，formulated and implemented individualized treatment plan and doctor-patient communication. The control group

routine open reduction and internal fixation and preoperative doctor-patient communication. The operation times,fluoroscopy times,the time of use of the tourniquet,the incidence of incisional complications,the efficiency of the doctor-patient communication,and the Maryland foot score were compared between the two groups. Results The operation time,the tourniquet compression time and fluoroscopy times were(105.0±14.2)min,(78.0±14.4)min and(3.4±2.9)times，respectively,which were shorter than those of the control group ((153.0±37.6) min,(115.0±28.6)min,(8.5±1.2)times,respectively)，and the differences were statistically significant(P<0.05).The incidence of incision complications in the TDP group (5.0%) was lower than that in the control group (20.0%)，and the difference was statistically significant(P<0.05).Questionnaire was used to evaluate the communication effect between doctors and patients，which was better in the TDP group than that in the control group，and the difference was statistically significant(P<0.05). The postoperative Maryland foot score indicated excellent in 13 cases,good in 22 cases,and fair in 5 cases in the TDP group，with the excellent and good rate of 87.5%. while in the control group ,there were 11 cases of excellent,23 cases of good,5 cases of fair,and 1 case of poor,with the excellent and good rate of 85.0%. There was no statistical difference in the comparison of foot function between the two groups(P>0.05). Conclusion 3D printing technology assistants the surgical treatment of SandersⅡ,Ⅲ type calcaneal fracture，can shorten the operation time,reduce the complication rate of incision and improve the communication effect between doctors and patients.

calcaneal fracture; 3D printing; adjunctive therapy; internal fixation

430070 武汉，武汉大学中南医院

潘振宇，E-mail:soloistp@126.com

1009-4237(2017)07-0508-05

R 687.3

A

10.3969/j.issn.1009-4237.2017.07.008

2016-06-11；

2017-01-16)