3D打印技术在胫骨骨折畸形愈合矫形手术中的应用

郭瑞洪凯峰郭栋李坤*

（1.新疆维吾尔自治区人民医院骨科中心脊柱外科，乌鲁木齐830000；2.新疆乌鲁木齐市友谊医院骨一科，乌鲁木齐830049）

胫骨是人体长管骨最常发生骨折的部位之一，其遭受严重外伤（如直接暴力打击、压轧）机会大；在胫骨骨折愈合过程中，并发症较多[1]。其中胫骨畸形愈合是胫骨骨折后较严重的并发症之一。对于简单骨折后畸形如早期发现并及时纠正，一般疗效良好，但对于粉碎性骨折及有严重软组织损伤的患者，常常容易发生畸形愈合。胫骨骨折后畸形可导致下肢力线改变，久而久之易发生膝或踝的创伤性关节炎。传统的截骨矫形手术中，术者主要通过术前大体像及影像学资料进行粗略设计，因此很难保证术中截骨的准确性[2,3]。近年来，随着3D打印技术的迅速发展，其在医学领域的运用也逐渐被接受。通过影像扫描及计算机辅助软件计算，进而进行3D打印，可对畸形骨进行精准测量并设计个体化截骨导板来指导手术。我院2015年1月至2017年2月完成了10例通过3D打印技术辅助畸形胫骨截骨矫形手术，术后平均随访6.5个月，手术效果满意。

1 资料与方法

1.1 临床资料

选择2015年1月至2017年2月住院治疗的胫骨畸形患者。纳入标准：①选用3D打印技术患者均签署知情同意书；②术前对患肢行3D重建，经软件测量患肢可设计并安放截骨板。排除标准：①不同意行3D打印技术进行术前设计的患者；②患肢合并有急、慢性感染的患者；③合并严重创伤性关节炎患者；④术前设计截骨导板失败患者。

最终纳入10例，男6例，女4例；年龄18～53岁，平均（35±10.3）岁；骨折畸形愈合：胫骨上段3例，胫骨干5例，胫骨下段2例。胫骨畸形角度10°～40°，平均24.5°±2.8°。选用3D打印技术进行术前设计及截骨导板设计。

另随机选取既往在我院行胫骨畸形矫形手术患者10例，男女各5例；年龄16～55岁，平均（36±11.5）岁；骨折畸形愈合：胫骨上段5例，胫骨干3例，胫骨下段2例。

1.2 方法

三维图像构建及3D模型制作：应用64排螺旋CT对患者双侧小腿进行连续断层扫描，将获得的原始数据（DICOM格式）导入到医学影像控制系统Mimics软件中，进行三维图像重建。通过三维重建的模型对比计算健侧肢体的长度及力线并对病骨进行模拟截骨复位、设计截骨导板，将病骨和截骨导板生成的STL文件导入3D打印机处理软件中并执行3D打印，打印出与畸形胫骨1：1等大的模型以及对应的截骨导板。术前通过打印模型模拟演练术中截骨过程，确认无误后将截骨板用高压蒸汽灭菌法灭菌备用。

手术方法：手术均为同一组医师完成。全身麻醉生效后，患者取仰卧位。患肢大腿根部上气囊止血带。常规消毒、铺巾、护皮，止血带充气。取胫骨前方纵形切口，逐层切开皮肤、筋膜，显露并钝性分离肌肉，使用骨膜剥离器剥离骨膜下胫骨畸形区域，安放截骨导板于胫骨指定位置，用克氏针固定导板，摆锯行楔形截骨，复位断端，透视下确认胫骨对位线良好，断端复位满意后用消毒软尺体外测量患肢下肢力线（从髂前上棘至第1、2趾间连线，以术前对侧髌骨中点至对侧该线的水平距离为标准调整患肢力线）[4]。最后植入胫骨髓内针或者胫骨远端锁定加压接骨板行固定，再次体外测量下肢力线、下肢长度及透视下断端对位情况，位置满意后冲洗伤口，逐层缝合伤口，无菌敷料包扎。

记录手术时间、术中出血量、术中透视次数以及术后下肢力线恢复情况。

1.3 统计学分析

应用SPSS 20软件进行统计学分析，正态分布数据采用均数±标准差表示，计量资料两组间比较采用t检验，以α=0.05为检验水准。

2 结果

图1 患者，男，47岁，19年前外伤致右侧胫腓骨骨折，后骨折愈合但残留畸形

观察组手术顺利，术中3D打印的截骨导板能够与术区骨面准确贴服并引导截骨成功，矫形后胫骨对位对线均恢复正常，导板在应用过程中未出现变形、断裂。观察组手术时间为（125.5±24.1）min，较对照组明显缩短[（188.0±27.8）min,t=11.63，P＜0.05]；术中透视次数为（4.5±1.1）次，较对照组明显减少[（7.5±1.7）次,t=15.64，P＜0.05]。观察组均获随访，时间1～20个月，平均6.5个月，截骨端愈合好，未出现感染、下肢力线再次移位的情况。典型病例见图1。

3 讨论

胫骨骨折后畸形愈合引起的慢性疼痛、创伤性关节炎以及畸形的外观严重影响患者的生活质量[5]。传统的截骨手术通过术前X线片进行术前计划，往往造成截骨不精确，下肢力线恢复不够，从而导致术后骨质愈合慢、骨不连甚至下肢短缩畸形[6]。3D打印技术最早用于工业设计与制造，随着3D技术的发展，这种新兴技术逐渐用于医学实践，尤其是在骨科中的应用[7,8]。Radermacher等[9]在1998年应用3D打印技术打印出导航模板应用于腰椎椎弓根钉的置钉研究。此后研究发现，3D导航模板运用于骨科手术可降低手术风险，提高手术精确度，减少手术并发症[10-12]。

本研究观察组术中将截骨导板用克氏针固定在指定位置，可精确切割所要截除的骨质。但是在放置截骨导板时要充分暴露病骨畸形部位，以正确放置截骨导板，这点有待进一步设计和改进，以减少二次创伤。术中对于下肢缩短患者，截骨矫形放置髓内钉后在开口测取髂骨及截除的楔形骨植骨支撑。本研究选取的患者胫骨畸形角度范围在10°～40°，当胫骨畸形角度过大时可能合并严重的皮肤挛缩及局部瘢痕形成，在进行截骨延长时瘢痕组织包绕的神经和血管可能会受到牵拉损伤[13]，因此术中需仔细操作，注意保护。本研究的10例患者伤口均愈合良好，未出现伤口感染、不愈合及神经、血管损伤现象。

在选择内固定材料上，我们推荐使用髓内钉。髓内钉内固定对下肢力线恢复具一定作用[6]，同时在畸形不平整的胫骨上放置钢板并不容易。但是并不是所有情况下都适合运用髓内钉，当遇到胫骨髓腔狭窄（弯曲的髓腔）或者髓腔被硬化骨阻塞情况下就不得不选择锁定接骨板作为内固定材料。也有文献报道使用外固定架作为固定材料[14]，但其稳定性较髓内钉和接骨板差，且存在钉道感染风险。本组中3例使用胫骨远端锁定加压接骨板固定，7例使用髓内钉固定，随访中未发现骨不连、下肢力线丢失等现象，说明合理使用内固定材料能获得满意疗效。

目前，3D打印技术已应用于复杂骨折手术、骨肿瘤截骨以及脊柱外科等领域，进行术前设计、术中定位[15-17]。本研究结果显示，3D打印技术也可应用于胫骨畸形截骨手术，它可以直观了解胫骨畸形程度，通过在3D打印的病骨及设计的截骨导板上进行手术预演，并进行个体化的手术设计。同时，3D打印截骨导板的使用缩短了手术时间，降低了手术的难度，也缩短了骨科医师的学习曲线。相信随着技术的发展，3D打印技术在医学实践中将得到更广泛的发展。

[1]胥少汀,葛宝丰,徐印坎.实用骨科学.第4版.北京:人民军医出版社,2015:1046-1057.

[2]Dobbe JG,Vroemen JC,Strackee SD,et al.Patient-specific distal radius locking plate for fixation and accurate 3D positioning in corrective osteotomy.Strategies Trauma Limb Reconstr,2014,9(3):179-183.

[3]Jeong HS,Park KJ,Kil KM,et al.Minimally invasive plate osteosynthesis using 3D printing for shaft fractures of clavicles:technical note.Arch Orthop Trauma Surg,2014,134(11):1551-1555.

[4]Kraus VB,Vail TP,Worrell T,et al.A comparative assessment of alignment angle of the knee by radiographic and physical examination methods.Arthritis Rheum,2005,52(6):1730-1735.

[5]Milner SA,Davis TR,Muir KR,et al.Long-term outcome after tibial shaft fracture:is malunion important?J Bone Joint SurgAm,2002,84-A(6):971-980.

[6]Dobbe JGG,du Pré KJ,Blankevoort L,et al.Computer-assisted oblique single-cut rotation osteotomy to reduce a multidirectional tibia deformity:case report.Strategies Trauma Limb Reconstr,2017,12(2):115-120.

[7]Cai H.Application of 3D printing in orthopedics:status quo and opportunities in China.Ann Transl Med,2015,3(Suppl 1):S12.

[8]Gibbs DM,Vaezi M,Yang S,et al.Hope versus hype:what can additive manufacturing realistically offer trauma and orthopedic surgery?Regen Med,2014,9(4):535-549.

[9]Radermacher K,Portheine F,Anton M,et al.Computer assisted orthopaedic surgery with image based individual templates.Clin Orthop Relat Res,1998,(354):28-38.

[10]Huang H,Hsieh MF,Zhang G,et al.Improved accuracy of 3D-printed navigational template during complicated tibial plateau fracture surgery.Australas Phys Eng Sci Med,2015,38(1):109-117.

[11]陈宣煌,许卫红,黄文华,等.基于3D打印的腰椎椎弓根螺钉数字化置入及临床应用.中国组织工程研究,2015,17:2752-2575.

[12]邱冰,张明娇,唐本森,等.基于3D打印个性化手术导航模板辅助下的人工全膝关节置换机.中国组织工程研究,2015,48:5634-5641.

[13]王仲锋,王晓,李国军.Ilizarov技术联合皮瓣即时扩张技术I期矫正合并皮肤挛缩的胫骨成角畸形.中国骨伤,2016,29(11):1045-1047.

[14]王庆德,杨述华,刘洪胜,等.单边外固定架治疗胫骨中下段骨折畸形愈合.中华创伤杂志,2005,21(8):636-637.

[15]王欣文,张堃,朱养均,等.3D打印技术在复杂胫骨平台骨折治疗中的临床应用.实用骨科杂志,2015,21(10):887-890.

[16]徐磊磊,田征,艾克拜尔·尤努斯,等.3D打印技术在骨肿瘤外科临床中的应用.中国修复重建外科杂志,2017,31(9):1-4.

[17]于乃春,吉光荣.快速成型技术在复杂脊柱畸形矫形手术中的应用.实用临床医药杂志,2013,17(15):34-35.