3D打印技术在成人距骨骨折手术中的临床应用

孙晓亮，官建中，吴敏，周建生

距骨骨折属于较少见的足部跗骨骨折，大部分距骨体及移位的HawkinsⅡ～Ⅳ型距骨颈骨折[1]均需要手术治疗，手术治疗的原则是保护血运前提下解剖复位骨折，稳定及合理的固定，早期康复。但距骨的位置特殊位于踝穴内，且外形不规则解剖结构复杂，手术视野受限，而手术入路及内固定方式选择是手术的难点，不合理的手术方案及操作会增加距骨缺血性坏死及创伤性关节炎风险。3D打印技术近几年在创伤骨科、关节外科及脊柱外科领域有广泛应用，体现出其独特的优势，可以实体重现手术部位解剖特点[2]，帮助术者对手术部位病变进行更为全面的观察，制定合理的手术方案。基于3D打印技术的特点，本研究对2016年1月至2017年10月蚌埠医学院第一附属医院骨科收治的8例成人新鲜距骨骨折病人(受伤时间3周内)，利用3D打印1∶1实体模型进行骨折的分型，术前制定合理的手术方案，提供了更为精准的术前设计，取得满意效果。

1 资料与方法

1.1 一般资料收集2016年1月至2017年10月蚌埠医学院第一附属医院骨科收治的8例距骨骨折病人的资料，其中男性6例，女性2例；年龄范围32～79岁；均为单侧骨折，左侧5例，右侧3例。受伤原因：高处坠落伤7例，车祸伤1例，受伤至手术的时间为48～72 h，平均为60 h。8例病人均为闭合性损伤。按骨折线部位分为距骨颈5例及距骨体骨折3例；将距骨颈骨折按Hawkins分型标准[3]：Ⅱ型(距骨颈骨折并距下关节脱位)3例(37.5%)；Ⅲ型(距骨颈移位骨折，伴有距下关节及胫距关节半脱位或全脱位)1例(12.5%)；Ⅳ型(距骨颈移位骨折，合并胫距、距下及距舟关节的半脱位或全脱位)1例(12.5%)。将距骨体骨折按Sneppen分型标准[4]：Ⅱ型(距骨体冠状面、矢状面或水平面的骨折)2例(25.0%)；Ⅲ型(距骨后突骨折)1例(12.5%)。入院后所有病人均行踝关节正侧位X线片及踝关节薄层CT扫描。所有病人手术均由同一组医师完成，采用切开复位及Herbert螺钉或单头中空螺钉内固定。

1.2 纳入与排除标准纳入标准：距骨骨折病人，包括合并周围踝关节骨折病人，对于骨折移位的 HawkinsⅡ～Ⅳ型距骨颈骨折，SneppenⅠ～Ⅳ型距骨体骨折，受伤时间<3周，随访时间>6个月者。排除标准：开放性骨折需一期复位内固定病人，有严重心肺脑疾病无法耐受手术者。本研究符合《世界医学协会赫尔辛基宣言》相关要求,征得病人或其近亲属同意并签署知情同意书。

1.3 数字化三维重建与3D打印模型的制作设备采用蚌埠医学院第一附属医院医学影像中心64排螺旋CT(GE公司)进行踝关节扫描。扫描容积层厚为5.00 mm，矩阵为512×512，扫描后进行骨窗重建，重建厚度为1 mm，扫描后数据结果以DICOM格式输入到Mimics17.0,选择无损压缩模式，确定图像的空间方位，完成数据导入，采用阈值分割和区域增长技术重建骨骼模型，再利用模拟(Simulation)模块中镜像(Mirror)和布尔运算(Boolean)等功能生成三维模型，以STL文件输出。将存储的STL文件通过M400熔融沉积制造3D打印机(上海昕建医疗科技公司)，利用聚乳酸材料，逐层加工最终去除支撑及平台得到需要的1∶1模型。根据术前3D打印模型明确距骨骨折的结构特点，制定合理的手术方案，选择合适的内固定物。同时术前可利用3D打印模型向病人家属讲解手术过程，进行术前谈话，这有利于医患的沟通。

1.4 手术方法的制定与模拟基于打印的1∶1实体踝关节模型，明确距骨骨折的类型，骨折线走向及游离骨块移位程度及方向，初步制定手术入路及内固定装置，包括经内踝截骨入路4例，外踝截骨1例，踝关节前内侧及前外侧各1例，踝关节内外侧联合入路1例[5]，内固定装置包括Herbert螺钉及单头空心加压螺钉，在快速原型上模拟截骨，充分显露胫距，距下及距舟关节，在直视下将骨折块复位，选择合理内固定物固定。手术过程：麻醉成功后，患肢大腿上1/3处捆绑电动止血带，取仰卧位，消毒铺巾。具体病人的体位和手术入路由3D打印模型所显示骨折的程度及具体类型决定。(1)如游离骨块位于后内侧，采用内踝偏后侧纵弧行切口，自内踝上方5 cm越过内踝尖弯曲向前下，前后拉开皮肤及皮下组织，暴露内踝及三角韧带。预先用钻头在内踝尖向近端钻2个孔，以备手术完毕后固定内踝截骨块，于内踝平胫骨内侧穹顶处横行截骨并标记，将内踝以三角韧带为蒂向下翻转。分别将踝关节内翻或外翻，显露距骨体及距骨颈，直视下利用充分的对抗牵引，将前足背伸，增大踝关节空间，复位距骨体关节面，并在距骨颈进针，向距骨体打入数枚导针，透视下复位及导针方向满意后，打入无头加压空心螺钉，复位内踝截骨块，2枚空心钉固定内踝骨块，常规闭合切口。(2)如游离骨块位于外侧，取外踝后下缘弧形切口，长约10 cm，显露外踝，于下胫腓联合下方约1 cm处行外踝横行截骨，以跟腓韧带为蒂向下翻转外踝，充分显露距骨头、颈、体及后跟距关节面，复位距骨骨折，用Herbert螺钉固定，外踝截骨处用克氏针钢丝张力带固定，常规关闭切口，留置负压引流管。

1.5 术后处理术后24～48 h内拔除引流管，术后短腿石膏踝关节功能位固定6～8周，术后谨防下肢深静脉血栓，血肿及感染。术后当天即可开始足趾活动，根据随访踝关节X线片骨折愈合情况决定下地负重时间。术后常规复查踝关节正侧位X线片。

1.6 疗效评定术后功能根据美国矫形外科足踝协会(AOFAS)标准[6]进行疗效评定，按照踝关节疼痛(40分)，功能和自主活动，支撑情况(10分)，最大步行距离(街区数)(5分)，地面步行(5分)，反常步态(8分)，前后活动(屈曲加伸展)(8分)，后足活动(内翻加外翻)(6分)，踝-后足稳定性(前后，内翻-外翻)(8分)，足部对线(10分)，总分：优为90～100分；良为75～89分；可为50～74分；差为50分以下；术前后疼痛评价采用疼痛视觉模拟(VAS)评分。

1.7 统计学方法本研究对8例病人手术前后AOFAS和VAS评分的比较，属于配对设计资料，因此首先要对手术前后评分的差值进行正态性检验，运用SPSS 22.0软件处理，采用K-S方法检验，得出AOFAS评分差值(P=0.2>0.05),VAS评分差值(P=0.2>0.05)，均服从正态性分布，故采用配对样本的t检验进行比较，以P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

所有病人均按照术前3D打印模型所制定的计划手术，进行术中、术后均未损伤重要血管、神经及肌腱，内侧入路切口长度5～8 cm，平均6 cm，无明显失血。1例术后切口出现延迟愈合，经二次清创缝合后愈合。术后均未出现深静脉血栓形成，8例病人术后获6～18个月(平均10.3个月)随访，骨折愈合时间为9～12周(平均10.2周)。均获得骨性愈合。随访过程中所有病人均未出现复位丢失、内固定松动及距骨坏死等并发症。AOFAS评分由术前平均(5.6±3.8)分提高到末次随访的(89.3±8.0)分，采用配对样本t检验，手术前后差异有统计学意义(t=16.502，P<0.001)。按AOFAS评分标准术后优5例，良2例，中1例，优良率87.5%；VAS评分也由术前平均(9.4±0.8)分降为术后末次随访的(1.1±0.8)分，采用配对样本t检验，差异有统计学意义(t=23.134，P<0.001)，疼痛改善明显。

典型病例：男性，55岁，系高处坠落伤病人，诊断为：左侧距骨体骨折。术前踝关节三维CT检查，经MIMICS软件处理后，导入3D打印机，打印1∶1实体模型，进行详细术前规划后，设计手术入路及内固定选择，予以经内踝截骨+复位+空心螺钉内固定术。术后随访X线片见恢复良好，见图1。

图1 典型病例影像图：a，b图为术前踝关节正侧位X线片；c图为3D打印距骨骨折1∶1模型；d，e图为术中C臂X光机透视影像；f图为术后3个月复查踝关节正侧位片

3 讨论

随着近些年3D打印技术在骨科领域的快速发展，在创伤骨科方面，尤其针对复杂的足踝部骨折，3D打印技术体现出其独特的优势，石维祥等[7]利用3D打印内外踝尖部撕脱骨折模型，术前参照模型进行钢板塑形，术中钢板与骨面贴敷良好，术后骨折愈合率及AOFAS评分优良率均高于石膏外固定组。李玉泉等[8]将6例陈旧性距骨骨折病儿足踝部CT数据,进行三维重建和1∶1的3D打印,在模型上进行预手术,提供详细的术前计划，手术过程顺利，效果良好。但目前3D打印技术在成人距骨骨折应用的报道较少。

对于距骨骨折的手术治疗，良好的复位及固定需要以合理的手术方案为前提，既要清楚显露骨折部位又能减少对距骨血运的破坏，有学者[9]对距骨骨折手术后距骨坏死率做了临床研究，结果显示距骨颈骨折缺血性坏死的总发生率为31.2%，其中HawkinsⅠ～Ⅳ型骨折距骨坏死的发生率分别为 9.8%，27.4%，53.4%及48.0%；而文献[10]结果显示，相比距骨体骨折，距骨颈骨折更易发生坏死，且分型越高坏死率越高；较高的坏死率使距骨骨折的治疗更为棘手，怎样降低坏死率是目前研究的热点，张玺等[11]利用三维数字化技术获得距骨颈和跗骨管的高度值，获得螺钉自距骨颈穿出进入跗骨管的模型；获得以距骨内侧壁远端中1/3和下1/3为入点、自不同方向置人时螺钉的长度值和角度值，计算出螺钉不同固定方向的长度、角度的安全范围，认为距骨内侧壁中1/3是螺钉固定的良好入钉点。但是在手术中怎么确定具体解剖位置及入钉点，往往并不容易，此时3D打印技术便体现出其优势。

我们将3D打印技术同骨折切开复位内固定术结合起来，解决手术中的核心难点：(1)手术显露的问题，距骨位置特殊，不容易显露影响术中对骨折的观察；(2)内固定物的植入位置及其分布，距骨形态不规则，内固定位置暂时未形成共识，如何最大限度保护距骨残留的血供，减少医源性损伤。既往的骨折复位往往只能依靠术前对影像的阅读及术中的反复透视，凭术者的经验进行术中的骨折复位及内固定物植入，而3D打印模型则提供了真实的参照模型，本研究选取距骨颈骨折病人5例及距骨体骨折3例，均属于复杂的距骨骨折，根据术前计划实施手术，术中未临时更改手术方案，手术均顺利进行，根据术前对模型的观察，确定Herbert螺钉在距骨的入钉点，最大限度保护距骨血供，减少了术者及病人X光透视次数，术后AOFAS评分优良率达到87.5%。8例病人中男女比例达3∶1，这与男性多从事高空作业有关，高处坠落伤病人占87.5%，均为高能量损伤。有2例合并踝关节骨折，经3D打印模型观察后，术中直接将内踝骨折块掀起显露距骨，并未行内踝截骨，实体模型精确指导手术。其中1例年龄78岁的男性病人发生术后切口延迟愈合，可能与病人长期吸烟史及下肢静脉曲张有关，后经二期清创缝合后愈合。在随访期内8例病人均未发生距骨坏死，一定程度上得益于术前的合理手术方案，将复杂骨折简单化处理，缩短手术时间，加速功能康复。通过将3D打印技术初步应用于距骨骨折临床，笔者认为应注意以下两个方面：(1)在实体模型打印完成后，在观察模型时需与周围的血管，韧带神经的走行和病人局部皮肤软组织条件相结合，避免将手术方案设计的过于理想化，脱离实际解剖；(2)在进行3D打印时，一定要包括周围的跟骨，骰骨及足舟骨和下胫腓，保证重现完整的骨关节结构，才能使手术方案更为全面。

综上所述，对于复杂的距骨骨折病例，3D打印技术可以提供准确的术前规划，能够提高切开复位内固定术的成功率，减少术后并发症，达到精准化及个体化治疗的目的。但本研究仍存在一定的局限性，研究的病例数相对较少且未设置对照组，后期将进一步扩大样本量进行研究。另外随访时间尚短，对远期距骨坏死及创伤性关节炎的发生缺乏进一步的观察，其次CT扫描层厚较厚，导致3D打印精度欠佳，影响术中精准操作，采用的3D打印技术仅能显示骨的结构，暂不能显示软组织(包括踝关节周围的神经血管及韧带)，尚不能提供可预手术的完整实体模型。