内踝斜形截骨角度数字化分析与3D打印个性化截骨导板的临床运用

黄雯洁 黄若昆 欧阳斐 赵晶晶 雷波 吴明正 张绍华

武汉市第四医院，华中科技大学同济医学院附属普爱医院足踝外科（武汉 430033）

对于慢性距骨骨软骨损伤和外伤导致的距骨体粉碎性骨折，因距骨周围均有骨性遮挡，常规前外侧和前内侧手术入路显露距骨体部及内侧后中部关节面不清，术中很难对距骨有效显露与操作处理。采取内踝截骨是临床常选取的手术方式[1]。内踝截骨文献报道有不同截骨方式。1947年RAY等[2]最早描述内踝横形截骨，此后相继有不同类型的截骨方式报道，包括倒V形截骨、弧形截骨、梯形和倒U形截骨[3-4]。内踝斜形截骨具有操作简便、显露充分、再复位固定可靠的特点，是临床工作中最常采用的手术方式。在获得良好手术视野显露的同时，截骨需尽量避免破坏胫骨负重关节面，复位固定后获得良好的关节面匹配，避免医源性关节炎的发生。截骨线相对于胫骨远端关节面过于垂直或水平易导致关节面不匹配（如出现截骨关节面处台阶感）或内踝固定后短缩移位。斜形截骨在已往的文献中很少提及截骨角度方向，有作者建议45°角度值截骨[5]，但没有一个基于影像学数据测量及如何指导临床手术的报道。本研究通过数字化技术手段，对内踝斜形截骨平面角度进行测量，并结合3D打印个性化截骨导板行临床验证。

1 资料与方法

1.1 一般资料通过本院图像归档与传输系统数据库，采集2015年3月至2016年3月40例患者踝关节正位X线片及CT数据。年龄25～38岁，平均32.0岁。男21例，女19例；左踝18例，右踝22例。原始数据扫描条件：采用Siemens 64排螺旋CT行踝部连续断层扫描。扫描参数：电压120 kV，电流94 mA，层厚0.625 mm，512×512距阵。其中6例患者术前行截骨导板设计及术中验证。男、女各3例；年龄21～54岁，平均36.0岁。致伤原因：慢性运动损伤4例；交通伤1例，坠落伤1例，均为闭合性骨折。研究得到本单位伦理委员会批准，所有患者均知情同意并签署知情同意书。

1.2 病例纳入和排除标准纳入标准：（1）具备手术指征的距骨粉碎性骨折和距骨骨软骨损伤患者，内踝部无骨折；（2）一般情况可，无其他系统重大疾病，患者依从性好；（3）同意参与本研究，并已签署知情同意书。排除标准：（1）有骨性畸形者；（2）踝部肿瘤、结核患者；（3）病史有陈旧外伤者；（4）力线不正者。

1.3 方法

1.3.1 X线片及CT测量在PACS系统中踝关节正位X线片测量胫骨远端关节面与内踝关节面交互角（ɑɑ）；以胫骨解剖轴作为参考测量截骨方向角度，等分截骨线与胫骨长轴的夹角（β）（图1）。因内踝Henry解剖切迹，同样方法选取冠状面CT数据行前、中间及后关节面测量评估并与X线数值对比（图2）。

图1 内踝和胫骨关节面的交叉角Fig.1 Intersection angle between the medial malleolus and tibial articular

图2 冠状CT扫描Fig.2 Coronal computed tomography scans

1.3.2 截骨导板的设计与临床验证对6例手术患者将CT扫描断层数据以.dicom格式导人Mimicsl 6.0软件，采用最佳模式重建三维模型，并以.stl格式输出保存。利用软件Unigraphics NX 5.0根据相关测量数据与角度设计出相应截骨导板截骨平面及二枚进针通道的stl文件。利用光敏树脂材料通过激光照射逐层固化的光固化成型法将导板制作出来并行体外模拟（图3）。将3D打印个性化截骨导板等离子消毒后，术中再将模板与骨质贴合，进行导针定位及截骨手术操作，术后评估截骨导板的准确性。

图3 数字化分析和3D打印导板并体外模拟Fig.3Digital analysis and 3D printed guide plate and in vitro simulation

1.4 统计学方法采用Graphpad Prism 6统计学软件（Graphpad公司，美国）进行统计学分析。CT前中后关节面角度测量之间，采用单因素（oneway NOVA）方差分析；X线测量值同CT前中后关节面测量角度的均值比较采用配对样本t检验，P＜0.05认为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 各角度测量结果描述结果描述采用均数±标准差，X线片胫骨远端关节面和内踝间交角等分角（ɑ）测量值（114.8±3.7）°，截骨面相对胫骨远端关节面是（57.4±1.8）°，相对胫骨轴线角度β为（31.0±2.1）°，CT测量前关节面ɑɑ测量值（117.4±3.0）°，中关节面ɑɑ测量值（112.1 ± 2.8）°，后关节面ɑɑ测量值（117.1 ± 3.1）°，前中后关节面平均ɑɑ角（115.6±3.8）°。三者之间对比有统计学意义F（2，119）=40.61，P＜0.001。具体表现为前中关节面对比有统计学意义（t=8.056，P＜0.001）：前后关节面对比没有统计学意义（t=0.5287，P＞0.05），中后关节面对比有统计学意义（t=7.527，P＜0.001）；说明前后关节面与中关节面ɑɑ角有差别。

2.2 术后结局和随访结果X线片和CT对比无统计学差异（t=1.549，P＞0.05）。6例内踝截骨采用导板患者术后X线片复查截骨关节面对合及螺钉位置良好，术后随访2年无局部创伤性关节炎的发生。见图4。

图4 术中经截骨导板截骨和术后影像Fig.4 Intraoperative transosteotomy guide plate osteotomy and postoperative images

3 讨论

3.1 内踝截骨的必要性与方式距骨体粉碎性骨折需要切开复位内固定。对于保守治疗失败有症状的距骨骨软骨损伤同样是手术的适应证，开放手术或关节镜取决于病灶位置或损伤类型。对原发病灶小于15 mm通过关节镜行清创或骨髓刺激术是很好的选择。对于距骨囊性变较大（Hepple V期）或微骨折术后不缓解的患者而需要采取其他治疗方式。包括自体松质骨移植、骨软骨移植（OATS）、自体软骨移植（ACI）、金属表面部分置换和异体骨移植[6]。损伤位于距骨穹顶部内侧面发生率约占63%[7]，为达到良好显露大部分需要行内踝截骨。内踝截骨文献报道有各种不同方法，各有利弊。内踝横形截骨相对低平但因显露距骨穹顶部不充分而被临床淘汰。倒V和U型截骨显露内侧距骨范围有限，弧形截骨与距骨轮廓匹配，但因水平制距骨穹隆部垂直显露困难。梯形截骨提供良好显露但截骨线进入负重关节软骨面。因此斜形截骨是临床中最常采用的方法。斜形截骨有较好优势，包括手术简单，距骨显露良好，有效保护三角韧带，理想的螺钉加压固定。大多数医师主张截骨点应位于胫骨远端关节面和内踝关节面交界处。太靠内侧截骨可能显露有限，靠外侧截骨损伤负重的关节软骨面。但此术式也存在包括骨块移位关节面对线不齐导致的潜在畸形愈合的可能。固定后关节面不匹配可能导致继发医源性踝关节炎。

3.2 斜形截骨的并发症内踝斜形截骨的并发症和结果文献报道很少。但在临床工作中会发现出现截骨处胫骨关节面台阶感，是否出现关节炎国内无相关报道。JARDE等报道30例病例通过内踝截骨与无截骨关节清理或关节镜术结果显示踝关节功能无明显差别。BAZAZ和FERKE报道9例截骨患者无术后并发症。相反，GAULRAPP等报道内踝截骨导致局部关节炎而无截骨的关节清理术很少有临床表现。22例患者术后5年随访有超过50%的骨关节炎改变。BALTZER报道20例中有1例发生畸形愈合。在他们的报道中，内踝截骨后踝关节跖屈轻度受限，而采用踝关节前侧清理与健侧相比踝关节活动度无明显差别。相关结果与截骨有无相关均未提及。

临床截骨依赖个人经验，没有基于影像学数据测量，采用的手术方法达到描述的角度也未提及。本研究测量内踝斜形截骨相对胫骨长轴线的角度，以胫骨长轴（机械轴）作为内踝截骨术中的参考线，这在下肢畸形矫形及力线评估中经常采用。胫骨远端关节面与内踝关节面交角的等分线以胫骨长轴的交点O为圆心，载骨线与OA为半径的圆相切，垂直于胫骨内踝部关节软骨面。是不易移位的理想截骨角度。本研究利于数字化测量并比较个体间变异程度和放射学方法的可信性。分析得出应用30度截骨方向复位后关节面最小出现台阶感。放射学或CT测量是可信的，本研究组显示个体间差异较小，30度角可运用于大部分患者。除了截骨位置和角度，螺钉放置也很重要。拉力螺钉理想进针点应垂直截骨面获得理想加压使关节面匹配。假如螺钉方向过于水平或垂直也会导致关节面台阶。过于垂直螺钉尾帽可能对三角韧带产生刺激。理想的螺钉方向应相对靠近端，进钉方向与胫骨长轴成角60度。截骨块不会产生加压偏移，可较好保护远端的三角韧带。不同性别截骨测量角度一致说明截骨及置钉角度方面术中不必考虑性别差异。但是虚拟的手术方案设计如何指导现实手术实施，如何缩小术前虚拟设计与现实之间的差距是数字化技术应用的重要问题[8-10]。按照描述的方法按个体化方法准确截骨是很好的选择。

3.3 3D打印截骨模板的优势近年出现的3D打印导板技术在辅助截骨方面展现了独特的优势，实现了术中精准截骨。3D打印截骨导板技术以极其简便的手术方式，在较少的手术损伤下高质量完成更准确的钉道方向，最大限度接近术前精准设计拟定的内固定效果。在曲面选择中如何表面特征越明显会提高导板的精确性。在胫骨远端解剖中，内踝部因存在胫前前唇与内踝部转角，且内踝部有前丘及尖部。因而曲面有其特征，选择导板可在术中嵌压于胫骨骨踝部，术中不会位移而影响精确度。本研究内踝截骨导板取得较好的临床疗效，缩短手术时间，减少透视次数。相对于传统的截骨手术而言，3D打印截骨导板辅助截骨技术展现了其高效、精准的优越性[11-13]。

本研究不足之处是三维形态结构采用二维的测量方法。通过冠状面CT比较胫骨前中后关节面交互角。研究发现最大区别在前中关节面（平均7.5度），这个区别反映在截骨方向上有3.8度区别。因此，理论上从前至后截骨角度是有区别的。然而在手术方式甚至数字化设计上很难以如此设计截骨，因为摆锯片是直的。因此采用前中后平均角度是较好的选择。另一个局限是个性化导板只做了6例，因样本量少，故我们没有设置导板组与传统手术组的统计学分析研究。但从其6例患者的临床运用体会都是一次截骨及内固定完成，术中只透视1次。相比于传统手术明显缩短手术时间及减少透视量。运用数字化个性化设计截骨导板技术，使截骨和置入螺钉位置精确、安全、有效。