数字化内固定联合3D打印导板辅助手术治疗胫骨平台骨折临床观察

黄旭科，李 鹏，孙向华，林 钢，彭国瑞

（1.中山市古镇人民医院，广东 中山 528421；2.南方医科大学第三附属医院，广东 广州 510630）

胫骨平台骨折是一种较常见的关节内骨折，治疗多采用内固定手术。因此类骨折涉及膝关节面，其内固定要求达到关节面的解剖复位，以期减少创伤性关节炎、关节疼痛等术后并发症。然而，由于骨折的个体化差异及钢板规格的参差不齐，术中常常出现内固定钢板与骨面不匹配等情况，若反复折弯钢板勉强匹配固定，增高了钢板断裂的风险。近年来，随着数字骨科学技术的高速发展，为解决上述难题提供了很好的思路。手术医生可以在软件中模拟骨折复位、挑选与骨面匹配最佳的“数字钢板”，进而设计出精准的“数字化手术方案”［1-2］。但是，如何在临床实践中完全实施这一精准的“数字化手术方案”，是摆在所有数字骨科学工作者的一大难题。本研究回顾性分析自2016年7月至2018年3月我科收治的8 例采用3D 打印导板手术的胫骨平台骨折患者，借助Mimics 软件和3D 打印技术，制作个体化胫骨平台骨折手术导板，辅助预选的钢板精准定位植入，有效地将“数字化术前设计”转化为现实手术，现报道如下。

1 临床资料

本研究纳入新鲜闭合性胫骨平台骨折患者共8例，男5 例，女3 例；年龄36～52（42.15±3.17）岁；患侧:左侧4 例，右侧4 例；Schatzker 分型［3］:Ⅱ型4 例，Ⅲ型2 例，Ⅳ型1 例，Ⅴ型1 例；受伤至入院时间为0.5～3（1.15±0.53）h。

2 手术方案

2.1术前准备

2.1.1构建胫骨平台“数字钢板库” 采用我院使用的不同厂家、编号的胫骨近端钢板，通过激光扫描、三维重建、建立全规格的胫骨“数字钢板库”（见图1），可供虚拟手术时挑选与骨面匹配最佳的“数字钢板”，手术前查询编号由厂家调出相应实体钢板。

图1 胫骨平台“数字钢板库”

2.1.2骨折块虚拟复位 术前行CT 扫描（扫描层厚1.25 mm）患膝关节以获得医学数字成像和通信（digital imaging and communications in medicine）原始数据。将采集的数据导入Mimics 19.0 软件中，利用阈值分割、区域增长功能分割骨折块，运用移动、旋转功能复位骨折块、布尔运算合并模型。复位原则:解剖复位关节面、恢复下肢力线。

2.1.3个体化导板设计及3D 打印 以复位骨面和与之匹配的“数字钢板”为“阳模”，在Mimics 19.0 软件中应用“MedCAD”模块，布尔运算生成与“阳模”互补的“阴模”，即为手术导板模型。导板的内侧面可与骨面贴附，导板的外侧面则与钢板契合，导板通过与钢板共通的3 枚导针，引导钢板精准植入术前设定的位置，见图2。

图2 个体化导板设计及3D打印方案

2.2麻醉与体位 采用腰硬联合麻醉，内侧柱+后侧柱平台骨折取俯卧位，内侧柱+外侧柱平台骨折取仰卧位。

2.3手术操作 本研究的8 例患者，根据骨折类型选择后内侧、后外侧或内外联合切口，术中对照3D打印模型有限切开显露骨折部位，骨膜下剥离软组织，通过骨膜剥离器撬拨按压复位，检查膝关节面平整后，以2 mm 克氏针临时固定骨折块。按照术前设计，贴靠胫骨外侧骨面放置消毒后的导板，术中见导板与复位好的骨面匹配良好，顺着导板上的导针孔方向依次植入3 枚导针，3 点连线平面确定钢板位置，移除导板，将事先挑选的钢板沿导针方向放置于骨面，根据术前软件测量结果，植入合适长度的螺钉，拔除所有克氏针，冲洗切口，逐层缝合，放置负压引流，记录手术时间和术中出血量。

2.4术后处理 术后24 h 后拔除切口引流管，在医生指导下行股四头肌等长收缩功能锻炼，术后第2 d开始直腿抬高锻炼，术后1 周开始指导膝关节活动度锻炼，术后6 周拄拐部分负重行走。记录末次随访记录Rasmussen 膝关节功能评分（包括主观症状及临床体征）［4］。

3 结 果

所有患者均顺利完成手术，手术时间为（69.45±16.15）min，术中出血量为（178.35±36.24）ml，无神经、血管损伤等并发症。所有病例术后随访12个月，均获得骨性愈合，术后末次随访时，按照Rasmussen膝关节功能评估，结果:优（27～30 分）5 例，良（20～26分）2 例，可（10～19 分）1 例，优良率为87.5%。附1 例典型病例（男，32 岁，高处坠落伤致左胫骨外侧平台骨折，Schatzker分型为Ⅱ型骨折）手术过程，见图3。

图3 典型病例术后过程

4 讨 论

胫骨平台骨折是常见的关节内骨折，其内固定要求达到关节面的解剖复位，还要实现良好的生物力学性能。胫骨平台骨折手术的内固定效果主要取决于钢板与骨面的匹配程度，钢板与骨面不匹配会造成应力集中，导致断板、断钉。传统的内固定手术方案主要依据X 线、CT 图像及术者经验实施，往往忽视内固定钢板的规格、螺钉植入位置等因素。由于骨折的个体化差异，不同厂家提供的接骨板规格不同，术中时常发生钢板与骨面不匹配的情况，反复折弯钢板贴合骨面费时、费力，而且折弯后钢板极易发生断裂。

Mimics 等软件能够将CT 二维图像转化为3D 立体骨折模型，手术医生术前可以在电脑上对骨折模型进行虚拟复位、设计钢板放置位置。数字医学软件还可以帮助医生建立全套的“数字钢板”模型库实施“虚拟手术”［5-7］。在“数字钢板库”的帮助下，医生挑选最佳匹配的钢板，从而避免盲目挑选及折弯钢板，有效缩短了手术时间，极大地优化了内固定效果［8］。但是，在现实手术中如何实现钢板植入位置同数字化设计一致，这是数字骨科学亟待解决的难题。3D 打印导板技术提供了一种虚拟设计向现实手术转化的有效途径［9］。本研究在前期“数字钢板库”的研究基础上［10］，以“数字钢板”和“复位骨折模型”为蓝本，按照钢板尺寸，设计出与“钢板面”和“骨面”均契合的导板。本研究的手术导板，其内侧面与胫骨的解剖形态完全契合，具有良好的卡位效果；其外侧面为锁定钢板的“阴模”，表面的柱状凸起可卡住钢板，导板上的3 个进针孔即为锁定钢板导针孔，3 枚导针协助钢板植入术前设计的位置。本研究的3D 打印导板具有经济、简易、实用等优点，导板的设计思路是通过确保锁定钢板的植入位置与术前设计的植入位置一致，通过与锁定钢板共通的3 枚导针，以此来引导钢板精准植入。

导向模板的准确性主要取决于导板与骨面之间的契合程度的稳定性［1］。本研究设计的导板，与植入的钢板尺寸相仿，导板与骨面有充分的接触面积，实际手术中能紧密卡位胫骨外侧面。由于厂家生产的钢板是按照不同尺寸标准化制造的，尽管市面上有各种解剖型锁定钢板，但是在实际手术中仍较难贴附骨面完成“虚拟手术设计”方案。本研究设计的导板充分整合了胫骨外侧面和钢板的表面信息，既能贴附骨面，又能卡位钢板，真正实现了“虚拟手术设计”指导现实手术。本研究导向模板的另一优势是个体化设计，针对不同患者的骨折类型和与之匹配的钢板，设计兼容两者的个体化导板，可以灵活缩小手术切口，减少软组织损伤。

随着3D 打印技术在骨科应用的快速发展，骨折手术的安全性及精确性显著提高［11-13］。余光书等［11］报道了3D 打印骨折模型结合虚拟手术设计，有效提升了复杂胫骨平台骨折的手术效果，显著优于常规手术组。本临床研究发现，应用3D 模型+3D导板辅助治疗的胫骨平台骨折患者，在手术时间、术中出血量、膝关节功能评分方面明显优于同期传统手术患者，与之前学者应用3D 模型的研究结论一致［11-13］。笔者在前人研究的基础上，设计出新型解剖型3D 打印导板，其优势主要是进一步缩短手术时间、减少出血量、提高内固定质量，缩小了“数字化术前设计”与“现实手术”的差距，架起了虚拟与现实的桥梁。

本研究的3D 打印导板尚存在一些不足:①导板应用的前提是高水平的骨折复位，这对手术医生经验有较高要求；②导板固定骨面时，需要彻底剥离骨面上的一部分软组织，这样对骨折愈合有一定影响；③导板打印材料为生物降解塑料聚乳酸（polylactic acid，PLA），高温消毒后导针孔会变型，只能通过环氧乙烷化学消毒；④病例数相对较少，随访时间相对较短。

综上所述，数字化内固定联合3D 打印导板辅助手术，实现了胫骨平台骨折的个体化和精准化治疗，优化选择的钢板在导板的辅助下与骨面达到良好的匹配，有效提升了骨折的固定效果，推动了数字骨科学的发展。