3D打印辅助跟骨骨折畸形愈合手术重建的意义*

张波 陈磊 韩清銮** 俞光荣 赵振国 张磊 栗威 范洪进 张亮亮

（1.济宁医学院附属医院手足外科，山东济宁 272029；2.同济大学附属同济医院骨科，上海 200065）

跟骨骨折是最常见的跗骨骨折，占所有跗骨骨折的60%，其中75%为关节内骨折[1]。跟骨骨折不恰当的保守治疗或手术治疗，常常会导致跟骨骨折的畸形愈合。由于跟骨形态不规则，畸形愈合后会导致距下、跟骰、距舟关节力线及作用机制改变，使得手术的难度及复杂性较大，尤其在术式的选择上[2]。3D打印技术可以将复杂畸形打印成实体模型，为解决上述困难提供了可能[3-5]。本研究拟探讨3D打印技术在跟骨骨折畸形愈合手术重建中的应用效果。

1 资料与方法

1.1 纳入与排除标准

纳入标准：①单侧跟骨骨折畸形愈合，行走疼痛不适或无法行走者；②一般情况良好，无手术禁忌证，能耐受麻醉及手术；③患者依从性良好，能够遵医嘱长期随访复查。

排除标准：①严重手术禁忌，有感染未治愈，重度骨质疏松，精神类疾病患者无法配合手术者；②依从性差，无法遵医嘱长期随访复查者；③患者肢体偏瘫/截瘫，日后无独立行走可能者。

1.2 研究对象

选择2016年5月至2018年8月济宁医学院附属医院收治的34例跟骨骨折畸形愈合患者。其中男23例，女11例，年龄20～66岁，平均年龄（45.6±9.5）岁。均为单侧跟骨骨折畸形愈合，左足21例，右足13例，损伤至本次治疗的时间为3.0～28.3个月，平均（18.6±1.6）个月。随机分为3D打印手术组（18例）和常规手术组（16例）2组。3D打印手术组中男12例，女6例，平均年龄为（43.5±13.1）岁，损伤侧：左足11例，右足7例，损伤至本次手术治疗的时间为（17.6±1.2）个月。常规手术组中男11例，女5例，平均年龄为（42.6±14.5）岁，损伤侧：左足10例，右足6例，损伤至本次手术治疗的时间为（16.8±2.3）个月。主要症状：跟部外侧疼痛伴有行走困难，严重影响工作及生活。术前均常规行跟骨侧位、轴位及足斜位X线检查。根据Stephens和Sanders提出的畸形分型进行跟骨骨折畸形愈合分型[6,7]，其中3D打印手术组：Ⅰ型2足，Ⅱ型9足，Ⅲ型7足；常规手术组：Ⅰ型2足，Ⅱ型8足，Ⅲ型6足。按照Zwipp跟骨畸形愈合分型[2,8]：3D打印手术组：Ⅰ型2足，Ⅱ型4足，Ⅲ型8足，Ⅳ型3足，Ⅴ型1足；常规手术组：Ⅰ型2足，Ⅱ型3足，Ⅲ型7足，Ⅳ型3足，Ⅴ型1足。

本研究经济宁医学院附属医院伦理委员会批准，所有患者均获得知情同意。

1.2 术前计划

3D打印手术组收集患者术前跟骨CT薄层扫描的Dicom格式图像资料，输入Mimics17.0软件，组织图像，按Bone（CT）Scale设定阈值，重建跟骨、距骨、骰骨三维模型，由手术医师对骨折块图像进行虚拟图像分割；可利用健侧影像进行三维对照配比，对骨折畸形愈合部位进行切割、旋转等操作模拟塑形，塑形复位满意后调整打印属性，打印出实体1∶1等大的跟骨模型，表面打磨，在模型进行操作手术，对手术方案做记录。

常规手术组根据术前X线片及CT扫描图像直接进行设计并记录手术方案。

1.3 手术方法

手术均有同一组医师完成。手术采用静吸复合麻醉，侧卧位，取跟骨外侧扩大“L”形切口，3枚克氏针分别打入骰骨、距骨、腓骨进行显露，注意保护皮瓣的血运，充分显露后跟距、跟骰关节、跟骨外侧壁及后关节面。用骨刀切除外侧壁的突出畸形部，纠正外侧壁的突出畸形，切除的骨块备做植骨用，术前CT、3D显示跟骨高度丢失较大，距下关节塌陷，备髂骨植骨。清除距下关节与跟骨间的瘢痕纤维组织，暴露距下关节与载距突相连的跟骨后关节面的内侧部分。

分别根据术前CT及3D模型进行术前手术评估，根据畸形程度及分型，采用不同的手术方案。

1.3.1 切开复位内固定[9]：用骨刀或组织剪小心探查骨折间隙，从质地较软的骨折间隙肉芽瘢痕及骨痂组织中逐渐分离，重现原始骨折线关节面，翘起塌陷的后关节面骨折块，分离骨折块至跟骨的内侧壁组织，纠正内外翻畸形，恢复关节面骨块的平整，克氏针临时固定，将外侧壁的骨块或髂骨块植于骨缺损处，恢复跟骨体的角度、高度及跟骨轴位的力线，用可塑型跟骨钛板或螺丝钉固定。

1.3.2 跟骨丘部和距下关节重建术[10,11]：尽可能完全打开带有完整后关节面的骨折块与跟骨周围，分离跟骨周围的瘢痕及软组织，将带有关节面的跟骨丘部翘起复位，克氏针固定，将外侧壁骨块或髂骨块加压植骨于骨缺损处，恢复跟骨体的高度及跟骨轴位的力线，用螺丝钉固定骨折块。

1.5.1 有效性评价指标 ①疾病疗效总有效率，②咳嗽起效时间，③中医证候疗效，基线、治疗5 d记录证候积分，④单项症状及体征消失率，均治疗5 d评价。以疾病疗效总有效率为主要疗效评价指标。

1.3.3 距下关节原位融合术[12]：清理距下关节的瘢痕组织，骨刀去除关节面软骨，刮匙刮至软骨下骨，微骨折器打孔，用截除的跟骨外侧壁松质骨或自体髂骨松质骨植入距下关节间隙，从跟骨结节跖侧经皮斜向上打入2枚空心螺钉至距骨上。

1.3.4 距下关节撑开植骨融合术[13]：对跟骨塌陷严重，高度及力线丢失的患者，行距下关节撑开植骨融合。术前根据3D模型，切取相应大小的三皮质髂骨块或跟骨外侧壁修成三角骨块植入，撑开后足高度，恢复力线及角度，用2枚空心螺钉从跟骨结节跖侧经皮斜向上打入至距骨上。

术中若跟腱挛缩紧张行跟腱延长，尽可能无张力下缝合切口；皮肤张力过大时可采用旋转皮瓣覆盖切口或负压封闭引流吸引，二期闭合切口，皮下放置引流，All⁃gower-Donati缝合法关闭切口，局部厚敷料加压包扎。

1.4 术后处理

围手术期常规预防性使用抗菌药物头孢唑啉24 h。术后抬高患肢、隔2 d切口更换1次敷料，保持切口干洁。24 h后踝关节、足趾主动屈伸锻炼，踝泵预防下肢血栓形成，术后2周拆线，8周患肢部分负重，12周后复查X线检查示骨折愈合后完全负重。

1.5 随访及观察指标

术后第1、2、3、6、9、12个月门诊随访，之后每半年随访1次。术前及随访时测量患者跟骨宽度、高度，跟骨丘部高度、Böhler角、Gissane角，随访记录Maryland足部评分[7]、美国足踝外科协会（American Orthopedic Foot Ankle Society,AOFAS）、疼痛视觉模拟评分（visual analogue scale,VAS）及36项健康调查简表评分（the MOS item short from health survey,SF-36）。应用Maryland足部评分系统对两组患者不同手术方案的优良率进行评估。

1.6 统计学方法

采用SPSS 18.0统计学软件进行统计学分析。计量资料经统计学分析均符合正态分布，以表示，组间比较采用配对t检验。计数资料组间比较采用秩和检验。以P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 两组患者一般临床资料比较

2.2 两组患者手术基本情况

3D打印手术组18例患者中，3例行切开复位内固定，7例行距下关节原位融合术，4例行跟骨丘部和距下关节重建术，4例行距下关节植骨融合术。手术时间70～150 min，平均（106±20）min；术中出血量60～320 ml，平均（110±19）ml。

常规手术组16例患者中，2例行切开复位内固定，6例行距下关节原位融合术，4例行跟骨丘部和距下关节重建术，4例行距下关节撑开植骨融合术。手术时间90～180 min，平均（131±11）min；术中出血量100～440 ml，平均（220±17）ml。

表1 两组患者一般临床资料比较

所有患者均获得随访，随访10～24个月，平均随访（18.5±2.8）个月。所有患者切口均甲级愈合，无感染、断钉等并发症。骨折愈合时间为12.6～16.8周，平均（15.5±3.6）周。

2.3 3D打印手术组患者术前与末次随访时跟骨不同测量指标及评分比较

末次随访时，3D打印手术组患者跟骨丘部高度、宽度，Böhler角、Gissane角恢复理想，与术前比较差异均有统计学意义。而跟骨高度与术前比较差异无统计学意义。末次随访时Maryland评分、AOFAS评分、SF-36评分均高于术前，疼痛VAS评分低于术前，且差异均有统计学意义（表2）。

2.3 两组患者不同手术方案末次随访时足部功能优良率比较

两组患者不同手术方案末次随访时采用Mary⁃land评分评价足部功能优良率比较显示：丘部及距下关节重建、距下关节原位融合及距下关节植骨融合均能取得较高的优良率（优良率＞75%），两组差异无统计学意义；3D打印手术组患者总优良率（88.9%）高于常规手术组患者（75%），且差异有统计学意义（表3）。典型病例见图1～3。

3 讨论

跟骨骨折畸形愈合后常常会出现跟骨增宽，继而导致腓骨长短肌腱腱鞘卡压，距下关节位置不良或关节软骨坏死缺损引起的创伤性关节炎，造成足部关节结构紊乱，严重影响患者的工作和生活，常常需要行手术治疗。而跟骨由于其本身形状极不规则，骨折畸形愈合后形状更是不规则，这给后期治疗带来了极大的困难[14-16]。对于距下关节创伤性关节炎的手术治疗方法，多数学者建议行距下关节融合术[16]，但对于不同的融合方式，包括距下关节原位融合术、撑开植骨融合术、跟骨下移截骨融合术及经原始骨折线截骨融合术等存在着困惑，特别是对撑开植骨融合时撑开骨量、跟骨下移及经原始骨折线截骨融合时的部位及角度存在着较大的困难，因而手术设计规划显得尤为重要[10]。

近年来，随着医学技术的不断进步，尤其是3D打印技术的发展，其在骨科复杂疾病的治疗中呈现出巨大的潜力。该技术在精准术前诊断、计划、模拟手术及个性化内植物的制作等方面潜力巨大[3,5,17]，有助于提高骨科医师对疾病深层的认识，既可以更直接、详细地向患者解释病情，又可以进行详细直接的手术设计、术前模拟，规划操作过程，为疾病的认识、诊断及治疗提供一种更准确化、个性化的思路，同时能缩短手术时间，提高手术的精准性，达到更好的治疗效果[18,19]。

表2 3D打印手术组患者术前与末次随访时跟骨不同测量指标及评分比较（n=18，）

表2 3D打印手术组患者术前与末次随访时跟骨不同测量指标及评分比较（n=18，）

表3 两组患者不同手术方案末次随访时足部功能优良率比较（例）

图1 患者，男，21岁，高处坠落伤致左跟骨体陈旧骨折半年余，采用沿原骨折线截骨内固定治疗

图2 患者，男，36岁，高处坠落伤致左跟骨骨折，术后行走疼痛不适半年，采用跟骨外侧壁截骨重建跟骨丘部治疗

图3 患者，男，41岁，高处坠落伤致右跟骨骨折，术后行走疼痛不适20个月余，采用跟距关节撑开植骨融合治疗

鉴于跟骨骨折畸形愈合的复杂性，目前分型仍不能全部包含临床实际中遇到的所有类型[15]。而且即使知道其分型，手术方式的选择也较为困难[16,20-23]。而3D打印技术可立体化呈现一个跟骨的模型，可以术前更好的进行模拟手术操作，个性化选择最佳手术方案。

本研究术前采用3D打印技术对18例跟骨骨折畸形愈合的患者进行打印1∶1实体3D模型模拟手术操作，实施个性化、精准性手术方案。对跟骨骨折受伤在6个月内的3例患者，影像学资料显示跟距关节软骨大部分良好的，试行重现原始骨折线或矫正畸形最严重部位，采用保留跟距关节的切开复位内固定术，术后3例患者足部功能恢复良好，基本达到与新鲜骨折类似的手术效果。对4例伴有距下关节炎但关节软骨完整、骨量充足的患者，行跟骨丘部及后距下关节重建，恢复跟骨的高度、轴位力线及跟距后关节面，术后效果满意。4例跟骨塌陷严重，高度及力线丢失的患者，本组进行了距下关节撑开植骨融合，术后疗效明显。对7例跟距关节软骨损伤重，关节炎表现重，但跟骨体的高度、角度及轴位力线良好的患者，直接进行距下关节原位融合，取得满意的疗效。术后随访资料显示其Böhler角、Gissane角均较术前明显改善，术后足部功能评分优良率为88.9%，AOFAS评分、疼痛VAS评分、SF-36评分均较术前明显改善，达到了满意的效果。与同期行常规手术治疗的16例跟骨陈旧骨折的患者相比，采用3D打印技术治疗的手术时间更短，出血量更少，优良率更高。考虑到不同手术方式患者例数较少，进行组间比较可能误差较大，故本研究仅对每种手术方式组内比较，未进行组间比较。初步结果显示：丘部及距下关节重建、距下关节融合、距下关节植骨融合均有较好的优良率（均＞75%），差异无统计学意义。切开复位内固定术可能因手术样本例数较少，样本误差较大，同时手术操作难度大，继而出现优良率较低（66.7%，50.0%），但差异无统计学意义。

因此，有理由认为采用3D打印技术辅助治疗跟骨骨折畸形愈合，可以还原一个接近真实的跟骨，清晰的呈现跟骨畸形愈合处的立体走行，明确关节面的畸形程度，从而根据骨折畸形愈合的手术原则进行相应的术式选择，减少手术的盲目性，制定更加精确、可靠、合理的个体化治疗方案，从而获得更好的预后效果[17,19,23]。

当然3D打印模型和真实跟骨仍有一定差距，特别是在骨质疏松及严重畸形的患者中，打印的模型空缺较多，真实性不够，术前、术中也无法完美匹配模拟效果，且手术中软组织的条件也在一定程度上限制了手术方案的操作实施。另外，本研究病例数量尚不足够多，还需要多中心研究一并验证确认，以达到更好的手术疗效。尽管如此，本研究仍认为3D打印可以在关节内骨折，特别是跟骨骨折畸形愈合等复杂骨折手术[19,23,24]中应用推广，有利于制定个性化治疗方案，提高手术效率，保证手术的精准性和术后疗效。