术前3D数字化技术模拟对胫骨平台骨折手术操作、术后关节功能恢复的影响

李璐兵,阿依丁·夏哈太,李 飞，韩 然

1.新疆医科大学第六附属医院骨病矫形外科,乌鲁木齐 830002；2.新疆医科大学第六附属医院国际病区骨科组,乌鲁木齐 830002

胫骨平台是膝关节负荷的主要承担者，一旦因外力骨折将严重损伤其结构及功能，同时还可能导致附近的内外副韧带、交叉韧带以及半月板等组织结构破坏，最终导致患者膝关节功能受限[1]。内固定术是胫骨平台骨折的主流术式，术前临床常需根据患者局部X线片、CT成像图来设计治疗方案，但这些成像结果均属于平面图像，患者骨折局部解剖结构极易因骨块重叠、遮挡等因素而无法有效成像，增加了内固定手术难度及风险[2-3]。3D数字化技术可将CT扫描参数进行三维重建，并构建打印出骨折局部三维实物模型，为随后的内固定治疗提供准确指导[4]。本文前瞻性研究2016年2月—2018年8月新疆医科大学第六附属医院骨病矫形外科收治的92例复杂型胫骨平台骨折患者临床资料，以探讨术前3D数字化技术模拟手术复位及操作对复杂胫骨平台骨折患者的手术效果及关节功能恢复的影响。

临床资料

1一般资料

纳入标准[5]：(1)年龄26～65岁；(2)创伤病史明确，单侧膝关节胫骨平台骨折； (3)Schatzker分型为Ⅴ型、Ⅵ型； (4)骨折至手术时间间隔<14d； (5)由同一组医护人员实施手术。排除标准[6]：(1)存在骨肿瘤、骨结核； (2)伴有大片的组织缺损、血管损伤、神经损伤； (3)合并全身其他系统的重大创伤； (4)陈旧性骨折； (5)伴有严重的骨代谢及骨质疏松疾病。

本组共收治92例复杂型胫骨平台骨折患者，按照随机数字表法分为3D模拟组(术前3D数字化技术模拟骨折复位、手术入路等操作)和对照组(常规手术治疗)，各46例。两组患者年龄、性别等一般资料比较，差异无统计学意义(P>0.05)。见表1。本研究经笔者医院医学伦理委员会审核[院伦(研)(2015)17号]，患者及其家属签署知情同意书。

表1 两组患者一般资料

2 方法

2.13D及数字化模拟 对照组：行东芝64排螺旋CT常规扫描，扫描参数如下：电流200mA，电压120Kv，厚层为0.5mm。

3D模拟组：CT扫描同对照组，将CT数据导入Minics软件内进行三维重建，并创想三维 CT-228 3D打印机进行三维打印。构建骨折区域1∶1模型，根据模型确定患者骨折类型，并通过软件自带的阈值分割及区域增长功能，对骨折块进行分离。观察骨折断裂、位置以及大小等参数，并以此设计手术方案，并在模型上进行模拟手术，以获得最佳的复位路径。确定内固定所需器材的型号、大小以及固定位置。影像学检测均由2名专业影像学医师完成。

2.2手术操作 全麻，取平卧或俯卧位，根据患者骨折情况及3D模拟手术方案选择合理的入路方案，包括内侧、外侧以及后侧等。钝性分离皮下组织，向外牵拉并胫神经、腘血管等组织，显露关节囊及骨折面，清理淤血、破碎组织后，根据CT图像结果或之前的模拟设计进行复位。将接骨板置入并与骨骼恰当贴合，根据患者骨折情况选择合理的螺钉及钢板植入，固定位置。再次确定复位及内固定结果，满意后逐层缝合切片，包扎。两组手术均由同2名专业骨科医师实施。

2.3评价指标 比较两组患者手术时间、出血量、手术切口长度、术中透视时间、解剖复位率、住院时间、骨折愈合时间及手术并发症(内固定松动、关节腔感染、切口感染)。膝关节功能评价采用Lysholm评分量表评价[7]，跛行总分5分、支持总分5分、绞锁总分15分、不稳定总分25分、肿胀总分10分、上楼总分10分、下蹲总分5分、疼痛总分25分,分别于术后4、6个月进行评价。于手术后即刻，术后4、6个月对患侧膝关节进行前后位、侧位标准X线平扫，并测量患者胫骨平台内翻角(TPA)、胫骨平台后倾角(PA)的变化。

3 统计学分析

结 果

3D模拟组手术时间、出血量、术中透视时间均少于对照组(P<0.05)，3D组模拟组解剖复位率高于对照组(P<0.05)，3D模拟组和对照组手术切口长度、住院时间、骨折愈合时间比较差异无统计学意义(P>0.05)。见表2。

表2 两组患者手术过程及术后康复指标比较

术后4个月，3D模拟组Lysholm评分高于对照组(P<0.05)，术后6个月，3D组模拟组的Lysholm评分与对照组比较差异无统计学意义(P>0.05)。见表3。

表3 两组患者手术后Lysholm评分比较分)

手术后即刻，术后4、6个月，3D模拟组和对照组的膝关节TPA、PA角比较差异无统计学意义(P>0.05)；术后4、6个月，两组患者膝关节TPA、PA角与术后即刻比较，差异无统计学意义(P>0.05)。见表4。

表4 两组患者术后膝关节TPA、PA角比较

3D模拟组手术并发症发生率4%与对照组9%比较，差异无统计学意义(P>0.05)。见表5。典型病例见图1。

图1 患者男性，39岁，建筑工地重物砸伤致左侧胫骨平台骨折，Schatzker Ⅵ型。a.术前患者X线片检查结果;b.术前CT三维重建;c.术前3D打印模型；d.术前对3D打印模型进行复位、模拟手术练习；e.术后2个月X线片,复位达到解剖复位，内固定良好

表5 两组患者手术并发症率比较[n(%)]

讨 论

3D数字化技术是一种将患者CT扫描参数导入计算机，并以“分层制作，逐层叠加”为原理，借助3D打印技术模拟、打印患者骨骼三维实体模型的医疗新技术[6]。3D数字化技术在骨科治疗工作中优势：(1)为医师提供全面的骨折病理结构，3D数字化技术制备的1∶1模型可直观、全面反映骨折移位、塌陷情况，这为手术入路、内固定方案选择等提供了客观指导[7]；(2)提高术前准备效果，3D数字化技术可为医师提供合适的钛板模型，并可对钛板进行精确塑形，以确保其与骨折面贴合性，同时医师还可将调整好的钛板打印出来，并根据其结构对实际施术钛板进行预处理，有效保障复位钛板的力学强度，降低周围组织损伤，缩短钛板现场制备所需时间[8]。

本研究中3D模拟组手术时间、出血量、术中透视时间均少于对照组，这与3D模拟组可于术前进行手术方案预演，其施术方案优化程度更高有关。同时3D模拟组解剖复位率高于对照组，表明3D数字化技术可有效指导医师术中复位操作，这与医师可根据3D数字化技术的1∶1模型直观了解患者骨折移位、坍塌情况有关[9]。但3D模拟组和对照组手术切口长度、住院时间、骨折愈合时间比较差异无统计学意义，表明3D数字化技术虽然可加速内固定施术时间，降低患者术中出血量，但这一技术对手术整体创伤并无明显改善，因此患者术后恢复时间相似。

Lysholm评分是国内应用较广泛的一种关节功能评分系统[10]。本组研究发现3D模拟组可在术后早期获得更高的膝关节功能，分析其原因可能为3D数字化技术模拟手术复位及操作可为手术提供预演，医师可在预演时掌握患者局部骨折情况，明确钛板结构，了解钉道最佳钉入方案，这对提高钛板内固定稳定性具有重要意义。此外，手术预演还可优化手术入路方案，有效降低患者术中软组织损伤率，这对患者术后早期关节功能恢复具有重要作用。

膝关节对位稳定、力线正常与否是胫骨平台骨折内固定术后患者关节功能及术后疼痛的重要影响因素。膝关节TPA、PA角则是临床常用的下肢力线测量、评估指标。本研究中手术后即刻，术后4、6个月，3D模拟组和对照组的膝关节TPA、PA角比较差异无统计学意义，表明两种方案均可有效恢复患者下肢力线，确保膝关节对位。TPA、PA值只受胫骨平台结构影响，而本研究中3D数字化技术指导下的复位操作可显著纠正TPA、PA值。随后不良反应研究显示，两组方案安全性相似，患者术后并发症发生率较低。提示3D数字化技术模拟手术复位及操作在降低复杂胫骨平台骨折患者术后并发症发生率的疗效上与常规CT扫描相似。

平面影像学指导下的胫骨平台骨折内固定术往往因术前扫描图像的二维性出现种种缺陷，并因此导致内固定不佳、复位不完整等不良结果。而3D数字化技术具有的骨折局部模拟、三维打印功能则可直观反映骨折局部现状，为手术设计、预演提供准确参考，这必然大幅提升胫骨平台骨折内固定术疗效，可以预期该技术必然会成为骨折治疗的重要辅助技术。

综上所述，术前3D数字化技术模拟手术复位及操作有利于减少复杂胫骨平台骨折患者手术操作的难度、提高解剖复位率、促进早期膝关节功能的恢复。