3D打印技术辅助治疗胫骨平台骨折

黄道强，冯伟力，陈路遥，黄 俭，韦展图，胡世锵，吴玮伟，王小平

胫骨平台骨折Schatzker分型中的Ⅴ、Ⅵ型或者AO/OTA分型中的C型在临床上被定义为严重胫骨平台骨折[1-2]。该类型骨折复位要求高、手术难度大，X线和CT影像不能全方位、直观地了解骨折情况，临床医师无法很好地根据影像资料模拟手术操作，难以预期术中可能出现的情况[3-4]。近年来，利用3D打印骨折模型制定手术方案并辅助治疗胫骨平台骨折在临床取得良好效果[5-6]，但是由于骨折复位偏差及软组织遮挡，术中常不能准确定位术前规划中钢板和螺钉的位置，使得实际手术情况与术前规划有偏差。本研究回顾性分析2016年1月～2018年10月南方医科大学附属小榄人民医院收治的17例胫骨平台骨折患者资料，术前采用3D打印技术制作骨折实体模型，制定个性化的手术方案，同时设计手术导板，进一步提高手术准确性，疗效满意，报道如下。

1 材料与方法

1.1 病例资料纳入标准：① 胫骨平台骨折Schatzker分型Ⅴ、Ⅵ型；② 年龄18～60岁，骨骼发育成熟；③ 术前患肢无畸形及活动功能障碍。排除标准：① 合并严重心、肝、肾功能不全；② 合并同侧下肢神经血管损伤。本研究纳入17例，男10例，女7例，年龄18～58岁。致伤原因：车祸伤11例，高处坠落伤4例，重物压伤2例。Schatzker分型：Ⅴ型5例，Ⅵ型12例。三柱分型：内外侧柱3例，内外侧柱+后内侧柱5例，内外侧柱+后外侧柱9例。合并伤：前、后交叉韧带止点撕脱性骨折4例，半月板损伤7例。患者入院后均行支具或跟骨牵引固定制动，抬高患肢并使用冰袋冷敷减少渗出、促进消肿，待患肢软组织改善、皮肤皱褶征出现后行手术治疗。受伤至手术时间4～18 d。本研究已获医院伦理委员会批准，患者及家属均签署知情同意书。手术均由同一组骨科医师完成。

1.2 实验设备及影像学数据采集① 16排螺旋CT机器(GE公司)，Windows 10旗舰版64位操作系统，英特尔i5-8400 六核处理器2.80 GHz，英伟达GTX 1050 2 G显卡，金士顿8 GB内存，CR-X 3D打印机(创想三维有限公司)，三维医学图像重建软件Mimics 20.0(Materialise公司)，正向工程软件3-matic 12.0(Materialise公司)，创想三维切片软件(创想三维有限公司)。② 患者术前均行膝关节X线及CT检查。根据选定兴趣区域进行CT薄层扫描，扫描基本参数：电压 120 kV，电流220 mA，扫描间距1.25 mm。获取的膝关节薄层CT影像学图像数据以DICOM格式上传至PACS系统图像工作站或刻盘保存。

1.3 三维模型重建、打印CT图像数据导入Mimics 20.0软件进行图像分割，重建骨折模型，然后进一步分割骨折块并指定不同的颜色显示，建立细化的骨折三维模型。利用Mimics软件中的Simulation手术模块以对侧胫骨平台作为参照，通过平移和旋转工具模拟术中复位骨折块操作。将复位后的三维模型导入3-matic 12.0软件中，规划钢板和螺钉位置，并以此设计手术导板。骨折复位前后和手术导板模型均以.stl格式分别导出，再导入创想三维切片软件进行切片处理，最后将模型输入3D打印机，打印出1∶1的实体三维模型。

1.4 术前模拟结合膝关节X线片和重建的三维模型分别对每例胫骨平台骨折同时进行Schatzker分型及三柱分型，制定患者体位、手术入路、骨折复位顺序、克氏针临时置入的位置与方向以及选择钢板并进行预弯。参照预定的手术方案，结合手术导板，在复位后的三维模型中模拟实际手术过程，最后测量置入螺钉的长度。

1.5 手术方法腰硬联合麻醉。双柱骨折患者采用仰卧位，三柱骨折患者采用漂浮位或俯卧位+仰卧位。患肢上止血带。双柱骨折患者取膝关节前外侧+后内侧入路，三柱骨折患者采用前外侧+后内侧或前外侧+倒L形入路。切开并显露骨折端，利用3D打印模型辅助复位胫骨平台骨折，放置3D打印导板并钻孔定位，取出导板后将锁定钢板放置于合适位置(双柱骨折患者置于前外侧+内侧，三柱骨折患者置于前外侧+内侧+后外侧)，钻孔后拧入螺钉固定。缝合切口，敷料加压包扎。合并前、后交叉韧带止点撕脱性骨折者术中进行韧带止点重建；合并半月板损伤者术中进行半月板的修复或者部分切除。

1.6 术后处理冷敷并抬高患肢减轻肿胀。预防性静脉滴注抗生素2～3 d，患肢肿胀明显、出现张力性水疱、切口渗液较多、伤口愈合情况较差者可适当延长抗生素使用时间。术后第2天开始踝泵功能锻炼，第3天开始股四头肌等张收缩练习，第5天在支具保护下行膝关节主动屈、伸功能锻炼。

1.7 观察指标及疗效评价① 术后行患肢膝关节X线、CT及MRI检查，采用Rasmussen胫骨髁部骨折复位解剖学评分标准评价骨折复位质量。② 术后定期摄膝关节X线片复查，记录骨折愈合情况。③ 术后12个月根据HSS评分标准评价膝关节功能。④ 记录末次随访时膝关节活动度。

2 结果

手术入路、钢板位置及螺钉长度均与术前规划一致。患者均获得随访，时间12～18个月。手术时间85～120(99.12±9.56)min，术中出血量200～500(314.71±96.44)ml。术后根据Rasmussen胫骨髁部骨折复位解剖学评分标准评价骨折复位质量：优10例，良6例，可1例，优良率16/17。患者均获得骨性愈合，时间12～16周。术后12个月根据HSS评分标准评价膝关节功能：总分54～88分，其中优4例，良6例，中5例，差2例，优良率10/17。末次随访时膝关节屈曲活动度为105°～135°(118.2°±9.2°)。

典型病例见图1、2。

图1 患者，女，41岁，左胫骨平台骨折(Schatzker分型为Ⅵ型，三柱分型为内外侧柱)，采用3D打印辅助钢板内固定治疗 A.术前X线片，显示左胫骨内外侧平台骨折；B.术前模拟与导板设计；C.术后X线片，显示关节面复位良好，钢板位置可；D.术后1个月X线片，显示骨折端复位保持良好，钢板位置可；E.术后2个月X线片，显示骨折端复位保持良好，钢板位置可；F.术后3个月X线片，显示骨折基本愈合，钢板位置可；G.术后4个月X线片，显示骨折已愈合，钢板位置可；H.术后5个月X线片，显示骨折已愈合，钢板位置良好；I.术后6个月X线片，显示骨折已愈合，钢板位置良好；J.术后12个月X线片，显示骨折已愈合，钢板位置良好；K.术后18个月X线片，显示骨折已愈合，钢板位置良好

3 讨论

Schatzker Ⅴ、Ⅵ型胫骨平台骨折通常为高能量损伤所致，胫骨关节面塌陷、骨折块粉碎及膝关节周围软组织损伤是该类型骨折的主要特点[1]。手术治疗应尽可能恢复关节面平整，实现解剖复位，同时使用可靠的内固定装置允许患者早期功能锻炼，避免膝关节僵硬，减少创伤性骨关节炎的发生，因此切开复位内固定是目前胫骨平台骨折的主要治疗方式。但是，由于骨折类型及膝关节周围解剖的复杂性导致手术难度较大，是目前骨科医师面临的一大难题。因此，对骨折类型的全面认识、充分的术前规划及精准的手术操作显得非常重要。

骨科医师术前通过重建3D打印骨折模型，在模型中反复模拟手术操作，制定出详细的手术方案，可以提高实际手术的熟练度及准确性[7]。但是由于术中缺乏精确的定位，钢板和螺钉的放置相对于术前规划的方案容易产生偏差，影响手术结果，而3D打印的手术导板是提高手术准确度的重要保证。王燎 等[8]在1例胫骨高位截骨中设计并使用个性化导板，提高了截骨部位及下肢力线纠正的准确性。姜良海 等[9]通过对比3D打印导板与传统徒手的脊柱置钉发现，应用导板辅助置钉更加准确，而且与计算机导航技术相比，3D打印导板辅助更为简单、便宜。本研究采用3D打印模型和手术导板辅助术中骨折复位和钢板、螺钉的置入，结果显示手术入路、钢板位置及螺钉长度与术前规划一致，术后骨折复位优良率16/17，患者功能恢复较好。

图2 患者，女，30岁，左胫骨平台骨折(Schatzker分型为Ⅵ型，三柱分型为内外侧柱)，采用3D打印辅助钢板内固定治疗 A.术前X线片，显示左胫骨内外侧平台骨折；B.术前模拟与导板设计；C.术后X线片，显示关节面复位良好，钢板位置可；D.术后1个月X线片，显示骨折端复位保持良好，钢板位置可；E.术后2个月X线片，显示骨折端复位保持良好，钢板位置可；F.术后3个月X线片，显示骨折基本愈合，钢板位置可；G.术后4个月X线片，显示骨折已愈合，钢板位置可；H.术后5个月X线片，显示骨折已愈合，钢板位置良好；I.术后6个月X线片，显示骨折已愈合，钢板位置良好；J.术后12个月X线片，显示骨折已愈合，钢板位置良好；K.术后18个月X线片，显示骨折已愈合，钢板位置良好

综上所述，术前重建3D打印骨折模型有助于为胫骨平台骨折患者制定个性化手术方案，同时结合手术导板，可进一步提高手术准确度，获得较好的手术疗效。本研究的局限性：① 缺乏传统术前规划下的手术资料作为对照，且病例数较少。② 因3D打印模型没有软组织附着，故需要有经验的骨科医师结合临床实际情况去模拟手术操作，制定更为精准的手术方案，而且还要准备多套手术应急措施，以解决术前规划与实际术中可能存在的差异。