3D打印技术结合数字化技术在复杂踝关节骨折的应用研究

赵为公,杨益民,王　莹

(西安交通大学第一附属医院骨科,西安 710061)

论著

3D打印技术结合数字化技术在复杂踝关节骨折的应用研究

赵为公※,杨益民,王莹

(西安交通大学第一附属医院骨科,西安 710061)

摘要：目的研究3D打印结合数字化技术重建对复杂踝关节骨折的治疗效果。方法选取2011年1月至2013年9月于西安交通大学第一附属医院被诊断为复杂踝关节骨折的64例患者。按随机数表法随机分成观察组(32例)和对照组(32例)。观察组患者治疗时采用3D打印结合数字化技术重建方法；对照组患者治疗按传统方法。对比两组治疗效果、手术时间、住院时间以及术后恢复时间。结果观察组总有效率为93.8%(30/32)，显著高于对照组的62.5%(20/32)(P<0.05)。观察组手术时间、住院时间、术后恢复时间均短于对照组[(41.1±4.1) min比(47.1±5.1) min，(5.1±1.1) d比(8.1±0.9) d，(41.1±2.1) d比(49.2±1.9) d]，差异均有统计学意义(均P<0.01)。结论3D打印结合数字化技术重建应用于复杂踝关节骨折治疗，可以缩短手术和住院时间，缩短术后恢复时间，提高治疗效果，减少手术失败的可能性，安全可靠，值得临床推广。

关键词：复杂踝关节骨折；3D打印；数字化技术重建

踝关节由胫腓骨下端与距骨组成。其骨折、脱位是骨科常见的损伤，多由间接暴力引起踝部扭伤后发生[1]。根据暴力方向、大小及受伤时足的位置的不同可引起各种不同类型的骨折。踝关节外伤后踝部疼痛、肿胀，皮下可出现淤斑、青紫，不敢活动踝关节，不能行走。检查可见踝关节畸形，内踝或外踝有明显压痛，并可有骨擦音。临床检查主要以X线检查为主。除此之外，有时会发生腓骨颈高位骨折，应注意检查，避免漏诊,对于高位的外踝或腓骨骨折，应注意评价下胫腓关节损伤的可能[2]。另外，需注意检查其他合并损伤，如周围韧带损伤，腓骨肌腱、跟腱、胫后肌腱等损伤，距骨骨软骨损伤，神经和血管损伤等。复杂踝关节骨折原因有很多，复杂踝关节骨折患者可以采取保守治疗或手术治疗，一般情况下采取手术治疗方法。鉴于此，本研究使用3D打印结合数字化技术重建技术应用于复杂踝关节骨折治疗，并与传统方法进行疗效比较，现报道如下。

1资料与方法

1.1一般资料选取2011年1月至2013年9月于西安交通大学第一附属医院被诊断为复杂踝关节骨折的64例患者。纳入标准：确诊时符合西医诊断标准者，年龄18～65岁，急性期损伤病程在3 d内，限一处踝关节损伤。排除标准：肌腱、韧带断裂需行修补者；合并有重要血管、神经损伤者；皮肤条件差，感染率及皮肤坏死率较高者；合并肝、肾、造血系统等严重原发性疾病及精神病患者；怀孕、哺乳起妇女。其中男40例、女24例；年龄19～65岁，平均(31.6±2.3)岁；以Quenu-Kuss法分型[3]，A型(同向移位)16例，B型(部分移位)40例，C型(分裂移位)8例。按随机数字表法分成观察组(32例)和对照组(32例)。其中观察组男22例，女10例；年龄19～64岁，平均(30.8±2.2)岁；Quenu-Kuss法分型A型8例，B型22例，C型2例。对照组男18例、女14例，年龄20～65岁，平均(31.9±1.9)岁；Quenu-Kuss 法分型A型8例，B型18例，C型6例。两组在性别、年龄以及Quenu-Kuss法分型比较差异无统计学意义(P>0.05)，具有可比性。所有患者均知晓并同意本研究，本次研究方案经院伦理委员会批准。

1.2方法对照组患者治疗按传统方法，依据临床表现，结合X线片和CT技术扫描，采取常规手术切开复位，骨折复位后，内踝使用螺钉或张力带钢丝固定，外踝用钢板、螺钉固定。如果踝关节骨折合并下胫腓关节分离。观察组采用3D打印结合数字化技术重建，以脚掌正中线为Z轴旋转，记录脚掌的上、下、左、右4幅图像，显示踝关节、近侧跖骨间关节以及前方跗骨间关节之间的关系距离[3]。扫描踝关节，打印结合数字化技术扫描之后，将数据传入计算机，采用特殊机器对其进行处理，完成3D立体重建。结合X线片和CT技术扫描，根据踝骨移位方向与距离，选择手术切开位置，将移位的踝骨复位并固定。两组患者常规术后处理，随时观察患者切口愈合情况以及行走能力恢复状况[4]。骨折固定后，对于仍有下胫腓关节不稳定的患者需要行下胫腓关节的固定手术，然后开始康复计划。

1.3观察指标①观察两组整体疗效；②观察两组手术时间、住院时间、术后恢复时间；③观察两组患者开始活动时间、术中出血量、美国脊髓损伤协会(American Spinal Injury Association，ASIA)评分对比情况。

1.4疗效评价显效：关节解剖复位，切口愈合极好，关节对应关系很好，行走功能无任何影响。有效：关节功能复位，切口愈合良好，关节对应关系一般，行走功能轻微影响。无效：关节功能复位或未复位，切口愈合差，关节对应关系糟糕，行走功能严重影响。总有效率=(显效+有效)例数/总例数×100%。采用ASIA标准进行运动功能评分[5]，A(0≤A<2分)=完全性:S4-S5 运动、感觉功能完全消失。 B(2≤B<4分)=不完全损伤:运动功能完全消失、受伤平面以下(包括S4-S5)感觉功能保留。 C(4≤C<6分)=不完全损伤:受伤平面以下运动功能保留，半数以上关键肌的肌力小于 3 级。D(6≤D<8分)=不完全损伤心:受伤平面以下运动功能保留，半数以上关键肌的肌力大于或等于 3 级。E(8≤E<10分) =正常:运动、感觉功能正常。

2结果

2.1两组疗效比较观察组治疗后总有效率显著高于对照组(χ2=4.571,P<0.05)，两组疗效比较，观察组显著优于对照组，差异有统计学意义(Z=2.297,P<0.05)。见表1。

表1　两组复杂踝关节骨折患者疗效比较　[例(%)]

观察组：采用3D打印结合数字化技术重建方法治疗；对照组：采用传统方法治疗

2.2两组手术时间、住院时间、术后恢复时间比较观察组患者手术时间、住院时间以及术后恢复时间均显著短于对照组，差异有统计学意义(P<0.01)。见表2。

表2　两组复杂踝关节骨折患者手术时间、住院时间、

观察组：采用3D打印结合数字化技术重建方法治疗；对照组：采用传统方法治疗

2.3两组开始活动时间、术中出血量、ASIA评分比较观察组患者术中出血量明显低于对照组，开始活动时间明显短于对照组，ASIA评分显著高于对照组，差异有统计学意义(P<0.01)。见表3。

表3　两组复杂踝关节骨折患者开始活动时间、术中出血量、

ASIA:美国脊髓损伤协会；观察组：采用3D打印结合数字化技术重建方法治疗；对照组：采用传统方法治疗

3讨论

踝关节骨折多由间接暴力引起，如外翻、内翻或外旋等。根据暴力作用的大小、方向和受伤时足的位置而产生不同类型和程度的骨折。CT成像是检查和诊断踝关节骨折直接而有效的方法。踝关节CT成像参数包括3个解剖平面，轴位、矢状面及冠状位，是常规的CT扫描位置，显示韧带的解剖及其损伤程度具有优势。矢状位能很好地显示距骨、胫骨后肌腱、距跟关节、跟腱、后及中距下关节、拇长屈肌腱、距舟关节、距胫关节，并能够显示这些关节软骨以及关节腔，对显示跟腱的病变有很大的帮助。冠状面能充分显示出腓距关节、距胫关节、距跟关节以有外踝的结构，特别是显示胫骨、腓骨与距骨之间关节面，同时可显示它们之间的韧带，如胫距后韧带、距腓后韧事及胫骨后肌腱，横轴位能很好地显示出胫腓前韧带、距腓前韧带。当CT韧带扫描平面平行于韧带走行方向时扫描最佳，跟腓韧带在足跖屈40°～50°，轴向成像中观察最好解剖学下胫腓前韧带与水平面约成45°倾斜角，同时临床上也可以根据不同的要求选择斜位来显示特殊的解剖结构有病变，后韧带与水平面约成25°倾斜角。因为踝关节结构较为复杂，本研究在行磁共振检查时，单一的某个体位很难将其组成(骨、韧带、关节面)全部清晰显示，要结合全方位，才能够完整和全面地显示韧带的附着点，走行及方向。此外，踝关节病变的范围一般都很小，并常常以点状、线状表现，所以在层数、层厚和层间距的环节中必须合理应用技术参数。

随着医学成像技术的发展，医师诊断病情不再局限于平面二维图像，而发展为3D立体重建[6]。二维图像只能反映断层内的组织信息，但无法得到3D空间内组织的形貌和组织间的相互关联情况，所以3D立体重建技术对于医师诊断和治疗有重要意义，可以帮助医师更好、更清晰、更准确地了解患者病情，提高疾病治疗的成功率[7]。随着3D 打印技术的逐渐成熟，这项新兴技术将被应用于各行各业。惠灵顿维多利亚大学的Jake Evill 就借助于3D 打印技术发明了Cortex 新型骨折固定支架[8]。与传统的骨折固定石膏相比，Cortex 不仅重量超轻而且没有任何异味，而根据国外媒体的最新报道，最近又有一款名为Osteoid 的3D 骨折固定支架诞生，其发明者Deniz Karasahin称，由于Osteoid 在支架内部安装了超声波发射器，因此它在Cortex 的基础上更进了一步[9]。据悉，由于低强度脉冲超声波技术早已被证实对骨折康复有效，所以Osteoid 才会内置超声波发生器，而低强度脉冲超 声波技术会将骨折治疗效果提高80%左右[10]。在国内第1例3D打印骨折术成功案例中，专家先对患者骨盆进行三维重建模拟复位，将仿真骨盆模型按照1∶1的比例用3D打印技术打印出来，再进行钢板、螺钉数据测量，钢板预弯，螺钉设计，最终在腹腔镜辅助下实施髋臼骨折内固定术[11]。先在腹壁上打孔，建立气腹，充分“显露”骨折部位，将预弯的钢板放置到最佳位置，并钻孔植入螺钉。由于术前螺钉长度已精确测量，手术中反复预弯钢板及测量螺钉的时间大大减少。术后复查钢板位置及螺钉植入方向长度与术前3D打印模拟手术完全匹配。

本研究通过比较3D打印结合数字化技术重建以及传统方式对复杂踝关节骨折治疗效果，结果显示，观察组总有效率为93.8%(30/32)，显著高于对照组，符合lzumi等[12]报道结果，说明复杂踝关节骨折手术治疗采用3D打印结合数字化技术重建能提高手术疗效。两组产生差别的原因在于3D打印结合数字化技术重建能清晰展示跖跗关节位置关系、移位程度以及骨折情况，参考3D立体图像，能够提供更加准确的切口位置以及定位位置和距离，减少手术失误，提高手术成功率。此外，本研究结果显示，观察组手术时间、住院时间、术后恢复时间均短于对照组，研究结果与Shams等[13]报道一致，说明采用3D打印结合数字化技术重建后，可以缩短手术和住院时间，缩短术后恢复时间，减轻患者的身体痛苦和减少治疗费用。

综上所述，复杂踝关节骨折手术治疗采用3D打印结合数字化技术重建技术，不仅能够提高手术疗效，还能缩短手术时间等，值得临床进一步推广。

参考文献

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3D Printing Technology Combined with the Digital Technology in the Application of Complex Fracture of Ankle JointZHAOWei-gong,YANGYi-ming,WANGYing.(DepartmentofOrthopedics,theFirstAffiliatedHospitalofXi′anJiaoTongUniversity,Xi′an，710061,China)

Abstract:ObjectiveTo study the therapeutic effect of 3D printing combined with digital technology for the treatment of complex ankle fractures.MethodsFrom January 2011 to September 2013, a total of 64 patients in the First Affiliated Hospital of Xi′an Jiao Tong University were diagnosed with complex ankle fractures.According to the random number table method ALL the cases divided into observation group(32 cases) and control group(32 cases).The patients in the observation group were treated with 3D printing combined with digital technology, and the control group were treated by traditional method.Treatment effect, operation time, hospitalization time and operation after recovery time were compared between observation group and control group.ResultsTotal effective rate of the observation group was 93.8%(30/32), which was significantly higher than that of the control group 62.5%(20/32)(P<0.05).The operation time, hospitalization time and recovery time of the observation group were less than those of the control group [(41.1±4.1) min vs (47.1±5.1) min,(5.1±1.1) d vs (8.1±0.9) d,(41.1±2.1) d vs (49.2±1.9) d](P<0.01).The difference was statistically significant(P< 0.01).Conclusion3D printing combined with digital technology for the reconstruction of complex ankle fracture, can save the operation and hospitalization time, shorten the recovery time, improve the treatment effect, reduce the possibility of failure, safe and reliable, it is worthy of clinical promotion.

Key words:Complex ankle fracture; 3D printing; Digital technology reconstruction

收稿日期：2015-07-07修回日期：2015-09-11编辑：相丹峰

doi：10.3969/j.issn.1006-2084.2015.22.041

中图分类号：R683

文献标识码：A

文章编号：1006-2084(2015)22-4141-03