3D打印技术在复杂胫骨平台骨折手术中的应用

徐永丰，夏 剑，龚 敏，万爱国，许永武

(南昌大学第三附属医院骨科，南昌 330008)

复杂胫骨平台骨折是骨科的常见病、多发病，内固定手术难度较大，且术后常伴有疼痛、关节不稳及创伤性关节炎[1-2]。传统的胫骨平台骨折手术，医生通常采用影像资料如X线、CT、MRI进行手术方案的术前设计并据此进行手术，缺乏三维立体结构显示及精准的骨折结构数据，无法进一步与手术器械精确拟合，经验与手术熟练程度决定了手术的成败[3-4]。近年来，随着3D打印技术的出现，使数字化术前设计实现了从虚拟、模拟到现实模拟的跨跃，更使胫骨平台骨折手术精确化、个性化的术前设计成为可能[5-7]。本研究旨在探讨3D打印技术在复杂胫骨平台骨折手术中的应用效果。

1 对象与方法

1.1 研究对象

选择2014年1—8月南昌大学第三附属医院收治的复杂胫骨平台骨折患者21例，男15例，女6例，年龄21～65岁，平均(34.5±2.6)岁。致伤原因：交通伤13例，高处坠落伤5例，重物砸伤3例。Schatzker分型：Ⅴ型16例，Ⅵ型5例。三柱分型：双柱7例，三柱14例。合并半月板Ⅲ度损伤12例，前交叉韧带止点撕脱骨折3例，后交叉韧带止点撕脱骨折1例，前交叉韧带实质部断裂3例，后交叉韧带实质部断裂2例。入院后，行石膏托外固定或跟骨结节牵引7～14 d致肿胀消褪后，行手术治疗。患者及其家属均对本研究知情，并签署知情同意书。

1.2 方法

1.2.1 三维图像的构建及3D打印技术

术前行患膝关节X线摄片，再行64排螺旋CT薄层扫描检查。扫描参数：层厚0.625 mm，层间距0.5 mm，扫描速度2.8 s，窗宽400 Hu，窗位800 Hu。将数据DICOM格式导出，并将其DICOM数据输入计算机中，用Makerbot统计软件进行数据处理。然后，将处理后的数据导入3D打印机(深圳森工科技有限公司，型号：M2030)，采用熔融沉积成型技术按1:1打印骨折三维模型。模型打印时间一般需4～6 h。

1.2.2 手术方法

3D模型模拟手术：将打印的骨折三维模型按照实际手术中的步骤用强力胶水逐一粘合复位，复位原则是取主舍次，恢复力线长度，解剖复位关节面。然后，根据骨折“AO”治疗原则，多平面三维测量胫骨平台，按1:1比例在复位后的3D模型上划线，确定预置钢板的位置及每个螺孔的位置，将钢板贴合到骨折模型，调整并确定钢板的最佳位置，用直径2.5 mm克氏针模拟螺钉置入，记录螺钉置入方向和长度。

实际手术：术前30 min常规使用抗生素，患侧大腿上1/3扎止血带，取仰卧或漂浮体位。采用全身麻醉。麻醉后，根据术前设计的手术方案决定手术切口入路(前外侧或后外侧或经腓骨头截骨入路结合后内侧入路)，逐层分离皮下组织及膝关节周围韧带，显露骨折线及关节面。根据三维模型判断骨折块的大小、位置及方向，再据此进行手法牵引或撬拨复位。复位后，用克氏针临时固定，再用C型臂X线机透视复位良好后，于骨折塌陷区植入同种异体骨或自体髂骨。然后，按术前设计将所确定的内固定钢板植入，并按设计方向将合适长度的螺钉植入，用C型臂X线机透视骨折块及钢板、螺钉位置良好后，冲洗切口，放置引流管，缝合切口，术毕。

1.2.3 术后处理

术后常规使用抗生素2～3 d。切口引流量少于50 mL，拔除引流管。拔除引流管后，每天行股四头肌收缩锻炼。术后第7天开始行膝关节的间断主动屈伸锻炼。手术3个月后，行完全或部分负重锻炼。

1.3 观察指标与疗效评定标准

观察21例患者骨折愈合时间和术后复位即刻胫骨平台内翻角(TPA)、胫骨平台后倾角(PA)及临床疗效(术后Rasmussen放射评分、术后1年HSS功能评分)、术后并发症发生情况。

Rasmussen放射评分评定标准：按文献[8]的标准进行评定。

HSS功能评分评定标准：按文献[9]的标准进行评定。

2 结果

21例患者中，切口均一期愈合。术后复位即刻TPA为(3.3±2.1)°，PA为(8.9±2.7)°。术后根据Rasmussen放射评分，优17例，良3例，一般1例，优良率为95.2%。

21例患者术后均获随访，随访时间12～36个月，平均(15.5±6.3)个月。X线均显示骨折愈合，愈合时间8～12周，平均(10.23±1.33)周，无延迟愈合及畸形愈合。术后出现创伤性关节炎2例，膝关节僵硬1例，均无感染、医源性血管及神经损伤、关节不稳等并发症发生。术后1年根据HSS功能评分，优14例，良4例，一般2例，差1例，优良率为85.7%。

3 讨论

复杂胫骨平台骨折多由高能量损伤所致，应以良好复位、坚强可靠的内固定和能够安全进行早期功能锻炼为治疗原则[10-11]。然而，复杂胫骨平台骨折治疗对术者的手术技术要求较高，如治疗不当，则可能会发生创伤性关节炎、关节僵硬、关节不稳等严重后遗症，严重影响患者的膝关节功能[12]。另外，由于复杂胫骨平台骨折骨折类型不同，治疗方法也不同，需根据不同的骨折类型，制定个性化的手术方案。

数字化技术的发展为胫骨平台骨折患者精确化、个性化治疗提供了技术保障。3D打印即快速原型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属、塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的快速成型技术。利用3D打印技术模拟设计前置椎弓根螺钉导板，以实现颈椎前路椎弓根螺钉的准确植入[11]以及制作陈旧性骨盆骨折模型，在模型上确认截骨水平、复位标记以及固定部位治疗陈旧性骨盆骨折[12]等的临床研究均取得良好的疗效。采用3D打印技术可以重现骨折部位，了解骨折线的走向、骨折块的大小及相互间的位置关系，特别是对于胫骨平台后外侧柱骨折，可以结合血管造影技术，打印出伴有重要血管走行的骨折模型[13]，并能够更直观地了解骨折块和血管之间的关系。同时可根据骨折类型的不同，个性化选择手术切口、复位方式及复位顺序、模拟放置钢板及螺钉置钉位置、方向和长度，完成手术方案的模拟操作。另外，术中可根据术前设计及三维模型，快速将钢板准确放置，避免在术中因钢板植入位置不准确所造成的多次钻孔及多次透视，减少了因多次钻孔造成的骨量损失以及多次透视对手术医护人员的辐射伤害，使手术过程更加程序化、规范化，从而实现胫骨平台骨折的精准外科治疗。采用3D打印技术治疗复杂胫骨平台骨折，与传统手术相比，可以缩短手术时间，减少术中出血量，提高骨折复位质量，恢复膝关节的功能[7，14]。本研究结果显示，21例复杂胫骨平台患者中，术后即刻复位的优良率为95.2%，术后1年的优良率为85.7%，提示采用3D打印技术治疗复杂胫骨平台骨折可提高骨折复位质量，促进膝关节功能的恢复。

综上所述，在复杂胫骨平台骨折中采用3D打印技术可优化手术方案设计，模拟手术过程，提高手术的精准与效率，可作为复杂胫骨平台骨折术前手术方案设计重要的辅助手段。然而，3D打印技术也存在费用较高、等待模型时间较长等缺点，与真实操作仍有一定的差别。3D打印技术虽存在问题，但随着组织工程学、数字化医学及生物材料科学的不断发展，3D打印技术在骨科领域将会有更广泛的应用。