数字化和3D 打印技术辅助治疗陈旧性髌骨骨折*

张学胜 韩宝生 苗秋菊 王虹 涂强 刘辉亮 丁焕文,5*

髌骨骨折的发生率占全身各种骨折的0.5%～1.5%[1]。随着科学技术的发展，治疗髌骨骨折的方法日新月异，不断有新的治疗技术和方法出现。陈旧性髌骨骨折由于骨折断端之间有新生骨痂形成，骨折界面模糊导致骨折复位困难，而髌骨骨折又属于关节内骨折，要求解剖复位，因此陈旧性髌骨骨折的临床处理、手术治疗难度大。本科近10 年在临床上建立计算机辅助精准外科手术新方法[2-3]，从2006 年开始将该方法用于辅助陈旧性髌骨骨折的治疗，取得了很好效果，现报道如下。

1 资料与方法

1.1 一般资料

本组患者男3 例，女2 例。年龄31 ～55 岁，平均37.2岁，3 例分型为髌骨横行骨折，2 例为髌骨粉碎性骨折。骨折时间均为3 ～6 个月，骨折断端分离移位大于5 cm，术前膝关节疼痛、屈伸活动受限，根据HSS 评分为47、53、35、40、42 分; X 线片提示骨折面有明显新生骨痂。

1.2 数字化技术辅助过程与方法

1.2.1 CT 扫描、三维重建

选择陈旧性髌骨骨折病例进行0.5 ～1 mm薄层CT扫描，采用Mimics软件三维重建、建立双膝关节周围骨骼解剖模型。

1.2.2 计算机辅助分析

将膝关节三维解剖模型的点云数据输入Imageware 软件，利用骨骼作为配准的标志，通过点云对齐功能进行图像配准、对齐，建立健侧髌骨的镜像，与健侧镜像比较了解髌骨骨折的移位情况、骨折面新生骨痂范围等。

1.2.3 CAD 设计制作辅助手术模板

为了能准确切除骨折面新生的骨痂，根据骨折块的解剖外形，采用CAD 设计外形阴阳互补的辅助截骨与复位模板，并采用3D 打印技术（3D printing，RP）制作，术中引导准确切除骨折面新生骨痂，引导准确截骨和骨折块准确对位。

1.2.4 计算机模拟截骨和内固定过程

在计算机上模拟陈旧性新生骨痂切除、截骨、复位和钢缆螺钉固定过程，了解髌骨骨折手术复位、固定三维效果，验证手术方案的可行性。最后在快速原型实物上操作演练外科手术过程。

1.3 手术方法

采用硬膜外麻醉，髌前正中纵切口，切开皮肤、皮下组织、深筋膜后，从深筋膜下分离显露髌骨远、近骨折端，可见骨折断端间有大量骨痂生长，将辅助截骨与复位手术模板套在骨折端关节面上，引导摆锯或磨钻切除骨折面新生骨痂，直视下引导骨折块复位，证实骨折对位对线良好。安装内固定螺钉位置钻孔引导模板，引导钻出钢缆螺钉钉道，将骨折复位后选用4.0 mm 钢缆螺钉2 枚，按照预先钻好的孔道从远端向近端拧入固定骨折，螺钉长度以距离穿出髌骨近折端约2 mm 为宜，钢缆在髌前呈“8”字交叉，予锁扣固定，剪去结端多余钢缆。清洗切口，丝线逐层缝合。

1.4 术后处理

行石膏托外固定1 周，术后当天行足趾、踝关节屈伸活动，鼓励患者加强功能锻炼; 术后1 周拆石膏托，佩戴支具固定在功能位，6 周后扶拐下床进行不负重活动，佩戴支具6 周后可逐步负重行走，分别在术后1 年拍片了解骨折愈合情况，术后1 年左右取出内固定。

2 结果

本组病例术中均按计算机辅助设计方案顺利完成手术。术后X 线拍片证实均解剖复位，随访14 ～23 个月，根据膝关节HSS 评分标准[4]，治疗效果按疼痛、功能、活动范围、固定畸形、不稳定及减分指标等方面进行评价，临床疗效评定:优（＞85 分），良（70 ～84 分），中（60 ～69 分），差（＜59分）4 个等级。5 例术后出院时膝关节HSS 评分分别为82、83、80、85、86 分，最近一次随访膝关节HSS 评分为95、86、89、90、91 分，5 例患者临床疗效评价均为优（见表1）。

表1 5 例患者术前、术后出院、最近一次随访膝关节HSS 评分及随访时间

典型病例: 患者，女，38 岁。患者于2011 年7 月初因不慎摔倒，左膝前着地，伤后左膝疼痛剧烈、膝前明显肿胀、活动受限，局部皮肤无破裂，在当地医院就诊，X 线检查提示“左髌骨横行骨折”，建议患者行手术治疗，患者拒绝手术，自行外敷中草药后肿胀好转，但左膝疼痛，活动受限，膝关节HSS 评分为35 分。患者于2012 年3 月来本院就医，X 线片证实左髌骨陈旧性骨折（见图1），考虑为陈旧性骨折复位困难遂决定借助计算机技术辅助处理，过程如下:将双膝薄层CT 扫描获得二维数据，Mimics 软件三维重建建立双膝关节周围骨骼解剖模型，计算机辅助分析发现: 左髌骨上下骨折片上下分离移位，下方骨折片翻转90°，骨折面朝向膝前，无清晰骨折锐利边缘（见图2）。计算机辅助模拟骨折复位，模拟复位后上下骨折面之间新生骨痂相互重叠。CAD 设计髌骨辅助截骨模板，将其贴附在髌股关节面上。引导修剪去除骨折面上增生的新生骨痂（见图3A）。CAD 设计内固定螺钉定位钻孔模板，引导在骨折远近端预先钻出内固定螺钉通道（见图3B）。模拟内固定，骨折端复位后顺预先钻好的孔道从下往上拧入螺钉钢缆系统的加压螺钉部分，于上方骨折块横行钻孔，其中一条钢缆穿过另一内固定螺钉中间孔道，在髌骨前面成“8”字形交叉，两条钢缆以锁扣固定（见图4）。采用快速成型技术制作辅助模板实物，低温消毒备用（见图5）。术中显露骨折端后将辅助截骨模板实物套在髌骨骨折端关节面（见图6），然后用摆锯结合磨钻切除骨折面新生骨痂，直视下将套好模型的两骨折块进行复位，发现对位对线良好。再安装内固定螺钉位置钻孔引导模板，引导钻出钢缆螺钉钉道; 骨折复位后选用4.0 mm 钢缆螺钉2 枚，从在髌骨前呈“8”字交叉固定（见图7）。术后X 线复查证实左髌骨对位对线良好，钢缆螺钉固定稳固（见图8），术后早期功能锻炼，2 周后膝关节HSS 评分为80 分; 半年后患者功能恢复良好，可负重行走，末次随访膝关节HSS 评分89 分。

图1 术前X 线片正侧位显示髌骨连续性中断

图2 三维重建建立双膝关节周围骨骼解剖模型正侧位显示

图3 A.手术模板引导修剪去除增生骨痂;B.手术模板引导内固定螺钉通道钻孔

图4 A.电脑预处理钢缆螺钉;B.电脑模拟钢缆螺钉内固定

图5 A.快速成型技术制作螺钉引导模板; B.快速成型技术制作模板实物

图6 模板在术中运用

图7 钢缆螺钉固定髌骨

图8 术后X 线片正侧位提示骨折间隙不清晰

3 讨论

本组5 例均因为髌骨骨折早期处理不规范，导致形成陈旧性髌骨骨折或髌骨骨折畸形愈合，骨折面有大量新生骨痂，髌骨骨折面匹配困难，复位难以达到解剖复位。我们的治疗目的是要充分恢复关节面的平整和伸膝装置的完整，因此术前必须精确地界定髌骨骨折面，切除增生的骨痂，使髌骨骨折达到解剖复位。本院2006 年开始将CAD 和3D 打印技术运用于陈旧性髌骨骨折的治疗，建立了计算机辅助陈旧性髌骨骨折精确复位和固定的新方法，解决了陈旧性髌骨骨折面匹配困难、复位难以达到解剖复位的难题，为陈旧性髌骨骨折治疗提供了一种新的方法。

陈旧性髌骨骨折的传统手术方法主要是临床医生凭借丰富的临床经验和手术技巧，通过术中探查、目测、尺子测量及触摸感觉等，切除陈旧性骨折面新生骨痂，这样容易造成实际切除范围与新生骨痂范围有差异，导致髌股关节面不完整，骨折复位欠佳，影响术后患者膝关节功能恢复。外科手术导航系统对此有一定帮助，但存在成本高、操作复杂、耗时长等问题[7]。用术前CAD 设计、3D 打印辅助手术模板可以引导术者在术中精确切除陈旧性骨折面之间新生的骨痂、引导精确截骨，且CAD 设计的手术模板可以引导预制内固定螺钉的钉道，有利于钢缆螺钉准确固定分离的横行骨折块，使两骨折面对位对线良好，达到解剖复位，恢复髌股关节面的平整和伸膝装置的完整性，并且节省手术时间。术后由于解剖复位和内固定牢靠，患者可以早期进行功能锻炼，有效地防止创伤性关节炎和关节僵硬。

陈旧性髌骨横行骨折和畸形愈合患者适合采用个性化截骨模板和钢缆螺钉内固定治疗，另外粉碎不太严重的陈旧性髌骨骨折亦可考虑钢缆螺钉内固定结合计算机辅助治疗。钢缆螺钉根据空心拉力螺钉张力带内固定的原理改进，符合张力带原则; 加压螺钉使髌骨骨折面之间产生预加压作用，且钢缆比同等直径的钢丝有更好的柔韧性和抗疲劳性效果;钢缆螺钉的一体性设计既防止退钉的发生，也不会发生钢缆的滑脱及移位[8]，钢缆穿过拉力螺钉，呈纵向“8”字形在髌前交叉，用锁扣固定，钢缆和锁扣紧贴骨面，故不压迫股四头肌肌腱及髌腱、不影响股四头肌腱、髌腱血运，降低皮肤刺激症状的发生。钢缆螺钉穿过松质骨骨折线时，有导致骨折块碎裂的可能，故该方法对严重的髌骨粉碎性骨折不太适合。严重粉碎性髌骨骨折宜采用环行钢丝，可吸收或不可吸收线缝合固定为宜[9-10]。

目前，髌骨骨折内固定国内外报告了许多改良方法，如双边固定角板内固定[11]、经皮钢丝环扎内固定[12]、经皮空心钉钛丝张力带内固定[13]，可吸收锚钉联合“8”字减张带[14]、带尾孔针缆系统[15]、“P”形张力带钢丝[16]、空心拉力螺钉张力带钢丝[17]、关节镜辅助下闭合经皮螺钉内固定[18]、X 线监视下闭合复位穿针外固定等。其中改良较多而且优点突出的方法为空心拉力螺钉张力带钢丝[19-20]，Carpenter 等[21]通过比较常见髌骨骨折内固定方法，经生物力学测试证实AO 张力带钢丝、单纯拉力螺钉、空心钉结合张力带的固定强度为395、554、732 N，得出空心拉力螺钉加张力带的固定力量最强的结论。钢缆螺钉内固定根据空心拉力螺钉张力带内固定的原理进行了改良，钢缆坚固，且用专门的锁扣固定钢缆，固定力量强[22]。国内学者将钢缆螺钉固定系统与传统克氏针张力带内固定治疗髌骨骨折疗效分析，认为钢缆螺钉内固定系统治疗髌骨骨折具有手术时间短、疗效好、安全性高等优点[23]。对于陈旧性髌骨横行骨折，计算机辅助设计的模型有利于精确地切除两端骨折面新生骨痂，使骨折面达到解剖复位，加上钢缆螺钉内固定具有良好的初始加压作用和坚强的内固定作用，解决了陈旧性髌骨骨折引起股四头肌回缩和髌韧带挛缩而导致的骨折两端张力过大的问题。术后首次拍片即可见骨折间隙不清晰，术后患者髌骨功能恢复迅速和恢复效果优良，证明效果明显优于传统手术方法。

综上所述，笔者认为采用计算机模拟髌骨骨折复位和固定的手术过程、CAD 设计的个性化辅助手术模板以及手术过程中运用模板引导钢缆螺钉内固定髌骨骨折块，保证了切除髌骨骨折面新生骨痂和截骨手术操作的精确性和可靠性，确保了陈旧性髌骨横行骨折得到解剖复位，且结合钢缆螺钉内固定解决了骨折两端张力过大的问题，将陈旧性髌骨横行骨折治疗提升到个性化治疗阶段，手术更精确、可靠，疗效更佳。但新方法也存在一些问题: 由于计算机辅助技术学习周期长，较少临床骨科医生熟练计算机辅助技术，所以计算机辅助技术在临床上推广应用范围仍有一定困难。但从5 例运用计算机辅助技术治疗陈旧性髌骨骨折的术后效果判断，证实计算机辅助技术治疗陈旧性髌骨骨折有明显优势，临床效果肯定。