3D打印联合Ilizarov技术治疗胫骨畸形的效果

曾源，邱伟建，李建强，刘振康，朱旭，孟冲，孙金鹏，吴学建，肖鹏

(郑州大学第一附属医院 骨科，河南 郑州 450052)

骨折畸形愈合、骨髓炎、小儿麻痹后遗症等众多原因可造成胫骨畸形[1]，通常表现为复合畸形(短缩、成角及旋转)，对患者日常生活和工作有较大影响。针对胫骨畸形常常借助手术干预治疗，但截骨手术常面临肢体短缩或软组织缺损等问题。Ilizarov技术不仅可以通过渐进的骨组织重生来治疗截骨后的骨缺损，促进骨愈合，还可以通过缓慢矫形解决软组织损伤，纠正骨搬运过程中的畸形和肢体长度不一致[2-3]。采用传统的截骨方式治疗胫骨畸形时只能在直视下粗略估计截骨的位置、角度、长度等[4-5]，术中难以做到精准截骨和外固定支架的精确安装。日益成熟的3D打印技术通过计算机软件的精确计算和手术模拟，正好可以弥补以上缺点。本研究尝试通过3D打印技术构建胫骨模型，在胫骨模型上提前进行精准截骨和手术预演，并评估该方式的临床效果。

1 资料与方法

1.1 一般资料前瞻性选取2013年1月1日至2019年12月1日郑州大学第一附属医院骨科病区收治的17例胫骨畸形患者。本研究经医院医学伦理委员会批准。患者均签署知情同意书。17例患者：男15例，女2例；年龄18～58岁，中位年龄为36岁；右侧胫骨畸形11例，左侧胫骨畸形6例；胫骨骨折畸形愈合患者9例，骨髓炎导致胫骨短缩畸形患者8例。胫骨骨折畸形愈合患者合并成角畸形和肢体短缩，成角20°～50°，胫骨相对于健侧短缩38～65 mm；骨髓炎导致短缩畸形患者，胫骨短缩42～68 mm。5例患者需长期借助轮椅生活，12例患者需靠拄双拐行走。

1.2 纳入标准和排除标准(1)纳入标准：①使用3D打印技术打印胫骨模型；②随访时间≥5个月；③X线和CT检查完善，实验室检查未见明显异常。(2)排除标准：①未通过3D打印技术打印胫骨模型；②骨髓炎急性发作期；③患有糖尿病、尿毒症等内科疾病且不能稳定控制；④患者或家属不同意手术治疗。

1.3 治疗方法术前均对患者行64层CT扫描，将CT断层图像以DICOM格式导入Mimics 15.0软件(比利时Matefialise公司)，软件将根据横断面图像自动生成矢状面和冠状面图像，重建三维立体模型，将重建好的三维立体模型以STL格式输出保存。使用3D打印设备通过FDM(熔融沉积造型)技术1∶1打印胫腓骨模型，材料为聚乳酸。通过打印的骨骼模型定制合适的环形外架，在3D打印模型上实施手术预演，确定截骨平面、截骨方式、骨搬运长度和克氏针及Schanz螺钉置入位置。对于骨髓炎引起的患肢短缩畸形患者，需一期行手术清创治疗，待控制感染后，行3D打印，二期进行截骨矫形术。手术时，采用全麻，协助患者取仰卧位，于患肢大腿根部使用充气止血带，常规消毒、铺巾。根据在3D打印模型上实施的手术方案在胫骨近端进行截骨，安装Ilizarov环形外架，克氏针和Schanz螺钉需垂直胫骨机械轴置入。安装环形外架时，外架内缘距皮肤1.5～2.0 cm。留置引流管，缝合包扎，针道处使用碘伏纱布缠绕以避免感染。

1.4 术后处理术后常规使用抗生素3 d，预防感染。每日使用酒精消毒针道口2次。24 h引流量少于30 mL时拔除引流管。术后第3天拍摄双下肢全长正侧位片，观察畸形矫正情况。术后2周拆除缝线。骨搬运一般从术后1周开始，通过调整伸缩杆上的螺母进行搬运，每隔4 h转动1/6圈，以每日1 mm的速度进行骨搬运。术后即开始足趾主动屈曲背伸活动。2～3周复查X线，观察搬运过程中是否有完全轴向偏移并适当调整搬运速度。每隔3个月复查X线，根据骨痂矿化程度决定负重程度，直至负重。分别于术前和术后3个月采用视觉模拟量表(visual analogue scale，VAS)评估患肢疼痛程度，0分表示无痛，1～3分表示轻度疼痛，4～6分表示中度疼痛，7～10分表示重度疼痛。

2 结果

2.1 围手术期及随访结果患者均顺利完成手术，术中出血量为75～113 mL，平均(86.0±10.0)mL，手术时间为54～75 min，平均(67.8±5.9)min，术后手术切口均一期愈合。胫骨骨折畸形愈合患者纠正成角(29.1±10.9)°，纠正短缩(49.6±7.5)mm。骨髓炎导致短缩畸形患者，纠正胫骨短缩(53.0±9.0)mm。所有患者的胫骨畸形均获得基本纠正，纠正短缩畸形的同时并纠正额状面畸形、冠状面畸形和旋转畸形，双下肢基本等长，力线恢复良好，无神经血管损伤、针道感染等并发症发生。术后6个月随访，5例靠轮椅生活的患者均可扶双拐行走，12例扶双拐行走的患者可改为单拐行走，行走功能较术前明显改善。术后3个月，患肢VAS评分与术前比较，差异有统计学意义(P<0.05)。见表1。骨髓炎患者术后骨髓炎均未复发。

表1 术后3个月与术前患肢VAS评分比较[n(%)]

2.2 典型病例患者男，40岁，胫骨骨折后畸形愈合，接受3D打印联合Ilizarov技术治疗胫骨畸形。术前胫腓骨正侧位X线显示右侧胫骨短缩、成角及旋转畸形，成角畸形处骨质量较差(见图1)，不适合采用传统方式截骨，故采用Ilizarov技术治疗。采用3D打印技术打印患肢胫腓骨模型，确定截骨方案，并在模型上行手术预演(见图2)。图3为术前患肢畸形轮廓和术后畸形矫正情况。术后3 d复查X线，下肢力线基本恢复(见图4)。术后2个月X线显示骨搬运处骨组织开始生长，下肢力线维持良好(见图5)。术后9个月复查X线显示骨断端骨折骨痂生长，骨搬运处骨组织逐渐矿化；双下肢外形基本等长(见图6)。该病例仍在随访中，因截骨后胫骨下段较上段细，骨折愈合较正常情况下慢，但未出现骨折不愈合现象，暂不考虑植骨等其他方式治疗，因骨痂生长较少，所以外固定架暂时未拆除。患者一直进行功能锻炼，随访X线显示骨痂仍不断增多，术后15个月X线(见图7)显示，骨痂已包绕断端。

A为术前X线正位图像；B为术前X线侧位图像。

A、B为术前3D打印模型，能清楚显示胫骨成角及短缩畸形；C为术前手术预演。

A为术前患肢畸形轮廓；B为术后外架安装情况。

A、B为患肢X线显示外架固定良好，患肢成角畸形及力线已基本纠正。

A、B为患肢X线显示骨搬运处骨组织开始生长，下肢力线维持良好。

A为患肢轮廓，双下肢基本等长；B、C为患肢X线显示骨断端骨折处骨痂生长，骨搬运处骨组织逐渐矿化。

A、B为患肢X线显示骨痂已包绕断端，骨组织矿化良好。

3 讨论

胫骨畸形常常影响患者的生活和日常工作，畸形的多样性导致无标准的治疗方式[6-8]。20世纪50年代，骨科医生伊利扎洛夫(Gavriil A. Ilizarov)教授提出张力-应力法则和Ilizarov技术[9]。这为各种原因引起的胫骨畸形提供了一种新的思考方式和手术方法。Ilizarov技术可通过牵拉成骨技术来进行肢体畸形矫正、骨搬运、肢体延长术等。在进行肢体畸形矫正时，Ilizarov技术可同时纠正三维空间的复杂畸形[10]。利用Ilizarov技术可以有计划地进行缓慢矫形，避免软组织缺损和血管神经损伤，使之出现软组织再生和微循环改善，缓慢、持续、逐渐改善皮肤软组织条件，逐渐达到矫形的目的。

通过Ilizarov环形外架进行畸形矫正时，截骨位置、外架安装、克氏针及Schanz螺钉置入位置均与治疗效果密切相关[5,11-12]。目前的手术计划以二维影像学检查为依据，由于畸形的立体复杂性，无论是通过几何计算还是图像拼接，都无法做到术中精准截骨和外架的精确安装，使得三维畸形矫正更加困难。

随着3D打印技术在医学工程中的广泛应用[13]，其越来越多地被应用于骨科手术中。3D打印技术通过计算机模拟和手术模拟[14-15]可以弥补以上不足，使得截骨手术术前计划更加完整，截骨程度和目标更加明确，术中操作更加精准。3D打印技术实现骨骼结构、尺寸的精确重建，从三维立体形态探讨肢体多平面畸形，进而运用计算机精确测量，设计个体化截骨方案，更利于达到手术预期的截骨矫形效果，更具有直观性、准确性。矫正胫骨成角畸形时，可以通过3D打印技术设计制作截骨导板，便于术中达到精准截骨[16]。王忆茗等[17]利用3D打印技术重建骨盆虚拟模型，设计并制作截骨导向模板，术中可以精准截骨，提高手术效率，减少术后并发症的发生。Girolami等[18]通过3D打印技术设计并制作仿生假体，在脊柱肿瘤手术中进行前柱重建，取得了良好的临床疗效。

在应用Ilizarov技术进行畸形矫正之前，通过3D打印技术打印出骨骼模型并制作好相应的环形外架，将外架精准安装在3D打印模型上，进行模拟矫正手术，确定克氏针和Schanz螺钉的置入部位，这使得医生可以提前进行手术预演，优化手术方式。观察远端游离骨块随着外架调整的搬运轨迹，提前进行矫正，使得实际的延长和轴向轨迹更接近预期矫正。通过手术预演能为患者提供个体化精准手术治疗，缩短手术时间，减少术中出血量，精确完成手术目标，以得到良好的临床效果，本研究结果也证实了这一点。术前在骨骼模型上进行手术预演，更方便与患者沟通，准确并直观地为患者讲解治疗方案，建立良好的医患沟通模式。本研究中所有患者胫骨畸形均达到预期矫正，双下肢力线恢复良好，无神经血管损伤，行走功能较术前有明显改善；术后患肢疼痛较术前有缓解。

本研究的局限性：(1)目前3D打印技术尚未纳入医保，增加了患者的经济支出；(2)3D打印数据分析、重建及计算机手术模拟需要专业建模人员完成；(3)3D打印流程繁琐，需要一定时间，紧急情况下使用局限；(4)3D打印联合Ilizarov技术治疗畸形时，每步操作均对治疗效果有影响，需要1个由工程师、骨科医生、器械师及康复科医生组建的治疗团队；(5)本研究样本量较少，随访时间短，所得结果需要大样本长期随访进一步验证。

在治疗胫骨畸形时，采用3D打印联合Ilizarov技术可以进行术前精准计划、模拟手术预演、术中精准截骨、术后三维复合调整(通过骨搬运延长肢体及缓慢矫形处理软组织缺损)等。这有助于缩短手术时间，提高手术效率，降低术中及术后并发症发生率，取得良好的临床治疗效果。