3D打印联合关节镜微创治疗胫骨平台骨折

刘佩雷 张乐 彭成 陶奇昌 代建昊 常彬 李强

安徽理工大学第一附属医院（淮南市第一人民医院）（安徽淮南232000）

胫骨平台是组成膝关节的重要结构，受到直接或间接暴力易造成平台骨折，巨大暴力可造成胫骨平台附近内外侧副韧带、前后交叉韧带及半月板等重要组织损伤，导致膝关节功能障碍。临床上多采用X 线、CT 或MRI 二维扫描或者进行三维重组来描述骨折的类型、严重程度，并依次制定手术方案［1-2］，缺点是通过二维扫描图像往往不能真实、准确反映平台内部的骨折线走形以及邻近组织损伤程度，术中往往需要反复调整骨折复位角度，无疑延长了手术时间，增加了射线暴露风险［3-4］。关节镜辅助治疗胫骨平台骨折，可动态观察评估塌陷平台复位的情况，同时处理膝关节内韧带、半月板、软骨及撕脱骨折，骨折复位不需要打开关节囊，保护关节囊的完整性，为切开内固定提供强有力的支撑，有益于患者早期开始功能锻炼，为膝关节功能的良好复原奠定基础，在胫骨平台骨折中具有明确的临床疗效，有望替代常规开放手术［5］。但是只有术前常规影像学资料为关节镜辅助治疗手术入路的确定提供参考是不够的，术中骨折复位需要多次调整，手术和麻醉时间也随之延长。随着3D 打印技术的进步，根据术前骨折三维重组图像进行实时、个性化打印，能够实现与人体骨折等比例模型，通过在模型上设置最佳的手术入路和模拟复位，能够让术者掌握更全面和准确的骨折信息，精准快速恢复胫骨平台的高度、宽度及关节面的平整度［6-7］。目前，3D 打印技术在骨科的多个领域，如脊柱侧弯、髋膝关节置换、骨折缺损、仿真模型等应用越来越广泛。目前，将3D 打印与关节镜联合应用于胫骨平台骨折的临床研究还较少。因此，本研究通过单中心开展3D 打印联合关节镜微创治疗胫骨平台骨折的临床效果，总结经验指导后续临床应用。

1 资料与方法

1.1 一般资料该研究采用临床、前瞻性、对照研究的方法，选择2018年3月至2020年3月我院确诊胫骨平台骨折患者共62 例，采用电脑生成随机数字法分为对照组和观察组各31 例。

纳入标准：（1）单侧新鲜骨折，发病时间小于72 h；（2）经X 线、CT 或MRI 确诊胫骨平台骨折；（3）根据分组完成手术治疗，术后均康复出院；（4）签署手术知情同意书，临床随访资料完整。排除标准：（1）复合其他部位严重损伤，入院病情较重，不适合手术；（2）骨折合并严重的神经、血管或软组织损伤，影响术后康复；（3）术后不能遵医嘱进行正确康复；（4）失访。

1.2 研究方法所有入组患者入院积极完善相关检查，评估手术风险，由同一手术和护理团队根据标准手术流程进行。其中对照组采用关节镜辅助治疗，主要步骤：根据术前CT 二维扫描结果判断骨折类型、制定手术入路、选择内固定器械、评估手术风险、预测术后并发症，对于复杂骨折常规跟骨牵引等。患者取仰卧位，采用硬膜外麻醉。按膝关节镜标准内外侧入路，置入关节镜生理盐水灌注冲洗，处理膝关节腔内积血滑膜等至视野清晰。然后检查半月板、前后交叉韧带以及骨折端劈裂移位与塌陷情况。采用克氏针与复位钳复位劈裂骨折，经皮两枚空心钉固定。根据骨折不同类型选择合适切口，对于塌陷骨折在膝关节前内侧或前外侧开放4 cm 切口，距离平台关节面开窗，通过撬顶复位后植骨。关节镜下明确复位情况。然后置入解剖钢板，以C 臂透视观察钢板位置与骨折对位情况，之后钻孔，将螺钉拧入。再次应用关节镜观察关节面的平整度，留置引流管，关闭切口，包扎敷料，开放止血带，完成手术。由于关节镜下手术比开放直视下视野更为狭小，需要术者和助手仔细研究术前影像资料，掌握局部解剖结构以及毗邻结构，保证术野干净，及时止血。术后常规预防感染、抗凝和止痛等处理，根据康复情况尽早进行关节功能训练。

观察组联合术前3D 打印，主要步骤：采用美国西门子高分辨率256 薄层CT 扫描仪对骨折部位进行二维扫描，将原始图像以DICOM 格式传输至后处理工作站进行三维轴位模型重建，主要参数设置：1.0 mm 切片和1.0 mm 层间距。所有切片都是手工分割为三个平面（图1）。分离过程去除了股骨和髌骨，仅保留胫骨部分。在检查并确定骨折，术前算法由骨科和三维建模团队准备（图2）。成功的三维重建大约需要100 min。胫骨平台损伤的精确1：1 模型在12 h 内使用一个肿块入口形成镜像对侧。采用镜像成像技术，将正常侧胫骨平台打印成与伤前胫骨相似的真实尺寸骨折侧模型，并进行术前设计和体外模拟手术［8］。凹陷带的位置及凹陷深度用来确定骨折的类型和角度，并利用患者的三维模型进行术前手术计划。手术过程以及术后处理同对照组。

1.3 观察指标比较两组手术指标（包括平均手术时间、术中出血量、骨折复位时间）和临床指标（包括术后康复时间、疼痛和肿胀程度、并发症），随访6 个月比较膝关节功能（HSS）和运动功能（FMA）评分。康复时间定义为从术后第一天开始，至各项生命体征稳定、骨折矫正、切口基本愈合，经医生评估可顺利出院为止。

术后3 d 采用视觉模拟量表（VAS）进行疼痛评分，分值0 ～10 分，分值越高表示疼痛越严重。采用带刻度的软尺测量肿胀最明显处，与自身健侧同部位进行比较，以（肿胀-健侧）长度表示肿胀程度。并发症主要包括内固定移位或断裂、再骨折、感染、骨关节炎等。HSS 包括疼痛（30 分）、功能（22 分）、活动度（18 分）、肌力（10 分）、屈膝畸形（10 分）、稳定性（10 分），总分100 分，评分越高表现膝关节功能越佳。Fugl-Meyer 量表包括反射活动（4 分）、屈级共同运动（6 分）、伸肌共同运动（8 分）、联合共同运动（4 分）、分离运动（4 分）、正常反射（2 分）、协调/速度（6 分），总分34 分，评分越高表示膝关节运动功能越佳。

图1 跟踪骨折线的多角度观察Fig.1 multi-angle observation of tracking the fracture line

图2 胫骨平台骨折的三维算法Fig.2 Three-dimensional algorithm of tibial plateau fracture

1.4 统计学方法采用SPSS 20.0 统计软件，计量资料以均数±标准差表示，组间比较采用独立样本t检验，计数资料例（%）表示，比较用χ2检验。P＜0.05 为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 两组一般临床资料的比较对照组28 例和观察组29 例最终完成随访，失访原因主要是电话无法联系。两组患者的一般临床资料具有可比性（P＞0.05）。见表1。

2.2 两组手术指标的比较观察组平均手术时间和骨折复位时间比对照组缩短，术中出血量减少（P＜0.05）。见表2。

2.3 两组临床指标的比较观察组术后3 d 疼痛VAS 评分比对照组降低，肿胀程度减轻（P＜0.05）；两组术后康复时间和并发症发生率比较差异无统计学意义（P＞0.05）。见表3。

2.4 两组随访HSS 和FMA 评分的比较观察组随访6 个月HSS 和FMA 评分均明显高于对照组（P＜0.05）。见表4。

表1 两组患者的一般临床资料比较Tab.1 Comparison of general clinical datas between the two groups ±s

表1 两组患者的一般临床资料比较Tab.1 Comparison of general clinical datas between the two groups ±s

年龄（岁） 体质量指数（kg/m2） 左侧/右侧（例）Ⅰ Ⅱ骨-Ⅲ折SchazkⅣ er 分型（Ⅴ 例）Ⅵ 组别对照组观察组t/χ2值P 值例数28 29男/女（例）17/11 19/10 0.141 0.707 52.3±5.2 52.9±5.6 0.635 0.323 25.6±2.3 25.4±2.1 0.427 0.587 15/13 15/14 0.019 0.8897 6 0.909 0.923 8 67 94 52 3

表4 两组随访HSS 和FMA 评分的比较Tab.4 Comparison of HSS and FMA scores between the two groups ±s

表4 两组随访HSS 和FMA 评分的比较Tab.4 Comparison of HSS and FMA scores between the two groups ±s

注：对照组随访与术前比较，#P ＜0.05；观察组随访与术前比较，*P ＜0.05

组别 例数 术前HSS评分随访 术前FMA评分随访对照组观察组t 值P 值28 29 64.5±13.6 62.3±12.4 0.465 0.628 85.7±9.2#91.2±8.6*5.968 0.004 11.6±3.7 10.2±3.5 0.329 0.721 22.4±4.7#29.8±5.2*6.857 0.001

表2 两组手术指标的比较Tab.2 Comparison of operation indexes between the two groups ±s

表2 两组手术指标的比较Tab.2 Comparison of operation indexes between the two groups ±s

组别 例数 手术时间（min）骨折复位时间（min）出血量（mL）对照组28172.5±32.432.7±8.631.2±6.3观察组29134.5±16.715.6±4.325.7±5.4 t值P值6.539 0.001 8.235＜0.001 5.589 0.003

表3 两组临床指标的比较Tab.3 Comparison of clinical indexes between the two groups±s

表3 两组临床指标的比较Tab.3 Comparison of clinical indexes between the two groups±s

组别 例数 疼痛VAS评分 肿（胀m程m）度 康（复d时）间［并例（发%症）］对照组281.9±0.514.6±3.211.3±2.43（10.7）观察组t/χ2值P值29 1.5±0.4 4.232 0.009 9.5±1.3 4.755 0.006 10.2±1.9 0.638 0.275 2（6.9）0.002 0.967

3 讨论

胫骨平台骨折属于关节内骨折，治疗原则主要是恢复下肢的力线，以及恢复胫骨平台的平整度，其次还需要坚强的内固定。早期的功能锻炼，手术要求高精度、最佳的术前计划，目前主要根据Schatzker 影像、三柱理论和AO/OTA 分类、位置和对骨折线的重要特征进行描述，临床上最常用CT扫描来评估骨折线的位置，但是部分病例仍缺乏典型的骨折线方向。而且后剪性骨折在Schatzker clas 中不属于Ⅳ、Ⅴ和Ⅵ类型。3D 个性化打印模型对患者的特定受伤侧，如骨盆髋臼、股骨远端、胫骨近端、距骨跟骨骨折等，有助于理解复杂性骨折的病理解剖及术前制定恰当的手术方案，包括螺丝入口的位置和轨迹［9-10］。

本研究通过小样本临床前瞻性对照试验的方法，比较了术前3D 打印辅助关节镜微创治疗胫骨平台骨折的临床效果，结果发现观察组的手术时间和骨折复位时间比对照组缩短，术中出血量减少。提示3D 打印有助于缩短手术进程，减少出血量。骨折复位良好是保证术后关节功能恢复的关键因素，由于胫骨平台骨折涉及结构较多，并且在关节平面内容易对CT 二维扫描成像产生较多遮挡，导致术者对关节内骨折的真实情况可能产生误判，影响骨折复位效果，可能需要反复调整复位角度，增加术中射线暴露风险［11-12］。3D 打印通过仿真、重现与人体关节等大的模型，经过专业算法最大限度展示骨折线，指导选择恰当的手术路径、复位角度、钢板内固定以及螺钉数量等，让术者充分掌握骨折信息，让助手能够更加协调地配合术者完成手术，克服关节镜的不足［13］。

本研究还得出，观察组术后3 d 疼痛VAS 评分比对照组降低，肿胀程度减轻；骨折术后疼痛和肿胀是最常见，也是影响术后早期功能康复训练的重要不利因素。3D 打印通过术前多次模拟手术方案，能够减轻术中对关节的牵拉和撕扯，也能够提高术中复位质量，无需调整内固定钢板型号，减少了内植物无菌消毒的次数，无形中也提高了手术的安全性，防止手术感染的发生［14］。这些对减轻术后患者疼痛和肢体肿胀均有重要意义。但两组术后康复时间和并发症发生率比较差异不明显，考虑可能与纳入样本量有限，同时观察并发症的时间较短有关。3D 打印的主要目的不仅是能够更加准确、全面掌握骨折信息，帮助术者制定恰当的手术方案，同时也能够选择恰当的内固定钛板，术前做预弯和灭菌处理，减少术中选择接骨板的次数，复位质量更好，术后发生内植物断裂或移位、再骨折、内植物感染、静脉血栓形成等并发症的风险也会大大降低［15］。

最后，观察组随访6 个月HSS 和FMA 评分均明显高于对照组。关节功能的康复质量是评估手术成败的关键，也是影响患者生活质量的决定因素。许国强等［16］通过回顾性分析也指出，3D 打印技术对胫骨平台骨折患者的关节功能及运动功能恢复有良好的促进作用。王波等［17］也认为，3D 打印辅助膝关节镜微创治疗胫骨平台骨折能够提升手术效果，缩短住院时间，降低并发症，提高患者的生活质量，具有较高的可行性和安全性。关节镜由于视野狭小，需要对骨折信息充分了解，对局部解剖结构熟悉，手术中配合默契［18-19］；通过术前3D 打印仿真模型能够直观再现人体胫骨平台骨折全貌，较常规二维成像甚至三维重组更精确［20-21］。经过3D 打印提高了术者的手术安全性和准确性，缩短了手术时间，降低了手术相关风险，对术后康复无疑起到较大的促进作用。

综上所述，术前3D 打印辅助关节镜微创治疗胫骨平台骨折有较好的临床效果，能够缩短手术和骨折复位时间，减少出血量，降低术后疼痛和肿胀程度，改善膝关节功能和运动功能。该研究创新点在于将3D 打印应用于关节镜骨折修复术，提高了手术的安全性和手术疗效，促使今后对3D 打印技术的深入研究；研究不足在于纳入样本量较少，观察时间较短，术者的手术经验仍是影响手术效果的重要因素。