3D打印联合计算机辅助Taylor空间外固定架治疗下肢复杂畸形

宗群川，张启福，杨建成，曹志强，陈贝贝，张鹤令，胡一博，王涛*

(1.青海大学附属医院创伤骨科，青海 西宁 810000；2.青海省人民医院创伤骨科，青海 西宁 810000)

下肢畸形一直是外科界的难题，其中足畸形较为复杂，例如马蹄内翻足畸形，多表现为前足内收仰趾和后足内翻畸形，还包括腓骨肌进行性萎缩症所致足畸形等。目前可采用的纠正手术方法较多，包括肌腱转移，中足楔形切除，三关节固定术，距骨切除和跟骨截骨术等[1]。但对严重畸形进行的手术矫正，尤其是在成年患者中，可导致胫神经麻痹和皮肤坏死等并发症[2]。Taylor空间框架(Taylor space frame，TSF)的临床应用，通过六轴的调节实现空间的矫正，在下肢畸形治疗和并发症的预防上取得了较大的进步。3D打印技术利用三维CT影像，通过mimics程序还原空间畸形关节，辅助进行畸形参数测量、精确截骨及完善矫正方案，联合TSF以达到精准矫形的目的。为了进一步明确此项联合治疗的临床效果，本文对接受此项技术治疗患者的资料进行了相关研究，现报告如下。

1 资料与方法

1.1 一般资料 该研究回顾性分析了2016年1月至2020年1月于我院利用3D打印技术联合计算机辅助下Taylor空间外固定架治疗的下肢畸形患者13例，男5例，女8例；年龄18～41岁，平均(31.62±8.99)岁。其中足畸形患者12例(3例双足)，小腿畸形1例，所有患者入院后均由同一主任医师团队负责手术及相关治疗。

1.2 手术要点

1.2.1 术前准备 术前患者常规检查行走步态、小腿及足部肌群肌力、痛点及活动范围等，进行踝关节或下肢骨正侧位片及三维CT、双下肢立位片进行力线测量，运用mimics软件对CT图像进行三维重建和3D打印，术前利用影像资料及3D打印模型分析畸形形态及发病原因，结合术者经验，针对患者的畸形特点和致畸原因制定个体化治疗方案及详细且完善的具有可行性的术前计划，同时进行畸形参数的测量，确定截骨的位置及后期外架调节方案。术前与患者及家属详细交待患者治疗计划、手术风险及并发症。

1.2.2 手术要点 术中根据预定方案进行胫腓骨、足外侧柱、跟骨或其他部位截骨，足畸形患者根据需要选择跟腱的延长、软组织松解及胫后肌腱转位等，在软硬组织得到一定程度矫正后，进行Taylor环形外固定架的安装，近段环垂直骨干，足远端环可采用“U”型加半环，克氏针及半针固定后立柱连接，立柱序号固定后记录参数。

1.2.3 术后处理 术后患者常规复查踝关节或下肢骨正侧位片、双下肢立位片，根据影像资料进一步计算畸形参数及安装参数。通过计算机程序辅助计算，依据患者病情设定调节时限，得出矫形立柱的调节方案来进行缓慢矫正。当依据X线片所得参数存在明显误差时，可再次通过CT资料进行3D影像重建，空间测量相关参数和矫形模拟。同时术后要注意并发症的预防，如钉道感染、皮肤坏死等。

1.3 效果评价 术后患者在Taylor外架拆除后进行肢体评价，主要评价结果根据Paley提出的标准，分为优、良、一般和差[3]。评价标准为：(1)跖行足；(2)无疼痛或疼痛受限(活动后VAS评分<2分)；(3)随访中无复发畸形；(4)患者是否满意[4]。当所有四个标准都满足时，效果评价为优；当满足其中3个标准时，效果评价为良；当满足其中2个标准时，效果评价为一般；当满足达不到2个标准时，效果评价为差。足畸形患者还通过采用美国足踝外科协会(American orthopedic foot ankle society，AOFAS)踝-后足评分系统及曼彻斯特-牛津足部问卷(Manchester-Oxford foot questionnaire，MOXFQ)评分量表进行术前和术后的评价[5-6]。

2 结 果

13例患者中，小腿畸形1例，足畸形12例(患足15只)；随访时间46～132周，平均(79.76±32.68)周；随访期间4例出现关节僵硬，3例术后有疼痛症状，2例出现皮肤坏死及钉道感染问题；术后拆除外固定架后对患者进行Paley评价，6例次优(37.5%)，7例次良(43.75%)，3例次一般(18.75%)，见表1。足畸形患者手术前后AOFAS评分差异有统计学意义(P<0.05)；在MOXFQ评分中，行走/站立，疼痛及社会联系明显改善，MOXFQ指数手术前后差异有统计学意义(P<0.05)，见表2。

表1 13例患者基本信息、并发症及Paley评价

表2 患者手术前后AOFAS及MOXFQ评价结果分)

典型病例一为39岁男性患者，创伤后致右小腿畸形伴皮肤坏死15年入院。入院后患者诊断为右小腿畸形、右小腿软组织疾患。胫腓骨截骨术后采用3D打印技术联合Taylor外固定架治疗，术后疗效评价为优(见图1～4)。

图1 术前X线片及大体照示右小腿畸形明显，小腿中段见皮肤溃疡面，软组织条件差

图2 3D模型重建畸形胫腓骨，确定旋转角度及截骨位置

图3 外固定架矫正后效果图

典型病例二为39岁女性患者，双足内翻畸形数10年入院。入院后患者诊断为右足腓骨肌萎缩症、双侧足畸形。入院后患者接受了3D打印技术联合Taylor外固定架固定，矫形术中同时进行了右足跟骨截骨、跟腱延长、软组织松解及胫后肌腱转位，术后患者皮瓣坏死，后期逐步改善，疗效评价为良(见图5～8)。

3 讨 论

下肢畸形包括先天性和后天性两种类型，足畸形是下肢畸形的常见类型，致畸原因主要有先天性马蹄内翻足、创伤后内翻畸形足、脑瘫及神经性马蹄内翻足等。复杂足畸形的治疗是矫形外科的一大挑战，通过截骨和关节固定矫正多有皮肤和切口愈合问题，矫正过度或不完全等问题[7-8]。Ilizarov环形外架的出现为20世纪的畸形矫正做出了重要贡献，但在多平面复杂畸形矫正时多需要进行多次调整和建立更多的铰链，即使对于有经验的外科医生来说，Ilizarov框架矫正复杂畸形也是一项艰巨的任务[9]。Taylor外架通过六柱理论三维校正，利用计算机程序计算畸形参数，更加科学、有效地矫正足部畸形[10-11]。Manner等[11]比较了155例使用TSF和Ilizarov外架的复杂畸形校正结果，发现用TSF治疗的患者中有91%达到了矫正目标，而用Ilizarov固定器治疗的患者中只有56%达到了矫正的目的。

图4 拆除外架后X线片及大体照示下肢力线及软组织条件改善，下肢功能恢复可

图5 术前X线片及大体照示右足内翻畸形明显，伴下肢力线改变

图6 3D模型重建双足，计算右足畸形参数，确定截骨位置

图7 术后X线片及大体照示足畸形纠正良好，外观正常

图8 术后切口周围及足背见皮瓣坏死，后期软组织条件恢复

早在17世纪出现的数学几何定理就为TSF奠定了数学基础，18世纪两环六柱的机械装置被运用到了工业领域，直到1994年，TSF由泰勒兄弟发明并运用到了外科手术中[12]。目前，TSF被认定为一种有效的外科手术矫形工具，可以用计算机精度矫正任何类型的畸形[1，13]。Floerkemeier等[4]研究发现，TSF治疗的9例复杂足畸形患者中，8例表现出良好的效果。同样，Waizy等[10]报告了9例接受TSF治疗的患者中，7例有良好结果。Eidelman[14]在他们的11例残存的马蹄内翻足畸形患者中，接受TSF治疗后，结果分为优异(3例)，良好(6例)和较差(1例)。Hassan等[15]在9例中有8例报告了令人满意的结果。颜景涛等[16]研究发现Taylor外固定架结合有限截骨术治疗重度马蹄内翻足畸形疗效满意。尽管各项研究使用了不同的评价指标使得我们无法集中比较，但良好的临床效果无可厚非，在我们的研究中也表现了类似的结果：所有患者下肢畸形均被矫正，Paley评价均为优、良或一般，术后较术前患肢功能明显改善。

虽然TSF技术治疗下肢畸形是有效的，但术前治疗方案的设计、截骨部位及外架的安装多与手术医生的经验相关，失败经验换来的成功率不可忽视，尤其对于复杂畸形来说常是治疗最困难的部分。3D打印技术的联合应用刚好帮助解决该问题，在外科应用中，与计算机断层扫描(CT)/磁共振成像(MRI)相比，3D打印技术不仅可以生成模型，3D视觉及触觉模型提供了更好的解剖学描述，可以针对患者作出精准手术方案。既往有类似研究，Shi等[17]对比了3D打印辅助股骨远端截骨与传统术式，下肢力线调整的精确率、手术时间的长度及透视的次数，3D打印组均有明显优势。陈青植[18]在小腿矫形矫正治疗中联合3D打印技术也表现了较好的临床效果。

此次研究中术前利用3D打印技术重建了复杂畸形的三维模型结构，明确定位截骨位置，精准计算矫正角度，模型预手术设计出实施方案。另外Taylor外固定架固定后，畸形参数和安装系数的测量多存在较大误差，多因术后X线或CT影像受肢体的摆放及术中安装误差的影响。该研究中，术后利用3D影像技术，在三维空间进行精确测量畸形参数和安装系数，提高外架调整方案的准确性，使得复杂畸形的治疗成功率也有所提高。

下肢畸形矫正并发症的预防与患者预后密切相关，并发症出现与畸形病因类型、复杂程度及术者经验等相关。首先足畸形发病原因与并发症的关系容易被忽视，如先天性或后天性马蹄内翻足软组织损伤程度多有不同，如胫前肌及腓骨外侧肌力的不同，固定不变的手术方式往往会导致后期的矫正不足或矫枉过正的外翻足现象；另外腓骨肌营养不良所致足内翻畸形多呈进行性发展，术后患者内翻畸形复发率较高。其次足畸形复杂程度较高时，截骨术区及足趾远端多会有血供不佳的情况，严重时有皮肤坏死或足趾缺血坏死现象出现，主要归因于矫正部位术区血供的破坏，或外固定装置对畸形骨骼及挛缩软组织进行过快牵拉，违背了张力-应力原理[19]。研究报道，过快矫正复杂足畸形并发症发生率较高，感染和伤口并发症发生率可高达27%[20]，但软组织多数会随末梢循环的重建而改善，坏死皮肤也会逐渐愈合。另外胫后神经损伤也可发生在足畸形的急性矫正术后[21]，在此研究中采用逐步矫正方式，均未出现神经损伤并发症。同时研究发现，矫正足畸形时，踝关节僵硬发生率较高，既往也有类似报道，Dela Huerta[22]通过环形外架逐步矫正12例成年的马蹄内翻畸形患者，虽然所有患者均达到了矫正目的，但在最终随访时踝关节普遍有僵硬，平均活动范围为10°。并发症的发生与医生的经验仍有紧密关系，3D打印技术的联合使用立体呈现畸形形态，可有效弥补术者经验不足的缺点，完善矫形治疗方案，有效预防相关并发症发生。

综上所述，此次研究表明，3D打印技术联合TSF技术有较好的临床效果，能够更加科学和精确的完善手术截骨及畸形矫正，但研究样本量较小，需扩大样本量，通过设立对照组进一步发掘优化治疗效果及预防并发症的优势。