计算机辅助结合3D打印技术在复杂胫骨平台骨折手术中的应用研究*

单晓威 刘爱国 王久清 张显 马航

复杂胫骨平台骨折是一种常见的下肢骨折，常由于较大创伤、暴力因素导致。此类骨折常为粉碎性，移位明显且易伤及关节面及周围重要韧带、软组织，影响下肢承重及稳定性，治疗不当可严重影响膝关节的屈伸功能[1]。切开复位内固定术是治疗复杂胫骨平台骨折的基本方法，手术须达到解剖复位要求，但术中存在内固定物匹配性欠佳、关节面高度恢复不理想等情况。随着外科精准化、数字化、个体化医学观念的深入和医疗技术的发展，计算机辅助结合3D打印技术在骨科领域的运用越来越广泛[2]。3D打印技术可将患者的二维CT检查结果通过计算机和一系列软件操作转换成三维图像，并可将骨折三维模型按照1∶1实体打印出直观、易懂的实物，全方位、清楚地展现骨折部位的解剖结构、骨折的分型及骨块粉碎程度，还可以直接用于术前筛选合适型号的接骨板、螺钉等，进行实际手术前模拟操作[3]。因此，本研究对比分析了这两种不同的手术方案对于复杂胫骨平台骨折治疗的效果，做如下汇报。

1 资料与方法

1.1 纳入与排除标准

纳入标准：①因外伤入院，经影像学检查确诊为胫骨平台骨折患者；②年龄18～60岁；③骨折类型为复杂胫骨平台骨折：Schatzker分型Ⅳ型、Ⅴ型、Ⅵ型；④已签署本研究知情同意书。

排除标准：①结核、肿瘤病史；②合并影响骨质代谢的系统性疾病；③特殊药物长期服用史；④合并较重心脑血管疾病或后遗症；⑤合并大血管病变、大面积开放伤。

1.2 一般资料

选取2018年12月至2020年5月在河南大学第一附属医院骨科收住院，确诊为胫骨平台骨折并进行手术治疗的患者65例。将入选患者随机分为实验组与对照组。其中，实验组男21例，女13例；年龄25～57岁，平均（34.2±2.8）岁；按照Schatzker分型：Ⅳ型14例，Ⅴ型11例，Ⅵ型9例。对照组男19例，女12例；年龄22～59岁，平均（35.1±4.2）岁；按照Schatzker分型：Ⅳ型11例，Ⅴ型12例，Ⅵ型8例。本研究获医院伦理委员会批准（20190116），并取得患者的知情同意。两组患者的一般资料比较，差异无统计学意义（P＜0.05），具有可比性（见表1）。

表1 两组患者的一般资料比较

1.3 手术方法

将入选患者根据手术方式的不同分为实验组和对照组。对照组患者手术方式采用传统切开复位内固定术，根据术前DR、CT图像确定骨折情况，根据骨折部位选择胫骨外侧正中或前内侧作切口，打开关节囊，剥离骨膜，充分显露骨折端，清理关节腔内骨折碎片及血块，对骨折端进行复位，采用克氏针进行临时固定，将解剖钢板贴于骨折面进行固定；对存在关节面塌陷的患者术中采取撬起塌陷关节面、同种异体骨植骨治疗，复位后塌陷骨折处的软骨面应高于正常胫骨平台软骨面1.0～2.0 mm[4]。术中C臂机透视确认关节面平整、钢板及螺钉位置良好后冲洗术口，放置负压引流，逐层缝合切口。

对实验组患者首先完善常规DR、CT检查，检查设备型号、参数同对照组不变，然后将患者的CT数据导入Mimics 17.0软件中重建患者的骨折三维模型，将骨折三维重建文件导入3D打印机进行1∶1实体打印操作。将打印完毕的骨折实体骨折模块复位，对比计算机模拟复位情况；模型复位满意后开始预选接骨板、螺钉，预先设计手术方案，确定后需要折弯接骨板预先进行折弯；确定术中预使用的接骨板、螺钉型号，文字备案。实际手术时选用预先计算好的螺钉方向和长度，其余手术步骤同对照组。

1.4 评价指标

分别统计两组患者的手术时间、术中出血量、术中透视总时间、术后切口引流量、平均住院时间、解剖复位率、术后并发症率；运用膝关节评分（HSS）分别评估两组患者术后1个月、2个月、6个月、1年的患侧膝关节功能恢复情况。

1.5 统计学方法

采用SPSS 23.0软件处理数据。计量资料以均数±标准差表示，组间比较行t检验或单因素方差分析，两两比较采用SNK-q检验；计数资料采用χ2检验。P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 两组观测指标及HSS评分对比

实验组的手术时间、术中出血量、术中透视总时间、术后切口引流量、平均住院时间均低于对照组（P＜0.05）；两组患者在术后1个月内膝关节功能（HSS）评分差异无统计学意义（P＞0.05）；实验组在术后2个月、6个月、1年随访效果膝关节功能情况（HSS）评分高于对照组（P＜0.05）。各观测指标统计如表2、表3所示。

表2 两组患者的观测指标对比（±s）

表2 两组患者的观测指标对比（±s）

组别实验组（n=34）对照组（n=31）t值P值手术时间（min）125.6±25.3 140.3±21.6-2.507 0.015术中出血量（mL）135.5±14.7 149.6±16.3-3.667 0.001术中透视总时间（min）10.5±3.6 25.4±4.2-15.395＜0.001术后切口引流量（mL）58.3±5.7 82.1±3.5-20.217＜0.001平均住院时间（d）9.3±1.7 13.2±2.1-5.794＜0.001

表3 两组患者术后随访膝关节HSS评分对比（±s，分）

表3 两组患者术后随访膝关节HSS评分对比（±s，分）

组别实验组（n=34）对照组（n=31）t值P值术后1个月34.2±3.1 33.6±2.6-0.841 0.404术后2个月60.5±2.7 58.6±3.8-2.340 0.023术后6个月78.3±2.8 72.7±2.4-8.616＜0.001术后1年88.4±2.5 80.3±3.1-11.642＜0.001

2.2 两组解剖复位对比

两组术后3个月复查X线，实验组31例达到解剖复位，复位率91.2%；对照组26例达到解剖复位，复位率83.9%。两组解剖复位率比较，差异具有统计学意义（P＜0.05）。

2.3 两组术后并发症对比

两组患者术后均随访1年，两组骨折处均达到骨性愈合。其中实验组发生创伤性关节炎1例，关节僵硬2例；对照组发生创伤性关节炎2例，关节僵硬2例。实验组并发症发生率（8.82%）较对照组（12.90%）比较，差异具有统计学意义（χ2=19.324，P＜0.05）。

典型病例：患者，女，38岁，胫骨平台骨折Schatzker分型Ⅵ型（见图1）。

图1 A、B.术前左膝关节正侧位X线片；C、D.骨折部位1∶1打印实物模型；E、F.术后3个月复查膝关节正侧位X线片

3 讨论

胫骨平台骨折是一种常见的膝关节损伤，近年来由于车祸伤、坠落伤等增多，复杂胫骨平台骨折的发生率明显升高。在临床上将SchatzkerⅣ、Ⅴ、Ⅵ型胫骨平台骨折定义为复杂胫骨平台骨折，手术治疗此类骨折时解剖复位、恢复关节面平整是关键，并应给予坚强内固定[5-6]。实际中因切口入路选择欠佳、软组织剥离过多、内植物贴合度不够等，可引起术后切口愈合不良、关节面塌陷、关节僵硬、韧带粘连等并发症出现，对患者膝关节功能造成明显障碍[7]。

正常情况下，人体关节软骨再生与磨损之间存在动态平衡。现代生物力学之父Pauwels教授研究发现，关节面解剖复位能扩大关节软骨的承重面积；干骺端畸形矫正则能避免局部关节面过度负荷，从而恢复关节软骨愈合所需的正常生物学应力[8]。Mitchell和Llinas等[9-10]在进行大量动物实验后得出结论认为骨折后只有既使关节面达到解剖复位又进行坚强稳定固定，关节面才能最终实现透明软骨愈合。进一步研究发现，只有当关节面不平的台阶不超过关节软骨厚度的2倍时，关节台阶处才会有软骨再生。因此，对于关节内骨折，实现解剖复位和坚强固定是恢复关节软骨正常生物力学环境的关键，从而实现透明软骨愈合；若关节面不能解剖复位，那么复位后的关节面台阶不应超过关节软骨厚度的2倍[11]。

3D打印技术又称增材制造技术，是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可黏合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术[12]。在本研究中，笔者将患者CT数据导入Mimics 17.0软件处理后，将文件导入3D打印机，采用PLA材质打印材料，经过高温熔化、成型、凝固、冷却等程序即可按照1∶1的比例将患者骨骼模型打印出来，所打印的实物除了有助于治疗团队更直观了解病情，还可以预先指定某一块钢板供手术使用，从而避免了杂乱无章的“海选”以及术中钢板折弯，大大缩短了手术时间及提高手术成功率，从而达到手术优化的目的[13]。本次实验组经3D打印技术术前规划设计，实际术中手术时间、术中出血量、术中透视总时间及术后切口引流量均小于对照组，证明实验组术中创伤程度更小。实验组解剖复位率高于对照组，说明3D打印辅助手术有利于使骨折达到解剖复位。本研究中两组患者在术后1个月内随访的膝关节HSS评分显示两组结果无统计学意义，这或许与骨折仍处于愈合期，膝关节部分功能未完全恢复有关。实验组在术后2个月、6个月、术后1年随访显示膝关节功能恢复明显好于对照组，且发生并发症几率较低，这说明实验组的患者在骨折愈合后期膝关节的恢复效果要好于对照组。本次实验的难点在于术前如何高精度地重建骨折三维图像，尽可能减少计算机软件运行过程中引起的骨折数据丢失，过多数据的丢失或出错再修复过程会引起重建效果和实际情况的误差，可能造成3D打印模型细节上与实际术中所见的骨折情况出现少许偏差，这种情况通常与医院CT扫描质量、数据传输质量、计算机软件及人工修复操作水平有一定关系。在完成骨折重建并打印出实物后，对实物进行骨折块游离、分解、复位的过程中尽可能减少额外损伤，以防止由此来带来的误差，以及术中关节面解剖复位、牢靠固定。骨科3D打印技术可广泛应用于临床，但目前的局限性在于临床科室中缺乏专业的医工结合型人才和配套打印设施。另外，目前该技术无论是模型设计费还是定制型内植物均不在医保报销范围，属于自费项目，较高的价格从一定程度上影响了该技术的推广[14]。本研究不足之处在于暂不能满足在计算机上进行虚拟模拟手术，这有待于以后更进一步探究。

综上所述，计算机辅助结合3D打印技术应用于复杂胫骨平台骨折的手术治疗中可降低手术难度及风险，缩短手术时间，提升手术治疗效果，有助于患者术后康复，值得临床推广应用。