3-D 打印在青少年胫骨远端骨折累及骺板损伤手术中的应用

Abstract

目的

探讨 3-D 打印技术在青少年胫骨远端骨折累及骺板损伤手术中的应用价值。

方法

回顾分析 2014 年 1 月—2015 年 12 月采用 3-D 打印技术行手术治疗的 16 例胫骨远端骨折累及骺板损伤患儿临床资料。男 12 例，女 4 例；年龄 9～14 岁，平均 12.8 岁。致伤原因：交通事故伤 9 例，重物砸伤 3 例，运动伤 4 例。受伤至手术时间 3～92 h，平均 25.8 h。累及骺板的骨折按 Salter-Harris 进行分型：Ⅱ 型 11 例、Ⅲ 型 4 例、Ⅵ 型 1 例。术前对患肢行薄层 CT 扫描，应用 Mimics14.0 医学软件进行设计，并使用 3-D 打印机打印出 1∶1 骨折模型；在骨折模型上模拟手术复位操作并选择合适大小的接骨板、克氏针、空心螺钉，设计完整的手术入路、手术方式、选择内固定物，根据术前设计方案进行实际手术。

结果

手术时间 40～68 min，平均 59.1 min；术中出血量 5～102 mL，平均 35 mL；术中透视次数 2～6 次，平均 2.8 次。16 例患儿均获随访，随访时间 12～24 个月，平均 15 个月。其中 15 例患儿骨折达解剖复位，1 例骨折未解剖复位，断端移位<1 mm。术后患儿骨折均达骨性愈合，愈合时间 2～4 个月，平均 2.6 个月。均无下肢深静脉血栓形成、骨骺早闭、踝关节面倾斜或不平发生，未并发骨髓炎，无踝关节内外翻畸形、关节僵直、创伤性关节炎等并发症发生。术后 12 个月行患肢踝关节功能 Helfet 评分，获优 15 例，良 1 例。患侧内外翻成角为（6.56±2.48）°，生长长度为（4.44±2.31）mm，与健侧[（6.50±1.51）°、（4.69±1.08）mm]比较差异均无统计学意义（t=0.086，P=0.932；t=0.392，P=0.697）。

结论

3-D 打印技术作为辅助技术，对改善胫骨远端骨折累及骺板损伤手术效果具有一定的临床应用价值。

青少年胫骨远端骨折常可累及骨骺和生长板，伤后可导致骨生长发育障碍和关节畸形，其损伤机制复杂，复位要求较高，制定良好的手术方案以达到术中满意的复位和确切的固定，是胫骨远端骨骺骨折治疗取得良好效果的关键^[1-3]。青少年患儿骨骺的生长发育与成人患者存在明显区别，成人患者的治疗方式在青少年骺板损伤治疗中受到很大限制，因此内固定的设计和手术更为困难，并且骨折复位要求更高。Salter 等^[4]根据骺板损伤的严重程度将累及骺板损伤的骨折分为 5 型，治疗移位明显的 Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ 型骺板损伤应达到解剖复位。

3-D 打印涉及到机械、激光等多个学科，是基于三维模型通过层层累积加工最终得到制品的技术^[5]，且逐步被临床所应用。在骨科方向，3-D 打印技术可利用 3-D 模拟来展示骨折情况及设计内固定物的植入位置、长度和角度，为手术操作提供参考，制定更加精准的个体化手术方案。国内外学者研究证实，3-D 打印技术可协助手术的术前规划设计，使手术更加精确和科学，可帮助术者更加明确骨折的程度和具体分型，为术中的骨折复位及内固定服务^[6-9]。但目前关于 3-D 打印技术应用于胫骨远端骨折累及骺板损伤的治疗尚罕见相关文献报道。2014 年 1 月—2015 年 12 月，我们将 3-D 打印技术应用于 16 例胫骨远端骨折累及骺板患儿的治疗，现回顾分析该部分患儿临床资料，探讨 3-D 打印技术在青少年胫骨远端骨折累及骺板损伤手术中的应用价值。报告如下。

1. 临床资料

1.1. 患儿选择标准

纳入标准：① 年龄<15 岁。② 创伤前无踝关节活动及功能障碍，无踝关节及胫骨畸形及其他生长发育障碍。③ 具备手术指证：手法复位不能达到解剖复位，或复位后经皮克氏针及螺钉等无法维持复位者；骨折移位≥5 mm 的 Salter-Harris Ⅱ 型关节外骨折，骨折移位≥2 mm 的 Salter-Harris Ⅲ、Ⅳ 型关节内骨折；开放性骨折。排除标准：① 感染及合并复杂伤者；② 伴有患侧下肢严重神经、血管损伤者。2014 年 1 月—2015 年 12 月共 16 例患儿符合选择标准纳入研究。

1.2. 一般资料

本组男 12 例，女 4 例；年龄 9～14 岁，平均 12.8 岁。左侧 9 例，右侧 7 例。致伤原因：交通事故伤 9 例，重物砸伤 3 例，运动伤 4 例。受伤至手术时间 3～92 h，平均 25.8 h。根据 X 线片及 CT 扫描确定骨骺损伤类型及骨折断端移位情况，骨折按 Salter-Harris 分型：Ⅱ 型 11 例、Ⅲ 型 4 例、Ⅵ 型 1 例。合并同侧腓骨骨折患者 4 例。伴胫骨远端骺损伤的内踝关节骨折 9 例，伴后踝骨折 7 例。

1.3. 治疗方法

1.3.1 术前处理　患儿入院后均接受清创、止血等常规处理。行踝关节正侧位或胫腓骨正侧位 X 线片及 CT 扫描，并行患肢踝关节或胫腓骨远端 64 排螺旋 CT（Siemens 公司，德国）成像及数字重建，数据通过 Mimics14.0 医学软件（Materialise 公司，比利时）处理后，导入 3-D 打印机并打印出 1∶1 骨折模型。术前在 3-D 骨折模型上进行骨折再分型，并进行模拟手术，选择最适宜手术切口。在 3-D 骨折模型上进行模拟克氏针及螺钉植入，并记录所选内固定物的长度、型号、内固定物植入角度等数据，最终设计出适宜的手术治疗方案。

1.3.2 手术方法　手术均由同一组高年资小儿创伤骨科医师完成。患儿于全麻（13 例）、蛛网膜下腔阻滞麻醉（3 例）下取仰卧位，使用驱血带驱血，安止血带。对患儿首先试行闭合复位，分离骨折周围软组织至胫骨远端骨质后，轴向牵引踝部后内外旋转踝关节，并按压骨折断端。复位后行 C 臂 X 线机透视，5 例骨折端复位满意，钻入克氏针固定骨折块，选用适宜直径及长度的空心螺钉，其空心钉不能损伤到骺板和关节面，螺钉螺纹应全部跨过骨折线，尖端穿过对侧骨皮质。11 例闭合复位失败，改为骨折切开复位。根据 3-D 骨折模型选择合适切口入路，伴有胫骨远端骺损伤的内踝关节骨折患儿取踝关节内侧切口，伴有后踝骨折患儿取踝关节后内侧或后外侧切口。骨折断端显露后，冲洗清除软组织，复位和内固定方法同上。4 例合并同侧腓骨骨折患儿中，3 例骨折移位大且对胫骨力线恢复影响较大，行克氏针（1 例）或钢板（2 例）内固定；1 例骨折移位小且对胫骨力线影响较小，复位后采用保守治疗。所有患儿术后均行石膏外固定。

1.4. 术后处理及疗效评价指标

术后抬高患肢减轻伤口周围软组织肿胀，常规更换术区敷料，抗炎、消肿。术后 6～8 周后拆石膏托，待骨折愈合后拆除石膏外固定并拔出克氏针；内固定物取出后可行不负重功能锻炼，2 周后可部分负重，视骨折愈合情况逐步过渡至完全负重行走。术后 3 d，1、3、6、9、12 个月复查患肢及健侧 X 线片。

记录两组患者手术时间、术中出血量、术中透视次数、骨折复位质量及术后并发症发生情况，术后 3 个月对照健侧测量患肢力线、踝关节生长情况，采用 FACS 系统软件测量患肢及健侧肢体生长长度及内外翻成角角度。术后 12 个月行患肢踝关节功能 Helfet 评分。

1.5. 统计学方法

采用 SPSS19.0 统计软件进行分析。数据以均数±标准差表示，手术前后比较采用配对 t 检验；检验水准 α=0.05。

2. 结果

本组手术时间 40～68 min，平均 59.1 min；术中出血量 5～102 mL，平均 35 mL；术中透视次数 2～6 次，平均 2.8 次。16 例患儿均获随访，随访时间 12～24 个月，平均 15 个月。其中 15 例患儿骨折达解剖复位，1 例骨折未达到解剖复位，断端移位<1 mm；所有患儿骨折均达骨性愈合，愈合时间 2～4 个月，平均 2.6 个月。均无下肢深静脉血栓形成、骨骺早闭、踝关节面倾斜或不平发生，未并发骨髓炎，无踝关节内外翻畸形、关节僵直、创伤性关节炎等并发症发生。术后 12 个月行患肢踝关节功能 Helfet 评分，获优 15 例，良 1 例。患侧内外翻成角为（6.56±2.48）°，生长长度为（4.44±2.31）mm，与健侧[（6.50±1.51）°、（4.69±1.08）mm]比较差异均无统计学意义（t=0.086，P=0.932；t=0.392，P=0.697）。见图 1。

图 1.

A 11-year-old girl suffered distal tibial fracture involving epiphyseal plate injury (Salter-Harris type Ⅳ, intra-articular fracture) caused by traffic accident, then the open reduction of distal tibial fracture and internal fixation with hollow screw and Kirschner wire was performed

患儿，女，11 岁，交通事故伤致右胫骨远端骨折累及骺板损伤（Salter-Harris Ⅳ型关节内骨折），行胫骨远端切开复位空心螺钉及克氏针内固定术

a. 术前 CT 及 X 线片示骨折断端移位≥2 mm 且损伤累及骨骺；b. 术前制备 3-D 骨折实物模型并行模拟手术；c. 术后 3 d 正侧位 X 线片示骨折断端解剖复位，空心螺钉平行骺板，内固定物位置佳；d. 术后 12 个月患肢踝关节功能恢复满意，患肢胫骨生长长度及内外翻角度正常

a. Preoperative CT and X-ray film showed displacement of fractured ends ≥2 mm, and the injury involved the epiphysis; b. 3-D physical model of fracture was prepared before operation, and the surgical simulation was performed; c. Anteroposterior and lateral X-ray films at 3 days after operation, showing the anatomical reduction of fractured ends, the hollow screw was in parallel with the epiphyseal plate, and good position for the internal fixator; d. The ankle function recovered satisfactorily, and the growth length of tibia and angle of introversion and extroversion for the affected limb were normal at 12 months after operation

3. 讨论

3.1. 累及骺板的胫骨远端骨折治疗要点

骨折累及骺板损伤容易造成肢体缩短和成角畸形，因此术中对骨折复位的要求较高，其最终目的是获得骨骺部位及关节的解剖复位，从而恢复力线、维持踝关节稳定，最终使骨折愈合、重新获得肢体的正常活动，也避免骨折术后发育异常而出现肢体畸形。目前认为骨折移位≥2 mm 的 Salter-Harris Ⅲ、Ⅳ 型关节内骨折及骨折移位≥5 mm 的 Salter-Harris Ⅱ 型关节外骨折应及时行手术干预^[10-12]。在内固定方式的选择上，我们通过治疗本组患儿认为：① 对于患儿单纯采用克氏针常不能提供满意的固定效果，加用空心钉固定可明显提高固定的牢固程度。② 不能为达到骨折坚强内固定而盲目选择有损骺板的内固定方式，比如跨越骺板的坚强内固定。③ 内固定材料的选择：儿童胫骨远端骨骺骨折内固定材料多选用克氏针及空心螺钉，空心螺钉治疗对骨折端有加压作用，能为早期功能锻炼创造条件；而克氏针直径较细，虽然对骨骺损伤较小，但其对骨块把持力较弱，应与空心螺钉配合使用。④ 患儿骺板经不起反复贯穿打击，植钉一次成功要求很高，所以累及骺板的胫骨远端骨折手术应由年资较高的医师完成。

3.2. 术前设计过程经验要点

计算机辅助 3-D 打印技术在临床上的应用需要长期工作经验的积累和总结，从初期的二维影像学资料到完备的 3-D 术前计划，涉及到多个软件的熟练应用和多步骤的技术操作，任何一个环节的遗漏缺失和操作不当都有可能对整个术前设计价值产生不良影响。经验要点：① 术前设计要完备具体：在 3-D 实物模型上临床医生可直观地去观察骨折和局部骨骼的结构，术前设计应全面地进行骨折复位顺序的计划，内固定方式及内固定物的选择，包括内固定物放置的具体位置、型号大小，螺钉的直径、长度、数量、植入方向。若术前设计达不到完备具体，就大大降低了术前 3-D 数字计划的优势和实际临床价值。② 精准打印：临床医师对 3-D 打印技术应用到的软件要充分学习和熟练操作，对软件及 3-D 打印机要经过反复调试才能设定出最合适的打印参数。在技术应用前期，同样一组影像学资料最终打印出的 3-D 模型往往存在局部差异，在应用软件作表面光滑等技术处理时，要客观考虑正常解剖结构和实际骨折情况，过度处理反而会降低 3-D 模型的精准度。③ 多科室协作的重要性：临床上，非提前计划的影像学资料有时并不能提供术前 3-D 数字设计所需的全部数字图像，这种情况下若要求患者再次按设计要求重新做大型检查确有不妥，术者只能根据现有的残缺资料和以往经验进行术前设计，其导致术前计划价值并不大。因而患者行 CT 等影像学检查前，临床医生应与影像科室进行充分交流沟通，提出对影像学资料的具体需求，得到最完整数字资料，利于下一计划步骤的顺利进行。④ Mimics 软件应用要点：在术前设计中对于大小骨折块提倡精确建立 Object，这样可明确避免后期软件三维重建和 3-D 打印时骨折块的遗漏，对于骨折严重患者尤其如此。⑤ 3-D 打印技术应用范畴：3-D 打印技术周期一般为 1～2 d，因而只适用于择期手术患者。根据临床经验，对于适合应用 3-D 术前设计的患者，临床医生应从患者入院后尽快规划术前设计，可减少患者住院时间。⑥ 模拟手术中 3-D 实物模型与正常解剖结构和实际操作的结合： 3-D 打印的实物模型没有软组织结构，术中的软组织牵拉、患者体位变化、复位顺序等都有可能导致术前设计与实际手术情况不完全相符。因而模拟手术过程中要充分考虑到软组织、重要神经血管、患者体位、患儿具体发育状况等的影响，以实际手术心态去实施每一个术前设计。

3.3. 3-D 打印技术临床应用

3-D 打印出的模型可清晰且直观地表现出骨折程度与移位情况，利于明确诊断及骨折分型，可以延展术前设计、精准手术过程、明显缩短手术时间、加深医患交流程度、减少并发症发生等，有较实际的临床意义^[13-15]。3-D 打印技术应用于临床具有诸多优势：① 通过应用 3-D 打印技术，医师在近似真实的环境中进行模拟手术并预测修复后结果，能为患者制定最佳的修复方案^[16]。Riesenkampff 等^[17]研究表明，3-D 打印技术能帮助术者了解骨折的程度和类型及骨折块移位情况，为术中的骨折复位提供基础。② 手术过程中术野有限，特别对于儿童患者，保护骨膜及软组织要求更高，软组织遮挡因素更明显。3-D 实物模型在确定骨折块位置、解剖标记、内固定物的植入位置方面有着不可替代的参考作用。③ 在 3-D 实体模型上进行模拟手术，可明确骨折块复位的顺序^{[6, 18]}，选择合适内固定物并进行预先塑形，确定内固定物的合适位置，预先体会术中可能出现的各种问题，提高手术的安全性。④ 3-D 打印技术的应用改变了医生的诊治思维及治疗模式，术前设计、术中实践、术后复查的治疗模式大大降低了治疗的盲目性。

本研究应用 3-D 打印技术进行术前手术设计，并手术治疗累及骺板的儿童胫骨远端骨折，手术时间、术中出血量、射线暴露量、解剖复位率、术后随访 Helfet 评分均取得满意结果，患侧内外翻成角与生长长度满意，患侧与健侧比较无统计学差异。

综上述，随着 3-D 打印技术日益成熟，其应用于骨科有助于提高骨科手术的安全性及准确性，保证稳妥固定骨折、缩短手术时间、降低手术并发症、减少射线暴露。但本研究病例数较少、随访时间较短，该技术的远期应用效果有待进一步行大样本量及长期随访研究明确。