3D打印辅助Sanders CT分型个性化手术治疗跟骨关节内骨折

钟 华，陈 劲，李建炜，陈广谋，阮国强，黄 艳，岑怡彪

临床研究

3D打印辅助Sanders CT分型个性化手术治疗跟骨关节内骨折

钟 华，陈 劲，李建炜，陈广谋，阮国强，黄 艳，岑怡彪

目的探讨3D打印辅助Sanders CT分型个性化手术治疗跟骨关节内骨折的临床疗效。方法收集湛江中心人民医院和廉江市人民医院2014年1月至2016年1月收治的36例跟骨关节内骨折患者的临床资料，其中18例采用传统切开复位内固定手术（传统手术组），18例行3D打印辅助Sanders CT分型个性化手术（个性化手术组）。个性化手术组术前采用3D打印技术制成1∶1的骨折实物模型，标记骨折线，结合冠状位和轴位CT影像进行Sanders CT分型，确定需要恢复的跟骨长度、宽度、Bohler角和Gissane角，辨认关节面碎骨块移位情况，据此制定手术方案，行外侧或内外侧联合入路手术。分别记录两组手术时间、住院时间；术后1周拍摄跟骨侧位X线片，测量跟骨长度、宽度、Bohler角及Gissane角；按踝关节Kofoed评分标准评估术后6个月踝关节功能。结果36例患者获随访10～12个月（平均10.5个月）。传统手术组、个体化手术组手术时间和住院时间分别为（115±25）min和（14±4）d、（58±9）min和（14±3）d，后者手术时间更短（P＜0.05），但两组住院时间比较，差异无统计学意义（P＞0.05）。术后1周跟骨X线片各测量指标个性化手术组更佳（P＜0.05）。传统手术组2例患者发生切口感染，经换药或负压封闭引流处理后痊愈。术后6个月所有患者骨折均愈合；传统手术组、个性化手术组Kofoed踝关节功能评分及优良率分别为（79±12）分和11/18、（93±14）分和17/18，个性化手术组明显优于传统手术组（P＜0.05）。结论采用数字骨科技术重建跟骨骨折模型并打印1：1骨折实物模型，可在模型上标记骨折线、清晰辨认移位关节面骨折块并辅助进行Sanders CT分型，制订个性化手术方案；3D打印辅助Sanders CT分型个性化手术能够减少实际手术操作时间，获得对跟骨关节面的良好复位，提高手术的精确性和可靠性，术后功能恢复良好，是治疗跟骨关节内复杂骨折的较好选择。

跟骨骨折；骨折固定术，内；体层摄影术，X线计算机；图像处理，计算机辅助；3D打印；Sanders CT分型

跟骨是人体最大的跗骨，跟骨骨折约占全身骨折的2%、跗骨骨折的60%[1]，多因高处跌落、足跟着地所致。鉴于跟骨在人体负重及行走中所起的重要作用，跟骨骨折患者对复位及功能恢复的要求较高。明确骨折分型是制定合理手术方案的前提。X线片和CT检查影像学资料是跟骨骨折分型诊断的基本依据，其中Sanders CT分型在临床中比较常用[1-2]，冠状位和轴位CT影像提供的信息可直观反映骨折块数量及移位程度，但三维重建图像中因有距骨的阻挡，术者不能直接观察跟骨关节面骨块的移位情况。我们基于跟骨骨折患者的CT数据重建骨折模型，通过3D打印技术1∶1等比例打印实物模型，协助进行Sanders CT分型，制定个性化手术方案，据此实施个性化手术。本研究收集36例个性化手术和传统手术患者的临床资料并进行疗效对比，旨在探讨3D打印辅助Sanders CT分型在跟骨关节内骨折手术中的应用价值。

1 资料和方法

1.1 一般资料

纳入标准：①符合跟骨关节内骨折诊断标准；②行切开复位内固定手术或3D打印辅助Sanders CT分型个性化内固定手术；③随访时间不低于10个月，随访资料完整。排除标准：①伴皮肤软组织缺损，需皮瓣修复；②伴污染伤口；③陈旧性骨折或术后二次翻修；④合并需行手术治疗的其他部位骨折。

收集2014年1月至2016年1月湛江中心人民医院和廉江市人民医院收治、符合病例选择标准的36例跟骨关节内骨折患者的临床资料。其中个性化手术组18例，采用3D打印辅助Sanders CT分型个性化内固定手术；传统手术组18例，采用切开复位内固定手术。两组性别、年龄、侧别、Sanders分型等一般资料比较，差异无统计学意义（P＞0.05），具有可比性（表1）。

1.2 手术方法

完善各项术前检查，常规消肿治疗，观察受伤部位皮肤出现皱褶后，采用硬膜外麻醉或腰硬联合麻醉，患者取健侧卧位。手术均由同一组医师完成。

1.2.1 个性化手术组 对患者伤侧踝关节行64排螺旋CT扫描（西门子公司，德国），采集DICOM数据，输入Mimics 10.0软件重建踝关节三维模型，剔除跟骨周围骰骨和距骨，重建跟骨骨折三维模型，输出STL文件，再输入Raise3D F2 3D打印机（上海复翔信息科技有限公司），打印出1∶1等比例跟骨骨折实物模型。

在模型上标记骨折线，直接观察跟骨距下关节和跟骰关节面的移位程度，进行Sanders CT分型，在计算机中利用软件功能对跟骨骨折模型进行骨折复位。其中SandersⅡ、Ⅲ部分骨折可采用外侧入路，SandersⅣ部分骨折则根据跟骨骨折3D模型作进一步观察，视骨折具体移位情况予模拟复位，必要时采用内外侧联合入路。可在计算机中置入跟骨钢板，对置钉位置和深度进行标记和测量，或3D打印出复位后的跟骨模型，在模型上演练手术操作过程，根据这些模拟结果制定个性化复位内固定手术方案。

取跟骨外侧L形全厚皮肤切口，手术刀沿跟骨骨膜锐性剥离，以3枚克氏针固定腓骨、距骨及骰骨，然后折弯克氏针并牵开皮瓣，显露并完全打开跟骨外侧壁。按术前制定的手术方案进行手术，如存在内侧载距突劈裂、跟骨结节分离、丘部塌陷及外侧爆裂骨块，则在跟骨结节骨块上从外到内打入牵引克氏针，牵引下复位载距突骨折块和跟骨结节骨折块，从跟骨结节下后方朝前内侧方向打入2根克氏针行临时固定，C型臂X线机透视无内翻、复位满意后，撬起丘部塌陷骨折块，以克氏针临时固定。C型臂X线机透视观察跟骨长度、宽度、Bohler角和Gissane角是否恢复。对复位后残留骨缺损空隙较大者，以同种异体骨块填塞。将塑形好的跟骨钢板放置于外侧，位置满意后从跟骨前突、丘部、跟骨结节部三点骨质致密处置入螺钉。

表1 两组患者术前一般资料比较（x-±s，n=18）

1.2.2 传统手术组 按手术步骤显露跟骨外侧壁和后关节面，撬起塌陷的跟骨丘部，复位后关节面，用克氏针或螺钉固定，双手拇指按住跟骨外侧壁，其余手指对抗内侧壁，以手法（推按抖动法）复位恢复正常的跟骨宽度，螺钉固定时在内侧壁推按对抗，防止骨块移位。螺钉应尽量穿透内侧壁骨皮质，在跟骨沟下方斜向上25°打入1枚螺钉固定载距突。之后的操作（如C型臂X线机透视观察、钢板螺钉固定等）与个性化手术组相同。

1.3 术后处理

术后常规放置负压引流，切口加压包扎，不需行外固定。术后1 d开始踝泵功能锻炼，术后48～72 h酌情拔除负压引流管，引流量多时可适当延长拔管时间。术后常规复查跟骨侧轴位X线片，测量跟骨宽度、长度、Gissane角、Bohler角。术后4周开始练习不负重行走，2～3个月后复查X线片，视骨折愈合情况逐渐负重行走。

1.4 统计学方法

应用SPSS 17.0统计软件进行分析，计量资料以均数±标准差（x-±s）表示，两组比较采用两独立样本t检验，计数资料比较采用χ2检验或Fisher确切概率法，P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

36例患者获随访10～12个月（平均10.5个月）。术后1周个性化手术组跟骨长度、宽度、Bohler角及Gissane角较传统手术组更佳（P＜0.05，表2）。两组患者临床指标比较如表3所示，个性化手术组手术时间、术后6个月Kofoed踝关节功能评分及优良率均优于传统手术组（P＜0.05）；但两组住院时间比较，差异无统计学意义（P＞0.05）。传统手术组术后1周出现2例切口感染，经换药或负压封闭引流处理后痊愈；两组均未有腓肠神经损伤、跟骨痛、内固定松动断裂并发症发生。术后6个月跟骨侧轴位X线片显示所有病例均获得骨性愈合。典型病例如图1所示。

3 讨论

螺旋CT扫描及三维重建在跟骨关节内骨折术前评估和分型诊断中起重要作用[3]。Sanders CT分型基于跟骨冠状面CT扫描来评估跟骨关节内骨折情况，是目前常用的跟骨关节内骨折分型诊断标准。但跟骨属于不规则骨，解剖形态较为复杂，CT冠状位图像很难完整显示跟骨骨折的原貌，特别是关节面骨折移位情况，易导致术者对骨折的诊断、分型、空间形态认识不足。

近年来，随着医学影像技术的发展，特别是高分辨率螺旋CT的投入使用，为3D打印技术在创伤骨科个性化手术中的应用提供广阔的前景[4-5]。人们运用该技术制作3D实物模型，进行手术规划，模拟手术过程，建立手术导向模板，设计个体化内植物或人工关节假体等[6-8]。其中跟骨骨折3D打印实物模型的制作过程是：运用64排螺旋CT采集高质量的跟骨骨折DICOM数据，将数据输入Mimics等医学三维图像处理软件，通过软件处理剔除骰骨和距骨后输出STL文件，打印出1∶1等比例跟骨骨折3D实物模型[9]。我们在3D打印模型上可标记骨折线，明确Sanders CT分型，制定个性化手术方案，从而保证了手术的安全性、可靠性和精确性。

表2 两组患者术后1周跟骨X线片测量指标比较（x-±s，n=18）

表3 两组患者临床指标比较（x-±s，n=18）

图1 3D打印辅助Sanders CT分型个性化手术治疗SandersⅣ型跟骨关节内骨折图片（男，51岁）1A术前CT三维重建 1B术前CT冠状位图片 1C 3D打印模型 1D在3D打印模型上标记骨折线 1E术前模拟钢板放置位置 1F～1I术后1周跟骨侧轴位X线片检测跟骨长度、宽度、Bohler角和Gissane角，恢复满意 1J术后3个月X线片示跟骨骨折愈合

如前所述，传统手术主要通过术前三维CT扫描图像结合术中探查来判断骨折情况，再根据临床经验进行手术，但许多复杂的医疗问题[10-11]，如复杂关节内跟骨骨折，特别是SandersⅣ部分骨折，无论术前如何计划，术中往往难以获得理想复位。本研究比较传统手术与3D打印辅助Sanders CT分型个性化手术的疗效差异，结果证实，个性化手术组患者可获得良好复位，手术时间也较传统手术短，这主要是因为利用3D模型可以全方位、多角度地观察跟骨关节内骨折，尤其是跟骰关节和距下关节面的骨折移位程度，更加直观地显示跟骨关节内骨折存在的内侧载距突劈裂、跟骨结节分离、丘部塌陷及外侧爆裂骨块等情况，辅助术者在术前制定和优化手术步骤，模拟和演练手术过程，进而缩短了手术时间。比较研究结果还显示，术后跟骨长度、宽度、Bohler角及Gissane角等X线测量学指标均优于传统手术组，术后6个月随访时踝关节功能评分及优良率也更佳，表明3D打印辅助Sanders CT分型个性化手术更加精准可靠，术后功能恢复理想，是治疗跟骨关节内复杂骨折的较好选择。

国内外相关临床报道也证实了这一点，吴青松等[12]及Kendoff等[13]应用数字骨科技术3D打印跟骨骨折模型，辅助切开复位内固定手术，减少了术中透视次数及手术时间；Chung等[14]的研究结果提示，3D打印跟骨骨折模型可能在评估跟骨骨折情况时尤为有效，有助于促进骨折复位，减少植入物错位发生，改善患者预后。

需要强调的是，使用3D打印技术需配备3D打印机，要求技术人员能熟练使用三维图像处理软件。由于打印材料和成型原理不同，3D打印机性能差异也较大，其中激光成型技术用时较短，而热熔成型技术打印速度通常较慢，不适用于急诊手术。但随着3D打印材料和技术的不断成熟和完善，特别是金属3D打印技术的迅速发展，在不久的将来，一种完全根据骨折3D模型设计的个性化内植物将被用于创伤骨科手术中，从而真正实现个性化、精确化的手术要求。

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Individualized surgical treatment based on 3D printing-assisted Sanders CT typing for intra-articular calcaneal fractures

ZHONG Hua*,CHEN Jin,LI Jianwei,CHEN Guangmou,RUAN Guoqiang,HUANG Yan,CEN Yibiao. *Department of OrthopaedicsⅢ,Zhanjiang Central People's Hospital,Zhanjiang,Guangdong 524037,China.

CHEN Jin,E-mail:chenjin113@163.com

ObjectiveTo explore the clinical effects of individualized surgery for treatment of intra-articular calcaneal fractures according to 3D printing-assisted Sanders CT typing.MethodsAn retrospective study included 36 patients with intra-articular calcaneal fractures who were surgically treated in Zhanjiang Central People's Hospital and Lianjiang People's Hospital from January 2014 to January 2016.They were divided into two groups,conventional operation group(conventional open reduction and internal fixation,n=18)and personalized operation group(operation according to 3D printing-assisted Sanders CT typing,n=18).In personalized surgery group,1∶1 fracture model was printed by 3D printing technique before the operation,the fracture line was marked,Sanders CT classification was then performed with the combination of coronal and axial CT images,to determine calcaneal length,width,Bohler and Gissane angles needed to restore,as well as identify the displaced bone fragments on the articular surface.As a result,operation plan was made,lateral approach or combined medial and lateral approach was performed.Operative time and hospital stay in two groups were recorded,calcaneal length,width,Bohler and Gissane angles 1 week after the surgery were observed by axial X-ray examination,functional evaluation at 6 months after the operation was accessed according to Kofoed score of ankle joint function.ResultsAll patients were followed up from 10 to 12 months,with an average of 10.5 months.Operative time in personalized operation group was shorter than that in conventional operation group[(58±9)vs(115±25)min,P＜0.05],while there was no statistical difference of hospital stay between two groups[(14±3)vs(14±4)d,P＞0.05].The radiological indexes 1 week postoperatively in personalized operation group were more superior than those in control group(P＜0.05).Two cases of wound infection were found in conventional operation group,and cured after dressing change or vacuum sealing drainage therapy.At 6 months postoperatively,all patients achieved fracture healing;the score of Kofoed ankle function was 93±14,the excellent and good rate was 17/18 in personalized operation group,all improved compared with those in control group(79±12,11/18),the differences between two groups had statistical significance(P＜0.05).Conclusions Based on calcaneal fracture model reconstruction and physical model 3D printing by digital orthopedic technique,the fracture line could be marked in the model,the fracture fragments on the articular surface could be clearly identified,and the personalized surgical plan could be made according to the assistance of Sanders CT classfication.For intra-articular calcaneal fractures,individualized surgery according to 3D printing-assisted Sanders CT typing is a good choice because it could reduce the operative time,achieve good reduction for articular surface,enhance the accuracy and reliability of the surgery and obtain good functional rehabilitation.

Calcaneal fractures;Fracture fixation,internal;Tomography,X-ray computed;Image processing,computer-assisted;Three-dimensional printing;Sanders CT typing

R683.426，R687.32

：A

：1674-666X(2017)01-029-07

2016-12-02；

2017-01-05）

（本文编辑：白朝晖）

10.3969/j.issn.1674-666X.2017.01.005

广东省自然科学基金项目（2014A030307012）；湛江市财政资助项目（2015A06011）；湛江市财政资助项目（2014C01026）

524037广东，湛江中心人民医院骨外三科（钟华，陈劲，李建炜，陈广谋，阮国强，黄艳）；524400广东，廉江市人民医院骨二科（岑怡彪）

陈劲，E-mail：chenjin113@163.com