3D打印结合关节镜技术微创手术治疗胫骨平台骨折的临床应用价值

焦 杰

( 庆阳市人民医院骨科 ， 甘肃 庆阳 745000 )

胫骨平台骨折临床常见，占全身骨折的1%-2%，常伴随各种关节内和关节周围软组织损伤[1]。随着医学技术的广泛发展，胫骨平台骨折的临床治疗方法越来越多样化与现代化、科技化，显著改善了患者预后，降低了患者的死亡率和致残率[2。微创治疗是目前治疗胫骨平台骨折的重要进展之一，特别是关节镜技术微创手术可提高内固定的质量，减少术后并发症的发生[8]。3D打印技术又称积层制造(Additive Manufacturing，AM)，也称三维打印技术，是指通过3D打印机，采用多种方式逐层增加材料来生成3D实体[3-4]。3D打印技术可虚拟复位、设计内固定最佳位置、螺钉方向，也可镜下直视关节面复位，同时探查并处理关节面软骨、半月板、交叉韧带损伤情况，清除关节腔内凝血块及游离体[5。当前临床上已经意识到血管内皮生长因子(Vascular endothelial growth factor，VEGF)与低氧诱导因-1α(Hypoxia-induced factor-1α，HIF-1α)在骨折愈合中发挥重要作用，骨折患者的骨折愈合时间可能与血清中VEGF表达程度有关，HIF-1α能够通过诱发成骨细胞的形成，也可增强成骨细胞的作用效果[6]。本文具体探讨了3D打印结合关节镜技术微创手术治疗胫骨平台骨折的安全性与有效性，具体阐述了具体的作用机制。现总结报告如下。

资料与方法

1 一般资料： 2017年9月-2019年4月选择在庆阳市人民医院收治的胫骨平台骨折患者142例。(1)纳入标准：符合胫骨平台骨折内固定标准的SchatzkerⅠ-Ⅳ型骨折；年龄20-65岁；具有手术指征；所有患者均签署知情同意书，经庆阳市人民医院伦理委员会批准；新鲜骨折未经特殊处理的骨折患者；患者骨折前膝关节活动功能良好。(2)排除标准：临床资料缺乏者；不依从的患者；患肢合并其他骨折患者；病理性骨折患者；全身情况差不能手术者；有局部感染的患者；合并重要血管神经损伤的患者。根据随机数字表法把所有患者分为观察组与对照组各71例，2组患者的骨折分型、受伤到手术治疗时间、骨折原因、年龄、性别、三柱分型等对比差异无统计学意义(P>0.05)。见表1。

表1 2组一般资料对比

2 手术方法：对照组给予常规入路切开复位金属接骨板内固定术治疗，患者麻醉成功后取仰卧，常规消毒铺巾，选择合适的切口近端向上牵开半月板，显露胫骨平台关节面，暴露骨折部位，复位周围骨折碎片。由克氏针平行胫骨平台进行固定，放置金属接骨板，再置螺钉固定，固定完毕后再次影像学透视正侧位，关节面整洁后修补软组织。观察组给予3D打印结合关节镜技术微创手术治疗，具体措施如下：(1)高质量胫骨平台骨折CT数据及三维重建的收集：收集层厚1mm的高分辨Dicom格式原始数据，利用Mimics 15.0软件(Materialise 公司，比利时)进行三维重建，按照不同骨折类型进行分类、整理。(2)基于3D打印技术的胫骨骨折最优化的内固定方案的术前设计：采用软件MedCAD(医学计算机辅助设计)功能进行虚拟复位，虚拟内固定设计。(3)基于3D打印模型的模拟手术仿真：所有患者行胫骨平台骨折CT薄层扫描，扫描数据以DICOM 格式导入Mimics 软件进行虚拟复位后，将复位后胫骨平台模型数据用Export(输出)功能生成的3D打印所需STL格式数据导入3D 打印机MakerBot Replicator 2(Makerbot 公司, 美国)打印出复位后患者骨折三维物理模型，打印出患者仿真骨折胫骨平台，根据虚拟内固定设计确定钢板螺钉最佳位置、螺钉数量、螺钉长度、钢板预弯程度、螺钉进入角度、螺钉方向等参数。后续手术方法同对照组。

3 观察指标：(1)记录2组的手术时间、术中透视次数、术中出血量、术后住院时间、骨折愈合时间。(2)记录与检测2组术后1天与术后14天的血清VEGF、HIF-1α表达情况，由庆阳市人民医院检验科抽取患者的空腹静脉血进行操作。(3)记录2组术后6个月出现的并发症情况，主要包括创伤性关节炎、关节僵直、骨不连、内固定松动断裂等。(4)在术后3个月与术后6个月复查X线正侧位片，必要时加拍健侧X线正侧位片，进行HSS膝关节临床功能评分(The Hospital for Special Surgery knee-ratingscore)，“优”：HSS评分>85分；“良”：HSS评分70-85分；“中”：HSS评分59-70分，“差”：HSS评分<59分。(优+良)/组内例数×100.0%=优良率。

4 统计学方法：选择SPSS19.00软件对本研究所有数据进行统计学分析，计量资料以均数±标准差表示，比较采用t检验；计数资料以百分率(%)表示，比较采用x2检验，P<0.05代表差异显著。

5 结果

5.1 2组围手术指标对比：观察组的手术时间、术中出血量、术中透视次数、术后住院时间、骨折愈合时间都显著少于对照组(P<0.05)。见表2。

表2 2组围手术指标对比

5.2 2组血清VEGF、HIF-1α值对比：观察组术后1天与术后14天的血清VEGF、HIF-1α值都显著高于对照组(P<0.05)。见表3。

表3 2组术后不同时间点的血清VEGF、HIF-1α值对比

5.3 2组并发症情况对比：观察组术后6个月的创伤性关节炎、关节僵直、骨不连、内固定松动断裂等并发症发生率为4.2%，显著低于对照组的21.1%(P<0.05)。见表4。

表4 2组术后并发症情况对比(n，%)

5.4 2组膝关节优良率对比：观察组术后3个月与6个月的膝关节优良率分别为91.5%和97.2%，都显著高于对照组的67.6%和71.8%(P<0.05)。见表5。

表5 2组术后不同时间点的膝关节优良率对比(n，%)

讨 论

在骨与关节损伤中，胫骨平台骨折致残率明显居高，疗效之低，令人无法接受。对于明显移位胫骨平台骨折手术治疗仍是临床首选方法[7]。但由于膝关节解剖关系复杂、骨性结构不规则等生理特点，使得手术治疗胫骨平台骨折存在很大难度[8]。而胫骨平台骨折的手术效果与复位程度呈正相关，因此良好手术方式的选择对胫骨平台骨折手术尤为重要[9]。前正中入路、内、外、后侧入路及其联合入路是目前治疗胫骨平台骨折最常用的手术入路，但也分别存在手术操作复杂，显露繁琐，切口长、创伤大，容易出现切口周围组织坏死、感染、裂开、钢板外露甚至骨髓炎等并发症。处理后柱骨折方面存在困难以及不能充分显露关节面，骨折复位不良，合并半月板和交叉韧带以及关节软骨损伤容易漏诊耽误治疗等诸多不足[10]。

本研究显示，观察组的手术时间、术中出血量、术中透视次数、术后住院时间、骨折愈合时间都显著少于对照组(P<0.05)；观察组术后6个月的创伤性关节炎、关节僵直、骨不连、内固定松动断裂等并发症发生率为4.2%，显著低于对照组的21.1%(P<0.05)。从机制上分析，本研究所使用的微创切口结合关节镜辅助复位技术巧妙的避免了传统入路的缺点，在获得关节面良好显露，皮肤切口相对较短，无需进行膝关节周围韧带关节囊大范围切开剥离等创伤性操作，损伤小符合微创手术观念，保持了膝关节稳定结构的完整性[11]。可同期关节镜下探查并修复半月板及交叉韧带损伤、清理关节腔内积血及游离体；同时应用数字医学技术通过三维重建模型进行虚拟骨折复位，术前3D打印虚拟复位后患者的仿真胫骨平台模型，并在体外模拟内固定，确定预置入钢板的形状、长度及最佳位置、 螺钉植入最佳位置及方向、螺钉长度，术前预弯钢板，精确选择微创切口及入路，使手术更加精准、安全，获得了良好的治疗效果[12]。骨折愈合是多种因素共同作用的过程，包括血肿机化、纤维骨痂形成等复杂过程，该过程当中还有很多细胞因子参与。VEGF分子量为34-45KD糖蛋白，其作为一个主要的生长因子，可促进新生血管形成。当踝关节骨折发生时，可使组织的修复产生代偿反应，引起VEGF升高[13。HIF-1α是一种核心转录因子，主要发挥调节氧稳态的作用。HIF-1α可启动血管生成的过程，在骨的形成及重塑时起到重要作用。同时HIF-1α通路能够使VEGF及其他血管生成因子过量合成、分泌，对血管与骨的生成起到促进作用。本研究显示，观察组术后1天与术后14天的血清VEGF、HIF-1α值都显著高于对照组(P<0.05)，表明3D打印结合关节镜技术微创手术治疗胫骨平台骨折能促进VEGF、HIF-1α的分泌。从机制上分析，3D打印虚拟复位后的仿真胫骨平台模型、导航模板、体外模拟内固定、术前提前预弯置入接骨板可使手术更加精准、安全、完美。结合关节镜技术辅助临床应用于胫骨平台骨折微创治疗，术中关节镜下可直视胫骨平台关节面复位情况并辅助复位，同时可探查半月板、交叉韧带、关节软骨损伤情况并视情况1期或2期修复，避免了漏诊、误诊，实现了胫骨平台骨折的个体化、精准化治疗，有效缩短患者的康复周期，从而有利于促进VEGF、HIF-1α的分泌[14]。手术治疗是处理移位型胫骨平台骨折的首选方法，内、外及后侧切口入路及上述入路的联合入路是目前治疗胫骨平台骨折常用的手术入路。但由于膝关节周围解剖结构复杂，胫骨平台骨折手术治疗难度大，特别是胫骨平台后柱骨折手术显露困难，解剖复位难度更大，临床的治疗效果一直不尽人意。本研究显示，观察组术后3个月与6个月的膝关节优良率分别为91.5%和97.2%，都显著高于对照组的67.6%和71.8%(P<0.05)。从机制上分析，观察组采用术前仿真规划设计结合3D打印个体化导向模块设计，使内固定植入物按照计算机规划路径精确植入预定位置，从而达到预定的手术效果。而基于个体化胫骨平台模型的几何特征对胫骨平台进行曲面建模，以曲面为基准辅以定位杆设计以完成辅助植入导航模板的组配，根据临床实际情况设定不同部位、全系列胫骨平台导航模板，通过3D打印完成对导航模板快速成型制造。并且基于患者个体CT 数据建立个体化胫骨平台骨骼模型，自动化测量相应的胫骨平台位置解剖参数以提取个体胫骨平台的特征数据。通过外科辅助设计系统模块，完成基于个性化解剖数据的内固定植入物参数化建模，达到最佳匹配，最终定型的植入物模型被传输至3D 打印系统接口完成产品的精准制造，减低了手术对患者的生理和心理创伤，提高了患者生活质量[15]。不过由于经费与人力的限制，本研究为小样本的初期疗效与机制分析，将在后续研究中深入探讨。

总之，3D打印结合关节镜技术微创手术治疗胫骨平台骨折能促进VEGF、HIF-1α的分泌，减少手术创伤，降低术后并发症的发生，提高患者的膝关节功能。