引用本文： 石维祥, 罗晓中, 吴刚, 丁勇, 周欣. 3D 打印技术在内外踝尖部撕脱骨折治疗中的应用. 中国修复重建外科杂志, 2018, 32(2): 187-191. doi: 10.7507/1002-1892.201710086 复制
踝关节是人体主要负重关节之一，胫骨下关节面及内、外踝关节面共同组成“冂”形关节窝，容纳距骨滑车，由于滑车关节面前宽后窄，跖屈时踝关节极易发生扭伤，常导致踝部骨折。由于踝部骨折累及关节，若不及时治疗会导致行走时疼痛，甚至发生严重功能障碍。解剖复位、坚强有效的内固定和早期功能锻炼是治疗成功的关键[1-3]。对于内、外踝撕脱骨折，常为粉碎性或骨折块较小，临床常用的各种螺钉、克氏针张力带、带线锚钉、缝线以及钢板等难以牢固固定骨折[4-10]。因此临床常采用单纯石膏固定，但固定时间过长、术后不能早期功能锻炼，易发生骨折不愈合、行走时疼痛、关节功能障碍等并发症[11-15]。近年来，3D 打印技术已成功应用于临床骨科疾病治疗。3D 打印技术能为术前材料准备、准确规划手术入路及术中确定内固定物的有效位置提供依据[16-19]。2015 年 1 月—2017 年 1 月，我们采用塑形阻挡钢板内固定术治疗 20 例内、外踝尖部撕脱骨折患者，术前均采用 3D 打印骨折模型指导钢板塑形（A 组），并与同期采用传统石膏外固定治疗的 18 例患者（B 组）进行比较，分析 3D 打印技术用于此类骨折治疗的优势。报告如下。
1 临床资料
1.1 一般资料
A 组：男 9 例，女 11 例；年龄 36～62 岁，平均 47.5 岁。致伤原因：交通事故伤 8 例，跌伤 8 例，高处坠落伤 4 例。受伤至手术时间 42～92 h，平均 74.5 h。左侧 11 例，右侧 9 例。按照 Lauge-Hansen 分型：旋后内收型 12 例、旋后外旋型 3 例、旋前外旋型 4 例、旋前外展型 1 例。其中内踝撕脱骨折 7 例，外踝撕脱骨折 13 例。
B 组：男 8 例，女 10 例；年龄 32～62 岁，平均 47.5 岁。致伤原因：交通事故伤 5 例，跌伤 6 例，高处坠落伤 7 例。受伤至手术时间 48～106 h，平均 82.5 h。左侧 9 例，右侧 9 例。按照 Lauge-Hansen 分型：旋后内收型 10 例、旋后外旋型 3 例、旋前外旋型 3 例、旋前外展型分型 1 例。其中内踝撕脱骨折 6 例，外踝撕脱骨折 12 例。
两组患者性别、年龄、致伤原因、受伤至手术时间、侧别及骨折类型等一般资料比较，差异均无统计学意义（P>0.05），具有可比性。
1.2 治疗方法
A 组：① 术前 3D 打印骨折模型并制备钢板：患者踝关节均行 CT 扫描并三维重建，将原始数据以 DICOM 格式导入 Minics19.0 软件（Matalize 公司，瑞士），选取骨阈值分割踝关节模板，再运用多层编辑模板和区域增长功能重建踝关节骨折三维模型，将模型以 STL 格式输出。采用光敏树脂材料打印骨折实体模型，于实体模型上制备塑形阻挡钢板，并设计手术切口、确定钢板及螺钉植入位置及方向。塑形阻挡钢板为网孔型，厚度为 0.8 mm，网孔直径 1.5 mm，两尖部也有网孔。
② 手术方法：全麻下患者取仰卧位，以踝关节尖部骨折端为中心作纵切口，长 3～5 cm。逐层切开，探查骨折断端，清理血肿，保持踝关节内翻或外翻位，预复位撕脱骨折块，复位成功后在骨折块下方参照钢板尖部位置，在撕脱骨折块附着的三角韧带或外侧副韧带上作两个纵形小切口，将塑形阻挡钢板尖部插入切口，使撕脱骨折块紧贴断端并被钢板牢固包裹，固定钢板螺钉及尖部螺钉。如骨折块较大，尖部螺钉可直接固定于其上；如骨折块较小，尖部螺钉固定在其周围正常骨上，起到包裹阻挡作用，使钢板与骨组成稳定的立体框架结构，并将骨折块远端的副韧带缝合固定于塑形阻挡钢板网孔上。对于与骨块不相连的撕脱韧带，同样用缝线缝合修复并固定于塑形阻挡钢板网孔上并与骨相连，达到双重固定。C 臂 X 线机透视明确骨折对位对线好、螺钉位置佳，被动活动内、外踝尖部骨折无移位后，冲洗切口，逐层缝合关闭切口，纱布棉垫加压包扎。术后即可行踝关节肌肉收缩活动，2 周后行踝关节主动功能锻炼。术后每月复查踝关节正侧位 X 线片，根据骨折愈合情况指导患者功能锻炼。
B 组：采用石膏托将踝关节固定于功能位 4～6 周，每月复查踝关节正侧位 X 线片，并根据复查情况决定拆除石膏及开始负重的时间；石膏拆除后开始踝关节主动功能锻炼。
1.3 疗效评价指标
记录两组患者骨折愈合率以及骨折愈合时间、术后开始踝关节功能锻炼时间、术后踝关节残留疼痛情况，采用美国矫形足踝协会（AOFAS）评分评价踝关节功能恢复情况。
1.4 统计学方法
采用 SPSS19.0 统计软件进行分析。计量资料以均数±标准差表示，组间比较采用独立样本 t 检验；计数资料以率表示，组间比较采用 χ2 检验；检验水准 α=0.05。
2 结果
患者均获随访，随访时间 8～24 个月，平均 15.5 个月。A 组术后切口均Ⅰ期愈合，无切口感染、内固定松动、内固定断裂、关节僵硬等并发症发生；开始踝关节功能锻炼时间为（14±3）d；骨折均愈合，无骨折不愈合及延迟愈合发生，愈合率为 100%，骨折愈合时间为（10.15±2.00）周。随访期间均未出现踝关节残留疼痛及功能障碍。术后 6 个月踝关节 AOFAS 评分为（90.35±4.65）分，获优 13 例、良 7 例。术后 18 例取出内固定物，随访期间均无再骨折发生。见图 1。
B 组：开始踝关节功能锻炼时间为（40±10）d； 1 例骨折未愈合，患者拒绝进一步治疗；骨折愈合率为 94.44%，骨折愈合时间为（13.83±7.49）周；随访期间 3 例 （16.67%）患者存在不同程度踝关节残留疼痛。术后 6 个月踝关节 AOFAS 评分为（79.28±34.28）分，获良 15 例、中 2 例、差 1 例。
两组患者术后骨折愈合率、骨折愈合时间、开始踝关节功能锻炼时间以及 AOFAS 评分比较，差异均有统计学意义（χ2=4.976，P=0.026；t=–2.118，P=0.041；t=–20.551，P=0.000；t=4.252，P=0.000）。
图1
患者，男，44 岁，右侧外踝尖部撕脱骨折
a. 术前正侧位 X 线片；b. 术前 CT；c. 3D 打印骨折模型及塑形阻挡钢板；d．术后第 1 天正侧位 X 线片；e. 术后 3 个月正侧位 X 线片；f. 术后 5 个月取出内固定物后正侧位 X 线片；g. 术后 5 个月踝关节功能位
Figure1. A 44-year-old male patient with right external ankle distal avulsed fracturea. Preoperative anteroposterior and lateral X-ray films; b. Preoperative CT; c. 3D printing fracture model and the shape-blocking steel plate; d. Anteroposterior and lateral X-ray films at 1 day after operation; e. Anteroposterior and lateral X-ray films at 3 months after operation; f. Anteroposterior and lateral X-ray films at 5 months after operation (after internal fixator removal); g. Functional images of ankle at 5 months after operation
3 讨论
随着临床诊断技术的不断进步，内、外踝尖部撕脱骨折临床确诊病例呈逐年上升趋势[20-23]。但国内外对此类骨折治疗的报道较少，为此我们进行了回顾性比较研究，以期为临床治疗方法选择提供参考。研究结果显示，塑形阻挡钢板内固定治疗后患者骨折愈合率、骨折愈合时间以及踝关节 AOFAS 评分均优于传统石膏外固定治疗。我们分析可能与以下因素有关：① 术前采用 3D 打印骨折模型指导钢板塑形，可准确定位钢板及螺钉安放位置，使骨折固定更牢靠；塑形阻挡钢板的两尖部可“包裹阻挡”撕脱骨折块，并用螺钉固定，骨折块远端副韧带缝合于网孔上，达到双重固定。术后患者无需外固定，可早期功能锻炼，根据骨折愈合情况适时进行部分负重至完全负重功能锻炼，避免了关节僵硬的发生。术后均未出现内固定物松动、断裂，表明塑形阻挡钢板固定内、外踝尖部撕脱骨折牢靠、有效，能满足踝关节主动伸、屈等活动的应力要求。② 3D 打印技术指导下个性化操作，减少了皮肤软组织创伤以及对骨折周围组织血循环的破坏，减少了周围软组织粘连，有利于功能康复[24-31]。此外，A 组患者术后均未发生切口感染、皮肤坏死，考虑原因为：① 塑形阻挡钢板厚度为 0.8 mm，易塑形，贴附好，避免了皮肤软组织受压；② 塑形阻挡钢板为钛合金材料，组织相容性好。
通过本组治疗，我们对 3D 打印技术用于内、外踝尖部撕脱骨折治疗有以下体会。 ① 术前患者均需行 CT 三维重建，获取原数据并在软件中重建骨折三维模型，然后 3D 打印骨折实体模型，设计个性化塑形阻挡钢板及精准规划手术切口及钢板、螺钉安放位置；② 术中骨折复位成功后，在骨折块下方参照钢板尖部位置，在撕脱骨折块附着的三角韧带或外侧副韧带上作两个纵形小切口，保持韧带松弛位插入两尖部，再固定钢板螺钉。应注意检查骨折块周围是否有与其不相连的韧带撕脱，若有则需重建韧带并缝合固定于阻挡钢板的网孔上并与骨相连，进而达到双重固定效果；③ 若撕脱骨折块较大时，复位骨折块后可在钢板的尖部网孔处直接植入 1～2 枚螺钉，进一步加强骨折固定的牢靠性；若撕脱骨折块较小或粉碎，则将尖部网孔处螺钉固定在周围正常骨上，以起到包裹阻挡作用。
综上述，3D 打印技术用于治疗内、外踝尖部撕脱性骨折，具有简化手术操作、提高手术安全性、固定牢靠等优势，尤其适用于骨折块较小或粉碎性撕脱骨折。但是本研究仅与传统石膏外固定治疗进行了比较，且样本量相对较少，因此仍需大样本临床试验以及与其他内固定方式进行比较，以进一步明确疗效。此外，塑形阻挡钢板仅适用于内、外踝撕脱骨折，而且塑形阻挡钢板尖部由于受力原因相对较宽。下一步我们将对 CT 三维数据及标本解剖数据进行深入研究，着力于研发一种可根据不同骨骼解剖特点塑形，并能适用于不同部位撕脱骨折，尤其适用于骨折块较小或粉碎性骨折的新型内固定器械。
踝关节是人体主要负重关节之一，胫骨下关节面及内、外踝关节面共同组成“冂”形关节窝，容纳距骨滑车，由于滑车关节面前宽后窄，跖屈时踝关节极易发生扭伤，常导致踝部骨折。由于踝部骨折累及关节，若不及时治疗会导致行走时疼痛，甚至发生严重功能障碍。解剖复位、坚强有效的内固定和早期功能锻炼是治疗成功的关键[1-3]。对于内、外踝撕脱骨折，常为粉碎性或骨折块较小，临床常用的各种螺钉、克氏针张力带、带线锚钉、缝线以及钢板等难以牢固固定骨折[4-10]。因此临床常采用单纯石膏固定，但固定时间过长、术后不能早期功能锻炼，易发生骨折不愈合、行走时疼痛、关节功能障碍等并发症[11-15]。近年来，3D 打印技术已成功应用于临床骨科疾病治疗。3D 打印技术能为术前材料准备、准确规划手术入路及术中确定内固定物的有效位置提供依据[16-19]。2015 年 1 月—2017 年 1 月，我们采用塑形阻挡钢板内固定术治疗 20 例内、外踝尖部撕脱骨折患者，术前均采用 3D 打印骨折模型指导钢板塑形（A 组），并与同期采用传统石膏外固定治疗的 18 例患者（B 组）进行比较，分析 3D 打印技术用于此类骨折治疗的优势。报告如下。
1 临床资料
1.1 一般资料
A 组：男 9 例，女 11 例；年龄 36～62 岁，平均 47.5 岁。致伤原因：交通事故伤 8 例，跌伤 8 例，高处坠落伤 4 例。受伤至手术时间 42～92 h，平均 74.5 h。左侧 11 例，右侧 9 例。按照 Lauge-Hansen 分型：旋后内收型 12 例、旋后外旋型 3 例、旋前外旋型 4 例、旋前外展型 1 例。其中内踝撕脱骨折 7 例，外踝撕脱骨折 13 例。
B 组：男 8 例，女 10 例；年龄 32～62 岁，平均 47.5 岁。致伤原因：交通事故伤 5 例，跌伤 6 例，高处坠落伤 7 例。受伤至手术时间 48～106 h，平均 82.5 h。左侧 9 例，右侧 9 例。按照 Lauge-Hansen 分型：旋后内收型 10 例、旋后外旋型 3 例、旋前外旋型 3 例、旋前外展型分型 1 例。其中内踝撕脱骨折 6 例，外踝撕脱骨折 12 例。
两组患者性别、年龄、致伤原因、受伤至手术时间、侧别及骨折类型等一般资料比较，差异均无统计学意义（P>0.05），具有可比性。
1.2 治疗方法
A 组：① 术前 3D 打印骨折模型并制备钢板：患者踝关节均行 CT 扫描并三维重建，将原始数据以 DICOM 格式导入 Minics19.0 软件（Matalize 公司，瑞士），选取骨阈值分割踝关节模板，再运用多层编辑模板和区域增长功能重建踝关节骨折三维模型，将模型以 STL 格式输出。采用光敏树脂材料打印骨折实体模型，于实体模型上制备塑形阻挡钢板，并设计手术切口、确定钢板及螺钉植入位置及方向。塑形阻挡钢板为网孔型，厚度为 0.8 mm，网孔直径 1.5 mm，两尖部也有网孔。
② 手术方法：全麻下患者取仰卧位，以踝关节尖部骨折端为中心作纵切口，长 3～5 cm。逐层切开，探查骨折断端，清理血肿，保持踝关节内翻或外翻位，预复位撕脱骨折块，复位成功后在骨折块下方参照钢板尖部位置，在撕脱骨折块附着的三角韧带或外侧副韧带上作两个纵形小切口，将塑形阻挡钢板尖部插入切口，使撕脱骨折块紧贴断端并被钢板牢固包裹，固定钢板螺钉及尖部螺钉。如骨折块较大，尖部螺钉可直接固定于其上；如骨折块较小，尖部螺钉固定在其周围正常骨上，起到包裹阻挡作用，使钢板与骨组成稳定的立体框架结构，并将骨折块远端的副韧带缝合固定于塑形阻挡钢板网孔上。对于与骨块不相连的撕脱韧带，同样用缝线缝合修复并固定于塑形阻挡钢板网孔上并与骨相连，达到双重固定。C 臂 X 线机透视明确骨折对位对线好、螺钉位置佳，被动活动内、外踝尖部骨折无移位后，冲洗切口，逐层缝合关闭切口，纱布棉垫加压包扎。术后即可行踝关节肌肉收缩活动，2 周后行踝关节主动功能锻炼。术后每月复查踝关节正侧位 X 线片，根据骨折愈合情况指导患者功能锻炼。
B 组：采用石膏托将踝关节固定于功能位 4～6 周，每月复查踝关节正侧位 X 线片，并根据复查情况决定拆除石膏及开始负重的时间；石膏拆除后开始踝关节主动功能锻炼。
1.3 疗效评价指标
记录两组患者骨折愈合率以及骨折愈合时间、术后开始踝关节功能锻炼时间、术后踝关节残留疼痛情况，采用美国矫形足踝协会（AOFAS）评分评价踝关节功能恢复情况。
1.4 统计学方法
采用 SPSS19.0 统计软件进行分析。计量资料以均数±标准差表示，组间比较采用独立样本 t 检验；计数资料以率表示，组间比较采用 χ2 检验；检验水准 α=0.05。
2 结果
患者均获随访，随访时间 8～24 个月，平均 15.5 个月。A 组术后切口均Ⅰ期愈合，无切口感染、内固定松动、内固定断裂、关节僵硬等并发症发生；开始踝关节功能锻炼时间为（14±3）d；骨折均愈合，无骨折不愈合及延迟愈合发生，愈合率为 100%，骨折愈合时间为（10.15±2.00）周。随访期间均未出现踝关节残留疼痛及功能障碍。术后 6 个月踝关节 AOFAS 评分为（90.35±4.65）分，获优 13 例、良 7 例。术后 18 例取出内固定物，随访期间均无再骨折发生。见图 1。
B 组：开始踝关节功能锻炼时间为（40±10）d； 1 例骨折未愈合，患者拒绝进一步治疗；骨折愈合率为 94.44%，骨折愈合时间为（13.83±7.49）周；随访期间 3 例 （16.67%）患者存在不同程度踝关节残留疼痛。术后 6 个月踝关节 AOFAS 评分为（79.28±34.28）分，获良 15 例、中 2 例、差 1 例。
两组患者术后骨折愈合率、骨折愈合时间、开始踝关节功能锻炼时间以及 AOFAS 评分比较，差异均有统计学意义（χ2=4.976，P=0.026；t=–2.118，P=0.041；t=–20.551，P=0.000；t=4.252，P=0.000）。
图1
患者，男，44 岁，右侧外踝尖部撕脱骨折
a. 术前正侧位 X 线片；b. 术前 CT；c. 3D 打印骨折模型及塑形阻挡钢板；d．术后第 1 天正侧位 X 线片；e. 术后 3 个月正侧位 X 线片；f. 术后 5 个月取出内固定物后正侧位 X 线片；g. 术后 5 个月踝关节功能位
Figure1. A 44-year-old male patient with right external ankle distal avulsed fracturea. Preoperative anteroposterior and lateral X-ray films; b. Preoperative CT; c. 3D printing fracture model and the shape-blocking steel plate; d. Anteroposterior and lateral X-ray films at 1 day after operation; e. Anteroposterior and lateral X-ray films at 3 months after operation; f. Anteroposterior and lateral X-ray films at 5 months after operation (after internal fixator removal); g. Functional images of ankle at 5 months after operation
3 讨论
随着临床诊断技术的不断进步，内、外踝尖部撕脱骨折临床确诊病例呈逐年上升趋势[20-23]。但国内外对此类骨折治疗的报道较少，为此我们进行了回顾性比较研究，以期为临床治疗方法选择提供参考。研究结果显示，塑形阻挡钢板内固定治疗后患者骨折愈合率、骨折愈合时间以及踝关节 AOFAS 评分均优于传统石膏外固定治疗。我们分析可能与以下因素有关：① 术前采用 3D 打印骨折模型指导钢板塑形，可准确定位钢板及螺钉安放位置，使骨折固定更牢靠；塑形阻挡钢板的两尖部可“包裹阻挡”撕脱骨折块，并用螺钉固定，骨折块远端副韧带缝合于网孔上，达到双重固定。术后患者无需外固定，可早期功能锻炼，根据骨折愈合情况适时进行部分负重至完全负重功能锻炼，避免了关节僵硬的发生。术后均未出现内固定物松动、断裂，表明塑形阻挡钢板固定内、外踝尖部撕脱骨折牢靠、有效，能满足踝关节主动伸、屈等活动的应力要求。② 3D 打印技术指导下个性化操作，减少了皮肤软组织创伤以及对骨折周围组织血循环的破坏，减少了周围软组织粘连，有利于功能康复[24-31]。此外，A 组患者术后均未发生切口感染、皮肤坏死，考虑原因为：① 塑形阻挡钢板厚度为 0.8 mm，易塑形，贴附好，避免了皮肤软组织受压；② 塑形阻挡钢板为钛合金材料，组织相容性好。
通过本组治疗，我们对 3D 打印技术用于内、外踝尖部撕脱骨折治疗有以下体会。 ① 术前患者均需行 CT 三维重建，获取原数据并在软件中重建骨折三维模型，然后 3D 打印骨折实体模型，设计个性化塑形阻挡钢板及精准规划手术切口及钢板、螺钉安放位置；② 术中骨折复位成功后，在骨折块下方参照钢板尖部位置，在撕脱骨折块附着的三角韧带或外侧副韧带上作两个纵形小切口，保持韧带松弛位插入两尖部，再固定钢板螺钉。应注意检查骨折块周围是否有与其不相连的韧带撕脱，若有则需重建韧带并缝合固定于阻挡钢板的网孔上并与骨相连，进而达到双重固定效果；③ 若撕脱骨折块较大时，复位骨折块后可在钢板的尖部网孔处直接植入 1～2 枚螺钉，进一步加强骨折固定的牢靠性；若撕脱骨折块较小或粉碎，则将尖部网孔处螺钉固定在周围正常骨上，以起到包裹阻挡作用。
综上述，3D 打印技术用于治疗内、外踝尖部撕脱性骨折，具有简化手术操作、提高手术安全性、固定牢靠等优势，尤其适用于骨折块较小或粉碎性撕脱骨折。但是本研究仅与传统石膏外固定治疗进行了比较，且样本量相对较少，因此仍需大样本临床试验以及与其他内固定方式进行比较，以进一步明确疗效。此外，塑形阻挡钢板仅适用于内、外踝撕脱骨折，而且塑形阻挡钢板尖部由于受力原因相对较宽。下一步我们将对 CT 三维数据及标本解剖数据进行深入研究，着力于研发一种可根据不同骨骼解剖特点塑形，并能适用于不同部位撕脱骨折，尤其适用于骨折块较小或粉碎性骨折的新型内固定器械。
