3D打印联合关节镜下机械臂辅助经皮螺钉内固定治疗跟骨骨折

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.3844

中国组织工程研究 ›› 2021, Vol. 25 ›› Issue (18): 2822-2826.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.3844

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3D打印联合关节镜下机械臂辅助经皮螺钉内固定治疗跟骨骨折

刘延子，高武长

淄博市第七人民医院足踝外科，山东省淄博市 255000

收稿日期:2020-07-20 修回日期:2020-07-22 接受日期:2020-08-25 出版日期:2021-06-28 发布日期:2021-01-11
通讯作者: 高武长，主任医师，淄博市第七人民医院足踝外科，山东省淄博市 255000
作者简介:刘延子，男，1990年生，山东省淄博市人，汉族，2020年滨州医学院毕业，硕士，医师，主要从事足踝微创治疗方面的研究。

Three-dimensional printing combined with subtalar arthroscope assisted reduction and internal fixation with percutaneous screw with mechanical arm for calcaneal fractures

Liu Yanzi, Gao Wuchang

Department of Foot and Ankle Surgery, Zibo Seventh People’s Hospital, Zibo 255000, Shandong Province, China

Received:2020-07-20 Revised:2020-07-22 Accepted:2020-08-25 Online:2021-06-28 Published:2021-01-11
Contact: Gao Wuchang, Chief physician, Department of Foot and Ankle Surgery, Zibo Seventh People’s Hospital, Zibo 255000, Shandong Province, China
About author:Liu Yanzi, Master, Physician, Department of Foot and Ankle Surgery, Zibo Seventh People’s Hospital, Zibo 255000, Shandong Province, China

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：
3D打印：是一种成型添加生产技术，本质是“分层制造、逐层叠加”，现已在临床广泛应用。
机械臂系统：由机械臂、光学定位系统、末端器械、主控器械、台车等构成，通过图像采集、图像拟合，通过电脑控制实现精准置钉。

背景：跟骨骨折治疗经历了漫长历史，传统L形入路是临床应用最广泛的手术入路，其暴露充分，但术后并发症较高，如何在减少术后并发症前提下实现跟骨骨折精准内固定是目前医学界研究的方向，3D打印、关节镜及机器人辅助技术为此提供了新的治疗思路。
目的：探讨3D打印联合距下关节镜监视下机械臂辅助经皮螺钉内固定治疗跟骨骨折的临床效果。
方法：纳入62例SandersⅡ，Ⅲ型跟骨骨折患者，随机分为2组，观察组30例行3D打印联合距下关节镜监视下机械臂辅助经皮螺钉内固定治疗，传统组32例行传统L形入路手术。记录并对比两组术前等待时间、手术时间、螺钉置入精准率、术中透视次数、出血量、术后并发症发生率、骨折愈合时间、跟骨宽度、Bohler角、Gissane角等恢复情况，另外进行目测类比评分及Maryland评分。
结果与结论：①观察组术前等待时间、手术时间、术中透视次数、出血量、术后并发症发生率、骨折愈合时间均少于传统组(P < 0.05)；②观察组螺钉置入精准率高于传统组(P < 0.05)；③两组术后目测类比评分及Maryland评分比较，差异无显著性意义(P > 0.05)；④提示3D打印联合距下关节镜监视下机械臂辅助经皮螺钉内固定治疗跟骨骨折切口微创、术前等待时间短、手术时间短、螺钉置入精准、术后并发症低、骨折愈合快，是个性化治疗跟骨骨折疗效可靠的治疗方案。

https://orcid.org/0000-0003-3170-4222 (刘延子)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

关键词: 跟骨骨折, 经皮螺钉, 内固定, 3D打印, 距下关节镜, 机械臂

Abstract: BACKGROUND: The treatment of calcaneal fracture has a long history. Traditional L-shaped approach is the most widely used surgical approach, fully exposed, but with a high postoperative complication rate. How to achieve accurate internal fixation of calcaneal fracture while reducing postoperative complications is the current direction of medical research. Three dimensional (3D) printing, arthroscopy, and robotic-assisted surgery offer new ideas for treatment.
OBJECTIVE: To explore the clinical effect of 3D printing combined with subtalar arthroscope assisted reduction and internal fixation with percutaneous screw assisted by mechanical arm for calcaneal fractures.
METHODS: Totally 62 patients with Sanders II and Sanders III calcaneal fractures were enrolled and divided into two groups. The observation group (n=30) received 3D printing combined with subtalar arthroscope assisted reduction and internal fixation with percutaneous screw assisted by mechanical arm. The traditional group (n=32) received traditional L-shaped approach. Preoperative waiting time, surgical time, accuracy of screw placement, fluoroscopy times, blood loss, incidence of postoperative complications, fracture healing time, calcaneal width, Bohler angle, Gissane angle, visual analogue scale scores, and Maryland scores were recorded and compared between the two groups.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) The preoperative waiting time, surgical time, fluoroscopy times, blood loss, incidence of postoperative complications, and fracture healing time of the observation group were all less than those of the traditional group (P < 0.05). (2) The precision rate of screw placement in the observation group was much higher than that in the traditional group (P < 0.05). (3) Visual analogue scale scores and Maryland scores had no significant difference between the two groups (P > 0.05). (4) It is indicated that 3D printing combined with subtalar arthroscope assisted reduction and internal fixiation with percutaneous screw assisted by mechanical arm for calcaneal fractures is minimally invasive, with short preoperative waiting time, short operation time, accurate screw placement, low postoperative complications and less healing time; it is a reliable treatment for calcaneal fractures.

Key words: calcaneal fracture, percutaneous screw, internal fixation, 3D printing, subtalar arthroscopy, mechanical arm

中图分类号:

刘延子, 高武长. 3D打印联合关节镜下机械臂辅助经皮螺钉内固定治疗跟骨骨折[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(18): 2822-2826.

Liu Yanzi, Gao Wuchang. Three-dimensional printing combined with subtalar arthroscope assisted reduction and internal fixation with percutaneous screw with mechanical arm for calcaneal fractures[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2021, 25(18): 2822-2826.

图/表（结果） 9

2.1 参与者数量分析按意向性处理，纳入跟骨骨折患者62例，随机分为2组，全部进入结果分析，无脱落。
2.2 试验流程图见图1。

2.3 基线资料比较两组患者一般资料比较，差异无显著性意义(P > 0.05)，见表2。

2.4 影像学指标两组术后Bohler角、Gissane角、跟骨宽度等均较术前有明显改善，差异有显著性意义(P < 0.05)，两组之间比较差异无显著性意义，见表3。

2.5 手术指标观察组术前等待时间、手术时间、透视次数、出血量、住院时间、骨折愈合时间均少于传统组，差异有显著性意义(P < 0.05)，见表4。

2.6 载距突螺钉置入精准率观察组载距突螺钉置入精准率高于传统组，差异有显著性意义(P < 0.05)，见表5。

2.7 并发症观察组术后并发症低于传统组，差异有显著性意义(P < 0.05)，见表6。

2.8 目测类比评分及Maryland评分对比随访时间6-17个月。两组患者术后前4 d目测类比评分对比，差异无显著性意义(P > 0.05)，见表7；末次随访两组Maryland评分对比，差异无显著性意义(P > 0.05)，见表8。

2.9 典型病例女性患者，52岁，因“高坠伤致左足疼痛9 h”入院，诊断为左侧跟骨闭合性骨折(Sanders Ⅱa型)。于伤后第3天行3D打印技术联合距下关节镜监视下机械臂辅助经皮螺钉内固定手术。随访14个月余，末次随访患足无疼痛，功能良好，无不良事件发生，见图2。

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引言

材料方法

1.1 设计随机对照试验。
1.2 时间及地点于2019年2月至2020年1月在淄博市第七人民医院足踝外科完成。
1.3 材料
1.3.1 植入物见表1。

1.3.2 仪器设备 ①中国杭州三坛医疗科技有限公司的机械臂设备，由机械臂系统、光学定位系统、末端器械、主控器械、台车等构成，定位精度亚毫米级，型号：SY-002，许可证号：20140149；②3D打印机，型号DDKUN-300；③Stryker公司直径2.7 mm、角度30°关节镜设备，有显示器、刨削器等相应配套器械。型号：1188HD，注册号：国食药监械(进)字2013第2220822号。
1.4 对象
纳入标准：①新鲜单侧跟骨闭合性骨折；②SandersⅡ型及Sanders Ⅲ型跟骨骨折；③17-71岁；④足跟无畸形；⑤随访完善；⑥经医院伦理委员会批准，所有患者均签订随机分组知情同意书及手术知情同意书。
排除标准：①陈旧性跟骨骨折；②开放性跟骨骨折；③双侧跟骨骨折；④存在足踝部畸形等；⑤随访资料不全者。
纳入2019年2月至2020年1月淄博市第七人民医院收治的SandersⅡ及Sanders Ⅲ型跟骨骨折患者62例，按随机数字表法分为2组，观察组30例行3D打印联合距下关节镜监视下机械臂辅助经皮螺钉内固定治疗，传统组32例行传统L形入路手术。两组患者一般资料比较，差异无显著性意义 (P > 0.05)，具有可比性。
1.5 治疗方法
1.5.1 术前准备两组患者入院后行抬高患肢、冰敷、甘露醇消肿等措施，水泡较大者，行穿刺抽液。传统组行患足X射线片检查及CT平扫。观察组行患足X射线片检查及CT薄层平扫，并将Dicom格式数据传入计算机系统，建立患足三维模型，3D打印技术1∶1等比例打印患足模型；进行骨折模拟复位，术中复位依据模拟复位和3D模型进行。三维规划系统模拟置钉，明确螺钉直径、长度、位置等，记录螺钉型号；在体外3D模型上模拟手术，以提高成功率；将合适的螺钉及3D打印模型消毒备用。观察组肿胀明显减轻即可进行手术，无需等到皮肤褶皱试验阳性时；传统组皮肤褶皱实验阳性时进行手术。
1.5.2 手术方法两组患者手术由同一组医生完成。
传统组：采用腰硬联合麻醉或全身麻醉，取健侧卧位，行L型切口，起于外踝与跟腱连线中后1/3处，向下至皮肤红白交界处平滑转向前。采用No-touch技术暴露，撬拨、牵引等方法恢复跟骨外形、Bohler角、Gissane角、内外翻等，C臂机透视下置入钢板，冲洗后缝合刀口。
观察组：采用腰硬联合麻醉或全身麻醉，取健侧卧位，建立关节镜入路，于腓骨尖下方1 cm、前方2 cm行前外侧入路，根据需要辅以后外侧入路(腓骨尖近端0.5 cm紧贴跟腱前缘处)，暴露骨折处，三角操作在关节镜辅助下清理血块、嵌顿软组织等，根据术前模拟复位及3D打印模型进行实际复位操作，从后向前插入斯氏针未过骨折线撬拨复位，在跟骨结节处由外向内穿入一3.5 mm斯氏针牵引复位，在关节镜辅助下插入克氏针或止血钳推顶、撬拨复位后关节面，双手挤压及点状复位钳钳夹恢复其外形、Bohler角、Gissane角和内外翻等。复位满意的标准：骨折台阶或骨折间隙< 1 mm，否则再次复位。摄跟骨侧位及斜位X射线片，输入计算机系统，与术前规划系统的三维模型进行图像拟合，拟合成功后以此控制机械臂进行精准置钉，一般而言，横向要用一两枚空心钉固定外侧骨块到载距突上，轴向要用两三枚空心钉固定，缝合刀口并加压包扎。
1.5.3 术后处理术后根据病情预防性应用抗生素，予以冷敷、止痛、甘露醇消肿等，48 h内去除引流管，行足趾活动及踝关节肌肉泵锻炼，术后前3 d每日换药，2周左右拆线。术后两三个月复查，根据情况明确患者负重时机。
1.6 主要观察指标记录跟骨外形恢复情况，分别记录术前等待时间、手术时间、螺钉置入精准度(主要指螺钉准确置入载距突，无误入关节或损伤血管神经情况的发生)、透视次数、出血量等，并根据查体和影像学检查等明确骨折愈合时间，术后前4 d评估目测类比评分(0分无痛，10分剧痛)；末次随访根据患足疼痛和功能情况行Maryland评分，分为优、良、可、差4个等级，90-100分为优，75-89分为良，50-74分为中，≤50分为差，对比两种治疗方法的优良率。
1.7 统计学分析采用SPSS 25.0软件进行综合分析，计量资料用x±s表示，行独立样本t检验；计数资料对比采用卡方检验，以ɑ < 0.05为检验水准。

讨论

跟骨骨折在临床很常见，受伤暴力较大，移位不明显的跟骨骨折采用保守治疗即可，但对于移位较重或关节内骨折一般采用手术治疗，实现解剖复位，实现早期功能锻炼[14-15]。研究指出，即使关节面位移超过1 mm，都会导致距跟接触面积及应力改变，远期易发生顽固性疼痛及创伤性关节炎[16-18]。治疗跟骨骨折最常用入路是外侧L形入路，该入路可以提供良好的暴露，直视下复位骨折处，是跟骨骨折治疗的金标准；但是该入路创伤大，术后并发症较高，包括切口裂开、切口感染、骨髓炎、内固定物外露等，一直是困扰骨科医生的难题[19]。FOLK等[20]研究表明，180例传统L形入路患者的术后并发症发生率为25%，其中1/4患者需要再次手术才能痊愈。
随着科技发展，尤其是计算机辅助手术、3D打印在临床的应用及机器人(机械臂)手术的发展，很多传统手术变得精准和高效。作者采用3D打印联合距下关节镜监视下机械臂辅助经皮螺钉内固定技术，术前应用计算机三维规划系统规划手术，实现三维建模，把传统二维数据转变为三维模型，更直观、更易理解；术前模拟复位，明确复位顺序及需要固定的关键骨块，可提高实际手术中复位效率和复位质量；利用3D打印技术实现患足及健足镜像模型1∶1等比例打印，直观观察骨折特征，消毒备用；术前虚拟置钉，利用三维规划系统，规划螺钉入钉点、入钉方向等，选取合适螺钉消毒备用；在体外3D模型上模拟手术，提高熟练度。另外，术前谈话利用常规谈话技巧配合3D打印实物向患者讲解，患者体验感、配合度较高，可减少医患沟通不畅的发生。
相对于传统L形入路，距下关节镜技术的运用，使得切口更加微创，对软组织破坏更少，术前等待时间更短，无需等到皮纹征阳性时就可进行手术。在此次研究中，观察组术前等待时间平均为(4.11±1.98) d，远少于传统组(8.43± 2.14) d；且观察组术后并发症更低、骨折愈合更快，减少了术后瘢痕形成及距下关节活动度的丢失；跗骨窦入路容易损伤腓肠神经，关节镜技术只要确定在拇指屈肌腱外侧操作，血管神经损伤概率较小，是相对较安全的。研究表明，载距突在跟骨骨折时较少移位，将骨折块固定到载距突上固定更牢固、远期效果更好[21]。传统外侧L形入路是外侧入路，对于内侧载距突固定具有一定盲目性，螺钉向上误入关节、向下损伤肌腱的情况时有发生。得益于术前三维规划和术中机械臂使用，在此次研究中，载距突螺钉的精准置入率达97%，未出现螺钉误入关节或损伤肌腱等情况，实现了载距突螺钉精准置入。传统手术判断关节面复位质量只能通过正侧位、轴位和Broden位透视，但是由于跟骨后关节面特殊的解剖形态，跟距关节解剖特异性及软组织干扰，甚至是C臂机图片质量问题，使得判断精准度不高[22-23]。而距下关节镜的应用，可以直视下判断复位质量，由于关节镜放大效果使得观察更加精准、可靠，最大限度减少了副损伤，这与俞光荣等[24]的研究结果一致。根据张雁儒[25]的研究发现，关节镜可以去除关节内部游离骨质或游离碎片，早期行功能锻炼，防止术后疼痛及远期功能不良，这与作者的经验是一致的。另外，由于跟骨内侧面特殊解剖形态，在置钉设计及螺钉置入时，不能穿透跟骨内侧，否则有损伤血管神经的风险[26]。此次研究中，应用三维规划及机械臂手术较传统外侧L型入路手术的时间缩短，术中出血量减少，术中透视次数减少，减少了医患辐射暴露。但是对于骨质压缩较重、粉碎较重的部分Sanders Ⅲ型及Sanders Ⅳ 型跟骨骨折，该技术的临床效果有待进一步研究。值得注意的是，该研究中观察组有2例患者术中闭合复位较困难，改为小切口复位，其余患者均采用闭合复位方式顺利完成手术。
综上所述，3D打印联合关节镜监视下机械臂辅助经皮螺钉内固定治疗跟骨骨折特点是微创、术前等待时间短、手术时间短、透视次数少、螺钉置入精准、术后并发症低、患者恢复快，是个性化治疗跟骨骨折疗效可靠的治疗方案。但此次研究病例数量较少、随访时间较短，仍需要大量病例及长期随访的深入研究。
中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

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