3D打印個性化截骨模具在人工全膝關節(jié)置換術中應用

孫保飛，　張敬東，　劉欣偉，　華政哲，　王　宇，　劉　銘，　王　寧，　韓文鋒，　侯明曉

沈陽軍區(qū)總醫(yī)院 骨科 全軍重癥戰(zhàn)創(chuàng)傷救治中心，遼寧 沈陽　110016

?

·3D打印技術·

3D打印個性化截骨模具在人工全膝關節(jié)置換術中應用

孫保飛，張敬東，劉欣偉，華政哲，王宇，劉銘，王寧，韓文鋒，侯明曉

沈陽軍區(qū)總醫(yī)院 骨科 全軍重癥戰(zhàn)創(chuàng)傷救治中心，遼寧 沈陽110016

目的評價3D打印個性化截骨模具在人工全膝關節(jié)置換術(TKA)中的臨床療效。方法收集2014年4月至2016年6月收治的16例(20膝)應用3D打印個性化截骨模具行TKA患者為研究組(3D打印TKA組)，再隨機選取在此期間就診的16例(19膝)應用常規(guī)截骨器械行TKA的患者為對照組(常規(guī)TKA組)。記錄兩組患者術后12 d的美國特種外科醫(yī)院(HSS)膝關節(jié)評分、膝關節(jié)活動度及下肢力線的改善情況，評估術后并發(fā)癥的發(fā)生情況。結(jié)果3D打印TKA組術后12 d膝關節(jié)活動范圍為(104.3°±15.5°)，常規(guī)TKA組為(103.5°±12.5°)，兩組間比較，差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)；3D打印TKA組術后12 d的HSS膝關節(jié)評分為(88.5±5.7)分，常規(guī)TKA組為(89.4±4.8)分，兩組間比較，差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)。3D打印TKA組術后股骨與脛骨機械軸夾角為(2.9°±1.1°)，常規(guī)TKA組為(3.0°±0.9°)，兩組間比較，差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)。兩組患者均未出現(xiàn)術中和術后并發(fā)癥。結(jié)論應用3D打印個性化截骨模具輔助行TKA手術的患者術后12 d膝關節(jié)功能、下肢力線和關節(jié)活動度的改善與常規(guī)行TKA手術的患者無明顯差異。

3D打??；全膝關節(jié)置換術；下肢力線

全膝關節(jié)置換術(total knee arthroplasty，TKA)是目前治療膝關節(jié)疾病較為成功的手術方法之一，TKA手術可以減輕患者膝關節(jié)疼痛、矯正患肢力線、改善膝關節(jié)功能。以下兩方面是評價TKA手術成功與否的重要標準：(1)精確的截骨以恢復滿意的下肢力線；(2)良好的軟組織平衡以獲得滿意的膝關節(jié)活動度及良好的膝關節(jié)穩(wěn)定性[1-3]。針對上述問題，許多學者開始嘗試在TKA術中應用3D打印個性化截骨模具進行截骨，大大提高了截骨的精確程度，對恢復下肢力線及獲得良好的軟組織平衡有很大幫助，進而獲得滿意的膝關節(jié)功能[4]。本研究回顧性分析，比較應用3D打印個性化截骨模具輔助行TKA與常規(guī)TKA手術的臨床療效。現(xiàn)報道如下。

1　資料與方法

1.1一般資料收集2014年4月至2016年6月在沈陽軍區(qū)總醫(yī)院就診并應用3D打印個性化截骨模具行TKA患者16例(20膝)作為研究組(3D打印TKA組)，隨機選取在此期間就診并應用常規(guī)截骨器械行TKA的患者16例(19膝)為對照組(常規(guī)TKA組)。3D打印TKA組中，男性5例，女性11例；年齡57～79歲，平均年齡(66.71±7.59)歲。其中，3例患者Ⅰ期行雙膝TKA，2例患者Ⅱ期行雙膝TKA；所有患者均為初次TKA；術前均無手術禁忌證。常規(guī)TKA組中，男性4例，女性12例；年齡56～78歲，平均年齡(65.89±6.58)歲。其中，2例患者Ⅰ期行雙膝TKA，2例患者Ⅱ期行雙膝TKA；所有患者均為初次TKA；術前均無手術禁忌證。兩組患者年齡及性別比較，差異均無統(tǒng)計學意義(P>0.05)。所有患者在行TKA前均知情同意并簽署手術知情同意書。

1.2手術準備患者入院后常規(guī)行膝關節(jié)正側(cè)位X線影像、髕骨軸位X線影像、站立位雙下肢全長正位X線影像(髖關節(jié)至踝關節(jié))、膝關節(jié)CT等檢查。CT檢查掃描參數(shù)：以膝關節(jié)為中心，從髖關節(jié)至踝關節(jié)，掃描層厚為0.625 mm。將CT掃描數(shù)據(jù)導入計算機，應用計算機CT三維重建軟件將CT數(shù)據(jù)進行三維重建，并測定股骨外旋角、外翻角及脛骨平臺后傾角，據(jù)此預估術中股骨及脛骨所需假體型號，確定術中股骨及脛骨的截骨量及截骨角度。所有患者術前常規(guī)行心電圖、胸X線、心臟彩超、下肢動靜脈血管彩超及血生化、凝血功能、術前免疫等檢查，以排除手術禁忌證。

1.3手術方法

兩組患者手術均由同一醫(yī)師及醫(yī)療小組完成。所有患者均采用膝關節(jié)正中切口髕骨內(nèi)側(cè)入路，均不做髕骨置換。術中所有患者均關節(jié)腔灌注氨甲環(huán)酸3 g以充分止血，防止術后失血過多。

1.3.13D打印TKA組全麻后，患者取仰臥位，患肢縛氣囊止血帶。使用碘伏、酒精進行術區(qū)皮膚消毒，鋪無菌手術單，敷皮膚保護膜。患肢驅(qū)血后，氣囊止血帶充氣，作膝關節(jié)正中切口，長約15 cm，逐層切開皮膚、皮下、淺筋膜，沿髕骨內(nèi)側(cè)緣切開關節(jié)囊，將髕骨向外側(cè)翻開，屈曲膝關節(jié)顯露關節(jié)內(nèi)結(jié)構(gòu)。切除內(nèi)外側(cè)殘留半月板、前后交叉韌帶及關節(jié)邊緣骨贅。刮除股骨髁負重區(qū)軟骨，應用股骨側(cè)3D打印個性化截骨模具作股骨髁截骨，無須打開髓腔進行股骨髓腔定位。屈膝位顯露脛骨平臺，刮除軟骨后應用脛骨側(cè)3D打印個性化截骨模具作脛骨截骨。安裝膝關節(jié)試模，評估并平衡伸膝、屈膝間隙，并適當做軟組織松解。大量生理鹽水脈沖沖洗術區(qū)，于截骨表面及假體內(nèi)側(cè)分別涂抹骨水泥，選擇合適的脛骨基座、脛骨墊片及股骨髁假體，快速安裝各假體，骨水泥固化后清除多余骨水泥，咬除髕骨邊緣骨贅，修整髕骨關節(jié)面，髕周去神經(jīng)處理。再次脈沖沖洗術區(qū)，于關節(jié)腔內(nèi)留置負壓引流管，逐層連續(xù)縫合至皮膚。無菌敷料包扎。術畢。典型病例見圖1。

1.3.2常規(guī)TKA組常規(guī)TKA手術顯露過程與3D打印TKA組相同，術中使用常規(guī)截骨器械進行股骨及脛骨截骨，行股骨側(cè)截骨過程中需打開髓腔。

1.4術后處理兩組患者術后12 h常規(guī)使用利伐沙班10 mg/d抗凝，預防下肢深靜脈血栓形成。預防性使用抗生素至術后48 h。術后48 h拔除引流管。術后48 h，常規(guī)拍攝患膝關節(jié)正側(cè)位X線影像，并鼓勵患者早期下地活動。術后1周拍攝雙下肢站立位力線X線影像。

1.5療效評價記錄兩組患者術前及術后12 d膝關節(jié)活動度及患側(cè)下肢力線角度(股骨與脛骨機械軸的夾角)。采用HSS評分評價膝關節(jié)功能的恢復情況，記錄患者術前及術后12 d的美國特種外科醫(yī)院(hospital for special surgery，HSS)膝關節(jié)評分。下肢力線角度測量方法：髖關節(jié)中點到膝關節(jié)踝關節(jié)中點連線的夾角。

圖1患者女性，62歲，右膝關節(jié)骨性關節(jié)炎，應用3D打印個性化截骨模具行人工全膝關節(jié)置換術(a.術前3D模具設計圖；b.3D個性化截骨模具；c.術中3D打印個性化截骨模具的安裝；d.該患者術前術后X線影像，可見假體角度及位置良好，下肢力線恢復滿意)

2　結(jié)果

2.1一般情況兩組患者手術過程順利，術后觀察至12 d。兩組患者術中、術后均未出現(xiàn)并發(fā)癥。術中、術后均未予輸血治療。常規(guī)于術后48 h拔除引流管。術后12 d視切口愈合情況拆除縫線。

2.2兩組患者術后療效及并發(fā)癥兩組患者術前比較，膝關節(jié)活動度、HSS膝關節(jié)評分及下肢力線角度比較，差異均無統(tǒng)計學意義(P>0.05)。兩組術后12 d比較，膝關節(jié)活動度、HSS膝關節(jié)評分及下肢力線角度比較，差異均無統(tǒng)計學意義(P>0.05)。兩組患者手術前、后組內(nèi)比較，膝關節(jié)活動度、膝HSS評分及下肢力線角度差異有統(tǒng)計學意義(P<0.05)。兩組患者均未出現(xiàn)術中和術后并發(fā)癥。見表1～3。

表1　3D打印TKA組與常規(guī)TKA組膝關節(jié)活動度比較，角度/°)

表2　3D打印TKA組與常規(guī)TKA組手術HSS膝關節(jié)評分比較，評分/分)

表3　3D打印TKA組與常規(guī)TKA組手術前后下肢力線比較，角度/°)

3　討論

TKA是治療多種膝關節(jié)疾病終末期的有效方法。重建下肢力線是TKA最為重要的評價指標之一，然而，下肢力線恢復的關鍵在于術中精確的截骨。臨床上使用的常規(guī)膝關節(jié)手術器械多為以西方人膝關節(jié)解剖特點設計，與國人膝關節(jié)解剖特點有所差異，導致術中截骨精確程度較差，造成術后力線恢復不滿意[5-7]。此外，當患者存在骨骼發(fā)育畸形、骨折畸形愈合及骨折內(nèi)固定術后等情況時，傳統(tǒng)TKA截骨器械進行股骨髓內(nèi)定位時，髓內(nèi)定位桿無法順利插入，或者即使可以順利插入股骨髓腔，其定位的準確性也明顯降低，甚至無參考價值，只能依靠術前X線影像及術者個人經(jīng)驗來決定截骨量的多少，這樣可能導致術后下肢力線恢復不佳。有研究報道，即使在正常解剖的膝關節(jié)進行精確髓內(nèi)定位時，并且由經(jīng)驗豐富的手術醫(yī)師操作，股骨與脛骨對線誤差超過3°的發(fā)生率也至少達到10%[8]，而進行髓內(nèi)定位時，需要打開髓腔插入髓內(nèi)定位桿，會增加脂肪栓塞和感染的風險[9-13]。

生物力學研究表明，股骨和脛骨假體內(nèi)外翻>4°可加速聚乙烯襯墊的磨損速度，縮短膝關節(jié)的使用時間[14]。近年來，興起的3D打印技術廣泛應用于骨科臨床，其中3D打印個性化截骨模具在TKA中的應用前景廣泛。3D打印個性化截骨模具輔助行TKA，通過計算機軟件測量并確定下肢力線，使術中截骨準確性大大提高，對關節(jié)畸形或者股骨發(fā)育異常的患者也具有重要意義。采集患者的CT影像數(shù)據(jù)是3D打印個性化截骨模具的重要環(huán)節(jié)，而關節(jié)軟骨在X線影像和CT影像中并不顯影，任何軟組織都有可能影響3D打印個性化輔助切模定位的準確性。因此，應用基于CT三維重建模型制作的3D打印個性化輔助切模在術中進行股骨和脛骨定位時，必須充分刮除切模與骨性接觸部位的軟組織及軟骨，才能充分發(fā)揮3D打印個性化輔助切模的穩(wěn)定性與定位的精確性[15]。此外，進行截骨時，必須注意將輔助切模與骨性接觸部位固定牢靠，以保證精確的截骨操作。

本研究中，兩組患者術前比較，膝關節(jié)活動度、HSS膝關節(jié)評分及下肢力線角度均無明顯差異。兩組患者術后12 d比較，膝關節(jié)活動度、HSS膝關節(jié)評分及下肢力線角度均無明顯差異。兩組患者手術前、后組內(nèi)比較，膝關節(jié)活動度、HSS膝關節(jié)評分及下肢力線角度差異有統(tǒng)計學意義(P<0.05)，下肢力線恢復較為滿意，說明應用3D打印個性化截骨模具輔助行TKA可以獲得滿意的療效。目前，3D打印個性化輔助切模在TKA中的應用已較為普及。雖然本研究證實，與常規(guī)TKA比較，3D打印個性化輔助切模對改善膝關節(jié)功能和恢復下肢力線無明顯統(tǒng)計學差異，但已有許多研究報道其在TKA中，可縮短手術時間及減少出血量的優(yōu)勢[15]。

本研究仍存在不足之處，其一，納入研究的患者較少，兩組患者均不足20例；其二，本研究隨訪時間較短，應用3D打印個性化輔助切模行TKA的長期療效尚不能肯定。因此，本研究結(jié)果的可靠性還需要大樣本的長期隨訪對照研究來進一步證實。

[1]Matsuda S,Kawahara S,Okazaki K,et al.Postoperative alignmentand ROM affect patient satisfaction after TKA[J].Clin Orthop Relat Res,2013,471(1):127-133.

[2]Liu L,Kaneko H,Kurosawa H,et al.Postoperativemechanicalalignment of the lower limb corresponding to the successful clinicaloutcome after total knee arthroplasty(TKA)[J].Osteoarthritis Cartilage,2015,23(Suppl 2):A409.

[3]Michael B.Consequences ofmalalignmentintotalkneearthroplasty:fewif any-opposes[J].J Arthroplasty,2010,21(2):99-101.

[4]康鵬德,楊靜,沈彬,等.Crowe IV型髖關節(jié)發(fā)育不良全髖關節(jié)置換術前計算機輔助設計[J].中華骨科雜志,2012,32(5):442-446.

[5]Mahfouz M,Abdel Fatah EE,Bowers LS,et al.Three-dimensional morphology of the knee reveals ethnic differences[J].Clin Orthop Relat Res,2012,470(1):172-185.

[6]Yue B,Varadarajan KM,Ai S,et al.Differences of knee anthropometry between Chinese and white men and women[J].J Arthroplasty,2011,26(11):124-130.

[7]Lim HC,Bae JH,Yoon JY,et al.Gender differences of the morphology of the distal femur and proximal tibia in a Korean population[J].Knee,2013,20(1):26-30.

[8]Mahaluxmivala J,Bankes MJ,Nicolai P,et al.The effect of surgeon experience on component positioning in 673 Press Fit Condylar posterior cruciate-sacrificing total knee arthroplasties[J].J Arthroplasty,2001,16(5):635-640.

[9]Zhao J,Zhang J,Ji X,et al.Does intramedullary canal irrigation reduce fat emboli?a randomized clinical trial with transesophagealechocardiography[J].J Arthroplasty,2015,30(3):45l-455.

[10]Silva DN,De Oliveira MG,Meurer E,et al.Dimensional error in selective laser sintering and 3D-printing of models for craniomaxillary anatomy reconstruction[J].J Craniomaxillofac Surg,2008,36(8):443-449.

[11]Lombardi Jr AV,Berend KR,Adams JB,et al.Patient-specific approach in total knee arthroplasty[J].Orthopedics,2008,31(9):926-927.

[12]Jenny JY,Boeri C.Computer-assisted implantation of total knee prostheses:A case-control comparative study with classical instrumentation[J].Comput Aided Surg,2001,6(4):217-220.

[13]Lustig S,Scholes CJ,Oussedik SI,et al.Unsatisfactory accuracy as determined by computer navigation of VISIONAIRE patient-specific instrumentation for total knee arthroplasty[J].J Arthroplasty,2013,28(3):469-473.

[14]Loer I,Plitz W.Tibial malalignment of mobile-bearing prostheses:a simulatorstudy[J].Orthopade,2003,32(4):296-304.

[15]吳東迎,袁峰,吳繼彬,等.3D打印截骨導板在人工全膝關節(jié)置換術中的應用[J].中華骨科雜志,2015,35(9):925-926.

3D printing individualized osteotomy mold in total knee arthroplasty

SUN Bao-fei,ZHANG Jing-dong,LIU Xin-wei,HUA Zheng-zhe,WANG Yu,LIU Ming,WANG Ning,HAN Wen-feng,HOU Ming-xiao

(Department of Orthopedics,The General Hospital of Shenyang Military Command,Shenyang 110016,China)

ObjectiveTo explore the curative effect of 3D printing individualized osteotomy mold in total knee arthroplasty(TKA).MethodsA retrospective study was performed on 16 patients(20 knees)from April 2014 to June 2016.Patients that were treated with TKA using 3D printing individualized osteotomy mold were divided into the experimental group(3D printing TKA group),the other 16 patients(19 knees)that were treated with conventional TKA were randomly divided into the control group(conventional TKA group).The HSS score,range of motion(ROM),lower limb mechanical alignment and incidence of complication 12 days after operation were recorded.ResultsAfter 12 days,the postoperative ROM of knee in the 3D printing TKA group was(104.3°±15.5°)and that in the conventional TKA group was(103.5°±12.5°),there was no significant difference between the two groups(P>0.05).HSS scores in 3D printing TKA group and in conventional TKA group were(88.5±5.7)and(89.4±4.8),respectively,there was no significant difference between the two groups(P>0.05).Mechanical alignment in the 3D printing TKA group was(2.9°±1.1°)and that in conventional TKA group was(3.0°±0.9°),there was no statistical significance(P>0.05).There was no obvious intraoperative and postoperative complication in the two groups.ConclusionThere is no obvious difference between TKA with 3D printing individualized osteotomy mold and conventional TKA in HSS score,mechanical alignment and ROM of knee.

3D printing;Total knee arthroplasty;Lower limb mechanical alignment

遼寧省科學技術計劃項目面上項目(2015020446)

孫保飛(1988-)，男，河北衡水人，醫(yī)師，碩士

韓文鋒，E-mail：hanwenfeng@medmail.com.cn；

侯明曉，E-mail：houmingxiao188@163.com

2095-5561(2016)05-0273-05

R687.4

A

∶10.16048/j.issn.2095-5561.2016.05.05

2016-09-13