3 D打印技術(shù)輔助下行全膝置換術(shù)與傳統(tǒng)全膝置換術(shù)的比較

王增輝，樸成哲*，孫明，周宏宇

3 D打印技術(shù)輔助下行全膝置換術(shù)與傳統(tǒng)全膝置換術(shù)的比較

王增輝1，樸成哲1*，孫明1，周宏宇2

（1.沈陽醫(yī)學院附屬中心醫(yī)院，遼寧 沈陽 110024；2.沈陽醫(yī)學院附屬第二醫(yī)院）

3D打印技術(shù)即三維結(jié)構(gòu)打印技術(shù)，是通過3D打印機，以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，采用分層加工、迭加成形的方式逐層增加材料來生成3D實體。通過3D打印技術(shù)打印個性化截骨組件輔助下行全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)（total knee arthroplasty，TKA）比傳統(tǒng)TKA有以下優(yōu)勢：采用個性化切模、無需髓內(nèi)定位器、術(shù)中假體安放簡便、有效降低術(shù)中出血量和心腦血管栓塞并發(fā)癥的發(fā)生率。3D打印技術(shù)輔助下行TKA可提前模擬手術(shù)并制定最佳手術(shù)方案，以達到術(shù)中精確定位、減少手術(shù)用時、個體化精準治療的目的，這是醫(yī)學未來發(fā)展的趨勢。

3D打印技術(shù)；全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)；數(shù)字模型文件

全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)（total knee arthroplasty，TKA）是目前全世界治療膝關(guān)節(jié)晚期骨性關(guān)節(jié)炎病變最為有效常用的手術(shù)方式，通過行TKA及術(shù)后相關(guān)的功能鍛煉，可使患者恢復膝關(guān)節(jié)的正常行走功能，療效確切［1-4］。每年全世界完成超過100萬例TKA［5］。由于全球人口的老齡化問題和人們對生活質(zhì)量要求的不斷提高，使得關(guān)節(jié)置換手術(shù)的數(shù)量顯著提高，估計到2030年行TKA的患者將增加數(shù)倍［6］。3D打印技術(shù)即三維結(jié)構(gòu)打印技術(shù)，是通過3D打印機，以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，采用分層加工、迭加成形的方式逐層增加材料來生成3D實體［7］。相對于傳統(tǒng)TKA，3D打印技術(shù)輔助下行TKA具有較多優(yōu)勢。統(tǒng)本文對3D打印技術(shù)輔助下行TKA與傳統(tǒng)TKA的比較進行了綜述。

1 傳統(tǒng)T K A簡介

對中晚期骨性關(guān)節(jié)炎及膝關(guān)節(jié)頑固性疼痛的患者通常采用TKA手術(shù)方式治療。隨著對傳統(tǒng)TKA的不斷認識及研究，骨科醫(yī)生發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)TKA存在一些缺陷，如術(shù)后感染、失血、假體松動、假體與周圍軟組織的撞擊等，這些缺陷均可導致植入假體的早期失效或假體使用的時間減短，假體的失效將導致患者面臨再次手術(shù)或多次手術(shù)的結(jié)果，使得治療周期延長及治療費用增高，而且大多數(shù)的結(jié)局是導致患者存在一定的功能障礙，其中患者的失血量是影響患者術(shù)后康復的主要因素之一［8-11］。傳統(tǒng)TKA需安放股骨髓內(nèi)定位桿等定位器械進行定位，這一操作增加了出血量及脂肪栓塞發(fā)生的風險，并且由于反復多次的使用同一截骨組件易造成器械的磨損并增加了以后進行截骨的不精確性［12］。由于股骨解剖標志大多捫及不清，在傳統(tǒng)TKA中股骨髓內(nèi)定位導向器對股骨側(cè)的截骨非常重要，入口的位置對股骨遠端截骨存在著巨大的影響，可在矢狀面上造成5度的偏差，故術(shù)前應仔細閱讀X線片，看是否存在髓腔過寬或股骨弓過大，這些都會導致術(shù)中導向錯誤。股骨髓外定位導向器一般只在當股骨外弓畸形嚴重，骨折后畸形愈合，髓腔狹窄或同側(cè)股骨被其它內(nèi)置物堵塞時才使用，而且不能用它作為主要標志。因此傳統(tǒng)TKA股骨側(cè)還是主要以髓內(nèi)定位導向器為主，并且股骨前后截骨決定著股骨假體的旋轉(zhuǎn)對線以及屈曲間隙的形狀，外旋過大將導致內(nèi)側(cè)屈曲間隙增加，導致膝關(guān)節(jié)屈膝位不穩(wěn)定，股骨假體內(nèi)旋可導致髕骨向外側(cè)傾斜，髕股關(guān)節(jié)不穩(wěn)等問題。通常用內(nèi)外髁連線，前后軸線，股骨后髁及脛骨近端截骨面這幾個軸線來確定股骨假體的旋轉(zhuǎn)對線。脛骨近端的截骨相對簡單一些，截骨角度應與脛骨力線垂直，脛骨后傾截骨角度一般與假體相關(guān)，現(xiàn)大多數(shù)假體的聚乙烯襯墊已包含3度后傾，這種設(shè)計使其能夠獲得更加準確的后傾角度，脛骨截骨時應避免髕韌帶及側(cè)副韌帶的損傷［13-14］。

2 3 D打印個性化截骨組件行T K A與傳統(tǒng)T K A的比較

2.1 3D打印技術(shù) 3D打印技術(shù)已被廣泛地應用于各個領(lǐng)域。由于3D打印技術(shù)可以將計算機中的數(shù)字模型轉(zhuǎn)換為實物的優(yōu)點，目前已被臨床所應用［15-17］，其在醫(yī)療領(lǐng)域中主要用于制造器官、手術(shù)器械、實物模型、人工假體等［18］。

2.2 3D打印個性化截骨組件行TKA與傳統(tǒng)TKA的比較 由于傳統(tǒng)的TKA缺乏客觀標準及更科學化的手術(shù)方案，使術(shù)中準確定位截骨、假體型號選擇及假體的位置安放難以達到個體化，超過65%的早期手術(shù)失敗的主要原因是術(shù)中假體安放位置不佳、下肢力線不準確［19-20］，這些都是臨床醫(yī)生現(xiàn)在迫切想解決的問題。傳統(tǒng)TKA手術(shù)中使用的截骨組件僅適用于四分之三的手術(shù)患者，而其余的四分之一接受手術(shù)的患者理想截骨角度與通用截骨組件角度差異較大，特別是對膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎存在嚴重的內(nèi)翻畸形、外翻畸形及關(guān)節(jié)軟骨完全丟失的患者［21］。傳統(tǒng)TKA由于以上的各種原因均可縮短假體的使用年限，并且傳統(tǒng)TKA的手術(shù)器械多而雜、術(shù)中截骨組件安放復雜費時，進而需要主刀醫(yī)生根據(jù)大量的骨性標志安放截骨組件進行截骨。截骨成功的標準的主要有以下幾個原則：假體大小適合，假體位置能使下肢力線恢復正常，屈曲伸直位均能達到軟組織平衡及很好的髕骨軌跡。如果主刀醫(yī)生對手術(shù)器械的使用不夠嫻熟、對下肢力線判斷不夠精確或者是其他任何的小差錯，都會導致截骨不夠精確、假體早期失效、膝關(guān)節(jié)軟組織不平衡等嚴重問題［12］。在行TKA手術(shù)過程中精準的解剖定位及嫻熟的使用截骨組件是手術(shù)成功的主要因素。3D打印個性化切模輔助行TKA術(shù)中所用的個性化截骨組件，是術(shù)前通過用計算機軟件對患者從髖關(guān)節(jié)到踝關(guān)節(jié)的CT掃描信息進行三維重建數(shù)字模型，再進行測量、切割設(shè)計出最佳截骨組件［22］。在計算機上使用快速成形技術(shù)與圖形擬合技術(shù)來確定截骨角度及假體橫截面的對線，并通過3D打印機打印出截骨組件及1：1的股骨遠端和脛骨近端。在手術(shù)前通過預先打印出的個體化截骨組件對股骨及脛骨進行截骨，并預先選擇最適合患者的膝關(guān)節(jié)假體型號，術(shù)中截骨完全依照術(shù)前在計算機里所設(shè)計的截骨角度進行截骨以恢復下肢正常的力線，而不是傳統(tǒng)手術(shù)截骨組件的通用截骨角度，而且使用3D打印技術(shù)打印出來的個性化截骨組件不需要使用其它的任何導向器，不需要考慮股骨髓內(nèi)導向器入口的偏差對截骨的影響及股骨前后截骨對旋轉(zhuǎn)對線的影響，而且能有效地減少患者的出血量和脂肪栓塞等并發(fā)癥的發(fā)生率。研究表明，行單側(cè)傳統(tǒng)TKA手術(shù)的患者超過50%需要輸血，其術(shù)中出血量大約為100～500 ml，術(shù)后引流量大約為300～800 ml，隱性失血量大約為 500～800 ml［23］，估計總失血量可高達 1 000～1 500 ml［24］。傳統(tǒng) TKA 手術(shù)的多數(shù)患者需要輸血治療，而輸血治療本身又存在著很多的潛在風險［25-28］。自體輸血雖然降低一些風險，但其需要更多的醫(yī)療費用。行傳統(tǒng)TKA手術(shù)股骨截骨時進行股骨髓腔定位時股骨髓腔被打開，在這個過程中可造成松質(zhì)骨及髓內(nèi)血管的損壞，導致股骨髓腔大量滲血，進而導致術(shù)中及術(shù)后失血量增多［29-30］。3D打印技術(shù)是通過術(shù)前在計算機上使用快速成形技術(shù)與圖形擬合技術(shù)確定截骨角度和假體橫截面的對線，從而使下肢力線恢復到最適角度，假體安裝更為合適，膝關(guān)節(jié)假體周圍軟組織更加平衡［7］。個性化截骨模塊的使用使得手術(shù)時間得以縮減和手術(shù)器械消毒費用減少。3D打印技術(shù)是使TKA的假體對線達到準確、創(chuàng)傷更小的新技術(shù)，但其在影像資料和制作截骨組件上需要花費一些費用，并且在與患者交流的時候不能將此技術(shù)稱為“定制的TKA假體”，此種說法曾被用于商業(yè)目的。劉峰等［31］通過研究3D打印個性化切模輔助下行TKA與傳統(tǒng)TKA在手術(shù)時間、術(shù)中失血量、術(shù)后引流總量、術(shù)后3個月膝關(guān)節(jié)HSS評分等指標上進行對比，結(jié)果表明3D打印個性化切模輔助下行TKA在手術(shù)時間、術(shù)中失血量、術(shù)后引流量及術(shù)后3個月膝關(guān)節(jié)HSS評分等方面要明顯優(yōu)于傳統(tǒng)TKA，差異有統(tǒng)計學意義。另外吳東迎等［12］通過對40例初次行單側(cè)TKA的患者研究發(fā)現(xiàn)，應用3D打印截骨組件輔助的TKA手術(shù)比常規(guī)TKA手術(shù)具有手術(shù)時間更短、出血量更少等優(yōu)點。

綜上所述，將3D打印技術(shù)應用于TKA中，是醫(yī)學與現(xiàn)代科學技術(shù)的巧妙結(jié)合。在TKA手術(shù)中應用3D打印技術(shù)打印個體化截骨組件輔助行TKA手術(shù)的技術(shù)已經(jīng)非常成熟了，只需術(shù)前采取患者髖關(guān)節(jié)到踝關(guān)節(jié)CT影像學數(shù)據(jù)，并在計算機上通過使用快速成形技術(shù)與圖形擬合技術(shù)來確定截骨角度及假體橫截面的對線使下肢力線恢復正常。術(shù)前預測術(shù)中使用假體大小、截骨面和截骨的角度，使手術(shù)過程更加簡單化。另一個優(yōu)點是應用3D打印個體化截骨組件輔助下行TKA手術(shù)時無需打開股骨髓腔，將減少股骨髓腔術(shù)中及術(shù)后的出血。通過3D打印技術(shù)打印個體化截骨組件輔助下行TKA手術(shù)具有個體化、精準化、縮短手術(shù)時間、減少創(chuàng)傷等優(yōu)點，手術(shù)技術(shù)的提高將減少術(shù)后并發(fā)癥［32］。

［1］ Mizner RL，Snyder-Mackler L.Altered loading during walking and sit-to-stand is affacted by quadriceps weakness after total knee arthroplasty［J］.J Orthop Res，2005，23 （5）：1083-1090.

［2］ Maffiuletti NA， Bizzini M， Widler K， et al.Asymmetry in quadriceps rate of force development as a functional outcome measure in TKA［J］.Clin Orthop Relat Res，2010，468 （1）：191-198.

［3］ Kim SJ，Bamne A，Song YD，et al.Patients still wish for key improvenments after total knee arthroplasty［J］.Knee Surg Relat Res，2015，27（1）：24-33.

［4］ Daines BK，Dennis DA.Gap balancing vs.Measured reasction technique in total knee arthroplasty ［J］.Clin Orthop Surg，2014，6（1）：1-8.

［5］Kurt SM，Ong KL，Lau E，et al.International survey of primary and revision total knee replacement［J］.Int Orthop，2011，35（12）：1783-1789.

［6］ Kurtz S， Ong K， Lau E， et al.Projections of primary and revision hip and knee arthroplasty in the United States from 2005 to 2030［J］.J Bone Joint Surg Am，2007，89（4）：780-785.

［7］樸成哲.膝關(guān)節(jié)置換中的3D打印技術(shù)［J］.中國組織工程研究，2015，19（48）：7846.

［8］ Kerhoffs GM，Servien E，Dunn W，et al.The influence of obesity on the complication rate and outcome of total knee arthroplasty：a meta-analysis and systematic literature review［J］.J Bone Joint Surg Am，2012，94（20）：1839-1844.

［9］Barnes CL，Scott RD.Popliteus tendon dysfunction following total knee arthroplasty［J］.J Arthroplasty，10（4）：543-545.

［10］ Kazakin A， Nandi S， Bono J.Diagnosis and treatment of intraoperative popliteus tendon impingement［J］.J Knee Surg，2014，27（6）：485-488.

［11］ Tibrewal S， Malagelada F， Jeyaseelan L， et al.Single-stage revision for the infected total knee replacement：results from a single centre［J］.Bone Joint J， 2014，96-B（6）：759-764.

［12］吳東迎，袁鋒，吳繼斌，等.3D打印截骨導板在人工全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中的應用［J］.中華骨科雜志，2015，9（35）：921-926.

［13］Bartel DL，Burstein AH，Santavicca EA，et al.Performance of the tibial component in total knee replacement［J］.J Bone Joint Surg Am， 1982，64（7）：1026-1033.

［14］Brick GW，Scott RD.The patellofemoral conponent of total knee arthroplasty［J］.Clin Orthop Relat Res， 1988（231）：163-178.

［15］Nau T， Checalier Y， Hagemeister N， et al.3D kinematic invitro comparison of posterlateral corner reconstruction techniques in acombined injury model［J］.Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc，2005，13（7）：572-580.

［16］初金澤，楊雪，梅昱，等.3D打印技術(shù)在骨科應用的研究進展［J］.沈陽醫(yī)學院學報，2017，19（2）：182-184.

［17］徐惟，段小翠，丁曉慧，等.3D打印機技術(shù)在醫(yī)學領(lǐng)域的應用［J］.沈陽醫(yī)學院學報，2015，17（3）：174-175，178.

［18］ Inzana JA， Olvera D， Fuller SM， et al.3D Printing of composite calcium phoshate and collagen scaffolds for bone regeneration［J］.Biomaterials，2014，35（13）：4026-4034.

［19］ Sharkey PF，Hozack WJ， Rothman RH，et al.Why are total knee arthroplastics failing today?［J］.Clin Orthop Relat Res，2002（404）：7-13.

［20］ Jerosch J， Peuker E， Philipps B， et al.Interindividual reproducibility in peroperative rotational alignement of femoral components in knee prosthetic surgery using the transepicondular aixs［J］.Knee Surg Sports Traumatol Arthrose， 2002， 10（3）：194-197.

［21］王偉，徐永勝，呂龍.紅外線計算機導航與傳統(tǒng)人工全膝關(guān)節(jié)置換的相關(guān)性研究［J］.內(nèi)蒙古醫(yī)學雜志，2013，45（2）：129-132.

［22］邱冰，張明嬌，康本森，等.個性化手術(shù)導板在全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中的應用［J］.中華骨科雜志，2016，36（3）：143-150.

［23］ Yildiz C，Koca K，KocaK N， et al.Late tourniquet release and drain clamping reduces postoperative blood loss in total knee arthroplast［J］.HSS J，2014，10（1）：2-5.

［24］ Rama KR，Apsingi S，Poovali S，et al.Timing of tourniquet release in knee arthroplasty.Meta-analysis of randomized，controlled trials［J］.J Bone Joint Surg Am， 2007，89 （4）：699-705.

［25］ Perazzo P，Viganò M，De Girolamo L，et al.Blood management and transfusion strategies in 600 patients undergoing total joint arthroplasty： an analysis of preoperative utologous blood transfusion［J］.Blood Transfus，2013， 11（3）：370-376.

［26］Mu?oz M，Slappendel R， Thomas D.Laboratory characteristic and clinical utility of post-operative cell salvage：washed or unwashed blood transfusion ［J］.Blood Transfus， 2011， 9（3）：248-261.

［27］Claassen L，Plaass C，Daniilidis K， et al.Two-stage revision total knee arthroplasty in cases of periprosthetic joint infection：an analysis of 50 Cases［J］.Open Orthop J，2015，9：49-56.

［28］ Koh IJ，Cho WS，Choi NY，et al.Causes，risk factors，and trends in failures after tka in korea over the past 5 years：a multicenter study［J］.Clin Orthop Relat Res， 2014， 472（1）：316-326.

［29］Cankaya D，Ozkurt B，Aydin C，et al.No difference in blood lossbetweenposterior-cruciate-ligament-retainingandposteriorcruciate-ligament-stabilized total knee arthroplasties［J］.Knee Surg Sports Traumatol Arthrose，2014，22（8）：1865-1869.

［30］ Hirotaka M，Kotaro I.Intra-articular injection of tranexamic acid via a drain plus drain-clamping to reduce blood loss in cementless total knee arthroplasty ［J］.J Orthop Surg Res，2012，7：32.

［31］劉峰，張勇，任靜，等.定制3D打印切模輔助膝關(guān)節(jié)置換術(shù)臨床分析［J］.中國實用醫(yī)藥，2014，9（20）：21-22.

［32］ Troudate RT， Cabanela ME， Berry DJ.Anterior iliopsoas impingement after total hip arthroplasty［J］.J Arthroplasty，1995，10（4）：546-554.

Comparison of Conventional and 3D Printing-assisted Total Knee Arthroplasty

WANG Zenghui1， PIAO Chengzhe1*， SUN Ming1， ZHOU Hongyu2
（1 The Central Hospital Affiliated to Shenyang Medical College，Shenyang 110024，China；2.The Second Affiliated Hospital of Shenyang Medical College）

Three-dimensional（3D） printing technology refers to processes used to create a three-dimensional object in which layers of material are formed using digital model data from a 3D model under computer control to create an object.Compared with the conventional total knee arthroplasty（TKA），3D printing-assisted TKA possesses the advantages of personalized block printed from a 3D model， no intramedullary nail locator， simple replacement of prosthetic components， reduced intraoperative blood loss and decreased incidence of cardiovascular and cerebrovascular complications.3D printing-assisted TKA can simulate the operation in advance and develop the best surgical program to achieve accurate positioning during surgery， reduce the operation time， and achieve individualized precision treatment，which is the future of medical development.

3D printing technology； total knee arthroplasty； digital model data

R687.4

A

1008-2344（2017）06-0527-03

10.16753/j.cnki.1008-2344.2017.06.020

樸成哲（1963—），男（朝鮮族），主任醫(yī)師，研究方向：骨關(guān)節(jié)外科.E-mail：25739996@163.com.

2017-03-27

（毛亞萍編輯）