3D打印個性化截骨導(dǎo)板在全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中的研究進展

余浪波綜述，彭笳宸審校

0 引 言

3D打印技術(shù)起源于20世紀80年代，隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，該技術(shù)開始應(yīng)用于臨床并在骨科得以廣泛應(yīng)用，目前，3D打印技術(shù)在骨科的應(yīng)用主要包括[1]：①能夠相對準確反映四肢骨折的實際損傷情況。②降低椎弓根螺釘?shù)拇┛茁?，減小插入角度的誤差。③幫助醫(yī)師在骨腫瘤切除手術(shù)中制定最佳手術(shù)方案。④打印出組織工程支架，促進軟骨及骨缺損修復(fù)。⑤為髖關(guān)節(jié)置換術(shù)提供新的手術(shù)方案。⑥制作個性化截骨導(dǎo)板(personalized osteotomy guide, PSI)及模型。其中，通過制作精確的膝關(guān)節(jié)模型，應(yīng)用于術(shù)前評估、手術(shù)設(shè)計演練、教學(xué)演示以及醫(yī)患溝通等；利用3D打印的PSI進行術(shù)中截骨，輔助全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)(total knee arthroplasty，TKA)的完成。其中，PSI股骨截骨模塊用于確定股骨外翻角度，截骨水平，力線對準，旋轉(zhuǎn)和股骨假體的尺寸，而患者PSI脛骨截骨模塊則用于確定脛骨力線對準，截骨水平以及脛骨傾斜度和旋轉(zhuǎn)度[2]。其中，3D打印PSI則在TKA中應(yīng)用廣泛并取得較好效果。TKA術(shù)的成功與否取決于膝關(guān)節(jié)的定位、間隙以及軟組織平衡，而三者均依賴于安放假體的正確位置，應(yīng)用3D打印PSI可通過術(shù)前設(shè)計和演練考慮到任何輕微的畸形或骨贅，并可事先確定假體大小、位置和旋轉(zhuǎn)[3-5]，從而有利于調(diào)整下肢力線，使其接近于中立位力線，又使假體位置安放更加精準；在3D打印PSI輔助下對股骨遠端和脛骨近端截骨可以獲得精確的截骨量，與傳統(tǒng)手術(shù)、計算機導(dǎo)航下手術(shù)相比，具有更好的手術(shù)效果和精確性[6-8]。本文主要就3D打印PSI在TKA中的研究進展作一綜述。

1 3D打印PSI歷史由來

2006年，OtisMed公司在美國開發(fā)了3D打印的PSI，第一次將3D打印的PSI臨床應(yīng)用到TKA手術(shù)中。此后3年，美國約有23000個TKA手術(shù)中均使用了3D打印PSI。然而，2009年美國食品和藥物管理局(FDA)要求停止該產(chǎn)品的使用，是因為需要對現(xiàn)有軟件程序進行修改。2010年，美國Stryker公司收購了OtisMed公司，在對軟件程序進行更新以及升級3D打印設(shè)備后，F(xiàn)DA對該產(chǎn)品予以批準，并于2012年推出最新的3D打印的PSI產(chǎn)品[9],并取得了廣泛應(yīng)用。國內(nèi)學(xué)者于2014年將3D打印PSI應(yīng)用于臨床TKA術(shù)。我國食品藥品監(jiān)督管理總局(CFDA)分別于2015、2016年批準了3D打印人工髖關(guān)節(jié)假體和3D打印人工椎體的使用。盡管3D打印技術(shù)在全球的應(yīng)用逐步擴大，但對3D打印膝關(guān)節(jié)假體植入的臨床應(yīng)用還在進一步研究中[10-11]。因此，本文主要探討3D打印PSI在TKA術(shù)中的應(yīng)用進展。

2 3D打印PSI在TKA的應(yīng)用步驟

首先，患者進行膝關(guān)節(jié)的CT或MRI檢查，通過MRI或CT相關(guān)影像學(xué)資料，創(chuàng)建計算機輔助設(shè)計(computer aided design，CAD)，并進一步轉(zhuǎn)換為醫(yī)學(xué)數(shù)字成像和通信。通過在CAD上設(shè)計組件，設(shè)計轉(zhuǎn)換為STL文件，通過專業(yè)人員進行導(dǎo)板個性化設(shè)計與制作，最終交付給3D打印機打印出3D打印PSI和關(guān)節(jié)模型。其次，運用3D打印技術(shù)復(fù)制患者的膝關(guān)節(jié)模型，還原骨質(zhì)破壞及軟骨的磨損程度，有利于術(shù)者進行手術(shù)預(yù)演和設(shè)計，并減少手術(shù)意外并降低復(fù)雜膝關(guān)節(jié)置換的手術(shù)難度。最后，對進行消毒等術(shù)前準備工作，利用3D打印的PSI輔助術(shù)中截骨[12]。其中，利用3D打印PSI進行的髓外定位截骨方式是根據(jù)機械軸垂直方向來進行截骨，與傳統(tǒng)手術(shù)相比，可克服因解剖軸與機械軸的差異所致的準確性有限的問題。具體步驟如下：①常規(guī)入路顯露關(guān)節(jié)，但保留股骨髁及脛骨平臺邊緣骨贅;②與PSI 接觸的骨面需充分暴露，去除半月板等殘余結(jié)構(gòu);采用專用工具刮除與截骨導(dǎo)板接觸的平臺和股骨髁面軟骨;③將3D打印的PSI與骨面緊密貼合，然后以固定釘固定，確認截骨角度與厚度與術(shù)前計劃一致后，完成股骨遠端和脛骨近端的截骨；④利用股骨髁前后軸線和通髁線確定股骨外旋，常規(guī)完成股骨前后髁截骨;⑤使用間隙測量器測量屈伸間隙，屈曲位內(nèi)外側(cè)平衡;⑥松解內(nèi)側(cè)副韌帶淺層后半部分至伸直位平衡;⑦使用事先預(yù)測好大小的假體完成安裝[13]。

3 3D打印PSI在TKA中的臨床應(yīng)用

3.1 應(yīng)用效果膝關(guān)節(jié)下肢力線的恢復(fù)和假體安放的位置是TKA成功的關(guān)鍵因素[14]。而傳統(tǒng)TKA，術(shù)前僅根據(jù)膝關(guān)節(jié)X線或CT判斷下肢力線的偏移、股骨外翻角、股骨外旋角等角度進行手術(shù)預(yù)測，且膝關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)也會影響角度判斷，可能會導(dǎo)致手術(shù)誤差。同時，股骨力學(xué)軸線和解剖軸線不一致，傳統(tǒng)上大部分截骨定位是通過保持股骨外翻角固定來實現(xiàn)的，所以當股骨側(cè)弓或畸形時可能會導(dǎo)致相應(yīng)的誤差；常規(guī)手術(shù)髓內(nèi)或髓外定位器械手術(shù)方法標準單一，無法滿足個體化的需求。據(jù)統(tǒng)計，即使是經(jīng)驗豐富的關(guān)節(jié)外科醫(yī)師，其實施的TKA術(shù)下肢力線偏離中立位平均值超過3°的幾率也高達20%[15-16]。在Iorio等[17]研究中，通過對TKA術(shù)后的患者進行5年的隨訪得出，所有患者的結(jié)果測量數(shù)據(jù)之間無顯著差異，五年生存率為93%～97%。Ikram等[18]利用3D打印技術(shù)進行TKA術(shù)，通過術(shù)前預(yù)測截骨量與術(shù)中實際截骨量的比較，顯示90%的截骨誤差<1 mm，且所有TKA術(shù)后無并發(fā)癥發(fā)生，無1例發(fā)生感染；陳國仙等[19]對比PSI輔助TKA術(shù)前設(shè)計的截骨厚度與術(shù)中實際的截骨厚度，其測量值差異均無統(tǒng)計學(xué)意義。對于股骨彎曲畸形嚴重的患者，傳統(tǒng)手術(shù)常由于定位導(dǎo)向器難以插入股骨髓腔而增加手術(shù)難度，在3D打印的PSI未應(yīng)用于臨床之前常有如下三種方案：TKA術(shù)同期行關(guān)節(jié)外截骨矯形；先實施關(guān)節(jié)外畸形矯正，再行TKA術(shù)；TKA術(shù)中關(guān)節(jié)內(nèi)截骨加軟組織平衡[20-21]。而張鳳軍等[22]利用3D打印技術(shù)對股骨關(guān)節(jié)外畸形的患者進行TKA術(shù)，并聯(lián)合術(shù)中松解膝關(guān)節(jié)內(nèi)外側(cè)軟組織技術(shù)，術(shù)后取得較好的效果，患肢機械軸得到矯正，膝關(guān)節(jié)活動度明顯增強以及HSS評分顯著提高，且差異均具有統(tǒng)計學(xué)意義。另有研究在3D打印的PSI輔助下對重度膝關(guān)節(jié)炎并下肢畸形患者進行TKA術(shù)后，認為在3D打印PSI不僅可簡化手術(shù)步驟、節(jié)約手術(shù)時間，還獲得較好的假體位置和下肢力線[23-24]。相比傳統(tǒng)手術(shù)，3D打印PSI更適合高齡、一般情況差的患者。綜上，3D打印PSI輔助TKA術(shù)可更好恢復(fù)下肢力線、提高膝關(guān)節(jié)HSS評分，精確截骨、簡化手術(shù)步驟、節(jié)約手術(shù)時間等，尤其在骨性關(guān)節(jié)炎合并關(guān)節(jié)外畸形的TKA術(shù)中優(yōu)勢更為明顯。

3.2 與傳統(tǒng)手術(shù)比較近年來，隨著骨性關(guān)節(jié)炎患者的不斷增加，TKA術(shù)得以廣泛應(yīng)用的同時也引發(fā)了一些新的問題，如假體尺寸預(yù)測，截骨定位以及軟組織平衡等。對此，國內(nèi)外骨科醫(yī)師進行了新的探索。有研究表明3D打印PSI組和傳統(tǒng)手術(shù)相比，3D打印PSI組患者手術(shù)出血量更少以及手術(shù)時間更短[25-27]。Rahm等[28]結(jié)論是，相對于傳統(tǒng)手術(shù)和計算下導(dǎo)航手術(shù)，PSI的優(yōu)勢在于避免嚴重的誤差并實現(xiàn)理想的脛骨后傾角，但3D打印PSI的額外成本和制造時間阻礙了其推廣應(yīng)用。與傳統(tǒng)手術(shù)不同，3D打印PSI使用簡單、學(xué)習(xí)曲線較短，更適用于身體質(zhì)量指數(shù)較高以及關(guān)節(jié)外畸形的患者，對于假體大小的預(yù)測也更加準確[29]，并且可提高TKA手術(shù)精度和療效[30]。有學(xué)者通過臨床研究發(fā)現(xiàn)PSI在截骨精確度上明顯優(yōu)于傳統(tǒng)手術(shù)及計算機導(dǎo)航手術(shù)，并且節(jié)約手術(shù)時間，但在術(shù)后下肢力線的偏移上無明顯差異[31-32]；而Yan等[20]研究則表明3D打印PSI、傳統(tǒng)手術(shù)組、計算機導(dǎo)航下手術(shù)組三者無明顯影像學(xué)和臨床差異。只有劉浩等[33]研究表明PSI在術(shù)后下肢力線的恢復(fù)效果優(yōu)于傳統(tǒng)手術(shù)。綜上，3D打印PSI相較于傳統(tǒng)手術(shù)及計算機導(dǎo)航手術(shù)主要有以下優(yōu)勢：節(jié)約手術(shù)時間、減少出血量以及截骨精確度較高。目前，3D打印PSI在患者術(shù)后下肢力線的恢復(fù)效果上并未體現(xiàn)較大優(yōu)勢，可能是因為相關(guān)研究隨訪時間不足所致，術(shù)前術(shù)后下肢力線的對比并不能體現(xiàn)差異。因此，在3D打印技術(shù)以及3D打印PSI的研究上，還需要更多的骨科醫(yī)師進行探索，為3D打印技術(shù)能更好地應(yīng)用于骨科打下堅實基礎(chǔ)。

4 3D打印PSI的不足與展望

目前，盡管3D打印PSI具有很多有優(yōu)點并在臨床應(yīng)用中獲得較好手術(shù)效果，但仍存在一些不足：①3D打印PSI制作精確度有誤差。CT不能顯示膝關(guān)節(jié)軟骨，這可能是誤差的來源之一，且盡管可基于MRI重建關(guān)節(jié)以及軟骨等軟組織，但運動偽影可能導(dǎo)致3D打印PSI的模型不夠精準，可能會影響術(shù)前手術(shù)預(yù)演以及截骨精確度[34]。目前，相關(guān)研究人員可基于圖像修正以及基于硬件的修正來減少運動偽影導(dǎo)致的誤差，如有恒定角速度的偽影校正法、迭代算法以及凸集投影法，這些方法[35]的應(yīng)用有可能極大的減少誤差，為PSI制作的精確度提供保障，有望取代CT作為3D打印PSI的首選檢查。②3D打印成本較高。相比傳統(tǒng)手術(shù)，3D打印設(shè)備、材料、術(shù)前預(yù)演假體、3D打印PSI以及額外的影像學(xué)檢查是費用增加的主要原因，因此增加了患者的經(jīng)濟負擔，也限制了3D打印技術(shù)的推廣應(yīng)用。③3D打印材料種類繁多，但可內(nèi)植入于患者體內(nèi)的少之又少，且目前3D打印技術(shù)不能打印出機械強度、生物力學(xué)以及微觀結(jié)構(gòu)均能達到理想要求的骨組織或假體。因此3D打印技術(shù)應(yīng)用與TKA手術(shù)也僅局限于術(shù)前預(yù)演假體及PSI，3D打印膝關(guān)節(jié)假體植入的應(yīng)用還需進一步研究。而聚醚醚酮是全芳香族半結(jié)晶性的熱塑性特種工程塑料，其復(fù)合型材料如碳纖維增強聚醚醚酮具有彈性低強度高的特點，在關(guān)節(jié)置換中里可有效減少應(yīng)力屏蔽及由其引起的骨吸收、骨萎縮及假體松動等并發(fā)癥[36]，因此，聚醚醚酮及其復(fù)合材料的應(yīng)用可能為此帶來希望。④制作周期較長。影像學(xué)的檢查及數(shù)據(jù)采集、3D打印PSI設(shè)計、交付3D打印機打印，整個過程可能會增加患者額外的2～3 d住院時間。⑤需要多學(xué)科合作。包括組織工程、生物材料、臨床醫(yī)學(xué)及影像學(xué)等領(lǐng)域共同合作，才能保證質(zhì)量又能保證效率，這讓3D打印技術(shù)在大部分醫(yī)院開展困難[37-39]。⑥行業(yè)缺乏對3D打印設(shè)備的評估標準，國家層面需要加強監(jiān)管，需要盡快完善3D 打印醫(yī)療產(chǎn)業(yè)相關(guān)法律法規(guī)，以便促進其在醫(yī)學(xué)中的規(guī)范發(fā)展[40]。

隨著3D打印技術(shù)的革新與發(fā)展，希望未來可縮短制作周期，并開發(fā)質(zhì)量過硬且成本更低的3D打印設(shè)備和材料，減少制作成本，從而為患者減輕經(jīng)濟負擔并推廣應(yīng)用；為減少誤差，需要繼續(xù)完善相關(guān)影像學(xué)修正方法，如上述偽影校正法、迭代算法以及凸集投影法等，還需要完善個性化匹配標準，統(tǒng)一假體匹配標準與手術(shù)導(dǎo)板設(shè)計方案；且3D 打印醫(yī)療產(chǎn)業(yè)相關(guān)法律法規(guī)要完善，可使得該技術(shù)的臨床應(yīng)用更加規(guī)范合理；此外，需要進一步開發(fā)3D打印生物支架與細胞，加大假體材料和制作工藝的創(chuàng)新力度，相關(guān)研究顯示骨髓間充質(zhì)干細胞具備多向分化潛能，且易于獲得、易于培養(yǎng)，可成為未來生物活性關(guān)節(jié)置換的理想種子細胞之一[41-44]，為未來實現(xiàn)具有生物活性的膝關(guān)節(jié)假體的置換、植入的工廠化生產(chǎn)打下堅實基礎(chǔ)。最后，在其他方面，還包括3D打印活性細胞、3D打印支架的廣泛應(yīng)用，甚至可以打印出具有生物活性的組織或器官，并進行工廠化生產(chǎn)。相信3D打印PSI的潛力是巨大，不僅僅局限于TKA手術(shù)，還可是創(chuàng)傷、脊柱、其他關(guān)節(jié)置換手術(shù)，甚至利用3D打印組織或器官實現(xiàn)人工移植的目的。

5 結(jié) 語

隨著3D打印技術(shù)的飛速發(fā)展，使得3D打印PSI在TKA術(shù)中應(yīng)用取得較大進步。隨著人口老齡化的增長，TKA手術(shù)的數(shù)量逐步增多，而3D打印PSI給TKA術(shù)帶來了便利，其理論優(yōu)勢在于有利于調(diào)整下肢力線，使其接近于中立位力線，又使假體位置安放更加精準。而下肢力線以及假體位置安放又主要取決于股骨遠端和脛骨近端截骨，在3D打印PSI的輔助下，正好可獲得精確的截骨量。基于3D打印技術(shù)，使得骨科醫(yī)師在3D打印PSI的幫助下獲得很多便利，雖然從檢查、設(shè)計以及術(shù)后療效分析來看，3D印PSI或許存在一些不確定因素，但是3D打印PSI的優(yōu)點是值得肯定的，我們需要在克服挑戰(zhàn)的同時為患者帶來更優(yōu)質(zhì)的選擇。總之，3D打印是一項簡便、實用、成熟的技術(shù)，在醫(yī)學(xué)以及骨科領(lǐng)域的應(yīng)用正在逐步增多，目前這樣一種新型技術(shù)，符合個體化、精準化要求，臨床應(yīng)用效果優(yōu)勢明顯，具有較大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>