3D打印技術在脛骨高位截骨術中的應用

白六莉，李佳義，劉佳敏，馬磊，李宗瀚，黃江，曹光磊，安帥

(首都醫(yī)科大學宣武醫(yī)院骨科，北京 100053)

膝關節(jié)骨關節(jié)炎是骨科常見的中老年慢性退行性疾病，骨關節(jié)炎40歲人群的患病率為10%～17%，而60歲人群可達50%，75歲以上人群中則高達80%[1]。在合并膝內翻畸形的患者中更容易發(fā)生內側間室磨損，從而發(fā)生膝關節(jié)內側間室的骨關節(jié)炎，影響患者日常生活[2-3]。這種膝內翻的主要原因是脛骨側的畸形。脛骨高位截骨術(high tibial osteotomy，HTO)是目前治療膝關節(jié)內側骨關節(jié)炎合并膝內翻畸形的可靠方法，其原理是通過調整下肢力線糾正膝關節(jié)內翻從而進行負重應力的重新分布，達到膝關節(jié)內側間室減壓的目的。對于終末期的膝關節(jié)骨關節(jié)炎患者來說，人工全膝關節(jié)置換手術(total knee arthroplasty，TKA)是目前主要選擇的手術方式。但該手術切除了交叉韌帶，損失了膝關節(jié)的本體感覺，影響了膝關節(jié)自然狀態(tài)的運動學，從而術后有較高的不滿意度[4]。如果能夠在膝關節(jié)炎早期通過矯正下肢力線、減輕內側關節(jié)面負荷、阻止疾病的進展，則可推遲甚至避免實施TKA。

1963年，Coventry[5]首次報道應用外側閉合楔形脛骨高位截骨術治療早期膝關節(jié)骨關節(jié)炎。隨后大量關于HTO手術治療內翻膝關節(jié)炎的臨床應用研究表明，該術式在矯正力線、緩解疼痛、延緩關節(jié)退變方面療效確切[6-8]。HTO逐漸成為適合相對年輕活躍，并伴有一定程度脛骨內翻的膝骨關節(jié)炎患者的手術方式。然而，HTO手術矯正精確度以及術后維持情況都不穩(wěn)定。高精度截骨的病例10～15年長期生存率最高可達94%，從而避免后續(xù)進行全膝關節(jié)置換術，達到保膝效果[9]。而部分病例因手術技術和測量定位方法問題，長期生存率相對較低，且并發(fā)癥較多[10]。近年來HTO逐漸由外側閉合楔形脛骨高位截骨術(closed wedge high tibial osteotomy，CWHTO)向內側開放楔形脛骨高位截骨術(openwedge high tibia osteotomy，OWHTO)轉變，配合雙平面截骨加鋼板鎖定，長期療效和生存率都更加滿意，5年生存率80%～98%，10年生存率可達74%～86.6%[11]。盡管如此，現(xiàn)行方法仍存在透視次數(shù)高、術中力線和術后力線不一致、定位截骨困難等不足。3D打印則是解決這些問題的可行方法，通過術前、術中輔助簡化HTO，提高截骨精度，減少輻射，更適合經(jīng)驗相對不足的年輕醫(yī)生。本文回顧闡述近年來3D打印技術應用于脛骨高位截骨術的研究進展，探討其用于治療膝關節(jié)骨關節(jié)炎的發(fā)展方向。

1 3D打印技術在HTO中的應用

1.1 術前計劃模型 術前計劃模型可分為脛骨近端模型及楔形截骨塊模型兩類，用于：(1)準確規(guī)劃截骨間隙大小，以糾正冠狀面和矢狀面軸向偏差；(2)檢測截骨后可能出現(xiàn)的膝關節(jié)屈伸空間損害。脛骨近端模型用于術前模擬，可配合截骨導板使用，輔助術中合頁點精準定位，確定術中截骨導板使用的適應度[12]。楔形截骨塊模型可于手術設計時再現(xiàn)實際截骨的內側高度和傾角，并在術中插入截骨間隙輔助鋼板固定，維持截骨角度，可取得滿意的力線糾正結果[13-14](見圖1)。

1.2 截骨導向器 截骨導向器也稱個體化截骨導板(patient-specific instrumentation，PSI)，是目前應用較廣泛的3D打印輔助HTO設計。截骨導板可依照術前計劃引導術中截骨位置、方向和深度準確定位，輔助醫(yī)生實行截骨與撐開，精確建立截面、空間距離、成角關系等復雜空間結構，通過個性化設計提高手術精度并縮短手術時間，為大幅減少手術時間、出血量、透視次數(shù)提供了可能，從而降低翻修率、減少并發(fā)癥發(fā)生[15-17](見圖2)。

目前應用于HTO領域的截骨導向器主要存在兩種設計理念。應用較為廣泛的是局部骨面貼合導板設計，由Victor和Premanathan[18]于2013年首次使用，14例患者成功實施根據(jù)導板所示截骨槽的設定位置進行截骨。這種設計可與個體骨表面結構吻合，在各平面均顯示出良好的精度，且術后愈合良好，膝關節(jié)功能評分顯著提高[19]。在此基礎上，又有導板增加了撐開校準功能，導板本身設計有校準孔，僅于撐開角度與預期一致時兩校準孔可用校準桿對齊，從而減少術中透視劑量[16]。但局部依附導板設計存在導板面積較大、軟組織剝離較多，缺乏術中檢驗工具等問題[20]。Jones等[10]提出另一種使用遠端骨標志定位的截骨釘?shù)缹О逶O計理念，依靠遠端骨標志放入導板，引導導針植入，取出導板由導針定位鋸切。其所需切開剝離的范圍更小，理論上可減少傷口感染、不愈合等并發(fā)癥，但可能導致精度降低，操作過程也較為繁瑣。

a 術前模擬脛骨近端模型 b 楔形截骨塊模型 c 術中維持撐開角度大體照 a 個體化定制截骨導向器 b 術中確定截骨平面和撐開角度

1.3 植入骨模型 3D打印技術可用于HTO術后個性化植入物的制作，塑造形狀復雜、結構精細的植入物，滿足不同患者的需求。且3D打印可實現(xiàn)多孔鈦材料、鈦(Ti)/羥基磷灰石復合材料等植入物的制作，增加其生物力學相容性[21-22]。

2 3D打印輔助HTO較傳統(tǒng)HTO手術比較

2.1 下肢力線矯正精度 HTO發(fā)展至今，精確執(zhí)行力線矯正被公認為是手術成功的關鍵之一。目前多數(shù)傳統(tǒng)HTO術中僅依靠手摸體表標志和手扶力線桿透視的方法來估測下肢力線，術中誤差可能較大，難以達到計劃截骨角度[23]。也有報道使用PACS圖像進行規(guī)劃，該方法可以保證計劃矯正角度，卻存在無法維持術中矢狀面的問題[24]。

3D打印于術前行計算機輔助三維圖像重建，數(shù)字格式的使用可以選擇性地放大測量的參考區(qū)域，精確計劃截骨。實物打印也為醫(yī)生提供更直觀的模擬方案。術中依靠PSI引導手術定位，行HTO時可植入楔形截骨模型維持矯正間隙，確保截骨角度完全遵循術前計劃。Yang等[16]研究了10例使用PSI輔助HTO的患者，所有患者實際矯正平均值[距脛骨內側平臺邊緣外側(60.2±2.78)%]與計劃校正值一致。高小康等[25]比較常規(guī)截骨與截骨導向器輔助截骨治療40例膝內翻畸形合并骨關節(jié)炎，結果顯示3D打印組術后力線偏差比值更小，下肢力線矯正更精確。且有研究顯示，在一定自由度內即使PSI出現(xiàn)錯位，對下肢力線矯正仍沒有影響[26]。在三維校正精度方面，3D打印也展示出其良好的優(yōu)越性，各平面均能達到計劃角度，同時不存在傳統(tǒng)HTO術后的脛骨后平臺變化問題[27-28]。

2.2 透視次數(shù)和累積放射劑量 不論對傳統(tǒng)HTO還是3D打印手術來說，透視的使用都必不可少。在一項傳統(tǒng)與新技術對照研究中[12]，傳統(tǒng)技術每次術中干預所需的透視圖像平均為55張，而3D打印平均僅需8張(6～14張)，輻射暴露減少6.9倍。Jacquet等[29]針對HTO截骨導向器在學習曲線后透視圖像數(shù)量的研究中也指出，學習曲線為9例時平均拍攝圖像僅為(4±1)張。趙大鵬等[30]應用截骨導向器輔助的OWHTO術19例與20例常規(guī)截骨比較，截骨組術中透視次數(shù)僅(17.5±2.7)次，而傳統(tǒng)組透視次數(shù)(22.2±3.2)次，3D打印組透視次數(shù)明顯更少。

此外，術前膝關節(jié)CT掃描輻射暴露水平僅0.16 mSv，遠低于術中透視所需的每分鐘20～200 mSv[16]。如果在保證手術參數(shù)與計劃一致的情況下，PSI可僅通過對準桿與近、遠孔同軸來實現(xiàn)下肢力線負重比率監(jiān)測，從而避免使用透視和導航系統(tǒng)，降低輻射劑量。

2.3 臨床功能評分 下肢力線的矯正將有效阻止內側間室軟骨破壞進展。3D打印在HTO中的應用，不僅保留了HTO手術改善下肢力線的優(yōu)點，還增加了手術精準性，維持脛骨后傾角度，因而減少對膝關節(jié)的屈伸活動及前交叉韌帶張力的影響，術后患者活動量明顯增加[31]。Chaouche等[32]調查100例使用PSI的OWHTO患者，術后HKA矯正精度高，且膝關節(jié)損傷和骨關節(jié)炎評分(the knee injury and osteoarthritis score，KOOS)等評估項目2年內結果均得到顯著改善。高潤子等[33]證實術后下肢負重線比率、Lysholm評分等均優(yōu)于術前，1年后隨訪效果優(yōu)良。3D打印研究中觀察到的功能評分常優(yōu)于傳統(tǒng)手術，但其功能結果優(yōu)越性的證明仍存在隨訪時間短(1～2年)和對照組缺乏等限制[19，24，34]。

2.4 生存率和翻修率 實施HTO手術的患者中有部分面臨著翻修問題，一般采用全膝關節(jié)置換方式。HTO生存率并不穩(wěn)定，高者10年生存率可達90%，而也有報道5年生存率只有78%，10年生存率僅52%[35]。造成翻修的常見危險因素為高齡(>60歲)、女性以及患有糖尿病、骨質疏松、高脂血癥等原發(fā)疾病[36]。目前還未見關于3D打印輔助HTO翻修率的報道，與這項技術開展時間較短、隨訪年限不足有關。

2.5 并發(fā)癥發(fā)生情況 3D打印輔助HTO時由于未改變手術基本方法，故仍存在合頁骨折、骨延遲愈合、髕骨高度下降等并發(fā)癥可能[37-39]。但由于3D打印截骨操作更精確，多數(shù)無上述并發(fā)癥報道。此外3D打印技術明顯縮短手術時間，具有降低感染率的潛在臨床優(yōu)勢[12，24-25，29]。陳金國等[23]包含47例的對照研究中3D打印組未出現(xiàn)術后感染，而傳統(tǒng)截骨組中有1例出現(xiàn)術后感染癥狀。

3 總結與展望

脛骨高位截骨術被稱為治療膝關節(jié)骨關節(jié)炎的保膝手段，由于保留了自身的韌帶等結構，相較全膝關節(jié)置換、單髁置換等手術方法，患者術后保留了正常膝關節(jié)運動。3D打印技術在這一術式的基礎上，幫助醫(yī)生制定更加個體化的治療方案，達到精確截骨，并且簡化操作、縮短手術時間、減少輻射量等，保證了HTO手術矯正效果。但目前3D打印技術在HTO中的應用還未形成系統(tǒng)化的操作流程，無法作為普及工具，且缺乏長期研究證明精確力線矯正與良好的臨床結果相關。關于3D打印的具體應用方式也需要繼續(xù)進行探索與比較。綜上所述，3D打印在脛骨高位截骨術中的應用研究仍處在較初步階段，還需技術創(chuàng)新與臨床研究找到標準化的應用方法。相信憑借其突出的自身優(yōu)勢以及技術的不斷成熟，3D打印技術在脛骨高位截骨術中的輔助應用將越來越廣泛。