3D 打印技術(shù)在急性膝關(guān)節(jié)損傷診療中的應(yīng)用*

吳小寶 馮坤 劉珍琦 田大為

車禍及高空墜落等高能量致傷因素常致急性膝關(guān)節(jié)損傷發(fā)生，常為膝關(guān)節(jié)前交叉韌帶（anterior cruciate ligament，ACL）、后交叉韌帶（posterior cruciate ligament，PCL）、內(nèi)側(cè)副韌帶（medial collateral ligament，MCL）、外側(cè)副韌帶（lateral collateral ligament，LCL）等一根或者多根韌帶損傷，合并血管神經(jīng)損傷、韌帶復(fù)合體損傷及關(guān)節(jié)內(nèi)撕脫性骨折、半月板損傷，嚴(yán)重者導(dǎo)致脛骨平臺骨折和膝關(guān)節(jié)脫位，并發(fā)骨筋膜室綜合癥，影響膝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性及功能[1-2]。本院自2016 年1 月至2018 年1 月對急性膝關(guān)節(jié)損傷患者結(jié)合影像學(xué)資料，采用3D 打印技術(shù)構(gòu)建膝關(guān)節(jié)損傷模型，用于輔助診斷及術(shù)前規(guī)劃，醫(yī)患溝通，獲得準(zhǔn)確的術(shù)中定位點(diǎn)，縮短了手術(shù)時(shí)間，取得滿意的臨床效果，現(xiàn)匯報(bào)如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料

納入標(biāo)準(zhǔn)：急性膝關(guān)節(jié)損傷患者行手術(shù)治療。排除標(biāo)準(zhǔn)：①開放性損傷患者；②合并神經(jīng)或血管損傷、骨筋膜綜合征需要急診手術(shù)的患者；③合并膝關(guān)節(jié)病理性骨折。

回顧性分析本院2016 年1 月至2018 年1 月收治的急性膝關(guān)節(jié)損傷病例8 例，全部采用3D 打印技術(shù)構(gòu)建膝關(guān)節(jié)損傷模型輔助診療，如膝關(guān)節(jié)脫位前和復(fù)位后的3D 打印模型。其中，男6 例，女2 例，平均年齡（29.21±5.31）歲；車禍傷4 例，摔傷4 例；全部為單側(cè)膝關(guān)節(jié)損傷。所有患者均在傷后2～28 h 內(nèi)急診入院，受傷至手術(shù)時(shí)間為3～13 d。其中，前交叉韌帶（ACL）、后交叉韌帶（PCL）、內(nèi)側(cè)副韌帶（MCL）和外側(cè)副韌帶（LCL）等4 條韌帶損傷3 例，前交叉韌帶（ACL）合并脛骨平臺骨折等1 條韌帶損傷3 例，ACL、PCL 與MCL 3 條韌帶損傷1 例，MCL 1 條韌帶損傷1 例。術(shù)前Lysholm 膝關(guān)節(jié)評分[3]（26.18+6.03）分，IKDC 評分（30.25+7.01）分。

1.2 3D 打印模型制作及術(shù)前準(zhǔn)備

所有患者行常規(guī)X 線檢查（銳柯DRX-Evolution 系統(tǒng)，美國），接著行CT（Phillips 128 排螺旋CT）及MRI（GE SIGNA 3.0T，美國）檢查。若合并血液循環(huán)障礙，行血管造影排除動(dòng)靜脈栓塞。

患者CT 數(shù)據(jù)以Dicom 格式保存待用。CT 數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics 14.0 軟件（Materialise 公司，比利時(shí)）。設(shè)定226-1 448 Hu 閾值；區(qū)域增長，分割相鄰骨圖像，去除非目標(biāo)數(shù)據(jù)，重建三維模型。三維幾何模型數(shù)據(jù)以STL 格式導(dǎo)出到3D 打印機(jī)（GP-1500，Roclok 公司，荷蘭）配套的軟件，分層處理，處理完數(shù)據(jù)以gcode 格式導(dǎo)入3D 打印機(jī)，本機(jī)使用PLA（聚乳酸）材料，打印溫度設(shè)定210℃。參考影像學(xué)資料，結(jié)合3D 打印模型，明確膝關(guān)節(jié)損傷的類型，3D打印模型可以精準(zhǔn)地提供每個(gè)患者的重要解剖標(biāo)識，借助骨性解剖標(biāo)識，筆者在模型上使用直硬管模擬關(guān)節(jié)鏡頭設(shè)計(jì)手術(shù)入路，明確每個(gè)入路的手術(shù)視野，根據(jù)手術(shù)目的進(jìn)行調(diào)整，確定個(gè)性化進(jìn)針點(diǎn)等手術(shù)入路；對于脛骨平臺骨折患者，根據(jù)3D 打印模型，明確最佳手術(shù)入路，制訂術(shù)前規(guī)劃，進(jìn)行手術(shù)操作演練，甚至是術(shù)前鋼板的選擇、預(yù)彎、螺釘大小的選擇，術(shù)中輔助操作，完成醫(yī)患溝通，如病情介紹、治療方案、術(shù)后康復(fù)訓(xùn)練等內(nèi)容。

1.3 手術(shù)方法

所有手術(shù)由一名主任醫(yī)師完成，其對復(fù)雜膝關(guān)節(jié)損傷具有豐富的臨床經(jīng)驗(yàn)。有膝關(guān)節(jié)脫位的患者急診行手法復(fù)位，復(fù)位困難時(shí)在麻醉下進(jìn)行，必要時(shí)切開復(fù)位。待患者膝關(guān)節(jié)腫脹消退，二期行韌帶、半月板及骨折的處理，一般為傷后2 周左右。

患者麻醉滿意后，取平臥位，患肢大腿根部常規(guī)上止血帶。所有患者先行關(guān)節(jié)鏡檢查，確認(rèn)關(guān)節(jié)內(nèi)損傷，若合并半月板、韌帶關(guān)節(jié)囊卡壓，行等離子刀松解、復(fù)位。根據(jù)半月板損傷類型和程度進(jìn)行縫合術(shù)或成形術(shù)。軟骨損傷及撕脫性骨折者，較小骨塊易形成游離體予以摘除，較大骨塊行可吸收螺釘內(nèi)固定。韌帶斷裂采用自體腘繩肌肌腱重建，對于該肌腱無法滿足重建要求者，采用部分腓骨長肌肌腱。采用殘端定位法建立交叉韌帶脛骨和股骨骨道，脛骨側(cè)行擠壓釘固定，股骨側(cè)行可吸收橫穿釘固定，膝關(guān)節(jié)屈曲80°位固定后交叉韌帶，30°位固定前交叉韌帶。對于急性內(nèi)外側(cè)副韌帶損傷者，結(jié)合術(shù)前影像學(xué)資料明確韌帶斷裂部位，3D 打印模型確定韌帶股骨脛骨側(cè)止點(diǎn)，于韌帶撕裂骨床處打入1～2 枚帶線鉚釘編織縫合。對于合并脛骨平臺骨折的患者，結(jié)合3D 打印模型，設(shè)計(jì)手術(shù)入路，行鋼板內(nèi)固定，術(shù)中反復(fù)使用關(guān)節(jié)鏡，輔助復(fù)位及明確復(fù)位情況。

術(shù)中及術(shù)后行前后抽屜試驗(yàn)、Lachman 試驗(yàn)明確前后交叉韌帶穩(wěn)定情況；側(cè)方應(yīng)力試驗(yàn)明確內(nèi)外側(cè)副韌帶穩(wěn)定恢復(fù)情況?？股匦g(shù)后24 h 內(nèi)使用，2 周拆線。下肢支具固定6～8 周，術(shù)后1 周支具保護(hù)下下地部分負(fù)重。

1.4 評價(jià)指標(biāo)

統(tǒng)計(jì)本組病例手術(shù)時(shí)間、傷口感染或缺血性壞死等并發(fā)癥情況，以及內(nèi)固定松動(dòng)、斷裂的情況。分別采用Lysholm 評分系統(tǒng)及IKDC 2000 評分系統(tǒng)評估患者膝關(guān)節(jié)功能情況，選取時(shí)間點(diǎn)為術(shù)前1 d，術(shù)后3、6、10、12 個(gè)月，記錄各期關(guān)節(jié)活動(dòng)度及手術(shù)并發(fā)癥發(fā)生情況。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

統(tǒng)計(jì)分析使用SPSS 13.5 軟件進(jìn)行。計(jì)量數(shù)據(jù)以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示，兩組間分析比較采用檢驗(yàn)，多組間分析采用單因素方差統(tǒng)計(jì)處理；計(jì)數(shù)資料采用卡方檢驗(yàn)。<0.05 為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

全部患者無失訪發(fā)生，隨訪時(shí)間12～14（13.02±0.71）個(gè)月。手術(shù)時(shí)間（100.23±20.10）min，無傷口感染、缺血性壞死發(fā)生，無頑固性關(guān)節(jié)腔積液，未見韌帶松弛發(fā)生，無內(nèi)固定失效發(fā)生。術(shù)后膝關(guān)節(jié)力線良好，無膝關(guān)節(jié)內(nèi)外翻畸形、膝關(guān)節(jié)不穩(wěn)定、絞鎖、關(guān)節(jié)僵硬發(fā)生。術(shù)后12 個(gè)月膝關(guān)節(jié)活動(dòng)度為（125.25±10.09）°。以膝關(guān)節(jié)術(shù)后12 個(gè)月的Lysholm 評分為最終膝關(guān)節(jié)功能評分，8 個(gè)病例中優(yōu)5 例，良2 例，可1 例，優(yōu)良率達(dá)87.50%。

典型病例：患者，男，42 歲。摔傷后致急性膝關(guān)節(jié)損傷，為前交叉韌帶損傷，內(nèi)側(cè)副韌帶斷裂，外側(cè)半月板撕裂，內(nèi)側(cè)半月板損傷，手法復(fù)位后擇期行前交叉韌帶重建術(shù)，內(nèi)側(cè)副韌帶縫合術(shù)，內(nèi)側(cè)半月板成形術(shù)及外側(cè)半月板縫合術(shù)。手術(shù)前后影像見圖1。

圖1 A-C.傷后CT；D、E.術(shù)前MRI 掃描；E、F.復(fù)位后X 線（白色箭頭表示segond 骨折）；H、I.復(fù)位后MRI 掃描；J、K.3D 打印模型；L.重建后的CT 掃描；M、N.重建術(shù)后的X 光片，示膝關(guān)節(jié)對合可，力線準(zhǔn)確

表1 患者術(shù)前、術(shù)后Lysholm 評分、IKDC 評分比較（，分）

表1 患者術(shù)前、術(shù)后Lysholm 評分、IKDC 評分比較（，分）

3 討論

膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性依賴于膝關(guān)節(jié)的骨性結(jié)構(gòu)及關(guān)節(jié)內(nèi)外韌帶、半月板等軟組織結(jié)構(gòu)。骨性結(jié)構(gòu)包括髕骨、股骨髁遠(yuǎn)端和脛骨髁。內(nèi)、外側(cè)四聯(lián)復(fù)合體等關(guān)節(jié)外結(jié)構(gòu)在膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定中占據(jù)了重要作用。關(guān)節(jié)內(nèi)重要結(jié)構(gòu)包括半月板、前后交叉韌帶[4]。

急性膝關(guān)節(jié)損傷為臨床常見復(fù)雜損傷，一般為單根或者多根韌帶損傷，合并半月板損傷、撕脫性骨折、韌帶復(fù)合體損傷，嚴(yán)重者發(fā)生脛骨平臺骨折和膝關(guān)節(jié)脫位，而超過一半的膝關(guān)節(jié)脫位患者入院前已經(jīng)自行復(fù)位，易產(chǎn)生漏診，影響診療。故對任何一個(gè)導(dǎo)致2根及以上的多根主要韌帶損傷的病例，必須考慮膝關(guān)節(jié)脫位可能[5-7]。韌帶損傷嚴(yán)重影響膝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性，而平臺骨折及關(guān)節(jié)內(nèi)撕脫性骨折極易造成創(chuàng)傷性關(guān)節(jié)炎的發(fā)生。

急性膝關(guān)節(jié)損傷手術(shù)的核心是重建正常的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)和力線，包括骨折的復(fù)位固定、韌帶的縫合或者重建、半月板的處理。目前，膝關(guān)節(jié)鏡是處理關(guān)節(jié)內(nèi)疾病首選的診療手段。關(guān)節(jié)鏡下探查可明確疾病損傷類型，并行韌帶及半月板修復(fù)、撕脫性骨折的固定，療效可靠，可信度高[8-9]。

對于多根韌帶損傷，有學(xué)者主張分期修復(fù)，認(rèn)為一期修復(fù)手術(shù)時(shí)間長、創(chuàng)傷大、術(shù)后功能鍛煉困難。但隨著關(guān)節(jié)鏡手術(shù)的推廣及提高，一期重建多根韌帶手術(shù)難度降低，手術(shù)時(shí)間縮短，治療費(fèi)用降低，早期康復(fù)訓(xùn)練可盡快恢復(fù)關(guān)節(jié)功能，大幅提高手術(shù)療效[10-11]。對于脛骨平臺骨折，膝關(guān)節(jié)鏡檢查也是重要的診治手段，可以在關(guān)節(jié)鏡下輔助復(fù)位，檢查復(fù)位情況。

3D 打印為增材制作，借助數(shù)字文件，逐層打印，完成幾何體的構(gòu)造，不受形狀和材料的限制，是制作方式劃時(shí)代的革新[12-14]，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)[15]。借助于先進(jìn)的數(shù)字化3D 打印技術(shù)，1∶1 打印膝關(guān)節(jié)損傷模型，是骨科X 線、CT 及MRI 等常規(guī)影像學(xué)資料之外的第四種醫(yī)患溝通的途徑，具有真實(shí)直觀性，無需專業(yè)知識，能夠簡單快速地了解病情，有利于醫(yī)患之間的溝通。關(guān)節(jié)鏡能夠直觀地展示關(guān)節(jié)內(nèi)病變，但手術(shù)視野小，容易受手術(shù)入路影響；而3D 打印模型能夠提供宏觀、立體、多角度的視角，有助于醫(yī)生在腦內(nèi)構(gòu)建膝關(guān)節(jié)損傷的病理特征，借助模型特殊解剖點(diǎn)進(jìn)行精準(zhǔn)的定位，特別適合脛骨平臺骨折。

本組病例全部采用3D 打印技術(shù)制造骨折脫位前后的模型，用于醫(yī)患溝通，因?yàn)槟Ｐ驼鎸?shí)直觀，有助于醫(yī)患之間溝通，患者及家屬對病情的認(rèn)知度高，對診斷、治療及康復(fù)依從性高，提高了治療效果。醫(yī)生可以借助模型進(jìn)行術(shù)前規(guī)劃，設(shè)計(jì)手術(shù)入路，術(shù)前演練，術(shù)前模型操作，完成個(gè)性化診療。術(shù)中借助模型對手術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，提高手術(shù)的精準(zhǔn)性，有利于縮短手術(shù)時(shí)間。

對于半月板損傷，目前傾向于使用半月板縫合器的全內(nèi)縫合技術(shù)，但是由外到內(nèi)縫合法也是醫(yī)生需要掌握的手術(shù)技巧，對于半月板前角或根部等損傷，借助3D 打印模型，尋找膝關(guān)節(jié)內(nèi)的解剖位點(diǎn)，作為半月板縫合的標(biāo)識，提高了進(jìn)針的準(zhǔn)確性，手術(shù)效果。

等長重建是膝關(guān)節(jié)韌帶損傷修復(fù)的重要原則，以前交叉韌帶重建為例，股骨骨道出口位于等距點(diǎn)，脛骨骨道位于原交叉韌帶止點(diǎn)中心的前后約2 mm，不能靠前，避免髁間窩的撞擊。術(shù)前借助3D打印模型，可以明確股骨外髁的等距點(diǎn)，避免住院醫(yī)師嵴等錯(cuò)誤股骨定位點(diǎn)，提高了骨道的準(zhǔn)確定位。借助3D 打印模型，本組4 根韌帶損傷的嚴(yán)重患者，一般在一個(gè)半止血帶時(shí)間即可完成手術(shù)，手術(shù)創(chuàng)傷小，手術(shù)時(shí)間較前明顯縮短。

對于合并脛骨平臺骨折的患者，本組患者結(jié)合3D 打印模型，術(shù)前進(jìn)行骨折的復(fù)位，鋼板螺釘選擇，甚至提前預(yù)彎鋼板，進(jìn)行骨折的固定，以達(dá)到最佳的貼附，提高鋼板的固定強(qiáng)度，減少了術(shù)中鋼板處理需要花費(fèi)的時(shí)間。根據(jù)鋼板的固定位置對手術(shù)切口進(jìn)行設(shè)計(jì)，術(shù)中使用膝關(guān)節(jié)鏡檢查及輔助復(fù)位，發(fā)現(xiàn)結(jié)合3D 打印模型，手術(shù)切口選擇更加精準(zhǔn)、創(chuàng)傷小、復(fù)位效果滿意、手術(shù)時(shí)間短。

本組病例無手術(shù)并發(fā)癥發(fā)生，術(shù)后影像學(xué)資料提示韌帶位置準(zhǔn)確，關(guān)節(jié)力線良好，關(guān)節(jié)穩(wěn)定，膝關(guān)節(jié)術(shù)后12 個(gè)月的膝關(guān)節(jié)活動(dòng)度（125.25±10.09）°，Lysholm 評分優(yōu)良率達(dá)87.50%，患者膝關(guān)節(jié)功能良好，充分體現(xiàn)了數(shù)字化3D 打印模型結(jié)合關(guān)節(jié)鏡的優(yōu)勢，模型為關(guān)節(jié)鏡手術(shù)提供了更精準(zhǔn)的定位，提高了關(guān)節(jié)鏡微創(chuàng)手術(shù)的療效。

但是目前常見3D 打印模型為骨骼模型，膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，骨骼3D 打印模型對手術(shù)規(guī)劃作用有限，不能完全取代人體標(biāo)本。3D打印模型制作從獲取數(shù)據(jù)，到模型制作完成，需要3～7 d，這對于急診患者的診治具有局限性。同時(shí)3D 打印機(jī)昂貴的價(jià)格也限制了其臨床的應(yīng)用。隨著3D 打印技術(shù)的發(fā)展，復(fù)合材料一期打印骨骼、韌帶、軟骨、血管、神經(jīng)等結(jié)構(gòu)，打印速度提高，價(jià)格下降，3D 打印模型將對手術(shù)提供更重要的指導(dǎo)作用。

綜上所述，數(shù)字化3D 打印技術(shù)在診療急性膝關(guān)節(jié)損傷中，能夠提供逼真的膝關(guān)節(jié)損傷模型，有利于醫(yī)患之間的溝通，提高了韌帶重建骨道選擇的準(zhǔn)確性，為半月板縫合不同方法提供解剖標(biāo)識，尤其在脛骨平臺骨折的復(fù)位、鋼板的選擇固定、切口的設(shè)計(jì)等方面具有重要作用，值得推廣使用。