3D打印應(yīng)用于膝關(guān)節(jié)骨缺損修復(fù)重建1例

陸聲，羅浩天，陳家瑜，高明，梁金龍

1.云南省數(shù)字骨科重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,云南省第一人民醫(yī)院骨科,昆明理工大學(xué)附屬醫(yī)院骨科，昆明 650032；2.中國(guó)人民解放軍聯(lián)勤保障部隊(duì)第920醫(yī)院骨科，昆明 650032

膝關(guān)節(jié)受到高能量暴力會(huì)造成股骨遠(yuǎn)端、脛骨近端嚴(yán)重骨折，髁部失去正常解剖形態(tài)，同時(shí)合并關(guān)節(jié)內(nèi)軟組織結(jié)構(gòu)損傷。對(duì)此類骨缺損治療需采用植骨重建，但植骨床的處理及植骨結(jié)構(gòu)、形態(tài)的塑造很棘手，骨折復(fù)位內(nèi)固定困難[1]。3D打印技術(shù)制作的模型可以幫助醫(yī)生對(duì)傷情做出準(zhǔn)確判斷，指導(dǎo)術(shù)前規(guī)劃，為術(shù)中的骨折復(fù)位提供便利[2～4]。Hurson等[5]曾利用3D打印技術(shù)為髖臼骨折患者制作等比例的三維物理模型輔助手術(shù)。Bagaria等[4]將導(dǎo)航模板應(yīng)用于復(fù)雜骨折的手術(shù)治療。何興容等[6]制作股骨遠(yuǎn)端的導(dǎo)航模板，成功應(yīng)用于股骨遠(yuǎn)端關(guān)節(jié)內(nèi)粉碎性骨折的手術(shù)治療。本臨床病例利用3D打印模塊輔助創(chuàng)傷性股骨外側(cè)髁塑形，實(shí)現(xiàn)缺損區(qū)域的植骨重建，隨訪8年，療效滿意。

1 資料與方法

1.1 病例資料

患者女性，20歲，騎摩托車摔傷致左膝高能量開放性損傷，皮膚及膝關(guān)節(jié)腔破裂，髕骨及膝關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)面外露，股四頭肌斷裂，合并皮膚軟組織及骨缺損。CT顯示：左股骨外髁骨折并骨缺損（圖1）?；颊呒痹\入住原成都軍區(qū)昆明總醫(yī)院（現(xiàn)中國(guó)人民解放軍聯(lián)勤保障部隊(duì)第九二〇醫(yī)院）骨科，入院后對(duì)皮膚、軟組織損傷及開放性骨折程度進(jìn)行評(píng)價(jià)（表1）。

表1 皮膚、軟組織損傷及開放性骨折分型Tab.1 Classification of skin,soft tissueand open fracture

1.2 研究方法

1.2.1 Ⅰ期清創(chuàng)術(shù) 急診行清創(chuàng)探查術(shù)，術(shù)中見膝關(guān)節(jié)開放性骨折，髕骨外露，股四頭肌遠(yuǎn)端斷離，髕韌帶與髕骨分離，膝關(guān)節(jié)囊破裂，前交叉韌帶股骨止點(diǎn)撕裂，股骨外髁骨質(zhì)缺損（包括大部分股骨髁外側(cè)關(guān)節(jié)面）占股骨遠(yuǎn)端的1/3。予以徹底清創(chuàng)，盡量修復(fù)損傷軟組織，閉合膝關(guān)節(jié)囊，石膏固定，見圖1。

圖1 受傷后CT、X線片顯示股骨外側(cè)髁骨折并骨質(zhì)缺損a：冠狀面CT掃描圖像b：軸位CT掃描圖像c、d：Ⅰ期清創(chuàng)術(shù)后X線片正側(cè)位，術(shù)畢植入引流管，患肢給予石膏固定Fig.1 CTscansand X-ray filmsof thepatient showed fractureand bonedefect in thelateral femoral condylea,b:Coronal and axial plane CT scan images;c,d:Anteroposterior and lateral X-ray films after primary debridement showed drainagetubewasimplanted and thelimb wasfixed with plaster

1.2.2 后續(xù)治療規(guī)劃 年輕患者，患肢股骨外側(cè)髁缺失累及外1/3負(fù)重面，影響膝關(guān)節(jié)負(fù)重及遠(yuǎn)期關(guān)節(jié)功能。擬行治療方案：左股骨外髁同種異體骨植骨并結(jié)構(gòu)重建術(shù)；3D打印模塊輔助同種異體骨結(jié)構(gòu)重塑。

1.2.3 3D打印模塊及模擬修復(fù)術(shù) 采用64排螺旋CT（GE公司，美國(guó)）對(duì)患者雙側(cè)膝關(guān)節(jié)進(jìn)行薄層掃描，層厚0.625 mm。將CT原始圖像數(shù)據(jù)以Dicom格式導(dǎo)入Mimics10.01軟件（Materialise公司，比利時(shí)），利用閾值分割（Thresholding）和區(qū)域增長(zhǎng)（Region growing）功能分別三維重建出雙側(cè)股骨及股骨關(guān)節(jié)面的曲面模型。對(duì)健側(cè)股骨以正中矢狀位為參考進(jìn)行鏡像（Mirror）運(yùn)算，建立與患側(cè)股骨一致的股骨模型。運(yùn)用融合配準(zhǔn)（Align）功能對(duì)患側(cè)股骨和鏡像后股骨進(jìn)行融合配準(zhǔn)，最后通過布爾運(yùn)算（Boolean）得到缺損的股骨髁三維數(shù)據(jù)。在Mimics10.01軟件中規(guī)劃手術(shù)方案，模擬修復(fù)術(shù)，演示手術(shù)效果。利用SPS350B固體激光快速成型機(jī)（陜西恒通智能機(jī)械有限公司），以光敏樹脂14120（DSM Somos公司，美國(guó)）為材料，打印缺損股骨外側(cè)髁模型和股骨外側(cè)髁關(guān)節(jié)面曲面模型。將加工完成的模型進(jìn)行后處理，去除殘余支撐，進(jìn)行光固化增強(qiáng)物理性能，低溫等離子消毒、備用,如圖2。

圖2 3D模塊設(shè)計(jì)制作及術(shù)前模擬a、b：利用鏡像重建患側(cè)股骨外髁缺損區(qū)c、d：將設(shè)計(jì)好的缺損部分模塊和股骨外側(cè)髁缺損區(qū)模擬配準(zhǔn)e：3D打印模塊實(shí)體及同種異體骨塊，上為股骨關(guān)節(jié)面的曲面模型，中為股骨外髁缺損部分模型，下為備用的同種異體骨Fig.2 Design and preoperativesimulation of 3-Dprinting modulea,b:Mirror image was used to reconstruct the defect area of the affected lateral femoral condyle;c,d:The defect module was matching the femoral condyle for accurate registration and preoperative simulation;e:The 3D printed module entity.The upper portion was the curved surface model of the femoral joint,themiddle was thedefectiveportion of thefemoral condyle,and thelower wasthespareallograft bone

1.2.4 手術(shù)過程 傷后2月患肢屈膝＜90°，伸膝正常，負(fù)重后疼痛，創(chuàng)面完全愈合，接受Ⅱ期手術(shù)修復(fù)骨缺損?；颊呷∮覀?cè)臥位，患側(cè)膝關(guān)節(jié)屈曲60°，沿股四頭肌和髕腱外緣延伸至脛骨結(jié)節(jié)下方取15 cm長(zhǎng)的切口，切開關(guān)節(jié)囊，將髕骨翻向內(nèi)側(cè)顯露關(guān)節(jié)腔及股骨遠(yuǎn)端關(guān)節(jié)面，見股骨外側(cè)髁1/3負(fù)重關(guān)節(jié)面缺損，部分纖維組織生長(zhǎng)，刮除其纖維組織、清理植骨床，將3D打印股骨髁缺損模塊與股骨缺損區(qū)試配，二者匹配良好，可拼成一個(gè)完整的股骨髁關(guān)節(jié)面；取骨庫(kù)預(yù)定的備用同種異體骨1塊，使用咬骨鉗、骨刀、骨銼等工具依照試模形狀及股骨關(guān)節(jié)面的曲面模型對(duì)其進(jìn)行切削，打磨成與3D模塊形狀、輪廓一致的植骨塊，以股骨關(guān)節(jié)面曲面模型進(jìn)行校對(duì)和驗(yàn)證滿意后，植入外側(cè)髁缺損區(qū)，直視下復(fù)位，完成同種異體骨結(jié)構(gòu)性重建，使股骨內(nèi)外髁恢復(fù)為一個(gè)整體?？紤]到盡量減小創(chuàng)傷及節(jié)省住院費(fèi)用，選擇2枚加壓空心釘固定植骨塊。術(shù)后患膝石膏固定，如圖3。

圖3 修復(fù)重建術(shù)中圖片a：植骨床準(zhǔn)備b：對(duì)照3D打印的股骨外側(cè)髁和股骨關(guān)節(jié)面曲面模型，將備用同種異體骨進(jìn)行塑形，獲得所需形態(tài)植骨體的立體結(jié)構(gòu)，試配成功 c：完成缺損區(qū)同種異體骨重建Fig.3 Restoration imagesduring reconstructiona:Preparation of bonegraft bed;b:Theallograft bonewasaccurately shaping and perfectly fitting;c:Thedefect areawas reconstructed perfectly

1.2.5 術(shù)后處理與隨訪 術(shù)后4周開始主動(dòng)活動(dòng)，逐漸拄拐下地、規(guī)范康復(fù)訓(xùn)練，定期隨訪。持續(xù)隨訪8年，觀察植骨區(qū)影像變化及關(guān)節(jié)功能恢復(fù)情況，做出HSS評(píng)分。

2 結(jié)果

3D打印模塊輔助股骨外髁結(jié)構(gòu)性植骨重建術(shù)后2年內(nèi)患膝關(guān)節(jié)偶感疼痛，步行等功能活動(dòng)逐漸恢復(fù)正常，患肢未見明顯內(nèi)、外翻畸形及肌肉萎縮等；影像學(xué)示：患肢力線正常，股骨外髁植骨塊少量吸收，前、后交叉韌帶及外側(cè)副韌帶有損傷，予行左側(cè)膝關(guān)節(jié)鏡探查術(shù)，見關(guān)節(jié)內(nèi)滑膜明顯增生，關(guān)節(jié)面退變、毛糙，股骨外側(cè)髁骨移植部位愈合，部分被吸收，表面欠光滑，關(guān)節(jié)鏡下予以清理及軟組織修復(fù)。隨訪8年期間，主觀感覺滿意，患膝功能、外觀及影像學(xué)表現(xiàn)均呈良性發(fā)展，除部分植骨塊吸收外未見明顯慢性疼痛、骨性關(guān)節(jié)炎、關(guān)節(jié)面旋轉(zhuǎn)畸形、膝關(guān)節(jié)攣縮畸形等不良事件發(fā)生，未見明顯致殘因素，左膝關(guān)節(jié)無(wú)疼痛，步態(tài)正常，活動(dòng)無(wú)明顯功能受限，膝關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍能夠滿足日常生活需要，患肢各肌力未見明顯減退，膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定。末次隨訪HSS評(píng)分83分，見表2，圖4～6。

圖4 術(shù)后即刻（a、b）及術(shù)后3個(gè)月（c、d）X線正側(cè)位片 股骨外髁缺損區(qū)解剖結(jié)構(gòu)恢復(fù)，兩側(cè)股骨髁連續(xù)性完整，未見明顯塌陷及結(jié)構(gòu)不穩(wěn)Fig.4 Anteroposterior and lateral X-ray films immediately(Fig.4 a,b)and 3 months after the operation（Fig.4 c,d)showed that the anatomical structure of the defect area of the femoral condyle was restored,and the continuity of the femoral condyle on both sideswascompletewithout obviouscollapseor structural instability

表2 術(shù)后1月～8年隨訪期間HSS評(píng)分Tab.2 HSSscoresof follow-up for 1 month to 8 years

表格說明：HSS評(píng)分系統(tǒng)是由美國(guó)特種外科醫(yī)院（hospital for special surgery，HSS）于1976年提出，用于評(píng)估膝關(guān)節(jié)術(shù)前術(shù)后功能，包括疼痛、功能、關(guān)節(jié)活動(dòng)度、肌力、膝關(guān)節(jié)屈曲畸形、膝關(guān)節(jié)不穩(wěn)定等6個(gè)方面，滿分100分，表示癥狀、功能及外形完全正常，有疼痛、功能受限或畸形則評(píng)分減低

圖5 術(shù)后復(fù)診影像資料a、b：術(shù)后2年X線片顯示股骨外髁完整，內(nèi)外側(cè)髁處于同一水平，未見明顯塌陷及下肢力線偏移c、d：術(shù)后2年半CT掃描顯示股骨外髁植骨區(qū)部分吸收，關(guān)節(jié)面完整，未見明顯塌陷，膝關(guān)節(jié)力線滿意Fig.5 Postoperativefollow-up imaging dataa，b:Two years after the operation,anteroposterior and lateral X-ray images showed that the integrity of the femoral condyle was retained and at the same level,without obvious collapse and changes of the limb alinement;c,d:Two and a half years after surgery,CT scans showed partial absorption in the bone graft area of the external femoral condyle,surface of thearticular wascomplete,no obviouscollapsewas observed,and thelimb alinement of the kneewassatisfactory

圖6 術(shù)后8年圖片a、b：術(shù)后8年X線正側(cè)位片 內(nèi)固定已取出，股骨外髁植骨區(qū)少量骨質(zhì)吸收，患肢力線滿意，脛骨平臺(tái)水平，膝關(guān)節(jié)未見明顯內(nèi)、外翻畸形c、d：術(shù)后8年隨訪外觀像 患肢無(wú)明顯疼痛和活動(dòng)受限，膝關(guān)節(jié)無(wú)明顯不穩(wěn)，膝關(guān)節(jié)伸直0°、屈膝＞150°，HSS評(píng)分83分Fig.6 Images of the patient 8 years after surgerya,b:Anteroposterior and lateral X-ray images review of 8 years after the operation showed that the internal fixation had been removed,and a small amount of bone was absorbed in the bone graft area.The limb alinement of the knee was satisfactory,the tibial plateau was horizontal,and there were no obvious varus deformities;c,d:Eight years after the operation,the affected limb showed no obvious pain,limited mobility,and no obvious knee instability.Therangeof motion of thekneejoint wasgreater than 150°and the HSSscorewas83

3 討論

膝關(guān)節(jié)在屈曲狀態(tài)受到來(lái)自前方的暴力作用時(shí)，易致股骨髁分離及股骨遠(yuǎn)端、脛骨近端粉碎性骨折。如果呈開放性骨折，常會(huì)導(dǎo)致骨折塊游離體外，造成嚴(yán)重的骨缺損。股骨的解剖軸呈9°外翻，負(fù)重軸呈30°外翻[7]，所以股骨髁比較容易骨折。此類創(chuàng)傷的治療，關(guān)節(jié)面的解剖復(fù)位是獲得膝關(guān)節(jié)最佳功能的先決條件[8,9]，超過15°的內(nèi)、外翻會(huì)引起創(chuàng)傷性關(guān)節(jié)炎[10]。大段的骨缺損重建需要植骨材料具有相同的組織、形態(tài)學(xué)結(jié)構(gòu)和幾何尺寸，盡可能滿足骨長(zhǎng)入，以利骨折愈合。而關(guān)節(jié)周圍的骨缺損，形狀不規(guī)則，異體骨塊較難匹配，植骨床處理及植骨結(jié)構(gòu)和形態(tài)的塑造較為棘手。術(shù)中難以精確重建關(guān)節(jié)面高度、恢復(fù)患肢力線，術(shù)后常因力線不正或關(guān)節(jié)面不平而導(dǎo)致關(guān)節(jié)退變加速、植骨塊過度吸收及骨性關(guān)節(jié)炎等并發(fā)癥。目前，怎樣將植骨替代物準(zhǔn)確塑形，達(dá)到和原解剖形態(tài)一致的結(jié)構(gòu)支撐依然是比較棘手的問題。

本病例為創(chuàng)傷性膝關(guān)節(jié)骨缺損的年輕患者，損傷較重，對(duì)關(guān)節(jié)面修復(fù)重建要求較高，需要最佳匹配的結(jié)構(gòu)支撐和成骨塑形，盡可能地恢復(fù)關(guān)節(jié)功能、減少術(shù)后并發(fā)癥。由于自體骨移植來(lái)源有限，不適用于大區(qū)域的缺損，所以選用同種異體骨塑造出高仿真形態(tài)特征的結(jié)構(gòu)支撐，對(duì)缺損區(qū)域進(jìn)行形態(tài)和功能的修復(fù)重建，達(dá)到永久性支撐和替代。術(shù)前做好完整的規(guī)劃，基于CT數(shù)據(jù)的預(yù)處理，利用Mimics軟件得到缺損區(qū)骨的復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)的反求與仿形建模，通過3D打印獲得準(zhǔn)確度和光順度很好的三維實(shí)體模型，保證術(shù)中準(zhǔn)確重建股骨外髁支撐結(jié)構(gòu)及膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)的復(fù)制。術(shù)中依照3D打印模型對(duì)備用植骨體進(jìn)行切削，打磨，塑造出跟健側(cè)形狀和表面輪廓對(duì)稱的植骨塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)患側(cè)缺損區(qū)的“重構(gòu)”，再利用股骨關(guān)節(jié)面曲面模型進(jìn)行校對(duì)和驗(yàn)證。匹配滿意后，將異體骨固定，使股骨內(nèi)外髁修復(fù)為一個(gè)整體，完成骨缺損修復(fù)重建。

早在1979年已有個(gè)體化定制金屬內(nèi)置物用于彌補(bǔ)患者腫瘤切除術(shù)后骨盆缺損[11]。近年來(lái)，3D打印技術(shù)廣泛地應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。通過3D打印技術(shù)制作出模塊實(shí)體，可以進(jìn)行術(shù)前模擬，制定個(gè)體化的實(shí)施方案，預(yù)估手術(shù)效果[12～14]。本病例基于3D打印模塊的輔助，順利實(shí)現(xiàn)對(duì)植骨塊的精準(zhǔn)切削、塑形，與缺損區(qū)進(jìn)行準(zhǔn)確的匹配，達(dá)到完整的形態(tài)修復(fù)，進(jìn)一步驗(yàn)證了3D打印模塊的精確性。其優(yōu)勢(shì)在于：利用計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)對(duì)備用骨支架或骨替代物構(gòu)建，有效修復(fù)缺損區(qū)，解決當(dāng)前骨缺損塑形的操作難題。另外，骨組織的三維重建提供了傳統(tǒng)手段無(wú)法獲得的解剖信息，為術(shù)前模擬操作提供了視覺交互手段，還可以使患者及家屬全面了解自身病情，獲得滿意的醫(yī)患交流。3D打印模塊具備與目標(biāo)模型輪廓的一致性，將二維平面獲取的信息轉(zhuǎn)換為三維實(shí)體，其精確度可以達(dá)到0.1 mm，準(zhǔn)確復(fù)制出目標(biāo)模型，滿足理想的結(jié)構(gòu)“復(fù)原”。最后，本方法使手術(shù)重建、固定更加精準(zhǔn)、簡(jiǎn)便、可靠，縮短了手術(shù)時(shí)間，減小手術(shù)創(chuàng)傷及術(shù)后并發(fā)癥，取得滿意的效果。數(shù)字化技術(shù)為骨缺損修復(fù)重建提供了一種新的路子，值得臨床推廣應(yīng)用。

本病例治療存在一些不足，同種異體骨沒有骨誘導(dǎo)作用，成骨效能低，可能導(dǎo)致遠(yuǎn)期骨吸收，仍然有可能發(fā)生創(chuàng)傷性關(guān)節(jié)炎、植骨區(qū)塌陷和肢體力線不正等并發(fā)癥。術(shù)中因考慮減少創(chuàng)傷而選擇空心釘內(nèi)固定方式帶有主觀性，可能跟遠(yuǎn)期骨吸收有關(guān)。另外，雖然正常股骨髁軟骨均勻分布，關(guān)節(jié)軟骨關(guān)節(jié)面的曲率近似于股骨髁的骨關(guān)節(jié)面，但怎樣將股骨軟骨納入3D打印，基于MRI重塑軟骨面，全面減小誤差，仍待進(jìn)一步研究。隨著組織工程的概念提出，骨髓來(lái)源的間充質(zhì)干細(xì)胞（mesenchymal stem cells，MSCs）有望應(yīng)用于臨床，它將促進(jìn)生物替代物的研制，大大維持和改善肢體的功能。后續(xù)研究還需要納入大宗病例，通過長(zhǎng)期隨訪對(duì)比研究，進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。