3D 打印個(gè)性化導(dǎo)航截骨導(dǎo)板在膝關(guān)節(jié)置換中的應(yīng)用研究進(jìn)展

吳小寶 馮 坤 田大為

湖北醫(yī)藥學(xué)院附屬?lài)?guó)藥東風(fēng)總醫(yī)院骨關(guān)節(jié)外科，湖北十堰 442000

關(guān)節(jié)置換是終末期膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎（knee osteoarthritis，KOA）的有效治療方式，可以減輕疼痛，改善膝關(guān)節(jié)功能，重建下肢力線(xiàn)，提高患者的生活質(zhì)量[1]。膝關(guān)節(jié)置換種類(lèi)多樣，常見(jiàn)有全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)（total knee arthroplasty，TKA）、膝關(guān)節(jié)單髁置換術(shù)（unicompartmental knee arthroplasty，UKA）等。膝關(guān)節(jié)置換的影響因素較多，如精準(zhǔn)的截骨直接決定了假體位置的放置[2-3]。目前常采用的截骨方法有測(cè)量截骨法、平衡間隙法，甚至手術(shù)導(dǎo)航、骨科機(jī)器人等先進(jìn)的數(shù)字化技術(shù)[4]，截骨效果不一。3D 打印個(gè)性化導(dǎo)板（patientspecific instrument，PSI）也應(yīng)用于膝關(guān)節(jié)置換截骨中，具有良好的臨床效果，本文對(duì)其進(jìn)行綜述。

1 膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)、膝關(guān)節(jié)置換種類(lèi)及目前截骨方法

膝關(guān)節(jié)由股骨下端、脛骨上端和髕骨組成，構(gòu)成內(nèi)側(cè)股脛關(guān)節(jié)（內(nèi)側(cè)間室）、外側(cè)股脛關(guān)節(jié)（外側(cè)間室）和髕股關(guān)節(jié)（髕股間隙）[5]。在下肢冠狀面，存在負(fù)重軸、機(jī)械軸及解剖軸。下肢負(fù)重軸也稱(chēng)身體縱軸線(xiàn)，與地面垂直。下肢力線(xiàn)也稱(chēng)作下肢機(jī)械軸線(xiàn)，與負(fù)重軸存在3°外翻。解剖軸相對(duì)于人體中線(xiàn)大約有9°外翻，因此機(jī)械軸與解剖軸二者之間存在6°夾角，此夾角也稱(chēng)遠(yuǎn)端股骨角[6]；股骨解剖軸與脛骨解剖軸在膝關(guān)節(jié)中心相交形成一向外側(cè)的夾角，稱(chēng)為脛股角[7]，約174°。在矢狀位，股骨有一前弓，正常成人股骨前弓角為（10.6±1.8）°[8]。見(jiàn)圖1。

根據(jù)KOA 波及的間室不同，可對(duì)相應(yīng)間室進(jìn)行置換。根據(jù)置換間室數(shù)量可分為：?jiǎn)伍g室置換、雙間室置換及三間室置換。單間室置換包括單髁置換、髕股關(guān)節(jié)置換；雙間室置換包括單髁置換聯(lián)合髕股關(guān)節(jié)置換；三間室置換為T(mén)KA。

影響膝關(guān)節(jié)置換的因素很多，如手術(shù)指征的選擇、手術(shù)技巧、假體的選擇、術(shù)后的功能鍛煉等因素。下肢力線(xiàn)和假體旋轉(zhuǎn)軸線(xiàn)的準(zhǔn)確定位是關(guān)乎膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)成敗的兩個(gè)關(guān)鍵因素[9]。

在膝關(guān)節(jié)置換中，截骨是其中最重要的一步，關(guān)系到術(shù)中對(duì)位對(duì)線(xiàn)、假體的位置。目前主要截骨方法是術(shù)者根據(jù)患者膝關(guān)節(jié)畸形特點(diǎn)，設(shè)計(jì)截骨角度，術(shù)中通過(guò)截骨導(dǎo)板進(jìn)行截骨，其效果更多與術(shù)者的臨床經(jīng)驗(yàn)有關(guān)，主觀性較強(qiáng)，其手術(shù)的可靠性與精確性受到了質(zhì)疑。近年來(lái)，隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)導(dǎo)航、機(jī)器人[10]等數(shù)字技術(shù)應(yīng)用在關(guān)節(jié)置換中，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)關(guān)節(jié)置換定位不準(zhǔn)的缺陷，但由于其存在需要術(shù)前注冊(cè)、學(xué)習(xí)曲線(xiàn)長(zhǎng)及費(fèi)用高等一系列問(wèn)題，未取得廣泛應(yīng)用。

2 3D 打印

3D 打印是指利用數(shù)字信息創(chuàng)建物理模型的一系列制造技術(shù)[11]，又名快速原型制作技術(shù)[12-13]。增材制造、快速成型、快速制造、實(shí)體自由制造等，分別從不同側(cè)面表達(dá)了這一技術(shù)的特點(diǎn)。3D 打印技術(shù)可以制作出任何理想的物體[14]，操作簡(jiǎn)單，對(duì)硬件場(chǎng)地要求低，受到了各行各業(yè)廣泛的青睞。

目前3D 打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)中主要分為以下3 個(gè)階段，初級(jí)階段：主要是聚乙烯材料制造各種類(lèi)型的模型，廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)的診斷和教學(xué)實(shí)踐中。中級(jí)階段：即直接打印出人體內(nèi)的植入物，達(dá)到個(gè)性化診療。高級(jí)階段：打印人體器官，即生物打印。

3 3D 打印導(dǎo)航截骨導(dǎo)板在關(guān)節(jié)置換中的應(yīng)用

膝關(guān)節(jié)置換術(shù)涉及股骨及脛骨多次截骨，術(shù)中需要多次使用不同截骨導(dǎo)板進(jìn)行。而作為一種工具，3D打印導(dǎo)航截骨導(dǎo)板體現(xiàn)了術(shù)者對(duì)膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)原理及步驟的理解，來(lái)輔助完成一部分或者多部分的截骨步驟，起到簡(jiǎn)化手術(shù)步驟，提高手術(shù)精準(zhǔn)性的作用，因此打印截骨導(dǎo)板種類(lèi)多樣，作用不一。目前截骨導(dǎo)板主要在全膝關(guān)節(jié)置換及單髁置換中應(yīng)用。

3.1 3D 打印導(dǎo)航截骨導(dǎo)板在TKA 中的應(yīng)用

TKA 目前在臨床使用較多，首先進(jìn)行股骨遠(yuǎn)端及脛骨近端截骨，完成伸直間隙截骨；再參考股骨旋轉(zhuǎn)軸線(xiàn)完成屈曲間隙截骨，即前后髁的截骨；還需完成脛骨平臺(tái)旋轉(zhuǎn)定位，股骨髁間截骨。TKA 單純股骨側(cè)需要完成6 次截骨，具體見(jiàn)圖2。主要通過(guò)術(shù)者術(shù)前規(guī)劃確定截骨角度，術(shù)中通過(guò)解剖標(biāo)識(shí)，通過(guò)定位釘固定截骨導(dǎo)板完成截骨。TKA 有很多截骨的關(guān)鍵步驟，如股骨開(kāi)髓點(diǎn)的確定、截骨導(dǎo)板的定位釘放置點(diǎn)、截骨導(dǎo)板的放置。目前3D 打印導(dǎo)板在TKA中使用較多，主要為3D 打印定位釘導(dǎo)板和截骨槽導(dǎo)板。

3.1.1 股骨開(kāi)髓點(diǎn)定位導(dǎo)板 股骨開(kāi)髓點(diǎn)是用于尋找股骨解剖軸，臨床定位于后交叉韌帶止點(diǎn)上方1 cm左右，是股骨遠(yuǎn)端截骨關(guān)鍵的第一步。術(shù)前術(shù)者會(huì)根據(jù)患者影像學(xué)資料進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，若開(kāi)髓點(diǎn)偏前，易形成假體過(guò)伸，造成notch 骨折；若開(kāi)髓點(diǎn)偏后，則易形成假體過(guò)屈安置[15]。借助于3D 打印，孫茂淋等[16-17]制作了開(kāi)髓點(diǎn)定位導(dǎo)板，同時(shí)將股骨通髁線(xiàn)定位孔設(shè)計(jì)在導(dǎo)航導(dǎo)板上。采用四點(diǎn)固定，固定位置分別位于股骨內(nèi)上髁（2 處）、外上髁（1 處）及前髁（1 處），發(fā)現(xiàn)該導(dǎo)板能準(zhǔn)確定位股骨入髓位置，并且能夠確定股骨外旋角度并定位，將兩個(gè)功能集合在一個(gè)導(dǎo)板上，使其對(duì)股骨遠(yuǎn)端外翻截骨及后髁外旋截骨均能夠有指導(dǎo)意義，明顯縮短了入髓深度，實(shí)現(xiàn)快速定位股骨髁上軸方向，定位準(zhǔn)確，還能檢驗(yàn)及校對(duì)股骨前后髁截骨準(zhǔn)確性。股骨開(kāi)髓點(diǎn)定位導(dǎo)板具體病例見(jiàn)圖3。

3.1.2 匹配股骨遠(yuǎn)端截骨器、四合一截骨器定位釘孔位置的定位導(dǎo)板 在TKA 中，截骨導(dǎo)板通過(guò)定位釘進(jìn)行固定，錯(cuò)誤的定位釘位置將導(dǎo)致截骨導(dǎo)板位置異常，最終導(dǎo)致截骨異常，定位釘也是影響假體位置的重要因素。牛鳴等[18]制作了3D 打印導(dǎo)板，其定位釘孔的位置與傳統(tǒng)脛骨側(cè)、股骨遠(yuǎn)端截骨器的定位釘孔位置保持一致，而邱冰等[19]所設(shè)計(jì)的3D 打印導(dǎo)板中增加了四合一截骨器的定位釘孔位置，通過(guò)固定骨釘?shù)奈恢脹Q定定位導(dǎo)板位置，將截骨器沿骨釘安裝、固定完成膝關(guān)節(jié)伸直間隙和屈曲間隙的截骨；術(shù)者無(wú)需打開(kāi)髓腔，減少了深度靜脈血栓及因髓內(nèi)定位引起的髓內(nèi)出血、脂肪栓塞等手術(shù)并發(fā)癥的出現(xiàn)[20-21]，簡(jiǎn)化手術(shù)過(guò)程；而且通過(guò)移動(dòng)接骨板可以實(shí)現(xiàn)截骨的加截和減截，由術(shù)者控制截骨量大小，給術(shù)者更多的選擇。具體病例見(jiàn)圖4。

3.1.3 股骨遠(yuǎn)端和脛骨近端的截骨導(dǎo)板 尹治輝等[22]定制個(gè)性化膝關(guān)節(jié)置換截骨導(dǎo)板，為股骨遠(yuǎn)端和脛骨近端截骨導(dǎo)板，即所謂的膝關(guān)節(jié)置換的“第一二刀”，完成膝關(guān)節(jié)伸直間隙截骨操作；無(wú)需股骨開(kāi)髓，減少對(duì)股骨髓腔損傷，但是截骨量術(shù)前已經(jīng)確定，術(shù)中不能更改，僅用于伸直間隙的截骨，膝關(guān)節(jié)屈膝間隙仍需要傳統(tǒng)截骨導(dǎo)板完成。這是全膝關(guān)節(jié)置換使用最多的3D 打印截骨導(dǎo)板。具體病例見(jiàn)圖5。

3.1.4 股骨四合一截骨導(dǎo)板 術(shù)前術(shù)者對(duì)PSI 放置的位置，截骨厚度、角度進(jìn)行綜合規(guī)劃，并進(jìn)行模擬操作，設(shè)計(jì)股骨遠(yuǎn)端及四合一截骨導(dǎo)板，劉云可等[23]制作個(gè)性截骨導(dǎo)板，行股骨側(cè)四合一截骨，即此導(dǎo)板能夠一次完成股骨遠(yuǎn)端和前后髁截骨，即膝關(guān)節(jié)伸直屈膝間隙的截骨，該導(dǎo)板僅需髓腔外定位，截骨操作更加簡(jiǎn)單，術(shù)前即對(duì)截骨量和角度進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)術(shù)前規(guī)劃的準(zhǔn)確性有高度依賴(lài)；而截骨必須與相應(yīng)假體相匹配，否則會(huì)造成截骨假體不匹配等災(zāi)難性后果。

3.2 3D 打印導(dǎo)航截骨導(dǎo)板在UKA 中的應(yīng)用

UKA 是治療內(nèi)外單間室骨性關(guān)節(jié)炎的一種重要手段。其脛骨截骨與TKA 相同，按照脛骨平臺(tái)進(jìn)行7°后傾截骨，而股骨截骨為后髁截骨及遠(yuǎn)端研磨截骨[24-25]。

3.2.1 脛骨截骨槽截骨導(dǎo)板 樊宗慶等[26]制作了脛骨截骨槽截骨導(dǎo)板，導(dǎo)板貼服后安裝固定，沿截骨導(dǎo)板直接截骨。

3.2.2 股骨和脛骨定位釘截骨導(dǎo)板 Ollivier 等[27]及聶宇等[28]設(shè)計(jì)制作的脛骨近端定位孔導(dǎo)板，放置于關(guān)節(jié)表面，使其與關(guān)節(jié)表貼服后鉆孔打釘固定，確定切割導(dǎo)向器的方向。顧飛等[29]設(shè)計(jì)的PSI 增加了股骨定位釘孔的位置，術(shù)中保留股骨內(nèi)髁、髁間窩及脛骨平臺(tái)骨贅便于導(dǎo)板定位，導(dǎo)板與骨面貼服后固定，鉆孔插入定位釘，在定位釘上套入相匹配的截骨器截骨。

4 應(yīng)用3D 打印導(dǎo)航截骨導(dǎo)板的優(yōu)缺點(diǎn)及展望

應(yīng)用該導(dǎo)板的優(yōu)點(diǎn)：①術(shù)前規(guī)劃，通過(guò)術(shù)前采集患者下肢影像學(xué)資料，精確測(cè)量下肢力線(xiàn)，確定截骨角度及截骨量[19]；②術(shù)前演練，術(shù)前1∶1 打印實(shí)物模型進(jìn)行術(shù)前演練操作，可縮短學(xué)習(xí)周期；③簡(jiǎn)化手術(shù)操作過(guò)程，提高手術(shù)精度，通過(guò)3D 打印導(dǎo)板輔助手術(shù)可減少手術(shù)時(shí)間[30]，保證假體安放的準(zhǔn)確性和下肢力線(xiàn)恢復(fù)的精準(zhǔn)性。④實(shí)現(xiàn)個(gè)性化截骨，目前傳統(tǒng)方式截骨相對(duì)固定和程序化，使用3D 打印導(dǎo)板則可實(shí)現(xiàn)手術(shù)的個(gè)性化。⑤根據(jù)截骨量可預(yù)測(cè)膝關(guān)節(jié)置換假體大小[29]。

應(yīng)用該導(dǎo)板的缺點(diǎn)：①CT 掃描無(wú)軟骨特征，故術(shù)前設(shè)計(jì)需綜合考慮軟骨厚度，術(shù)中截骨模板定位孔時(shí)，需清理關(guān)節(jié)表面定位孔處軟骨及多余骨贅[22，26]。②導(dǎo)板需穩(wěn)穩(wěn)與關(guān)節(jié)面或者骨面貼服，貼服度影響截骨的精準(zhǔn)性，而充分剝離會(huì)增加出血量，延長(zhǎng)手術(shù)時(shí)間。③住院費(fèi)用增加，術(shù)前需采集全下肢立位X 線(xiàn)，及膝關(guān)節(jié)MRI、CT 會(huì)額外增加患者的費(fèi)用。④住院時(shí)間的增加，3D 打印模型及導(dǎo)板的制作，需額外延長(zhǎng)患者2～3 d 的住院時(shí)間。⑤3D 打印設(shè)備及材料的費(fèi)用較高[31-33]。

綜合所述，3D 打印截骨導(dǎo)板在關(guān)節(jié)置換中擁有較高的臨床應(yīng)用價(jià)值，隨著3D 打印技術(shù)的成熟和普及，結(jié)合3D 打印膝關(guān)節(jié)假體，手術(shù)將實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化，膝關(guān)節(jié)置換將造福更多患者。