3D打印個(gè)性化截骨模塊導(dǎo)板輔助單髁膝關(guān)節(jié)置換術(shù)的臨床療效

郭東輝，馬世強(qiáng)，董 軍，郭彬芳，邢寶瑞，趙云超，孟鄭鑫，李曉明

單髁膝關(guān)節(jié)置換術(shù)(UKA)用于治療膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎具有創(chuàng)傷小、患者恢復(fù)快的優(yōu)點(diǎn)，且能保留原有解剖結(jié)構(gòu)，膝關(guān)節(jié)本體感覺(jué)好，但翻修率高于全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)[1]，其原因可能與假體位置不良有關(guān)。隨著3D打印醫(yī)學(xué)技術(shù)日益成熟，術(shù)前可運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)使手術(shù)設(shè)計(jì)更加精準(zhǔn)，確定脛骨及股骨截骨厚度及角度，確定假體大小及型號(hào)[2-3]，提高假體下肢力線和位置的精確性。2016年12月～2018年12月，筆者采用3D打印個(gè)性化截骨模塊(PSI)導(dǎo)板輔助UKA治療26例膝內(nèi)側(cè)間室骨關(guān)節(jié)炎患者，并與28例采用傳統(tǒng)UKA治療的患者相比較，報(bào)道如下。

1 材料與方法

1.1 病例資料本組54例，按照是否采用3D打印PSI導(dǎo)板將患者分為PSI導(dǎo)板組(采用3D打印PSI導(dǎo)板輔助UKA治療，26例)及對(duì)照組(采用傳統(tǒng)UKA治療，28例)。① PSI導(dǎo)板組：男11例，女15例，年齡50～78(61.38±8.77)歲；左膝12例，右膝14例；病程6～36(20.37±8.33)個(gè)月。② 對(duì)照組：男13例，女15例，年齡55～72(66.21±8.88)歲；左膝14例，右膝14例；病程5～42(24.11±10.50)個(gè)月。兩組術(shù)前一般資料比較差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。手術(shù)均由同一位醫(yī)師主刀完成。假體采用第三代Oxford單髁膝關(guān)節(jié)組件系統(tǒng)(邦美公司生產(chǎn))。本研究經(jīng)過(guò)醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)，患者均簽署知情同意書(shū)。

1.2 PSI導(dǎo)板的設(shè)計(jì)制作① 獲取CT數(shù)據(jù)：采用Philips/Ingenuity CT進(jìn)行患肢軸向容積掃描，掃描電壓120 kV，掃面矩陣768×768，掃描層厚1.5 mm。掃描范圍以膝關(guān)節(jié)為中心，上至股骨頭上方5 cm，下至踝穴下方5 cm，掃描后數(shù)據(jù)結(jié)果以DICOM格式存儲(chǔ)。② 實(shí)體建模(下肢骨骼重建)：將患肢CT數(shù)據(jù)輸入到Mimics Research 19.0軟件中，利用閾值分割法分別選取骨組織CT值≥226 Hu進(jìn)行實(shí)體建模。③ 設(shè)計(jì)分析：將重建好的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)入3-Matic Research 11.0軟件中畫(huà)出力學(xué)、解剖軸，同時(shí)錄入不同型號(hào)的假體數(shù)據(jù)，參照假體特性進(jìn)行導(dǎo)板設(shè)計(jì)。股骨側(cè)導(dǎo)板主要是確定股骨假體的軸線，標(biāo)定股骨髁鉆孔的位置及方向，保證導(dǎo)板鉆孔方向和下肢力線一致。在股骨側(cè)位位置上將假體和股骨髁進(jìn)行比對(duì)，假體超出股骨內(nèi)髁后緣2 mm時(shí)為合適型號(hào)，在股骨髁上標(biāo)記確認(rèn)的鉆孔位置(見(jiàn)圖1A)，根據(jù)內(nèi)髁骨質(zhì)情況設(shè)計(jì)股骨側(cè)導(dǎo)板(見(jiàn)圖1B)。根據(jù)脛骨近端解剖特征進(jìn)行定位截骨，將下肢CT數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件后，與軟件中已有的脛骨假體試模在脛骨內(nèi)側(cè)平臺(tái)進(jìn)行比對(duì)(見(jiàn)圖1C)，然后選擇大小合適的假體型號(hào)。脛骨垂直截骨的位置在髁間嵴內(nèi)側(cè)前交叉韌帶附著點(diǎn)的內(nèi)側(cè)緣，截骨方向以股骨頭中心為標(biāo)記點(diǎn)，在膝關(guān)節(jié)屈伸平面上與活動(dòng)半月板的前后運(yùn)動(dòng)方向大致相同，設(shè)計(jì)脛骨側(cè)導(dǎo)板(見(jiàn)圖1D)。④ 生產(chǎn)制作：將導(dǎo)出的模型和導(dǎo)板等.stl文件載入JS-6000-H工業(yè)級(jí)3D打印機(jī)(上海黑焰醫(yī)療科技公司)，利用光敏樹(shù)脂BFOR001材料(上海黑焰醫(yī)療科技公司)通過(guò)逐層掃描、層層堆積，最終得到所需的模型和PSI導(dǎo)板。

圖1 PSI導(dǎo)板的設(shè)計(jì)制作 A.標(biāo)記假體股骨內(nèi)髁鉆孔位置;B.設(shè)計(jì)股骨側(cè)導(dǎo)板;C.與脛骨假體試模比對(duì);D.設(shè)計(jì)脛骨側(cè)導(dǎo)板

1.3 手術(shù)方法腰麻或全身麻醉?；贾糜谕庹怪Ъ埽y關(guān)節(jié)外展30°，屈曲40°，膝關(guān)節(jié)屈伸活動(dòng)110°。① 對(duì)照組：取髕旁內(nèi)側(cè)做長(zhǎng)約12 cm的直行切口，沿髕骨內(nèi)緣切開(kāi)直達(dá)脛骨結(jié)節(jié)內(nèi)側(cè)，確定內(nèi)側(cè)間室骨磨骨、前后交叉韌帶連續(xù)性及外側(cè)間室完好。切除髁間窩及內(nèi)側(cè)髁部分骨贅，插入股骨髓內(nèi)導(dǎo)向器，用鉤匙測(cè)量股骨內(nèi)髁前后徑的大小，脛骨截骨使用髓外定位，截骨導(dǎo)向器遠(yuǎn)端固定于踝部，其軸線指向踝關(guān)節(jié)中心稍內(nèi)側(cè)。脛骨水平以后傾7°進(jìn)行截骨。調(diào)整脛骨近端截骨向?qū)Т_定截骨水平，脛骨截骨水平通常在脛骨磨損最深處以下 3 mm 左右。脛骨垂直截骨位置在前交叉韌帶附著點(diǎn)的內(nèi)側(cè)緣，鋸片應(yīng)指向股骨頭中心。股骨截骨包括股骨后髁截骨和股骨遠(yuǎn)端研磨截骨，連接桿連接髓內(nèi)定位桿和股骨鉆孔向?qū)?，在股骨?nèi)髁中心相繼鉆2個(gè)? 4 mm 和? 6 mm 的孔，保證其在股骨內(nèi)髁中心，放入股骨后髁截骨向?qū)В谜徠瑢?duì)后髁截骨。插入0號(hào)研磨栓，用磨鉆研磨股骨遠(yuǎn)端。屈膝100°，插入塑料測(cè)厚器測(cè)量屈曲間隙。屈膝20°，用金屬測(cè)厚器測(cè)量伸直間隙。得到股骨遠(yuǎn)端研磨的厚度(研磨量=屈曲間隙-伸直間隙) mm，即研磨栓型號(hào)，通過(guò)進(jìn)一步研磨股骨遠(yuǎn)端即可實(shí)現(xiàn)屈伸間隙平衡。安裝假體試模，屈伸活動(dòng)墊片確認(rèn)無(wú)脫位后安裝假體，生理鹽水沖洗，關(guān)節(jié)囊周?chē)⑸潆u尾酒配方液。逐層縫合切口。② PSI導(dǎo)板組:采用術(shù)前3D打印PSI導(dǎo)板進(jìn)行股骨、脛骨截骨。緊貼脛骨內(nèi)側(cè)骨質(zhì)剝離軟組織，不要去除骨贅，否則導(dǎo)板不能找到合適位置，將脛骨PSI導(dǎo)板根據(jù)骨性特征放置在脛骨內(nèi)側(cè)，選擇貼合度最佳位置后用克氏針固定，行垂直和水平截骨，將截骨塊和導(dǎo)板截骨塊進(jìn)行比對(duì)。髁間窩和內(nèi)髁內(nèi)側(cè)骨贅同樣不要去除，股骨PSI導(dǎo)板可將內(nèi)髁包住，卡在髁間窩和內(nèi)髁內(nèi)側(cè)?？耸厢樄潭ü晒荘SI導(dǎo)板后，用? 4 mm 和? 6 mm的鉆頭鉆孔，后續(xù)操作步驟同對(duì)照組。

1.4 術(shù)后處理兩組術(shù)后24 h內(nèi)給予頭孢呋辛預(yù)防感染，常規(guī)給予非甾體抗炎藥鎮(zhèn)痛，冰敷對(duì)癥治療。兩組術(shù)后第1天至拆線均給予低分子肝素預(yù)防下肢深靜脈血栓。

1.5 觀察指標(biāo)及療效評(píng)價(jià)① 手術(shù)時(shí)間，術(shù)后下地時(shí)間，住院時(shí)間。② 以牛津單髁評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)[4]為參考計(jì)算術(shù)后假體放置角度與目標(biāo)值的差值以考察精確性：a)股骨假體翻轉(zhuǎn)角(A角)：正位片上先作出股骨解剖軸線，股骨假體中軸線與解剖軸線內(nèi)翻 6°之后的夾角，目標(biāo)值-5°(-15°～5°);b) 股骨假體屈伸角(B角)：側(cè)位片上先作出股骨解剖軸線，股骨假體中央栓與股骨解剖軸線之間的夾角,目標(biāo)值 10°(5°～15°)；c) 脛骨平臺(tái)內(nèi)外翻角(E 角)：正位片上脛骨假體橫軸的垂直線與脛骨解剖軸線的夾角,目標(biāo)值 0°(-5°～5°)；d) 脛骨假體后傾角(F角)：側(cè)位片上脛骨假體橫軸的垂直線與脛骨解剖軸線的夾角,目標(biāo)值7°(2°～12°)。③ 采用疼痛VAS評(píng)分、HSS評(píng)分、膝關(guān)節(jié)屈曲活動(dòng)度評(píng)價(jià)臨床療效。

2 結(jié)果

患者均獲得隨訪，時(shí)間11～14個(gè)月。兩組切口均一期愈合，無(wú)感染、假體脫位等并發(fā)癥發(fā)生。① 手術(shù)情況：手術(shù)時(shí)間PSI導(dǎo)板組50～68(58.08±4.31) min，明顯短于對(duì)照組的55～70(63.39±4.62) min，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)；術(shù)后下地時(shí)間PSI導(dǎo)板組4～7(5.69±0.81)h，對(duì)照組4.5～7.0(6.05±0.60) h，兩組比較差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)；住院時(shí)間PSI導(dǎo)板組6～9(7.27±0.87) d，明顯短于對(duì)照組的6～10(8.07±0.94) d，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。② 疼痛VAS評(píng)分、HSS評(píng)分、膝關(guān)節(jié)屈曲活動(dòng)度：兩組術(shù)后3個(gè)月均明顯優(yōu)于術(shù)前(P<0.05)；兩組比較差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)；見(jiàn)表1。③ 術(shù)后假體放置角度精確性比較：A、E、F角偏差值兩組比較差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)；B角偏差值兩組比較差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)；見(jiàn)表2。

表1 手術(shù)前后兩組疼痛VAS評(píng)分、HSS評(píng)分、膝關(guān)節(jié)屈曲活動(dòng)度比較

表2 兩組術(shù)后假體放置角度精確性比較

兩組典型病例見(jiàn)圖2～7。

圖2 患者，男，62歲，左側(cè)膝內(nèi)側(cè)間室骨關(guān)節(jié)炎，采用3D打印PSI導(dǎo)板輔助UKA治療 A.術(shù)前X線片，顯示左側(cè)膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)間隙狹窄，出現(xiàn)骨對(duì)骨情況;B.術(shù)前3D打印的膝關(guān)節(jié)模型及設(shè)計(jì)的PSI導(dǎo)板；C.術(shù)后1 d X線片，顯示股骨、脛骨假體位置良好；D.術(shù)后1個(gè)月X線片，顯示假體位置良好,無(wú)松動(dòng)；E.術(shù)后12個(gè)月X線片，顯示假體位置良好，無(wú)松動(dòng)、脫位 圖3 患者，女，50歲，左側(cè)膝內(nèi)側(cè)間室骨關(guān)節(jié)炎，采用3D打印PSI導(dǎo)板輔助UKA治療 A.術(shù)前X線片，顯示左側(cè)膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)間隙狹窄，出現(xiàn)骨對(duì)骨情況;B.術(shù)前3D打印的膝關(guān)節(jié)模型及設(shè)計(jì)的PSI導(dǎo)板；C.術(shù)后1 d X線片，顯示股骨、脛骨假體位置良好；D.術(shù)后1個(gè)月X線片，顯示假體位置良好,無(wú)松動(dòng)；E.術(shù)后12個(gè)月X線片，顯示假體位置良好，無(wú)松動(dòng)、脫位 圖4 患者，男，53歲，右側(cè)膝內(nèi)側(cè)間室骨關(guān)節(jié)炎，采用3D打印PSI導(dǎo)板輔助UKA治療 A.術(shù)前X線片，顯示右側(cè)膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)間隙狹窄，出現(xiàn)骨對(duì)骨情況;B.術(shù)前3D打印的膝關(guān)節(jié)模型及設(shè)計(jì)的PSI導(dǎo)板；C.術(shù)后1 d X線片，顯示股骨、脛骨假體位置良好；D.術(shù)后1個(gè)月X線片，顯示假體位置良好,無(wú)松動(dòng)；E.術(shù)后14個(gè)月X線片，顯示假體位置良好，無(wú)松動(dòng)、脫位

圖5 患者，男，59歲，左側(cè)膝內(nèi)側(cè)間室骨關(guān)節(jié)炎，采用傳統(tǒng)UKA治療 A.術(shù)前X線片，顯示左側(cè)膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)間隙狹窄，出現(xiàn)骨對(duì)骨情況;B.術(shù)后1 d X線片，顯示股骨、脛骨假體位置良好;C.術(shù)后1個(gè)月X線片，顯示假體位置良好，無(wú)松動(dòng); D.術(shù)后13個(gè)月X線片，顯示假體位置良好，無(wú)松動(dòng)、脫位 圖6 患者，男，56歲，左側(cè)膝內(nèi)側(cè)間室骨關(guān)節(jié)炎，采用傳統(tǒng)UKA治療 A.術(shù)前X線片，顯示左側(cè)膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)間隙狹窄，出現(xiàn)骨對(duì)骨情況;B.術(shù)后1 d X線片，顯示股骨、脛骨假體位置良好;C.術(shù)后1個(gè)月X線片，顯示假體位置良好，無(wú)松動(dòng); D.術(shù)后11個(gè)月X線片，顯示假體位置良好，無(wú)松動(dòng)、脫位 圖7 患者，男，55歲，左側(cè)膝內(nèi)側(cè)間室骨關(guān)節(jié)炎，采用傳統(tǒng)UKA治療 A.術(shù)前X線片，顯示左側(cè)膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)間隙狹窄，出現(xiàn)骨對(duì)骨情況;B.術(shù)后1 d X線片，顯示股骨、脛骨假體位置良好;C.術(shù)后1個(gè)月X線片，顯示假體位置良好，無(wú)松動(dòng); D.術(shù)后12個(gè)月X線片，顯示假體位置良好，無(wú)松動(dòng)、脫位

3 討論

對(duì)于單純累及內(nèi)側(cè)間室的膝骨關(guān)節(jié)炎臨床一般采用UKA治療[5]，因其具有截骨少、創(chuàng)傷小、手術(shù)時(shí)間短、患者本體感覺(jué)良好、步態(tài)更接近正常等優(yōu)點(diǎn)[6]。與全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)在安全性方面相比，UKA具有更低的并發(fā)癥發(fā)生率及病死率[7]。另外，UKA更適合于年輕患者，即使手術(shù)失敗后再進(jìn)行翻修手術(shù)也簡(jiǎn)單。但該技術(shù)要求高、學(xué)習(xí)曲線長(zhǎng)[8-10]，目前術(shù)中假體安放位置主要依靠術(shù)者的經(jīng)驗(yàn)，不準(zhǔn)確率可達(dá)30%[11],下肢力線的偏差會(huì)造成脛骨聚乙烯襯墊磨損或外側(cè)間室軟骨磨損[12]，進(jìn)而需進(jìn)行翻修。隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)和3D打印技術(shù)的發(fā)展，個(gè)體化PSI導(dǎo)板逐漸應(yīng)用于臨床，術(shù)中使用3D打印的截骨導(dǎo)板進(jìn)行精確截骨，可準(zhǔn)確恢復(fù)下肢力線，使假體大小及位置更符合生理要求。本研究中，手術(shù)時(shí)間、住院時(shí)間PSI導(dǎo)板組明顯短于對(duì)照組(P<0.05)；術(shù)后下地時(shí)間兩組比較差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。術(shù)后3個(gè)月疼痛VAS評(píng)分、HSS評(píng)分、膝關(guān)節(jié)屈曲活動(dòng)度兩組均明顯優(yōu)于術(shù)前(P<0.05)，兩組比較差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。

本研究中采用第三代Oxford單髁膝關(guān)節(jié)組件系統(tǒng)，股骨假體采用單半徑球形及活動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)，半月板-股骨界面(球臼)允許屈伸運(yùn)動(dòng)，半月板脛骨界面可水平運(yùn)動(dòng)，與全膝關(guān)節(jié)置換相比，股骨假體和脛骨假體的角度力線偏差允許度高。牛津單髁評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)單柱假體在角度偏差方面進(jìn)行了規(guī)定，超過(guò)此范圍會(huì)增加假體的磨損。本研究采用的假體是雙柱第三代Oxford單髁膝關(guān)節(jié)假體，增加了股骨假體的屈曲度，股骨假體中央柱與股骨解剖軸線之間的夾角目標(biāo)值由原來(lái)的 0°增加為10°，關(guān)節(jié)接觸面積增加了，高屈曲時(shí)的峰值壓力減少了。因此，我們將B角度目標(biāo)值設(shè)定為10°，比較兩組假體角度的精確性。本研究中，手術(shù)前后A、E、F角偏差值兩組比較差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)；B角偏差值兩組比較差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。分析原因：① 3D打印PSI導(dǎo)板可以精確地設(shè)計(jì)下肢力線，臨床中過(guò)多關(guān)注冠狀面的力線，計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)力線比較容易。由于存在股骨頸前傾角，設(shè)計(jì)矢狀面力線會(huì)有所偏差，而且PSI導(dǎo)板放置時(shí)前后位置的變化也會(huì)導(dǎo)致假體位置的變化，造成偏離目標(biāo)值的個(gè)數(shù)偏多。② 股骨開(kāi)髓孔位置的變化包括前后方向和左右方向的偏差，因?yàn)樗枨粭U比較細(xì)，開(kāi)口位置的變化以及髓腔桿的方向都會(huì)對(duì)假體的位置造成影響，造成B角偏差的個(gè)數(shù)比較多。第三代Oxford單髁膝關(guān)節(jié)組件系統(tǒng)股骨假體位置在前后方向的包容性強(qiáng)，本研究中兩組B角偏差個(gè)數(shù)均較多，即股骨假體的屈曲度增加了，但兩組均未出現(xiàn)因屈曲角度偏大而發(fā)生墊片和股骨髁撞擊現(xiàn)象，說(shuō)明對(duì)膝關(guān)節(jié)屈伸運(yùn)動(dòng)無(wú)太大影響。

綜上所述，3D打印PSI導(dǎo)板輔助UKA治療膝內(nèi)側(cè)間室骨關(guān)節(jié)炎可提高脛骨假體的精準(zhǔn)性及股骨假體在冠狀面的精準(zhǔn)性，具有手術(shù)時(shí)間短、創(chuàng)傷小、患者恢復(fù)快的優(yōu)點(diǎn)，短期臨床療效較好。