定制3D打印切模輔助膝關節置換術 臨床分析

劉峰+張勇+任靜+趙愛彬+呂曉峰+朱庭標

【摘要】?目的?膝關節置換手術(TKA)在定制3D打印切模輔助下完成并做初步分析。方法?在定制3D打印切模輔助下, 對12例(切模輔助組)患者15膝行膝關節置換手術；再選取12例(對照組)患者14膝行傳統膝關節置換手術。結果?手術時間、術中出血量、術后引流量、術后3個月HHS評分切模輔助組與對照組相比差異有統計學意義(P<0.05), 影像學評估股骨和脛骨機械軸的夾角(MFTA)、矢狀位脛骨后傾角(SCTA)差異有統計學意義(P<0.05)。結論?定制3D打印切模輔助膝關節置換術具有個體化、精準化、數字化、手術時間短、創傷小等優點, 可以對膝關節置換起到良好的輔助作用。

【關鍵詞】?膝關節置換；3D打印；模具

Clinical analysis of customized 3D printing mold assisted total knee placementLIU Feng, ZHANG Yong, REN Jing, et al. Qujing Frist People's Hospital, Qujing 655000, China

【Abstract】?Objective?To analyze effect of customized 3D printing mold assisted total knee placement(TKP). Methods?Aided by customized 3D printing mold, 12 patients in mold assisted group were treated with customized 3D printing mold total knee placement, 12 patients in control gorup were treated with traditional total knee placement. Results?There were statistically significant diffierences in operation time, blood loss, HHS Score, MFTA, SCTA between two goups. Conclusion?Customized 3D printing mold plays a good role in TKA .

【Key words】?Total knee placement; 3D Printing; Mold膝關節置換術(total knee arthroplasty, TKA)是迄今為止治療膝關節炎病變最為成功的手術方式之一。傳統的膝關節置換手術器械復雜、手術步驟繁瑣, 手術需要術者根據大量的骨性標志進行截骨。若術者對器械使用不熟練、對膝關節的變形認識不足, 會導致截骨不當、脛骨上端后側皮質穿孔、假體松動等并發癥［1］。即使經驗豐富的醫師, 在髓內外定位器幫助下僅憑肉眼和手術經驗判斷術中截骨、假體的擺放位置及軟組織平衡, 也可能會導致手術失敗。術中需要安裝髓內定位桿等定位工具, 增加了失血量及發生脂肪栓塞的風險。2013年10月~2014年2月在定制3D打印切模輔助下, 作者對12例患者15膝行膝關節置換手術。現報告如下。

1資料與方法

1. 1一般資料

1. 1. 1切模輔助組2013年10月~2014年2月在定制3D打印切模輔助下, 對12位患者15膝行膝關節置換手術。女10例, 男2例, 其中3例患者一期行雙膝關節置換術；所有患者為初次手術；年齡68~73歲, 平均67.7歲；術前HSS改良評分為38~49分, 平均44分。

1. 1. 2對照組隨機抽選2013~2014年間行傳統膝關節置換手術12例患者14膝作為對照組。女11例, 男1例, 其中2例患者一期行雙膝關節置換術；所有患者為初次手術；年齡65~72歲, 平均65.7歲；術前HSS改良評分為39~52分, 平均46分。切模輔助組與對照組均由同一醫師組完成。

1. 2治療方法

1. 2. 1切模輔助組術前用患者的膝關節CT掃描數據進行計算機三維建模, 利用CAD(計算機輔助設計)軟件對患者解剖結構進行測量并進行手術策劃, 根據建模數據設計個體化的手術截骨切模。將定制的手術截骨切模數字文件傳輸到3D打印機中, 利用快速成型技術打印出實體的截骨切模。

手術過程：麻醉生效后, 取膝關節前正中皮膚切口, 沿股四頭肌腱、髕骨內側緣至脛骨結節內側弧形切開髕上囊及關節囊, 關節液呈黃色, 吸干積液, 將髕骨向外側翻轉, 屈膝90°, 切除增生的滑膜組織、前交叉韌帶、內外側半月板, 清除髕骨增生的骨贅, 松解外側軟組織。將脛骨近端切模安裝在脛骨近端, 保證切模接觸面與脛骨近端骨質良好貼合, 沿切模對脛骨近端進行截骨。清除股骨周圍的骨贅, 安裝股骨切模, 保證貼合, 在切模導航下對股骨進行外翻截骨, 并確定四合一截骨模塊的安放位置, 安裝截骨模塊, 對股骨前髁、后髁、前斜角、后斜角進行截骨, 放置試模, 在其引導下進行髁間截骨。對脛骨近端進行打孔, 脈沖式沖洗約1500 ml生理鹽水, 吸干。股骨、脛骨截骨面鋪墊骨水泥, 安裝膝關節假體及墊片, 術中測量力線良好, 放置負壓引流管, 逐層縫合切口, 見圖1~4。

1. 2. 2對照組采用標準全膝關節置換術。

1. 3療效評估記錄所有病例手術時間、術中出血量、術后引流量、術后3個月HSS評分。影像學測量評估：股骨和脛骨機械軸的夾角(MFTA)；冠狀位股骨解剖軸和股骨髁切線的夾角(LDFA)；冠狀位脛骨解剖軸和脛骨平臺切線的夾角(MPTA)；矢狀位脛骨后傾角(STCA)。

1. 4統計學方法?采用SPSS10.0軟件對所得數據進行統計分析, 計量資料以均數±標準差( x-±s)表示, 采用t檢驗。P<0.05表示差異有統計學意義。

2 結果

所有病例術后隨訪, 手術時間、術中出血量、術后引流量、術后3個月評分見表1。術后影像學評估情況見表2。療效評估情況、手術時間、術中出血、術后引流量及術后HSS評分差異有統計學意義(P<0.05)。影像學評估MFTA、SCTA差異有統計學意義(P<0.05)。

表1兩組療效評估情況( x-±s)

組別 膝數 手術時間(min) 術中出血(ml) 術后引流量(ml) 術后3個月HSS評分

切模輔助組 15 81.5±21.5a 256.7±96.7a 269.1±82.6a 93.1±2.2a

對照組 14 90.9±15.9 360.7±102.9 359.2±95.1 87.8±2.7

P <0.05 <0.05 <0.05 <0.05

注：兩組比較, aP<0.05

表2兩組術后影像學評估( x-±s)

組別 膝數 MFTA LDFA MPTA STCA

切模輔助組 15 0.91±0.49a 83.9±0.59 89.8±0.77 2.99±0.81a

對照組 14 2.01±0.98 83.3±0.83 89.3±1.54 4.01±1.07

P <0.05 >0.05 >0.05 <0.05

注：兩組比較, aP<0.05

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3 討論

3. 13D打印技術又稱為快速成型技術, 它可以將計算機中設計的各種復雜的產品通過“增材技術”一次制造成形。人們已經利用3D打印技術成功制造出飛機、手槍、汽車和各種其設計的復雜產品。在醫學領域, 3D打印技術制作的人造骨骼已經成功應用于臨床。隨著該技術的不斷發展, 3D打印技術使人造器官變成可能, 可以說3D打印技術在醫學領域有著十分廣闊的應用前景。

3. 2計算機輔助設計技術和3D打印技術的飛速發展, 使臨床根據患者解剖結構進行定制工具、假體成為可能。計算機輔助設計技術可以在計算機中對患者的解剖結構進行三維建模, 利用所建立的模具可以進行結構測量、術前策劃、工具設計、甚至假體的個性化設計。而3D打印技術可以將計算機中的三維模型、工具或假體等結構復雜的數字文件生產為實物, 為臨床醫師使用［2］。

3. 3傳統TKA手術, 醫生依靠自身的臨床經驗及術中髓內外定位裝置決定手術操作, 術中截骨的角度及量、假體大小的選擇、旋轉的角度、軟組織松緊的掌控均由術者的主觀判斷決定。由于缺乏客觀、量化手術設計, 給術中進行精確的定位截骨、假體選擇及假體的擺放帶來了較大的困難, 而超過半數早期失敗的病例與術中假體擺放不當、力線不合適有關［3,4］。傳統手術截骨導向器設定的截骨角度僅有約75%的患者符合, 而25%的患者的角度與設定角度平均數相差較大, 尤其是嚴重膝關節內外翻及軟骨完全喪失者［5］。全膝關節置換手術中截骨是手術的核心, 術中是否能夠正確的解剖定位及熟練應用截骨技術是手術成功的關鍵。手術所用的定制切模, 是將患者的CT資料傳輸到計算機中, 利用CAD(計算機輔助設計)軟件對患者的解剖結構進行建模, 在計算機中對解剖模型進行測量、術前計劃并設計出個性化的截骨切模。利用3D打印機將截骨切模數字文件打印成為實物。手術時, 利用事先制作好的切模對股骨及脛骨進行截骨并使用適合患者個體的膝關節假體, 術中截骨完全是按照患者自身的解剖特點進行, 而不是傳統手術預設好的角度, 使得下肢的機械軸線得到更好的恢復, 假體安裝位置更為準確, 獲得更佳的軟組織平衡。

3. 4傳統手術利用髓內外定位導向裝置進行定位截骨, 術中需要打開股骨髓腔進行定位,髓內定位不可避免存在一定的誤差［6］。定制切模, 術中安裝簡單, 無需安裝定位器, 能明顯減少術中出血量并能減少循環系統栓子的形成, 可減少心肺腦栓塞等并發癥的發生。

綜上所述, 定制3D打印切模輔助手術技術具有個體化、精準化、數字化、手術時間短、創傷小等優點, 但術中操作仍需以醫生判斷為主, 避免由于計算機操作失誤導致手術失敗。另外該技術學習周期長, 需要有較高水平的醫生同時掌握一定的CAD軟件操作技能、軟件及3D打印機價格昂貴、術前定制需要一定的時間是該技術存在的不足。

參考文獻

［1］ Thauani R, Nakasone C, Vince KG. Periprosthetic fractures after total knee arthroplasty. J Arthroplasty, 2005(20):27-32.

［2］ Nau T, Checalier Y, Hagemeister N, et al. 3D kinematic in-vitro comparison of posterolateral corner reconstruction techniques in a combined injury model. Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc, 2005, 13(7):572-580.

［3］ Sharkey PF, Hozack WJ, Rothman RH, et al.Why are total knee arthroplastics failing today.Clin Orthop Relat Res, 2002(404):7-13.

［4］ Jerosch J, Peuker E, Philipps B, et al.Interindividual reproducibility in perioperative rotational alignement of femoral components in knee prosthetic surgery using the transepicondular axis. Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc, 2002, 10(3):194-197.

［5］ 王偉, 徐永勝.紅外線計算機導航與傳統人工全膝關節置換的相關性研究.內蒙古醫學雜志, 2013, 45(2):129-132.

［6］ Mihalko WM, Boyle J, Clark LD, et al. The variability of intramedullary alignment of the femoral component during total knee arthroplasty. J Arthroplasty, 2005, 20(1):25.

［收稿日期：2014-04-14］

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3. 13D打印技術又稱為快速成型技術, 它可以將計算機中設計的各種復雜的產品通過“增材技術”一次制造成形。人們已經利用3D打印技術成功制造出飛機、手槍、汽車和各種其設計的復雜產品。在醫學領域, 3D打印技術制作的人造骨骼已經成功應用于臨床。隨著該技術的不斷發展, 3D打印技術使人造器官變成可能, 可以說3D打印技術在醫學領域有著十分廣闊的應用前景。

3. 2計算機輔助設計技術和3D打印技術的飛速發展, 使臨床根據患者解剖結構進行定制工具、假體成為可能。計算機輔助設計技術可以在計算機中對患者的解剖結構進行三維建模, 利用所建立的模具可以進行結構測量、術前策劃、工具設計、甚至假體的個性化設計。而3D打印技術可以將計算機中的三維模型、工具或假體等結構復雜的數字文件生產為實物, 為臨床醫師使用［2］。

3. 3傳統TKA手術, 醫生依靠自身的臨床經驗及術中髓內外定位裝置決定手術操作, 術中截骨的角度及量、假體大小的選擇、旋轉的角度、軟組織松緊的掌控均由術者的主觀判斷決定。由于缺乏客觀、量化手術設計, 給術中進行精確的定位截骨、假體選擇及假體的擺放帶來了較大的困難, 而超過半數早期失敗的病例與術中假體擺放不當、力線不合適有關［3,4］。傳統手術截骨導向器設定的截骨角度僅有約75%的患者符合, 而25%的患者的角度與設定角度平均數相差較大, 尤其是嚴重膝關節內外翻及軟骨完全喪失者［5］。全膝關節置換手術中截骨是手術的核心, 術中是否能夠正確的解剖定位及熟練應用截骨技術是手術成功的關鍵。手術所用的定制切模, 是將患者的CT資料傳輸到計算機中, 利用CAD(計算機輔助設計)軟件對患者的解剖結構進行建模, 在計算機中對解剖模型進行測量、術前計劃并設計出個性化的截骨切模。利用3D打印機將截骨切模數字文件打印成為實物。手術時, 利用事先制作好的切模對股骨及脛骨進行截骨并使用適合患者個體的膝關節假體, 術中截骨完全是按照患者自身的解剖特點進行, 而不是傳統手術預設好的角度, 使得下肢的機械軸線得到更好的恢復, 假體安裝位置更為準確, 獲得更佳的軟組織平衡。

3. 4傳統手術利用髓內外定位導向裝置進行定位截骨, 術中需要打開股骨髓腔進行定位,髓內定位不可避免存在一定的誤差［6］。定制切模, 術中安裝簡單, 無需安裝定位器, 能明顯減少術中出血量并能減少循環系統栓子的形成, 可減少心肺腦栓塞等并發癥的發生。

綜上所述, 定制3D打印切模輔助手術技術具有個體化、精準化、數字化、手術時間短、創傷小等優點, 但術中操作仍需以醫生判斷為主, 避免由于計算機操作失誤導致手術失敗。另外該技術學習周期長, 需要有較高水平的醫生同時掌握一定的CAD軟件操作技能、軟件及3D打印機價格昂貴、術前定制需要一定的時間是該技術存在的不足。

參考文獻

［1］ Thauani R, Nakasone C, Vince KG. Periprosthetic fractures after total knee arthroplasty. J Arthroplasty, 2005(20):27-32.

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［5］ 王偉, 徐永勝.紅外線計算機導航與傳統人工全膝關節置換的相關性研究.內蒙古醫學雜志, 2013, 45(2):129-132.

［6］ Mihalko WM, Boyle J, Clark LD, et al. The variability of intramedullary alignment of the femoral component during total knee arthroplasty. J Arthroplasty, 2005, 20(1):25.

［收稿日期：2014-04-14］

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3. 13D打印技術又稱為快速成型技術, 它可以將計算機中設計的各種復雜的產品通過“增材技術”一次制造成形。人們已經利用3D打印技術成功制造出飛機、手槍、汽車和各種其設計的復雜產品。在醫學領域, 3D打印技術制作的人造骨骼已經成功應用于臨床。隨著該技術的不斷發展, 3D打印技術使人造器官變成可能, 可以說3D打印技術在醫學領域有著十分廣闊的應用前景。

3. 2計算機輔助設計技術和3D打印技術的飛速發展, 使臨床根據患者解剖結構進行定制工具、假體成為可能。計算機輔助設計技術可以在計算機中對患者的解剖結構進行三維建模, 利用所建立的模具可以進行結構測量、術前策劃、工具設計、甚至假體的個性化設計。而3D打印技術可以將計算機中的三維模型、工具或假體等結構復雜的數字文件生產為實物, 為臨床醫師使用［2］。

3. 3傳統TKA手術, 醫生依靠自身的臨床經驗及術中髓內外定位裝置決定手術操作, 術中截骨的角度及量、假體大小的選擇、旋轉的角度、軟組織松緊的掌控均由術者的主觀判斷決定。由于缺乏客觀、量化手術設計, 給術中進行精確的定位截骨、假體選擇及假體的擺放帶來了較大的困難, 而超過半數早期失敗的病例與術中假體擺放不當、力線不合適有關［3,4］。傳統手術截骨導向器設定的截骨角度僅有約75%的患者符合, 而25%的患者的角度與設定角度平均數相差較大, 尤其是嚴重膝關節內外翻及軟骨完全喪失者［5］。全膝關節置換手術中截骨是手術的核心, 術中是否能夠正確的解剖定位及熟練應用截骨技術是手術成功的關鍵。手術所用的定制切模, 是將患者的CT資料傳輸到計算機中, 利用CAD(計算機輔助設計)軟件對患者的解剖結構進行建模, 在計算機中對解剖模型進行測量、術前計劃并設計出個性化的截骨切模。利用3D打印機將截骨切模數字文件打印成為實物。手術時, 利用事先制作好的切模對股骨及脛骨進行截骨并使用適合患者個體的膝關節假體, 術中截骨完全是按照患者自身的解剖特點進行, 而不是傳統手術預設好的角度, 使得下肢的機械軸線得到更好的恢復, 假體安裝位置更為準確, 獲得更佳的軟組織平衡。

3. 4傳統手術利用髓內外定位導向裝置進行定位截骨, 術中需要打開股骨髓腔進行定位,髓內定位不可避免存在一定的誤差［6］。定制切模, 術中安裝簡單, 無需安裝定位器, 能明顯減少術中出血量并能減少循環系統栓子的形成, 可減少心肺腦栓塞等并發癥的發生。

綜上所述, 定制3D打印切模輔助手術技術具有個體化、精準化、數字化、手術時間短、創傷小等優點, 但術中操作仍需以醫生判斷為主, 避免由于計算機操作失誤導致手術失敗。另外該技術學習周期長, 需要有較高水平的醫生同時掌握一定的CAD軟件操作技能、軟件及3D打印機價格昂貴、術前定制需要一定的時間是該技術存在的不足。

參考文獻

［1］ Thauani R, Nakasone C, Vince KG. Periprosthetic fractures after total knee arthroplasty. J Arthroplasty, 2005(20):27-32.

［2］ Nau T, Checalier Y, Hagemeister N, et al. 3D kinematic in-vitro comparison of posterolateral corner reconstruction techniques in a combined injury model. Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc, 2005, 13(7):572-580.

［3］ Sharkey PF, Hozack WJ, Rothman RH, et al.Why are total knee arthroplastics failing today.Clin Orthop Relat Res, 2002(404):7-13.

［4］ Jerosch J, Peuker E, Philipps B, et al.Interindividual reproducibility in perioperative rotational alignement of femoral components in knee prosthetic surgery using the transepicondular axis. Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc, 2002, 10(3):194-197.

［5］ 王偉, 徐永勝.紅外線計算機導航與傳統人工全膝關節置換的相關性研究.內蒙古醫學雜志, 2013, 45(2):129-132.

［6］ Mihalko WM, Boyle J, Clark LD, et al. The variability of intramedullary alignment of the femoral component during total knee arthroplasty. J Arthroplasty, 2005, 20(1):25.

［收稿日期：2014-04-14］

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