3D打印截骨模塊輔助下全膝關節置換術中與術前虛擬截骨的精確度比較

陳國仙 李國山 林宗錦 陳宣煌 翁 振 許國松 曾清東 陳偉義 林衛挺

(莆田市第一醫院關節外科，福建 莆田 351100)

全膝關節置換術(TKA)是治療某些終末期膝關節疾病的有效方法〔1，2〕，能夠解除膝關節疼痛，恢復膝關節生理力線，恢復膝關節正常的功能。決定TKA術后療效主要包括：術后下肢力線恢復、假體安裝的位置、病人的選擇等[3，4]，而影響假體位置和術后肢體力線主要取決于術中的截骨和軟組織平衡，所以TKA術中截骨操作的精確度最終可影響假體的使用壽命和TKA術后的療效。目前臨床上常用的傳統截骨工具是依據基于歐美人體解剖學特點而設計研發的，與國人膝關節解剖的匹配度有差異。國內臨床醫師根據經驗在術中選用不同型號的試模逐一進行比對匹配，假體大小的選擇往往取決于術者的經驗而非客觀數據，從而影響TKA術后的療效。目前3D打印技術已應用于骨科臨床，主要涉及實物模型的制作、手術輔助材料的打印、內植物的打印等〔5～8〕。在國內3D打印技術運用于TKA術中的研究較少，關于3D打印截骨模塊在TKA中指導截骨是否準確的研究目前沒有報道。本實驗通過術中截骨厚度的測量與術前計算機測量結果進行比較分析，對3D打印截骨模塊輔助下TKA截骨的精確度進行評價。

1 資料與方法

1.1一般臨床資料 選擇莆田市第一醫院2015年3～8月經膝關節正側位X線片證實為原發病變明確的晚期膝關節骨關節炎或類風濕關節炎患者。納入標準：①經保守治療無效，擬行單側膝關節置換的骨關節炎或類風濕關節炎患者；②雙下肢靜脈彩超均未見異常；③所有患者簽署知情同意書，并獲得醫院倫理委員會批準。排除標準為：①TKA手術禁忌證；②膝關節翻修術者；③凝血功能異常；④嚴重肝腎功能不全。本研究共納入20 例，其中男 8 例，女 12 例，年齡65～83(平均72.5)歲，病程3～20年。術前診斷:骨關節炎13例，類風濕性膝關節炎7例；膝關節內翻15例，膝關節外翻5例，術前美國特種外科醫院(HSS)膝關節評分為(48.8±2.1)分。

1.2術前準備 常規行心電圖、肺功能、下肢深靜脈彩色超聲檢查及血生化、凝血功能檢查， 了解患者重要臟器功能及有無手術禁忌證。術前常規行下肢全長正側位X線、雙下肢CT掃描檢查。將掃描的Dicom格式數據導入Mimics.14軟件(Materialise公司，比利時)，對下肢進行三維重建，將重建的下肢骨骼模型以STL格式保存，然后在2D視圖下測定脛骨平臺后傾角、股骨外旋角及外翻，確定術中使用的脛骨及股骨假體型號，并測量術中股骨遠端和脛骨近端截骨量，設計脛骨和股骨側截骨模塊，最后利用Replicator-2 3D打印機(Maker Bot公司，美國)，采用聚乳酸打印材料，打印股骨和脛骨截骨模塊。術前進行低溫等離子消毒。

1.3手術過程 所有患者手術由同一醫生主刀完成。全身麻醉，取膝關節前正中切口，由髕骨內緣進入，骨顯露膝關節，切除增生的滑膜組織、前后交叉韌帶及半月板，松解軟組織，咬除脛骨近端和股骨的骨贅及關節軟骨，將3D打印截骨模塊緊密貼合脛骨近端和股骨遠端骨皮質，用標準鋸片(1.2 mm厚)完成脛骨、股骨關節面的截骨。由同一位不知道計算機測量結果的骨科醫生，用游標卡尺測量股骨遠端、脛骨平臺最高點和脛骨平臺最低點截骨厚度，將人工測量的截骨片厚度加上在切骨中丟失的骨的厚度作為術中最終測量的厚度。放置試模，復位膝關節觀察膝關節屈伸活動度良好、屈伸間隙平衡后取出試模，脈沖式槍沖洗膝關節，安裝膝關節假體及墊片，放置負壓引流管，逐層縫合。

1.4術后處理及療效評價 術后常規使用低分子肝素鈣預防血栓，抗生素預防感染，非甾體藥物使用鎮痛處理，術后48 h拔除引流管，術后即行下肢功能鍛煉，術后3 d拍片復查觀察下肢力線恢復。下肢力線測量是髖關節中點到膝關節中點的連線與膝關節中點到踝關節中點的連線的夾角即是機械脛股角(MFT)。采用HSS膝評分評價膝關節功能恢復情況，記錄術后3個月的HSS膝評分。

1.5統計學方法 采用 SPSS17.0 軟件進行t檢驗。

2 結 果

2.1預后 本實驗所有患者手術順利，手術時間為(70.5±3.6)min。所有患者術后獲得3個月隨訪，其中1例合并糖尿病者切口延遲愈合，經過對癥處理3 w后全愈合，其余患者術后無切口感染、深靜脈血栓、皮膚大面積瘀斑等并發癥。

2.23D打印截骨模塊輔助下TKA術后療效 術后3個月隨訪，膝關節活動良好，其HSS膝關節評分增至(88.6±2.8)分，與術前HSS膝關節評分(48.8±2.1)分對比差異顯著(t=-22.36，P=0.00)。3D打印截骨模塊輔助下TKA術前下肢線MFT〔(8.4±2.6)°〕與術后下肢力線MFT對比同樣具有顯著差異〔(2.2±1.3)°,t=7.56，P=0.00〕。

2.33D打印截骨模塊下TKA術中各部位截骨厚度測量與術前計算機測量對比分析 股骨遠端截骨厚度術前計算值為(9.28±0.52)mm，術中測量值為(9.15±0.62)mm；脛骨平臺最高點截骨厚度術前計算值為(10.18±0.49)mm，術中測量值為(10.25±0.45)mm；脛骨平臺最低點截骨厚度術前計算值為(3.48±0.07)mm，術中測量值為(3.22±0.09)mm，三組術中及術前計算機截骨厚度測量均無統計學差異(t=1.32，P=0.53；t=-0.78,P=0.49和t=1.68，P=0.68)。3D打印截骨模塊能夠較精確指導TKA中截骨。

3 討 論

TKA手術最主要的目的就是獲得理想的下肢力線〔9,10〕，從而使得安裝假體的負載分布得到優化，防止負載出現偏移，利于假體獲得長期的生存率。有研究報道〔11〕手術失敗率增高、假體壓力增加和術后功能得分低等都與術后下肢的力線和假體的位置不良有關。還有研究〔12〕發現臨床上對于傳統機械定位系統，即是由經驗豐富的醫生操作，下肢力線對線誤差超過3°的發生率也至少為10%。有研究表明任何與機械軸的成角都會影響假體的使用壽命,理想的假體位置是脛骨、股骨端的假體分別垂直于各自的機械軸〔13〕。生物力學試驗〔14〕證明股骨和脛骨假體對線內外翻大于4°可明顯加速聚乙烯襯墊磨損，從而引起假體松動、關節不穩，甚至早期失敗，術后還可以產生疼痛、活動受限，影響患者術后的滿意率。很多研究〔15～20〕顯示計算機輔助導航法在全膝關節置換中的應用較傳統方法明顯提高了下肢力線和假體旋轉軸線的準確性,但其受到計算機導航設備費用昂貴，術中操作技術學習曲線長，術中所需手術時間較常規手術時間要長半小時至1 h，可能會增加感染機會等因素的限制，在基層醫院不容易開展和推廣。3D 打印技術作為一種新發展的技術，該技術包括逆向工程技術和快速成型技術。目前3D 打印技術已在工業制造領域、生物醫療領域等得到發展迅速，并取得了一定的成效。近年來3D打印技術已逐漸應用于骨科領域，國內已有較多研究〔21〕顯示3D導航模板技術成功應用于脊柱內固定領域,使得復雜脊柱手術簡單化、精準化。3D打印技術也應用于骨盆腫瘤領域的研究報道〔22〕，在打印的骨盆模型上切除半骨盆，然后設計個性化人工半骨盆假體，取得了滿意臨床效果。3D打印技術還應用于骨折領域的研究報道〔23〕，指導復雜骨折，并取得較好的臨床效益。國內近期同樣運用該技術于髖關節置換及髖關節翻修領域的研究報道〔24，25〕，使關節置換中假體安放位置的準確性、假體型號的選擇、術前骨缺損的評估等技術難題得到解決。對于國內3D打印技術應用于膝關節領域研究報道較少，本實驗通過術中截骨厚度的測量與術前計算機測量結果進行比較分析，對3D打印截骨模塊輔助下TKA截骨的精確度進行評價。決定TKA術后療效主要包括：術后下肢力線恢復、假體安裝的位置，當術中能夠準確進行按照術前計算機設計的截骨量進行精準截骨，使用假體安裝位置良好，為恢復術后良好的下肢力線做必要準備。本實驗研究結果說明3D打印截骨模塊可以更精確指導TKA術中的截骨，能更精確指導術中假體放置位置,從而得到更精確的下肢力線，促進TKA術后膝關節功能更好的恢復。