3D打印截骨導板在內側開放楔形脛骨高位截骨術中的應用研究

高潤子，高衡，汪樹林，張永祥，沈計榮

(1.南京中醫藥大學，江蘇 南京 210023；2.南京中醫藥大學附屬醫院，江蘇 南京 210029；3.江蘇省中醫院，江蘇 南京 210029)

《中華醫學會骨科學分會骨關節炎診治指南(2007年版)》指出，60歲以上人群中骨關節炎的發病率可達50%[1]。膝關節作為下肢負重的主要關節之一，是骨關節炎的好發部位。自1961年Jackson等[2]提出外側閉合楔形脛骨高位截骨術治療內翻畸形引起的膝關節內側骨關節炎的方法以來，脛骨高位截骨(high tibial osteotomy，HTO)現已廣泛應用于糾正內翻畸形、治療膝關節內側間室骨關節炎等方面。隨著計算機技術、材料學和3D打印機的發展，基于增材制造技術的3D打印技術在骨科已廣泛應用于手術模型、康復器械、個體化內植物及手術導板[3]。國內關于3D打印技術輔助內側開放楔形脛骨高位截骨術(medial open wedge high tibial osteotomy，MOWHTO)的臨床報道較少，本文將以此為背景，回顧性研究采用3D打印截骨導板輔助下的MOWHTO技術治療膝骨關節炎伴內翻畸形14例15膝的影像學數據和臨床療效，探討3D打印輔助下MOWHTO的可行性，為精準化、個體化MOWHTO治療膝關節骨關節炎提供一種方法。

1 資料與方法

1.1 一般資料 本組共14例15膝，其中男5例5膝，女9例10膝；年齡47～67歲，平均年齡55.1歲；單膝13例，雙膝1例。患者身體質量指數(body mass index，BMI)平均24.7。術前予X線評估患者膝關節力線，內翻角度6°～16.5°，平均10.0°。

1.2 納入及排除標準 納入標準：a)年齡小于70歲(女性小于65歲)；b)膝關節屈曲畸形小于10°，脛骨內翻畸形大于5°，脛骨近端內側角(medial proximal tibial angle，MPTA)小于85°；c)外側半月板及軟骨功能正常；d)患者主要表現為內側關節間隙疼痛，經保守治療無效；e)有較強保膝愿望，并選擇脛骨高位截骨手術方式者，簽署知情同意書，隨訪資料完整。排除標準：a)嚴重關節退變(AhlbackⅢ級及以上)或合并嚴重髕股關節炎者；b)膝關節屈曲畸形大于15°者；c)嚴重膝關節不穩定者(脛骨外側推力下，不穩定大于等于1 cm)；d)既往患膝有手術史、感染史，術前雙下肢B超有血栓者；e)膝關節外側間室存在軟骨磨損及半月板損傷者；f)類風濕性關節炎患者；g)合并肝、腎、神經系統等嚴重原發性疾病者。

1.3 3D打印導板制備 術前予患者拍攝標準站立位雙下肢站立位全長X線片，確定目標力線后，設計外側合頁點和截骨線，以Miniaci法在X線片上測量截骨角度。連接股骨頭中心和Fujisawa點，以此為目標力線。連接合頁點和踝關節中心，以此連線為半徑，繞合頁點旋轉，直至與目標力線相交，此旋轉角度即為設計需矯正角度(見圖1)。

術前拍攝膝關節CT，以DICOM格式導出數據，將數據導入寶葫蘆軟件(上海鋒算計算機技術有限公司)，進行膝關節建模、截骨面設計、噴涂釘道、導板設計、導板生成等計算機設計過程，將膝關節模型和導板模型數據以Stl格式保存，并導入3D打印軟件Cura(Ultimsker公司)中，導出Gcode打印代碼，最后用艾利斯通3D打印機以聚乳酸(polylactic acid，PLA)材料打印出脛骨模型及截骨導板，采用低溫等離子消毒后，應用于術中輔助手術(見圖2～3)。

1.4 手術方法 患者全麻后取平臥位，做自關節水平線至鵝足縱行切口設計，充分暴露脛骨后緣及后內側后，將術前低溫等離子消毒過的截骨導板與骨面貼合于最服帖位置，從克氏針孔中依次鉆入2枚克氏針，針尖突破對側皮質后C型臂透視，確定克氏針所在位置，并用同長度克氏針測量出鉆入克氏針的深度。擺鋸沿兩克氏針確定平面行水平截骨，截骨深度為鉆入克氏針深度減去1 cm，以保留1 cm外側合頁，隨后行上行截骨。骨刀層疊撐開截骨間隙，撐開角度為術前設計角度。隨后在外翻應力狀態下，C型臂透視下肢力線。力線桿兩端分別固定于股骨頭中心和踝關節中心，透視中若力線桿恰好通過Fujisawa點則矯形完成，若落于該點內側，則矯形不足，需適當增加撐開角度，若落于該點外側，則矯形過度，可適當減少撐開角度[4]。力線調整滿意后，維持住撐開角度，植入Tomofix鋼板，固定完成后，C型臂透視正側位，觀察鋼板位置(見圖4)。

圖1 截骨角度測量示意

1.5 術后康復、處理及觀察指標 術后第1天開始功能鍛煉，術膝屈伸無限制，扶助行器下地，患肢可部分負重，負重約15～20 kg，并根據疼痛程度逐步增加負重。術后6周復查膝關節正側位X線片，觀察到截骨面出現骨愈合征象，可開始完全負重。術后拍攝雙下肢站立位全長X線片及術膝負重位正側位X線片，測量下肢負重線比率(weight bearing line，WBL)、MPTA、關節線相交角(joint line conergence angle，JLCA)、脛骨后傾角(posterior tibial slope，PTS)、髕骨高度(patellar height，PH)等。術后3個月、6個月、1年對患者進行隨訪，術后6個月及1年對患者進行Lysholm評分。

a 將CT數據導入寶葫蘆軟件 b 膝關節建模

c確定截骨平面及合頁點，截骨線指向腓骨小頭

d 克氏針(術中以此固定截骨導板) e 噴涂截骨導板范圍

f 生成截骨導板 g 調整導板位置使其術中易于貼合骨面 h 完成導板設計

圖2 3D打印導板制備流程

1.6 統計學方法 應用SPSS 19.0統計軟件對數據進行分析。術前術后WBL、MPTA、JLCA、PTS接近正態分布，采用配對t檢驗；以P<0.05為差異有統計學意義，P<0.01為差異有顯著性。

2 結 果

WBL由術前(12.17±15.43)%轉移至術后的(63.50±1.52)%，P=0.010，術前及術后下肢負重線比率差異有顯著性；JLCA由術前(3.22±1.58)°減少到術后的(1.17±0.90)°，P=0.020；MPTA由術前的(82.18±2.03)°改善至術后的(90.25±2.08)°，P=0.028，術前及術后脛骨近端內側角差異有統計學意義。

PTS由術前(12.29±4.81)°改變為術后(12.13±4.44)°，P=0.890，術前及術后脛骨后傾角差異無統計學意義；Caton指數由術前(1.10±0.09)減小至術后的(0.97±0.11)，P=0.017，術前及術后髕骨高度差異具有顯著統計學意義，但術后所有病例均未出現低位髕骨(見圖5)。

14名患者均獲得隨訪，1例患者術后出現術肢張力性水皰，經定期換藥后恢復。所有患者均未出現感染、下肢靜脈血栓、截骨不愈合等并發癥。隨訪時Lysholm評分由術前(85.03±5.70)分提升至術后6個月時(95.28±4.52)分，P=0.014，術后1年Lysholm評分(96.13±4.18)分，P=0.011；術后6個月及1年與術前相比，Lysholm評分明顯提高，但術后1年與術后6個月相比，差異無統計學意義(P=0.17)。術后1年隨訪時，12例患者Lysholm評分達到優秀，2例達到良好，優秀率85.7%。

圖3 安裝3D打印截骨導板 圖4 患者手術前后雙下肢全長X線片對比

圖5 患者手術前后PTS及PH對比

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3 討 論

脛骨高位截骨經過50年的發展，已成為矯正內翻膝及治療膝骨關節炎安全、有效的手術方式[5-6]，目前主要有外側閉合楔形截骨和內側開放楔形截骨兩種手術術式。外側閉合楔形截骨，雖然有截骨面完全接觸，有利于截骨塊愈合的優勢，但其手術中需要截斷腓骨，腓神經損傷并發癥風險較高；另外因其需去除楔形骨塊，截骨端閉合后導致脛骨平臺向外偏距增加，可能會增加日后膝關節置換難度[7]。臨床上越來越多的手術醫生傾向于采用內側開放楔形截骨的方法，但通過文獻回顧后發現，術后PTS增加和PH降低的問題多有報道，Wu等[8]對22項研究，總計2 582例行內側開放或外側閉合楔形脛骨高位截骨的患者進行的Meta分析指出，行MOWHTO的患者可獲得更大的術后膝關節活動度，但術后PTS會顯著增加，PH則明顯降低。PTS的增加會影響膝關節的屈伸活動，增加前交叉韌帶的張力，導致鋼板前置，并拉緊內側韌帶和肌肉[9]。髕骨高度的降低會增加髕骨關節的壓力，當壓力超過了髕股關節軟骨的適應能力，則將引起軟骨退化[10]。以上兩個因素都將加速HTO手術的失效，增加此后TKA的操作難度。

針對內側開放楔形截骨會導致PTS增加的情況，不少醫生通過改良手術方式來避免，如Lee等[11]建議截骨時前方截骨開口距離為后方的67%，Noyes等[12]則建議這一比例為50%。但Jo等[13]在16具尸體上進行外側合頁點位置研究后則指出前后方截骨比例并不能糾正PTS增加的問題，若使合頁點處于標準位置，則術后脛骨后傾角無明顯增加，對照組中合頁點位置在標準合頁點下1 cm，結果脛骨后傾角有不同程度的增加。為了避免術后PTS增加，我們采用3D技術，術前對合頁點精準設計，術中使用截骨導板精準定位外側合頁點，結果顯示術后患者脛骨后傾角無明顯增加，這也與Jo等的觀點相印證。在我們本次MOWHTO的研究中發現，髕骨高度Caton指數由術前(1.10±0.09)減小至(0.97±0.11)，P=0.017，術前術后Caton指數差異具有顯著統計學意義。Gooi等[14]回顧性研究了106例接受MOWHTO患者的影像資料，發現髕骨高度Caton指數由術前(0.93±0.084)減少至(0.82±0.13)，我們的研究與其相一致。目前認為脛骨結節上截骨和低位髕骨發生有關，而我們分析3D打印截骨導板并不能改變MOWHTO脛骨結節上截骨的手術方式，因此不能有效減少髕骨位置降低的發生率。降低截骨平面可有效解決髕骨位置降低的發生，luo等[15]所采用的脛骨結節下截骨便報道手術前后髕骨高度無明顯改變。

HTO手術將下肢應力由關節軟骨已損傷的內側間室轉移到外側間室，顯著減輕了患者疼痛及活動障礙。Fujisawa等[16]指出，當力線得到有效矯正后，內側間室軟骨破壞將不再進展。Hoorntje等[17]研究顯示術后患者功能恢復良好，較關節置換患者活動量明顯增加。3D打印截骨導板在HTO中的應用，不僅保留了HTO手術改善下肢力線、為軟骨再生提供應力條件、延緩關節置換時間等優點，還增加了手術操作的精準性，不增加術后PTS，因而會減少對膝關節的屈伸活動及前交叉韌帶張力的影響，延長HTO的生存時間。此外使用3D打印截骨導板可減少手術時間和術中透視次數，減少患者及手術醫生的放射線暴露時間，并且能幫助剛接觸此術式的醫生較快掌握該操作。

本研究有以下不足：a)由于樣本量較小，本研究主要分析了3D打印截骨導板對HTO術后PTA和髕骨高度的影響，且對比主要來自于與文獻中傳統手術的數據比較，存在一定偏倚。b)目前我們設計的3D打印截骨導板，尚只應用于水平截骨面，對與水平截骨面呈110°的上行截骨面尚不能做到精準設計。c)與傳統手術方式相比較，不能減少髕骨位置降低的發生率。

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