3D打印個性化截骨導板在全膝關節置換術中的研究進展

余浪波綜述，彭笳宸審校

0 引 言

3D打印技術起源于20世紀80年代，隨著3D打印技術的發展，該技術開始應用于臨床并在骨科得以廣泛應用，目前，3D打印技術在骨科的應用主要包括[1]：①能夠相對準確反映四肢骨折的實際損傷情況。②降低椎弓根螺釘的穿孔率，減小插入角度的誤差。③幫助醫師在骨腫瘤切除手術中制定最佳手術方案。④打印出組織工程支架，促進軟骨及骨缺損修復。⑤為髖關節置換術提供新的手術方案。⑥制作個性化截骨導板(personalized osteotomy guide, PSI)及模型。其中，通過制作精確的膝關節模型，應用于術前評估、手術設計演練、教學演示以及醫患溝通等；利用3D打印的PSI進行術中截骨，輔助全膝關節置換術(total knee arthroplasty，TKA)的完成。其中，PSI股骨截骨模塊用于確定股骨外翻角度，截骨水平，力線對準，旋轉和股骨假體的尺寸，而患者PSI脛骨截骨模塊則用于確定脛骨力線對準，截骨水平以及脛骨傾斜度和旋轉度[2]。其中，3D打印PSI則在TKA中應用廣泛并取得較好效果。TKA術的成功與否取決于膝關節的定位、間隙以及軟組織平衡，而三者均依賴于安放假體的正確位置，應用3D打印PSI可通過術前設計和演練考慮到任何輕微的畸形或骨贅，并可事先確定假體大小、位置和旋轉[3-5]，從而有利于調整下肢力線，使其接近于中立位力線，又使假體位置安放更加精準；在3D打印PSI輔助下對股骨遠端和脛骨近端截骨可以獲得精確的截骨量，與傳統手術、計算機導航下手術相比，具有更好的手術效果和精確性[6-8]。本文主要就3D打印PSI在TKA中的研究進展作一綜述。

1 3D打印PSI歷史由來

2006年，OtisMed公司在美國開發了3D打印的PSI，第一次將3D打印的PSI臨床應用到TKA手術中。此后3年，美國約有23000個TKA手術中均使用了3D打印PSI。然而，2009年美國食品和藥物管理局(FDA)要求停止該產品的使用，是因為需要對現有軟件程序進行修改。2010年，美國Stryker公司收購了OtisMed公司，在對軟件程序進行更新以及升級3D打印設備后，FDA對該產品予以批準，并于2012年推出最新的3D打印的PSI產品[9],并取得了廣泛應用。國內學者于2014年將3D打印PSI應用于臨床TKA術。我國食品藥品監督管理總局(CFDA)分別于2015、2016年批準了3D打印人工髖關節假體和3D打印人工椎體的使用。盡管3D打印技術在全球的應用逐步擴大，但對3D打印膝關節假體植入的臨床應用還在進一步研究中[10-11]。因此，本文主要探討3D打印PSI在TKA術中的應用進展。

2 3D打印PSI在TKA的應用步驟

首先，患者進行膝關節的CT或MRI檢查，通過MRI或CT相關影像學資料，創建計算機輔助設計(computer aided design，CAD)，并進一步轉換為醫學數字成像和通信。通過在CAD上設計組件，設計轉換為STL文件，通過專業人員進行導板個性化設計與制作，最終交付給3D打印機打印出3D打印PSI和關節模型。其次，運用3D打印技術復制患者的膝關節模型，還原骨質破壞及軟骨的磨損程度，有利于術者進行手術預演和設計，并減少手術意外并降低復雜膝關節置換的手術難度。最后，對進行消毒等術前準備工作，利用3D打印的PSI輔助術中截骨[12]。其中，利用3D打印PSI進行的髓外定位截骨方式是根據機械軸垂直方向來進行截骨，與傳統手術相比，可克服因解剖軸與機械軸的差異所致的準確性有限的問題。具體步驟如下：①常規入路顯露關節，但保留股骨髁及脛骨平臺邊緣骨贅;②與PSI 接觸的骨面需充分暴露，去除半月板等殘余結構;采用專用工具刮除與截骨導板接觸的平臺和股骨髁面軟骨;③將3D打印的PSI與骨面緊密貼合，然后以固定釘固定，確認截骨角度與厚度與術前計劃一致后，完成股骨遠端和脛骨近端的截骨；④利用股骨髁前后軸線和通髁線確定股骨外旋，常規完成股骨前后髁截骨;⑤使用間隙測量器測量屈伸間隙，屈曲位內外側平衡;⑥松解內側副韌帶淺層后半部分至伸直位平衡;⑦使用事先預測好大小的假體完成安裝[13]。

3 3D打印PSI在TKA中的臨床應用

3.1 應用效果膝關節下肢力線的恢復和假體安放的位置是TKA成功的關鍵因素[14]。而傳統TKA，術前僅根據膝關節X線或CT判斷下肢力線的偏移、股骨外翻角、股骨外旋角等角度進行手術預測，且膝關節的旋轉也會影響角度判斷，可能會導致手術誤差。同時，股骨力學軸線和解剖軸線不一致，傳統上大部分截骨定位是通過保持股骨外翻角固定來實現的，所以當股骨側弓或畸形時可能會導致相應的誤差；常規手術髓內或髓外定位器械手術方法標準單一，無法滿足個體化的需求。據統計，即使是經驗豐富的關節外科醫師，其實施的TKA術下肢力線偏離中立位平均值超過3°的幾率也高達20%[15-16]。在Iorio等[17]研究中，通過對TKA術后的患者進行5年的隨訪得出，所有患者的結果測量數據之間無顯著差異，五年生存率為93%～97%。Ikram等[18]利用3D打印技術進行TKA術，通過術前預測截骨量與術中實際截骨量的比較，顯示90%的截骨誤差<1 mm，且所有TKA術后無并發癥發生，無1例發生感染；陳國仙等[19]對比PSI輔助TKA術前設計的截骨厚度與術中實際的截骨厚度，其測量值差異均無統計學意義。對于股骨彎曲畸形嚴重的患者，傳統手術常由于定位導向器難以插入股骨髓腔而增加手術難度，在3D打印的PSI未應用于臨床之前常有如下三種方案：TKA術同期行關節外截骨矯形；先實施關節外畸形矯正，再行TKA術；TKA術中關節內截骨加軟組織平衡[20-21]。而張鳳軍等[22]利用3D打印技術對股骨關節外畸形的患者進行TKA術，并聯合術中松解膝關節內外側軟組織技術，術后取得較好的效果，患肢機械軸得到矯正，膝關節活動度明顯增強以及HSS評分顯著提高，且差異均具有統計學意義。另有研究在3D打印的PSI輔助下對重度膝關節炎并下肢畸形患者進行TKA術后，認為在3D打印PSI不僅可簡化手術步驟、節約手術時間，還獲得較好的假體位置和下肢力線[23-24]。相比傳統手術，3D打印PSI更適合高齡、一般情況差的患者。綜上，3D打印PSI輔助TKA術可更好恢復下肢力線、提高膝關節HSS評分，精確截骨、簡化手術步驟、節約手術時間等，尤其在骨性關節炎合并關節外畸形的TKA術中優勢更為明顯。

3.2 與傳統手術比較近年來，隨著骨性關節炎患者的不斷增加，TKA術得以廣泛應用的同時也引發了一些新的問題，如假體尺寸預測，截骨定位以及軟組織平衡等。對此，國內外骨科醫師進行了新的探索。有研究表明3D打印PSI組和傳統手術相比，3D打印PSI組患者手術出血量更少以及手術時間更短[25-27]。Rahm等[28]結論是，相對于傳統手術和計算下導航手術，PSI的優勢在于避免嚴重的誤差并實現理想的脛骨后傾角，但3D打印PSI的額外成本和制造時間阻礙了其推廣應用。與傳統手術不同，3D打印PSI使用簡單、學習曲線較短，更適用于身體質量指數較高以及關節外畸形的患者，對于假體大小的預測也更加準確[29]，并且可提高TKA手術精度和療效[30]。有學者通過臨床研究發現PSI在截骨精確度上明顯優于傳統手術及計算機導航手術，并且節約手術時間，但在術后下肢力線的偏移上無明顯差異[31-32]；而Yan等[20]研究則表明3D打印PSI、傳統手術組、計算機導航下手術組三者無明顯影像學和臨床差異。只有劉浩等[33]研究表明PSI在術后下肢力線的恢復效果優于傳統手術。綜上，3D打印PSI相較于傳統手術及計算機導航手術主要有以下優勢：節約手術時間、減少出血量以及截骨精確度較高。目前，3D打印PSI在患者術后下肢力線的恢復效果上并未體現較大優勢，可能是因為相關研究隨訪時間不足所致，術前術后下肢力線的對比并不能體現差異。因此，在3D打印技術以及3D打印PSI的研究上，還需要更多的骨科醫師進行探索，為3D打印技術能更好地應用于骨科打下堅實基礎。

4 3D打印PSI的不足與展望

目前，盡管3D打印PSI具有很多有優點并在臨床應用中獲得較好手術效果，但仍存在一些不足：①3D打印PSI制作精確度有誤差。CT不能顯示膝關節軟骨，這可能是誤差的來源之一，且盡管可基于MRI重建關節以及軟骨等軟組織，但運動偽影可能導致3D打印PSI的模型不夠精準，可能會影響術前手術預演以及截骨精確度[34]。目前，相關研究人員可基于圖像修正以及基于硬件的修正來減少運動偽影導致的誤差，如有恒定角速度的偽影校正法、迭代算法以及凸集投影法，這些方法[35]的應用有可能極大的減少誤差，為PSI制作的精確度提供保障，有望取代CT作為3D打印PSI的首選檢查。②3D打印成本較高。相比傳統手術，3D打印設備、材料、術前預演假體、3D打印PSI以及額外的影像學檢查是費用增加的主要原因，因此增加了患者的經濟負擔，也限制了3D打印技術的推廣應用。③3D打印材料種類繁多，但可內植入于患者體內的少之又少，且目前3D打印技術不能打印出機械強度、生物力學以及微觀結構均能達到理想要求的骨組織或假體。因此3D打印技術應用與TKA手術也僅局限于術前預演假體及PSI，3D打印膝關節假體植入的應用還需進一步研究。而聚醚醚酮是全芳香族半結晶性的熱塑性特種工程塑料，其復合型材料如碳纖維增強聚醚醚酮具有彈性低強度高的特點，在關節置換中里可有效減少應力屏蔽及由其引起的骨吸收、骨萎縮及假體松動等并發癥[36]，因此，聚醚醚酮及其復合材料的應用可能為此帶來希望。④制作周期較長。影像學的檢查及數據采集、3D打印PSI設計、交付3D打印機打印，整個過程可能會增加患者額外的2～3 d住院時間。⑤需要多學科合作。包括組織工程、生物材料、臨床醫學及影像學等領域共同合作，才能保證質量又能保證效率，這讓3D打印技術在大部分醫院開展困難[37-39]。⑥行業缺乏對3D打印設備的評估標準，國家層面需要加強監管，需要盡快完善3D 打印醫療產業相關法律法規，以便促進其在醫學中的規范發展[40]。

隨著3D打印技術的革新與發展，希望未來可縮短制作周期，并開發質量過硬且成本更低的3D打印設備和材料，減少制作成本，從而為患者減輕經濟負擔并推廣應用；為減少誤差，需要繼續完善相關影像學修正方法，如上述偽影校正法、迭代算法以及凸集投影法等，還需要完善個性化匹配標準，統一假體匹配標準與手術導板設計方案；且3D 打印醫療產業相關法律法規要完善，可使得該技術的臨床應用更加規范合理；此外，需要進一步開發3D打印生物支架與細胞，加大假體材料和制作工藝的創新力度，相關研究顯示骨髓間充質干細胞具備多向分化潛能，且易于獲得、易于培養，可成為未來生物活性關節置換的理想種子細胞之一[41-44]，為未來實現具有生物活性的膝關節假體的置換、植入的工廠化生產打下堅實基礎。最后，在其他方面，還包括3D打印活性細胞、3D打印支架的廣泛應用，甚至可以打印出具有生物活性的組織或器官，并進行工廠化生產。相信3D打印PSI的潛力是巨大，不僅僅局限于TKA手術，還可是創傷、脊柱、其他關節置換手術，甚至利用3D打印組織或器官實現人工移植的目的。

5 結 語

隨著3D打印技術的飛速發展，使得3D打印PSI在TKA術中應用取得較大進步。隨著人口老齡化的增長，TKA手術的數量逐步增多，而3D打印PSI給TKA術帶來了便利，其理論優勢在于有利于調整下肢力線，使其接近于中立位力線，又使假體位置安放更加精準。而下肢力線以及假體位置安放又主要取決于股骨遠端和脛骨近端截骨，在3D打印PSI的輔助下，正好可獲得精確的截骨量。基于3D打印技術，使得骨科醫師在3D打印PSI的幫助下獲得很多便利，雖然從檢查、設計以及術后療效分析來看，3D印PSI或許存在一些不確定因素，但是3D打印PSI的優點是值得肯定的，我們需要在克服挑戰的同時為患者帶來更優質的選擇。總之，3D打印是一項簡便、實用、成熟的技術，在醫學以及骨科領域的應用正在逐步增多，目前這樣一種新型技術，符合個體化、精準化要求，臨床應用效果優勢明顯，具有較大的發展潛力。