3D打印個性化截骨導板在外側入路外翻膝關節置換術中的應用

陳志偉，李沐哲，李輝云，冉 訊，江佩師，魏 福，劉俊彥，羅旭靈

(南華大學附屬第一醫院關節骨科，湖南省衡陽市421001)

膝關節外翻是一種較少見的膝關節畸形，常常伴有膝關節的骨性改變和軟組織改變，如股骨外側髁發育不良或骨缺損、脛骨平臺后外側骨缺損、外側軟組織攣縮、內側軟組織松弛，其嚴重破壞了膝關節的下肢力線，導致膝關節疼痛、活動障礙[1-3]。目前，股骨遠端內翻截骨術、髁上杵臼截骨聯合關節鏡技術可以改善下肢力線，恢復患肢功能，但是隨畸形進展和磨損加重，膝關節置換術(total knee arthroplasty，TKA)可能是最后的治療措施[4]。3D打印技術是以數字模型文件為基礎，通過逐層打印的方式來構造物體的技術，通過重建患者三維解剖模型、設計個性化導板，術中貼合骨面即可快速精確截骨，已成為醫學領域的領先制造技術，廣泛應用于骨科臨床[5-8]。目前，針對3D打印輔助外側入路TKA術治療外翻性骨關節炎的臨床研究未見報道，本文對此進行了報道。

1 資料和方法

1.1 一般資料

回顧性選擇2019年1月—2020年1月于本院關節外科行單側全膝關節置換術的膝關節外翻畸形患者12例。其中采用傳統手術者為傳統手術組，共6例；男3例，女3例，平均年齡(74.8±8.6)歲。采用3D打印個性化截骨導板者為3D打印組，男2例，女4例，平均年齡為(71.8±4.3)歲。兩組年齡、性別、患側、Keblish分級情況差異無顯著性(表1)。

表1 兩組一般資料的比較

本研究經本院倫理委員會的批準，并經患者及家屬知情同意。納入標準：伴有膝關節外翻畸形的膝關節骨關節炎；初次單側全膝關節置換；手術入路為外側入路；影像學資料完整；術后配合隨訪。排除標準：膝關節內翻畸形或無畸形的骨關節炎；手術入路為內側入路或其他非外側入路；非初次關節置換；患有嚴重的循環系統、中樞神經系統疾病或惡性腫瘤；影像學資料不完整；術后不配合隨訪。

1.2 手術方法

按照快速康復理念，所有患者術前進行常規影像學檢查包括下肢全長X線片、膝關節MRI。術前4 h禁食，常規采用硬腰聯合麻醉或者全麻，術前30 min靜脈滴注抗生素羅氏芬1 g，氨甲環酸15 mg/kg，切皮前常規使用止血帶，均采用膝關節外側入路行TKA術，均由同一組高年資主任醫師完成。

傳統手術組：取膝關節正中稍偏外側皮膚切口，自髕骨外側“Z”字形切開關節囊和外側支持帶，暴露膝關節，根據股骨髓內定位法進行股骨遠端截骨，脛骨截骨，根據術中情況松解髂脛束止點、外側副韌帶、腘肌腱及后外側關節囊以獲得屈伸間隙的軟組織平衡，安裝膝關節假體。

3D打印組：術前行膝關節CT平掃，依據患者影像學數據，使用mimics21.0進行三維建模；使用3-matic軟件對模型進行相關測量，保持股骨外翻5°～6°，在股骨遠端截骨平面垂直于下肢力線后行股骨遠端截骨；當軟件顯示股骨外側髁缺損以至于無法截骨時，測量缺損的大小，術前準備好相應大小的墊片和假體，以減少手術時間。確定合適的截骨平面后進行導板的設計，最終將導板和三維模型輸出為stl格式，利用3D打印機進行打印(圖1)。模板打印后常規等離子消毒。股骨側3D打印導板截骨，脛骨側傳統方法截骨。術中暴露膝關節股骨和脛骨后，比對打印的股骨和患者的股骨大小驗證打印的初步效果。將個性化設計的截骨導板貼附于患者股骨遠端，完全貼合后于設計的固定孔內打入克氏針固定導板，截骨槽內使用擺鋸完成股骨截骨，脛骨采用傳統方式截骨；屈伸膝關節測量膝關節活動度，根據術中情況松解外側軟組織以獲得內外側的軟組織平衡，安放脛骨和股骨假體，置入襯墊，屈伸膝關節測量膝關節活動。常規放置引流管，關節腔內雞尾酒灌注，逐層關閉切口(圖2)。手術視頻見二維碼。

圖1 3D打印個性化截骨導板的制作

圖2 3D打印個性化截骨導板輔助單側全膝關節置換術治療膝關節外翻操作過程

1.3 術后處理

術后切口處加壓包扎，常規冷療、鎮痛，術后引流管放置24 h，計算引流量；并常規預防性使用抗生素48 h，術后12 h開始抗凝至14天。術后6 h行踝關節主動屈伸以及患肢肌肉等長收縮鍛煉；如無特殊不適在醫生指導下可盡早下床行適當功能鍛煉，復查膝關節正側位片。

1.4 主要觀察指標

分別于手術后第1、第6個月進行隨訪，復查X線評估手術愈合情況，采用KSS評分對膝關節功能進行評價。比較傳統手術組和3D打印組手術時間、術中出血量、術后引流量及脛骨股骨機械軸夾角(MFTA)、KSS臨床和功能評分、并發癥等情況。

1.5 統計學處理

2 結 果

2.1 兩組手術時間、術中出血量、術后引流量和MFTA的比較

所有手術均順利進行，外翻畸形得到完全矯正(圖3)。3D打印組手術時間明顯低于傳統手術組(P<0.05)，術中出血量明顯低于傳統手術組(P<0.05)；而術后引流量也低于傳統手術組，但差異無統計學意義(P>0.05)。此外，與傳統手術組比較，3D打印組MFTA能獲得更加精確的下肢力線重建(P<0.05；表2)。

圖3 3D打印個性化截骨導板輔助單側全膝關節置換術治療患者術前、術后X線

表2 兩組手術時間、術中出血量、術后引流量和MFTA的比較

2.2 兩組KSS臨床和功能評分的比較

兩組患者術前KSS臨床和功能評分差異無顯著性(P>0.05)。與術前比較，傳統手術組和3D打印組術后6個月KSS臨床評分和功能評分均明顯增加(P<0.05)。與傳統手術組比較，3D打印組在術后6個月能獲得更好的膝關節活動度和功能(P<0.05；表3)。

表3 兩組患者KSS臨床和功能評分的比較 單位：分

2.3 兩組患者并發癥的比較

患者傷口均一期愈合，無感染、假體松動、位置不滿意、腓總神經損傷等表現。出院后所有患者均獲得隨訪，隨訪結果顯示，所有患者均獲得良好的膝關節功能，下肢力線恢復，至末次隨訪未發生感染、假體松動、膝關節不穩定等并發癥，無嚴重并發癥。

3 討 論

膝關節外翻畸形常見的病因為骨關節炎、類風濕性關節炎、股骨外髁發育不良，創傷、營養不良、肥胖亦與其發病有關[9]。對于外翻膝嚴重程度的界定，臨床上常使用Keblish分級，即依據脛股解剖外翻角(AVA)進行分級，<15°為輕度畸形，15°～30°為中度畸形；>30°為重度畸形[10]。全膝關節置換術是臨床上治療中晚期膝關節外翻性骨關節炎最常用的方式[3,10]。雖外翻膝占比較少，但其常常伴有股骨外側髁發育不良等骨性畸形和外側軟組織攣縮等軟組織異常，手術難度相對較大，對醫生的要求較高，外翻膝術后并發癥發生率也相對較高，也因此對其手術入路、假體選擇、軟組織松解順序目前尚未達到統一[3]。

目前已有兩種不同的方法用于膝關節外翻患者的全膝關節置換術：前內側入路和前外側入路。Gunst等[11]比較內側入路和外側入路TKA術對于輕度外翻畸形的治療效果發現，內側入路和外側入路的手術時間、術后KSS臨床和功能評分差異無顯著性，但外側入路在技術上更加復雜。陳鵬等[12]研究指出，通過恰當的術中截骨和軟組織松解平衡,采用內側入路TKA術治療合并輕中度膝外翻畸形的骨關節炎可有效改善膝外翻畸形,臨床療效滿意。近幾年,國內外許多研究對兩種入路進行了深度的研究和系統的分析,多數文獻認為外側入路的治療效果優于內側入路，對于重度膝關節外翻畸形的患者，外側入路的優勢會更加明顯[13-14]。外側入路能直接進入病變部位，暴露出攣縮的軟組織結構，術中松解更加直接，減少了對髕骨血運的不利影響；此外，能明顯改善伸肌裝置對線及髕骨軌跡。但該入路對手術醫師的要求較高，髕骨不易內翻，關節旋轉定位困難，安裝假體后易出現切口閉合困難，但通過延長手術切口、冠狀面Z字形切開關節囊、由遠端到近端屈曲位縫合關節囊等措施可有效預防以上困難發生[15]。因此，膝關節外翻畸形是全膝關節置換術中的一個難題，而外側入路是一種可靠的、有應用前景的入路選擇。

3D打印技術是以數字模型文件為基礎，通過逐層打印的方式來構造物體的技術，已成為醫療保健和醫學領域的領先制造技術，已經廣泛應用于骨科臨床[16]。有研究表明，與傳統TKA比較，3D打印輔助TKA可明顯縮短手術時間和住院時間[17]。但針對3D打印輔助外側入路TKA術治療外翻性骨關節炎的臨床研究未見報道。膝關節外翻的患者常存在股骨外髁缺損、外側副韌帶等軟組織攣縮、內側副韌帶松弛、髕骨外側脫位等一系列問題，所以傳統全膝關節置換術變得比較復雜，術后效果也相對較差，需要一種新的方式或技術去改善其治療效果[18]。3D打印輔助TKA術僅需導板貼合，無需骨髓腔內操作，減少了血液的流失。導板貼合骨面即可快速精確截骨，恢復下肢力線，保證手術效果的同時也為患者省下了時間[19]。此外，由于膝外翻患者股骨外髁缺損，傳統抱髁確定旋轉中心的方法難以實現，3D打印個性化截骨導板技術可以克服這一困難，根據患者的CT數據建立三維模型；同時可以測量、切割患者的解剖模型，設計出個性化的能貼合骨面的截骨導板；當軟件顯示股骨外側髁缺損以至于無法截骨時，可測量缺損的大小，術前備好相應大小的墊片和假體，從而避免了術中反復測試合適大小的假體，大大減少了手術時間，從而減少術中出血量和術后引流液量。此外，對于骨架特別小的患者，往往擔心最小型號的假體是否能安裝后起到良好的作用，而精準截骨模擬、導板技術可以克服該問題。

本研究3D打印組手術時間、術中出血量、MFTA角度均小于傳統手術組；而術后引流量兩組差異無統計學意義，這可能是由于案例較少存在偏倚、引流管的具體位置不同、術后患者運動量和膝關節姿態不一等導致。與傳統手術組比較，3D打印組術后6個月隨訪KSS臨床和功能評分更高。這總體上說明，與傳統TKA相比，3D打印個性化截骨導板輔助全膝關節置換術治療外翻膝的臨床療效更佳。本研究也存在一些不足，如入選的病例數有限，無法根據膝外翻畸形的嚴重程度分類去驗證兩組的差異；為回顧性研究而非隨機對照實驗；隨訪時間較短等等。其療效仍有待長期大樣本的前瞻性研究驗證。