3D打印技術在復雜膝關節置換術中物理模型互換的應用

石磊

（泉州職業技術大學，福建 泉州 362200）

隨著高新科技的高速發展，社會產生了巨大的變化，和傳統的醫學相比，現代醫學中應用了大量的現代化醫學理論和高新科技科學技術。其中3D打印技術在膝關節置換手術中的應用，可以1∶1精準地制作出和病人完全一樣的膝關節。從而使膝關節置換手術匹配度更高，大大降低手術后病人的不適感和不良反應，大大提升膝關節置換手術病人術后的生活質量，給膝關節置換手術帶來了更加精準的定制化醫療解決方案。

1 研究對象以及方法

1.1 研究對象

為了說明3D打印技術在膝關節置換手術中的應用價值，2014-12—2016-12從某大型醫院初次進行人工膝關節置換手術的患者中隨機選取了30例為對照組，然后從使用3D打印技術置換膝關節手術的患者中選取30例作為實驗組[1-3]。

為了對比分析3D打印技術在膝關節置換手術中應用的好處，兩組一共60例患者的手術是由同一手術團隊在同一手術環境中進行的，手術過程中會排除一切其他不同的干擾。本次實驗驗證了3D打印技術在膝關節置換手術中的應用，采用SPSS20.0統計軟件對實驗數據進行統計和分析。計量數據以均數±標準差（±s）表示，組間對比采用成組設計資料t檢驗，組內對比采用配對設計資料t檢驗，檢驗水準α=0.05。

1.2 研究方法

根據物理模型數據逆向還原個體符合的手術截骨切模，將即將手術的截骨切模的STL文件復制到三維打印機中，采用切片軟件，對打印結構再次進行尺寸和外觀矯正確認，通過快速成型打印出聚酰胺截骨切模實物。

患者保持仰臥位姿勢，全身麻醉后在膝關節前正中處切開皮膚，沿髕骨內側、四頭肌腱至脛骨結節內側處做一個弧形切口，打開關節囊及髕上囊，負壓吸凈囊內黃色關節積液，屈膝90°髕骨外翻，清除周圍組織及骨贅，松解外側軟組織。在脛骨近端置入打印的脛骨近端切模，接觸面保證貼合良好，隨后沿切模進行截骨，截骨角度及截骨量根據術前計算機計算結果決定，無需打開髓腔；準確安裝放置試模及髁間截骨后，在脛骨近端打孔，用脈沖水槍灌注生理鹽水1 500～2 000 mL清洗膝關節，使用骨水泥將脛骨、股骨截骨面進行鋪墊以安裝膝關節墊片及假體，保證整個手術過程測量力線良好，手術結束后留置負壓引流管，逐層縫合手術切口。

為了說明兩組實驗對象采用不同方式進行膝關節置換手術后的效果以及術前術后的生活質量變化，特地選取了兩組實驗患者膝關節置換手術前后的疼痛表現以及膝關節KSS得分情況進行對比。通過調查發現，無論是常規的膝關節置換手術還是使用3D技術進行的膝關節置換手術，都可以明顯改善患者的膝關節功能。對兩組患者術后一個月的恢復情況進行膝關節KSS評分，發現膝關節KSS評分均高于手術之前。

1.3 兩組手術時間和手術出血量比較

這兩種方式的膝關節置換手術還有一個非常重要的影響因素就是手術的時間長度，手術時間越長患者的痛苦感以及感染的風險就越大，因此膝關節手術最好可以控制在一定的時間內，而通過對比兩組患者的手術時間可以發現實驗組（3D打印組）患者手術時間明顯較短，并且兩組患者的差異性具有統計學意義（P＜0.05）。兩種方式的膝關節置換手術中的出血量與術后的引流量總和有所不同，使用3D打印技術的膝關節置換手術，手術時間較短，因此出血量明顯少于常規膝關節置換術。兩組數據的差異性具有統計學意義（P＜0.05）[4-5]。具體情況比較如表1中所示。

表1 兩組手術時間以及出血量情況比較

1.4 兩組患者手術前后膝關節活動度比較

術前兩組患者膝關節活動范圍比較差異無統計學意義（P＞0.05）。術后兩周，兩組患者膝關節活動范圍均顯著提高（P＜0.05），但兩組間比較差異無統計學意義（P＞0.05）。兩組患者手術前后膝關節活動度比較如表2所示[6]。

表2 兩組患者手術前后膝關節活動度比較

1.5 兩組患者術后三個月恢復情況對比

手術三個月后兩組患者的膝關節功能都有較大改善。其中，經過3D打印技術的膝關節置換手術治療的患者要比經過常規方式的膝關節置換手術治療的患者的總體恢復情況好。使用t方式檢驗兩組膝關節功能的相關性，兩者數據無統計學意義（t=1.432，P＞0.05）。兩組患者拆線后，切口愈合良好，并且經過膝關節功能恢復訓練后，膝關節功能恢復較好，兩組患者膝關節功能恢復并無明顯差異，差異無統計學意義。兩組患者術后三個月恢復情況比較如表3所示。

表3 兩組患者術后三個月恢復情況比較

2 結論

采用保守方式治療嚴重膝關節炎的效果較差，采用膝關節置換手術是一種較好的治療驗證膝關節炎的方式。使用3D打印技術進行膝關節置換手術，可以在手術前為患者1∶1定制膝關節。3D打印技術根據患者Dicom影像學信息，建立三維模型測定股骨外翻及外旋角和脛骨平臺后傾角等數據，確定股骨遠端和后髁截骨量以及脛骨近端截骨量和截骨角度，在復雜的膝關節手術過程中，術前將患者患處部分的數據進行三維重建，建立物理模型和實現數模轉換，使手術更加精準，完全匹配患者的患處部位，降低因為手術帶來的不適感和后遺癥。應用3D打印技術術前可確定植入物的類型、大小和位置，有利于為術者制定個體化的手術方案，大大降低手術時長，減少手術中和手術后的出血總量，降低了患者因手術帶來的疼痛感，縮短了患者的恢復時間，因此3D打印技術在膝關節置換手術中的應用臨床效果良好。

3 總結

這些年，隨著中國經濟的快速發展，3D打印在醫療骨科方面的應用給醫生治療骨科疾病帶來了新的思路和有效的解決方案。本研究結果顯示，應用3D打印技術輔助膝關節手術的時間明顯短于對照組，手術出血量也顯著少于對照組，而術后兩周膝關節活動度及KSS膝關節功能評分與對照組比較差異均無統計學意義，且未見明顯膝內病發癥。表明3D打印技術輔助復雜膝關節置換術后療效好，為病人量身制作膝關節結構，不僅降低了手術的風險，提高了膝關節的匹配度，還大大減少了膝關節手術的費用，這正體現了科技服務于人類的思想，有很大推廣價值。由于3D打印技術為一個新生事物未能被普及，本研究納入樣本量較少，且未進行長期效果觀察，因此本研究結果的可靠性還有待對大樣本進行長期對照、研究來驗證。