3D打印技術(shù)在膝關(guān)節(jié)表面置換中的應(yīng)用

鄒康，羅煒，李娜

1.郴州市第一人民醫(yī)院中心醫(yī)院骨外科，湖南郴州423001；2.郴州市第一人民醫(yī)院中心醫(yī)院急診科，湖南郴州423001

前言

老年人是好發(fā)膝關(guān)節(jié)疾病的主要人群，如膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎等。目前臨床對于此類關(guān)節(jié)疾病的主要治療方法采用膝關(guān)節(jié)置換術(shù)［1-2］。臨床行膝關(guān)節(jié)置換術(shù)成功的基礎(chǔ)是精確截骨。在既往傳統(tǒng)膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)中，患者的截骨范圍通常根據(jù)醫(yī)師的個人經(jīng)驗和手感確定。此方式雖然可以保障手術(shù)順利完成，但缺少精確性，且在打開髓腔的同時增加患者感染和脂肪栓塞的風(fēng)險［3-4］。若手術(shù)醫(yī)師缺乏相關(guān)臨床經(jīng)驗，導(dǎo)致術(shù)中對患者病變程度等情況判斷錯誤，使患者下肢力線偏差增大，不僅增加手術(shù)時間及術(shù)中出血量，還會造成患者預(yù)后不良，甚者手術(shù)失敗［5］。近年來，3D打印技術(shù)在各個領(lǐng)域均發(fā)揮了良好作用。臨床可應(yīng)用3D 技術(shù)打印患者骨骼模型，協(xié)助醫(yī)師觀察患者病情及制定手術(shù)方案［6-7］。有研究表明在膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中應(yīng)用3D打印技術(shù)可降低術(shù)中出血量和脂肪栓塞等并發(fā)癥發(fā)生率［8］。為探討安全高效的膝關(guān)節(jié)置換術(shù)方法，本研究觀察分析3D 打印技術(shù)在膝關(guān)節(jié)表面置換中的應(yīng)用效果。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選取2018年4月至2020年4月在郴州市第一人民醫(yī)院收治的初次行單側(cè)人工膝關(guān)節(jié)置換術(shù)患者43例，研究經(jīng)醫(yī)院倫理委員會批準。回顧性分析患者臨床資料，根據(jù)手術(shù)方法不同將患者分為3D 打印組（22例）和傳統(tǒng)手術(shù)組（21例）。其中傳統(tǒng)手術(shù)組患者中男性14 例，女性7 例，平均年齡（68.4±4.8）歲，平均病程（8.3±3.8）年；3D 打印組患者中男性16例，女性6例，平均年齡（63.2±4.6）歲，平均病程（8.7±3.3）年。

1.2 納入及排除標(biāo)準

納入標(biāo)準［9］：（1）膝關(guān)節(jié)重度骨性關(guān)節(jié)炎患者，紐約特種外科醫(yī)院膝關(guān)節(jié)評分（HSS）＜60 分；（2）髕骨活動性較好，無明顯畸形；（3）患者及家屬對本次研究知情，并自愿簽訂知情同意書。

排除標(biāo)準：（1）凝血功能異常者；（2）骨質(zhì)疏松患者；（3）體質(zhì)量指數(shù)（BMI）＞35 kg/m2；（4）精神或溝通障礙者。

1.3 手術(shù)方法

術(shù)后兩組患者均進行康復(fù)訓(xùn)練和抗凝治療。兩組患者均隨訪6個月。

1.3.1 傳統(tǒng)手術(shù)組患者行常規(guī)膝關(guān)節(jié)置換術(shù)。硬膜外麻醉，患者取仰臥位。于膝前正切長約15 cm 切口，解剖膝周肌肉及脂肪組織，充分暴露髕骨及脛骨結(jié)節(jié)，進入髕骨內(nèi)側(cè)緣。外翻髕骨，屈膝90°，松解關(guān)節(jié)內(nèi)部軟組織，去除骨贅，使用電刀在髕周燒灼去神經(jīng)化。股骨髁間鉆孔，于股骨髓腔插入髓內(nèi)定位桿，并安放截骨定位器和股骨截骨模板，行股骨截骨。使用髓外定位器和脛骨截骨模板行脛骨截骨。測試膝關(guān)節(jié)活動度，選擇并安裝型號合適假體，縫合切口。

1.3.2 3D 打印組患者行3D 打印技術(shù)下膝關(guān)節(jié)置換術(shù)。應(yīng)用雙源螺旋CT對患者下肢進行掃描，根據(jù)CT數(shù)據(jù)進行3D 重建模型并測量下肢力線：以股骨髁間窩、股骨髁間窩頂點處外側(cè)髁中點、膝關(guān)節(jié)間隙水平軟組織中點、脛骨髁間嵴中心和脛骨平臺的中心點作為膝關(guān)節(jié)中心點繪制解剖線作為骨干中線，解剖軸線與股骨或脛骨走向一致且等量平分。采用連續(xù)螺旋CT 對患者膝關(guān)節(jié)進行掃描，電壓120 kV，矩陣512×512。將掃描結(jié)果導(dǎo)入Materialise Mimics 14.0軟件中，采用表面遮蓋顯示法（SSD）進行三維重建，采用Imageware12.0 軟件進行分析，生成膝關(guān)節(jié)三維模型即為截骨模板。再使用UG 8.5 軟件處理骨骼文件，確定股骨和脛骨截骨平面，設(shè)定截骨定位孔。采用Pro 660 全彩色石膏粉末3D 打印機（美國3D Systems）打印骨骼模型，采用480S 光固化樹脂3D 打印機（東莞市鴻泰自動化設(shè)備有限公司）打印截骨模板，打印材質(zhì)為光固化液態(tài)樹脂（圖1）。將骨骼模型和截骨模板低溫滅菌后封裝備用。術(shù)中常規(guī)進行手術(shù)切口，暴露手術(shù)部位，同常規(guī)組。外翻髕骨，屈曲膝關(guān)節(jié)90°，修整髕骨平面，電刀燒灼髕周去神經(jīng)化，切除前交叉韌帶及內(nèi)外側(cè)半月板。根據(jù)模型去除關(guān)節(jié)周圍骨贅，于股骨遠端安裝截骨模板，并使用電刀標(biāo)記，去除軟骨，再次放置截骨模板，打入定位針后去除截骨模板，進行股骨截骨（圖1）。脛骨截骨方法同上。根據(jù)術(shù)前測量結(jié)果安裝膝關(guān)節(jié)假體，抗生素骨水泥固定后清理表面，再沖洗2 次，周圍組織注射氨甲環(huán)酸（國藥準字H20093031，西安力邦制藥有限公司）2 g，放入萬古霉素粉劑1 g，可吸收線逐層縫合并包扎。

圖1 3D打印技術(shù)下膝關(guān)節(jié)置換術(shù)操作流程Fig.1 Operation procedures of knee arthroplasty using 3D printing technology

1.4 觀察指標(biāo)

觀察兩組手術(shù)情況、隱性出血量和膝關(guān)節(jié)功能恢復(fù)情況，包括手術(shù)前后膝關(guān)節(jié)活動范圍、下肢力線角度和HSS 評分。HSS 評分＞85 分為優(yōu)，60～84 分為良，59 分以下為差［10］。術(shù)后兩組患者滿意度評價［11］，總分10 分，9～10 分為滿意，7～8 分為一般滿意，7 分以下為不滿意。

1.5 統(tǒng)計學(xué)方法

采用SPSS24.0 統(tǒng)計學(xué)軟件，計量資料用均數(shù)±標(biāo)準差表示，采用t檢驗；計數(shù)資料用率（構(gòu)成比）表示，采用χ2檢驗。P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 3D打印手術(shù)前后患者影像學(xué)資料

患者術(shù)前及術(shù)后膝關(guān)節(jié)側(cè)位片、正位片和全膝關(guān)節(jié)片對比見圖2。

圖2 手術(shù)前后患者影像學(xué)資料Fig.2 Imaging data of the patient before and after the operation

2.2 兩組患者手術(shù)時間及出血量、術(shù)后引流量和隱性出血量比較

3D 打印組患者手術(shù)時間及出血量、術(shù)后引流量和隱性出血量顯著低于傳統(tǒng)手術(shù)組，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05），見表1。

表1 兩組患者手術(shù)時間、術(shù)中出血量、術(shù)后引流量和隱性出血量比較（± s）Tab.1 Comparison of operation time,intraoperative blood loss,postoperative drainage and occult bleeding between two groups(Mean±SD)

表1 兩組患者手術(shù)時間、術(shù)中出血量、術(shù)后引流量和隱性出血量比較（± s）Tab.1 Comparison of operation time,intraoperative blood loss,postoperative drainage and occult bleeding between two groups(Mean±SD)

組別n 手術(shù)時間/min 出血量/mL 術(shù)后引流量/mL 隱性出血量/mL傳統(tǒng)手術(shù)組3D打印組t值P值21 22 102.8±10.6 95.2±9.9 2.408 0.021 129.4±30.6 70.6±20.4 7.447＜0.001 203.2±38.6 111.3±40.5 7.609＜0.001 218.3±22.1 70.7±5.7 30.304＜0.001

2.3 兩組患者膝關(guān)節(jié)恢復(fù)情況比較

兩組患者術(shù)后2 周膝關(guān)節(jié)活動范圍和HSS 評分顯著高于術(shù)前，下肢力線角度顯著小于術(shù)前，差異具有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）。術(shù)后2 周3D 打印組患者下肢力線角度變化與傳統(tǒng)手術(shù)組相比顯著減小，HSS評分顯著高于傳統(tǒng)手術(shù)組，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）。術(shù)后2周兩組膝關(guān)節(jié)活動范圍比較，差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05）。詳見表2。

表2 兩組患者膝關(guān)節(jié)恢復(fù)情況比較（± s）Tab.2 Comparison of knee joint function recovery between two groups(Mean±SD)

表2 兩組患者膝關(guān)節(jié)恢復(fù)情況比較（± s）Tab.2 Comparison of knee joint function recovery between two groups(Mean±SD)

a表示與術(shù)前比較，P＜0.05

組別n膝關(guān)節(jié)活動范圍/°術(shù)前術(shù)后2周下肢力線角度/°術(shù)前術(shù)后2周HSS評分/分術(shù)前術(shù)后2周傳統(tǒng)手術(shù)組3D打印組t值P值21 22 83.2±21.2 84.2±13.1 0.187 0.853 102.2±14.1a 103.1±13.3a 0.215 0.831 7.3±2.3 7.3±2.2 0.058 0.954 4.0±0.7a 2.8±1.2a 3.980＜0.001 41.1±4.4 41.3±4.1 0.154 0.878 89.4±3.4a 92.7±4.6a 2.665 0.011

2.4 兩組患者滿意度比較

3D打印組總滿意度（21/22，95.45%）顯著高于傳統(tǒng)手術(shù)組（15/21，71.43%），差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）。

3 結(jié)論

人工膝關(guān)節(jié)的高度吻合是置換術(shù)成功的重要保證。臨床中由于患者存在個體差異，其膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)也存在不同，如下肢力線等，不僅增加了手術(shù)中膝關(guān)節(jié)截骨導(dǎo)板測量的難度，還增加了患者預(yù)后不良風(fēng)險。傳統(tǒng)膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中的測量精確度較低，可能會影響患者膝關(guān)節(jié)功能恢復(fù)和下肢力線重建［12］。髓內(nèi)定位是傳統(tǒng)人工膝關(guān)節(jié)置換術(shù)最常用的定位方法，但該方法也存在一定缺陷，在開髓過程中可能會導(dǎo)致髓內(nèi)脂肪進入血管，增加脂肪栓塞風(fēng)險［13］。此外，若患者存在骨骼發(fā)育不良、骨質(zhì)疏松等情況，則無法進行髓內(nèi)固定。在傳統(tǒng)人工膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中，若無法準確定位，可能會導(dǎo)致手術(shù)效果不佳，影響患者預(yù)后。為尋求更好的手術(shù)治療方法，本研究觀察分析數(shù)字化3D 打印技術(shù)在膝關(guān)節(jié)表面置換中的應(yīng)用。

3D 打印技術(shù)在臨床得到較好應(yīng)用，其可以在術(shù)前通過對患者影像學(xué)資料的采集，經(jīng)CAD 處理后制成實體一致的模型［14］。有利于術(shù)前對患者疾病情況進行全面了解，觀察骨組織及周圍解剖結(jié)構(gòu)，幫助指導(dǎo)截骨和關(guān)節(jié)置換。術(shù)前進行模擬練習(xí)可提高手術(shù)操作熟練程度，減少手術(shù)時間和降低術(shù)中出血。有研究表明下肢力線異常與人工關(guān)節(jié)早期松動、不穩(wěn)定及襯墊磨損有直接關(guān)系，最佳假體力線與中立位相差角度不超過內(nèi)外翻3°可獲得較好的治療效果［15］。傳統(tǒng)人工膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中患者通常采用髓內(nèi)定位器，正常股骨解剖軸和機械軸的平均角度在5°～7°，故外翻角通常設(shè)定在此范圍。但由于患者股骨冠狀面發(fā)育情況具有一定差異，可導(dǎo)致其術(shù)后出現(xiàn)對線不良，影響日常活動。

3D打印技術(shù)能夠根據(jù)患者情況利用計算機為其定制個體化導(dǎo)向模板。一方面可避免進行復(fù)雜的髓內(nèi)定位等操作，另一方面可以指導(dǎo)術(shù)中定位和截骨等步驟［16］。隨著我國3D 打印技術(shù)的普及，有利于其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。有研究表明3D打印技術(shù)可以為患者量身定制假體模型，解決以往在假體選擇及安放和矯正畸形方面存在的問題。對于部分患有關(guān)節(jié)嚴重畸形和軟組織嚴重攣縮的人群可通過3D打印技術(shù)在術(shù)前制定有效方案，提高治療的安全性和有效性。有研究表明3D打印技術(shù)在髖、膝、踝關(guān)節(jié)的應(yīng)用中，能夠在充分了解患者情況下進行截骨導(dǎo)板制作，改善手術(shù)質(zhì)量與效率［17］。同時有研究表明與常規(guī)截骨導(dǎo)板比較，3D 打印截骨導(dǎo)板與患者骨結(jié)構(gòu)更吻合，可延長人工關(guān)節(jié)的使用時間。在術(shù)前應(yīng)用3D 打印技術(shù)制備患者的截骨導(dǎo)板，可在術(shù)中直接置入關(guān)節(jié)區(qū)域，減少手術(shù)難度。本研究結(jié)果顯示，與傳統(tǒng)手術(shù)組比較，3D打印組手術(shù)時間、出血量及術(shù)后引流量和隱性出血量更低，下肢力線角度更小，患者總滿意度更高，且兩組患者術(shù)后2周膝關(guān)節(jié)活動范圍和HSS評分與術(shù)前比較顯著提高。說明傳統(tǒng)和應(yīng)用3D打印技術(shù)的膝關(guān)節(jié)置換術(shù)均可以改善患者膝關(guān)節(jié)活動度和功能，但后者臨床效果更好，患者的滿意程度更高。與張文宙等［18-20］研究結(jié)果類似。

傳統(tǒng)膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)中截骨步驟較為繁瑣，需要更多輔助工具進行定位，導(dǎo)致患者創(chuàng)面較大，且效果與術(shù)者自身經(jīng)驗有很大關(guān)系，導(dǎo)致截骨精度不能保證，術(shù)后患者恢復(fù)效果相差較大。而3D 打印技術(shù)能夠根據(jù)患者情況個性化定制截骨模板，相較于傳統(tǒng)手術(shù)其脛骨平臺截骨角度、厚度和股骨端旋轉(zhuǎn)角度更加精準。由于3D打印技術(shù)不需要股骨端開髓腔定位，患者術(shù)中出血量較少且康復(fù)速度明顯加快。

綜上所述，數(shù)字化3D 打印技術(shù)應(yīng)用于膝關(guān)節(jié)表面置換術(shù)能夠減少術(shù)中出血量和手術(shù)時間，通過精確的外翻和旋轉(zhuǎn)角度，使患者術(shù)后獲得良好下肢力線，并提高其膝關(guān)節(jié)功能，獲得良好的手術(shù)滿意度。