3D 打印個性化導航截骨導板在膝關節置換中的應用研究進展

吳小寶 馮 坤 田大為

湖北醫藥學院附屬國藥東風總醫院骨關節外科，湖北十堰 442000

關節置換是終末期膝關節骨性關節炎（knee osteoarthritis，KOA）的有效治療方式，可以減輕疼痛，改善膝關節功能，重建下肢力線，提高患者的生活質量[1]。膝關節置換種類多樣，常見有全膝關節置換術（total knee arthroplasty，TKA）、膝關節單髁置換術（unicompartmental knee arthroplasty，UKA）等。膝關節置換的影響因素較多，如精準的截骨直接決定了假體位置的放置[2-3]。目前常采用的截骨方法有測量截骨法、平衡間隙法，甚至手術導航、骨科機器人等先進的數字化技術[4]，截骨效果不一。3D 打印個性化導板（patientspecific instrument，PSI）也應用于膝關節置換截骨中，具有良好的臨床效果，本文對其進行綜述。

1 膝關節結構、膝關節置換種類及目前截骨方法

膝關節由股骨下端、脛骨上端和髕骨組成，構成內側股脛關節（內側間室）、外側股脛關節（外側間室）和髕股關節（髕股間隙）[5]。在下肢冠狀面，存在負重軸、機械軸及解剖軸。下肢負重軸也稱身體縱軸線，與地面垂直。下肢力線也稱作下肢機械軸線，與負重軸存在3°外翻。解剖軸相對于人體中線大約有9°外翻，因此機械軸與解剖軸二者之間存在6°夾角，此夾角也稱遠端股骨角[6]；股骨解剖軸與脛骨解剖軸在膝關節中心相交形成一向外側的夾角，稱為脛股角[7]，約174°。在矢狀位，股骨有一前弓，正常成人股骨前弓角為（10.6±1.8）°[8]。見圖1。

根據KOA 波及的間室不同，可對相應間室進行置換。根據置換間室數量可分為：單間室置換、雙間室置換及三間室置換。單間室置換包括單髁置換、髕股關節置換；雙間室置換包括單髁置換聯合髕股關節置換；三間室置換為TKA。

影響膝關節置換的因素很多，如手術指征的選擇、手術技巧、假體的選擇、術后的功能鍛煉等因素。下肢力線和假體旋轉軸線的準確定位是關乎膝關節置換手術成敗的兩個關鍵因素[9]。

在膝關節置換中，截骨是其中最重要的一步，關系到術中對位對線、假體的位置。目前主要截骨方法是術者根據患者膝關節畸形特點，設計截骨角度，術中通過截骨導板進行截骨，其效果更多與術者的臨床經驗有關，主觀性較強，其手術的可靠性與精確性受到了質疑。近年來，隨著數字化技術的發展，計算機導航、機器人[10]等數字技術應用在關節置換中，彌補了傳統關節置換定位不準的缺陷，但由于其存在需要術前注冊、學習曲線長及費用高等一系列問題，未取得廣泛應用。

2 3D 打印

3D 打印是指利用數字信息創建物理模型的一系列制造技術[11]，又名快速原型制作技術[12-13]。增材制造、快速成型、快速制造、實體自由制造等，分別從不同側面表達了這一技術的特點。3D 打印技術可以制作出任何理想的物體[14]，操作簡單，對硬件場地要求低，受到了各行各業廣泛的青睞。

目前3D 打印技術在醫學中主要分為以下3 個階段，初級階段：主要是聚乙烯材料制造各種類型的模型，廣泛應用于醫學的診斷和教學實踐中。中級階段：即直接打印出人體內的植入物，達到個性化診療。高級階段：打印人體器官，即生物打印。

3 3D 打印導航截骨導板在關節置換中的應用

膝關節置換術涉及股骨及脛骨多次截骨，術中需要多次使用不同截骨導板進行。而作為一種工具，3D打印導航截骨導板體現了術者對膝關節置換手術原理及步驟的理解，來輔助完成一部分或者多部分的截骨步驟，起到簡化手術步驟，提高手術精準性的作用，因此打印截骨導板種類多樣，作用不一。目前截骨導板主要在全膝關節置換及單髁置換中應用。

3.1 3D 打印導航截骨導板在TKA 中的應用

TKA 目前在臨床使用較多，首先進行股骨遠端及脛骨近端截骨，完成伸直間隙截骨；再參考股骨旋轉軸線完成屈曲間隙截骨，即前后髁的截骨；還需完成脛骨平臺旋轉定位，股骨髁間截骨。TKA 單純股骨側需要完成6 次截骨，具體見圖2。主要通過術者術前規劃確定截骨角度，術中通過解剖標識，通過定位釘固定截骨導板完成截骨。TKA 有很多截骨的關鍵步驟，如股骨開髓點的確定、截骨導板的定位釘放置點、截骨導板的放置。目前3D 打印導板在TKA中使用較多，主要為3D 打印定位釘導板和截骨槽導板。

3.1.1 股骨開髓點定位導板 股骨開髓點是用于尋找股骨解剖軸，臨床定位于后交叉韌帶止點上方1 cm左右，是股骨遠端截骨關鍵的第一步。術前術者會根據患者影像學資料進行相應調整，若開髓點偏前，易形成假體過伸，造成notch 骨折；若開髓點偏后，則易形成假體過屈安置[15]。借助于3D 打印，孫茂淋等[16-17]制作了開髓點定位導板，同時將股骨通髁線定位孔設計在導航導板上。采用四點固定，固定位置分別位于股骨內上髁（2 處）、外上髁（1 處）及前髁（1 處），發現該導板能準確定位股骨入髓位置，并且能夠確定股骨外旋角度并定位，將兩個功能集合在一個導板上，使其對股骨遠端外翻截骨及后髁外旋截骨均能夠有指導意義，明顯縮短了入髓深度，實現快速定位股骨髁上軸方向，定位準確，還能檢驗及校對股骨前后髁截骨準確性。股骨開髓點定位導板具體病例見圖3。

3.1.2 匹配股骨遠端截骨器、四合一截骨器定位釘孔位置的定位導板 在TKA 中，截骨導板通過定位釘進行固定，錯誤的定位釘位置將導致截骨導板位置異常，最終導致截骨異常，定位釘也是影響假體位置的重要因素。牛鳴等[18]制作了3D 打印導板，其定位釘孔的位置與傳統脛骨側、股骨遠端截骨器的定位釘孔位置保持一致，而邱冰等[19]所設計的3D 打印導板中增加了四合一截骨器的定位釘孔位置，通過固定骨釘的位置決定定位導板位置，將截骨器沿骨釘安裝、固定完成膝關節伸直間隙和屈曲間隙的截骨；術者無需打開髓腔，減少了深度靜脈血栓及因髓內定位引起的髓內出血、脂肪栓塞等手術并發癥的出現[20-21]，簡化手術過程；而且通過移動接骨板可以實現截骨的加截和減截，由術者控制截骨量大小，給術者更多的選擇。具體病例見圖4。

3.1.3 股骨遠端和脛骨近端的截骨導板 尹治輝等[22]定制個性化膝關節置換截骨導板，為股骨遠端和脛骨近端截骨導板，即所謂的膝關節置換的“第一二刀”，完成膝關節伸直間隙截骨操作；無需股骨開髓，減少對股骨髓腔損傷，但是截骨量術前已經確定，術中不能更改，僅用于伸直間隙的截骨，膝關節屈膝間隙仍需要傳統截骨導板完成。這是全膝關節置換使用最多的3D 打印截骨導板。具體病例見圖5。

3.1.4 股骨四合一截骨導板 術前術者對PSI 放置的位置，截骨厚度、角度進行綜合規劃，并進行模擬操作，設計股骨遠端及四合一截骨導板，劉云可等[23]制作個性截骨導板，行股骨側四合一截骨，即此導板能夠一次完成股骨遠端和前后髁截骨，即膝關節伸直屈膝間隙的截骨，該導板僅需髓腔外定位，截骨操作更加簡單，術前即對截骨量和角度進行設計，對術前規劃的準確性有高度依賴；而截骨必須與相應假體相匹配，否則會造成截骨假體不匹配等災難性后果。

3.2 3D 打印導航截骨導板在UKA 中的應用

UKA 是治療內外單間室骨性關節炎的一種重要手段。其脛骨截骨與TKA 相同，按照脛骨平臺進行7°后傾截骨，而股骨截骨為后髁截骨及遠端研磨截骨[24-25]。

3.2.1 脛骨截骨槽截骨導板 樊宗慶等[26]制作了脛骨截骨槽截骨導板，導板貼服后安裝固定，沿截骨導板直接截骨。

3.2.2 股骨和脛骨定位釘截骨導板 Ollivier 等[27]及聶宇等[28]設計制作的脛骨近端定位孔導板，放置于關節表面，使其與關節表貼服后鉆孔打釘固定，確定切割導向器的方向。顧飛等[29]設計的PSI 增加了股骨定位釘孔的位置，術中保留股骨內髁、髁間窩及脛骨平臺骨贅便于導板定位，導板與骨面貼服后固定，鉆孔插入定位釘，在定位釘上套入相匹配的截骨器截骨。

4 應用3D 打印導航截骨導板的優缺點及展望

應用該導板的優點：①術前規劃，通過術前采集患者下肢影像學資料，精確測量下肢力線，確定截骨角度及截骨量[19]；②術前演練，術前1∶1 打印實物模型進行術前演練操作，可縮短學習周期；③簡化手術操作過程，提高手術精度，通過3D 打印導板輔助手術可減少手術時間[30]，保證假體安放的準確性和下肢力線恢復的精準性。④實現個性化截骨，目前傳統方式截骨相對固定和程序化，使用3D 打印導板則可實現手術的個性化。⑤根據截骨量可預測膝關節置換假體大小[29]。

應用該導板的缺點：①CT 掃描無軟骨特征，故術前設計需綜合考慮軟骨厚度，術中截骨模板定位孔時，需清理關節表面定位孔處軟骨及多余骨贅[22，26]。②導板需穩穩與關節面或者骨面貼服，貼服度影響截骨的精準性，而充分剝離會增加出血量，延長手術時間。③住院費用增加，術前需采集全下肢立位X 線，及膝關節MRI、CT 會額外增加患者的費用。④住院時間的增加，3D 打印模型及導板的制作，需額外延長患者2～3 d 的住院時間。⑤3D 打印設備及材料的費用較高[31-33]。

綜合所述，3D 打印截骨導板在關節置換中擁有較高的臨床應用價值，隨著3D 打印技術的成熟和普及，結合3D 打印膝關節假體，手術將實現精準化，膝關節置換將造福更多患者。