3D打印技术在全膝关节置换术中的应用价值

刘金辉,聂喜增,李　锋,谢　磊,刘　博

(河北省石家庄市第三医院，河北 石家庄 050011)



3D打印技术在全膝关节置换术中的应用价值

刘金辉,聂喜增,李锋,谢磊,刘博

(河北省石家庄市第三医院，河北 石家庄 050011)

目的评价3D打印技术用于全膝关节置换术的临床疗效及安全性。方法将接受初次单侧全膝关节置换(TKA)的患者40例随机分为2组，3D组20例采用3D打印辅助TKA手术，术前根据CT扫描数据建模行膝关节3D打印，制作膝关节模型，并计算截骨量，截骨角度，根据测量数据选取适合的膝关节假体。常规组20例采用常规TKA手术。记录2组手术时间和手术出血量(术中出血量+术后引流量)，评估2组术后2周时HSS膝关节评分、膝关节活动度及下肢力线的改善情况，比较2组并发症发生情况。结果3D组手术时间明显短于常规组(P<0.05)，手术出血量明显少于常规组(P<0.05)。2组术后2周膝关节活动范围、HSS膝关节评分、术后股骨与胫骨机械轴夹角比较差异均无统计学意义(P均>0.05)。2组术中和术后均未见明显并发症。结论3D打印技术辅助TKA手术对患者膝关节功能、下肢力线和关节活动度的改善情况与常规TKA手术无异，但手术时间更短、手术出血量更少。

全膝关节置换术；三维成像；3D打印技术

全膝关节置换术(total knee arthroplasty，TKA)是目前临床上治疗膝关节炎病变最为有效的手术方案。传统TKA使用器械复杂，而且手术步骤繁琐,手术中还需要根据大量的骨性标志进行截骨，常导致截骨不当、胫骨上端后侧皮质穿孔或假体松动等并发症[1]；术中安装髓内定位杆等定位工具操作也增加了失血量及发生脂肪栓塞的风险。3D 打印是近年来兴起的一种全新材料技术并迅速应用到医学治疗领域。使用 3D 打印技术辅助传统TKA可使手术顺利施行，效率升级[2]。本研究采用随机对照方法，探讨了应用 3D 打印技术辅助TKA与传统治疗方案临床疗效的区别，旨在为3D打印技术的临床推广提供依据，现报道如下。

1　临床资料

1.1一般资料选取2014年5月—2015年6月经膝关节正侧位X射线片证实的原发病变明确的40例晚期膝关节骨关节炎或类风湿关节炎患者，均经保守治疗无效，拟行单侧膝关节置换，患者对本研究知情同意；排除有膝关节手术史者，凝血功能异常者。采用随机数字表按入院时病例号随机分为2组：3D组20例，男4例，女16例； 年龄58～79(66.3±6.4) 岁；骨关节炎18例，类风湿关节炎2例；术前HSS膝关节评分为35～46(41.1±4.4)分，膝关节活动度(85.4±18.9)°。

常规组20例，男5例，女15例；年龄 56～80(67.9±8.2) 岁。骨关节炎 17例，类风湿关节炎3例；术前 HSS膝关节评分为 32～48 (40.7±5.9) 分，膝关节活动度(83.6±21.7)°。2组年龄、性别、原发病及病情比较差异均无统计学意义 (P均>0.05)，有可比性。本次研究经本院伦理委员会批准。

1.2方法

1.2.1术前准备2组术前常规行心电图、肺功能、下肢深静脉彩色超声及血生化、凝血功能检查，了解患者重要脏器功能及有无手术禁忌证。并进行下肢全长正侧位X射线、膝关节CT扫描检查。CT扫描范围为膝关节上下10 cm，到达附着髌韧带的胫骨结节位置；层距1.25 mm 或1 mm。

1.2.23D组根据扫描数据进行计算机三维建模，经计算机系统测定股骨外翻角、外旋角及胫骨平台后倾角，并进行手术策划,确定术中使用的股骨及胫骨假体型号，以及术中股骨远端、后髁、胫骨近端截骨量与截骨角度。根据建模数据设计个体化的手术截骨切模，将手术截骨切模数字文件传输到3D 打印机中,利用快速成型技术打印出聚酰胺截骨切模实物。患者取仰卧位，全麻生效后于膝关节前正中初切开皮肤，沿髌骨内侧、四头肌腱至胫骨结节内侧处做一个弧形切口，打开关节囊及髌上囊，负压吸净囊内黄色关节积液，屈膝90°髌骨外翻，清除周围组织及骨赘，松解外侧软组织。在胫骨近端安装好打印的胫骨近端切模，保证接触面贴合良好，然后沿切模进行截骨，截骨角度及截骨量根据术前计算机计算结果，无需打开髓腔；准确安装放置试模及髁间截骨后，于胫骨近端打孔，用脉冲水枪以生理盐水1 500～2 000 mL清洗膝关节，使用骨水泥将胫骨、股骨截骨面进行铺垫以安装膝关节垫片及假体，保证整个手术过程测量力线良好，手术结束后留置负压引流管，逐层缝合手术切口。

1.2.3常规组采用标准全膝关节置换术。手术暴露过程与 3D组相同，术中使用常规截骨导板进行截骨，并判断假体型号，截骨过程中需打开髓腔。

1.2.4术后处理2组均常规使用低分子肝素钠抗凝，给予抗生素预防感染，术后 1～2 d拔除引流管,术后3 d床上行持续被动运动机功能锻炼，术后7 d行辅助功能锻炼。

1.3观察项目记录2组手术时间、手术出血量、术后引流量及并发症发生情况。测量2组术前及术后2周的膝关节活动度及股骨与胫骨机械轴的夹角(MFTA)。采用 HSS膝关节评分评价膝关节功能恢复情况。记录术中、术后并发症。

2　结　　果

2.1手术情况2组术中截骨操作均顺利，术中未予输血治疗。术后第3天均拔除引流管，术后2周拆线，均未使用支具治疗。2组术中及术后均未出现明显并发症。

2.22组手术时间和手术出血量比较3D组手术时间明显短于常规组(P<0.05),手术出血量显著少于常规组(P均<0.05)。见表1。

表1　2组手术时间和手术出血量比较±s)

2.32组手术前后膝关节活动度比较术前2组膝关节活动范围比较差异无统计学意义(P>0.05)。术后2周，2组膝关节活动范围均显著提高(P均<0.05)，但组间比较差异无统计学意义(P>0.05)。见表2。

表2　2组手术前后膝关节活动度比较±s，°)

2.42组手术前后HSS膝关节评分比较术前2组HSS膝关节评分比较差异无统计学意义(P>0.05)。术后 2周，2组HSS膝关节评分均显著提高(P均<0.05)，但组间比较差异无统计学意义(P>0.05)。见表3。

表3　2组手术前后HSS膝关节评分比较±s，分)

2.52组手术前后下肢力线比较术前2组MFTA比较差异无统计学意义(P>0.05)。术后 2周，2组MFTA均显著改善(P均<0.05)，但组间比较差异无统计学意义(P>0.05)。见表4。

表4　2组手术前后MFTA比较

3　讨　　论

虽然TKA是治疗膝关节炎最为有效的方法，但是随着临床应用的深入，传统TKA的缺点日益暴露，手术操作繁琐、手术器械复杂、需按患者病情大范围截骨，这些缺点限制了TKA的临床推广。TKA术中截骨操作的精确程度也会影响术中假体的安放，从而决定假体的使用寿命。医生技术不够熟练、未能掌握膝关节变形情况时还可能引起截骨不当、胫骨上端后侧皮质穿孔及假体松动等各种并发症，严重影响患者预后。目前临床上常用的机械引导装置及截骨工具是根据患者骨骼大小在术中与不同型号的试模逐一进行比对匹配，假体大小的选择往往取决于术者的经验而非客观数据。由于医生依靠术中髓内外定位装置及自身的临床经验决定手术操作,主观判断术中截骨的数量和角度、假体的大小、旋转的角度以及软组织平衡情况，缺乏客观的、量化的手术设计和数据,使得术中不能进行精确截骨定位、假体选择及假体摆放,而超半数的早期失败患者与术中假体摆放不当、力线不合适有关[3-4]。而且，常规手术利用髓内外定位导向装置进行定位截骨,术中需要打开股骨髓腔进行定位,且髓内定位在打开髓腔后脂肪组织较易进入血管，增加了术后发生脂肪栓塞的风险；在骨骼发育异常、骨折畸形愈合或骨折内固定术后等情况时，髓内定位杆无法顺利插入，或即使能够插入髓腔但却没有了定位的价值，只能根据术前的X射线片或临床经验进行判断，故而髓内定位不可避免存在误差，而股骨和胫骨假体对线内外翻大于4°时即可导致聚乙烯衬垫磨损明显加速[5]，对于手术远期效果影响重大。而计算机导航辅助TKA虽然具有植入假体位置准确、术后下肢力线和软组织平衡更理想的优点，但术中反复测量试模与关节的匹配程度，延长了手术时间[6]。

自从Faulkner-Jones 等于2012年首次采用3D打印技术打印出了第一个人造肝脏组织，该技术已经快速进入了医学领域。目前 3D打印技术在骨科临床中主要涉及了骨科实物模型、手术辅助材料和内植物等的打印[8-11]，尤其在关节疾病的外科治疗中优势明显。利用 3D打印技术制作假体的初始稳定性及早期骨长入良好，短期疗效满意[12]；有学者采用3D打印技术打印出髋臼模型，以辅助对髋关节严重畸形患者行人工全髋关节置换术，可以保证假体组件按计划精确植入[13]。康鹏德等[14]认为应用计算机CT三维重建技术预测骨科内植物的大小和位置具有较高的准确性和可行性较高。该方法通过影像学检查获取患者的膝关节数据，并在计算机辅助下转化为三维模型，采用 3D打印机打印出实体手术截骨切模，保障了切模完美匹配，也减少了TKA手术时间和手术出血量，提高了术后假体生存率及膝关节功能。再者，由于术前打印出了完美匹配的截骨切模，术中不用打开髓腔，从而减少了手术出血量和术中脂肪栓塞发生的概率。为了避免机械引导装置及截骨工具因不同人群膝关节大小、形态存在的较大差异而出现截骨精确度低的情况，采用3D打印技术依据患者CT扫描数据建模打印出实体模型进行截骨，使截骨操作真正依据客观数据而非主观经验，从而保障了假体放置准确和完美。3D打印切模技术根据患者影像学信息经计算机建立三维模型测定股骨外翻及外旋角和 胫骨平台后倾角等数据，确定股骨远端和后髁截骨量以及胫骨近端截骨量和截骨角度，术中不必反复比对截骨量和截骨角度。正是由于应用3D打印技术于术前确定植入物的类型、大小和位置有利于术者制定个体化的手术方案，能够使手术更加精准，缩短手术时间并减少术中使用工具的数量[15]。

本研究结果显示，应用3D打印技术辅助TKA手术时间明显短于常规TKA，手术出血量也显著少于常规组，而术后下肢力线、术后 2周膝关节活动度及HSS膝关节评分与常规组比较差异均无统计学意义，且未见明显的膝内外翻并发症。表明3D打印技术辅助 TKA术后疗效满意，有很大推广价值。由于3D打印技术作为一个新生事物未能普及，本研究纳入样本量较少，且未进行长期效果观察，故本研究结果的可靠性还有待大样本的长期对照研究来验证。

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10.3969/j.issn.1008-8849.2016.16.016

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1008-8849(2016)16-1760-04

2015-09-18