3D打印个性化截骨模具在人工全膝关节置换术中应用

孙保飞，　张敬东，　刘欣伟，　华政哲，　王　宇，　刘　铭，　王　宁，　韩文锋，　侯明晓

沈阳军区总医院 骨科 全军重症战创伤救治中心，辽宁 沈阳　110016



·3D打印技术·

3D打印个性化截骨模具在人工全膝关节置换术中应用

孙保飞，张敬东，刘欣伟，华政哲，王宇，刘铭，王宁，韩文锋，侯明晓

沈阳军区总医院 骨科 全军重症战创伤救治中心，辽宁 沈阳110016

目的评价3D打印个性化截骨模具在人工全膝关节置换术(TKA)中的临床疗效。方法收集2014年4月至2016年6月收治的16例(20膝)应用3D打印个性化截骨模具行TKA患者为研究组(3D打印TKA组)，再随机选取在此期间就诊的16例(19膝)应用常规截骨器械行TKA的患者为对照组(常规TKA组)。记录两组患者术后12 d的美国特种外科医院(HSS)膝关节评分、膝关节活动度及下肢力线的改善情况，评估术后并发症的发生情况。结果3D打印TKA组术后12 d膝关节活动范围为(104.3°±15.5°)，常规TKA组为(103.5°±12.5°)，两组间比较，差异无统计学意义(P>0.05)；3D打印TKA组术后12 d的HSS膝关节评分为(88.5±5.7)分，常规TKA组为(89.4±4.8)分，两组间比较，差异无统计学意义(P>0.05)。3D打印TKA组术后股骨与胫骨机械轴夹角为(2.9°±1.1°)，常规TKA组为(3.0°±0.9°)，两组间比较，差异无统计学意义(P>0.05)。两组患者均未出现术中和术后并发症。结论应用3D打印个性化截骨模具辅助行TKA手术的患者术后12 d膝关节功能、下肢力线和关节活动度的改善与常规行TKA手术的患者无明显差异。

3D打印；全膝关节置换术；下肢力线

全膝关节置换术(total knee arthroplasty，TKA)是目前治疗膝关节疾病较为成功的手术方法之一，TKA手术可以减轻患者膝关节疼痛、矫正患肢力线、改善膝关节功能。以下两方面是评价TKA手术成功与否的重要标准：(1)精确的截骨以恢复满意的下肢力线；(2)良好的软组织平衡以获得满意的膝关节活动度及良好的膝关节稳定性[1-3]。针对上述问题，许多学者开始尝试在TKA术中应用3D打印个性化截骨模具进行截骨，大大提高了截骨的精确程度，对恢复下肢力线及获得良好的软组织平衡有很大帮助，进而获得满意的膝关节功能[4]。本研究回顾性分析，比较应用3D打印个性化截骨模具辅助行TKA与常规TKA手术的临床疗效。现报道如下。

1　资料与方法

1.1一般资料收集2014年4月至2016年6月在沈阳军区总医院就诊并应用3D打印个性化截骨模具行TKA患者16例(20膝)作为研究组(3D打印TKA组)，随机选取在此期间就诊并应用常规截骨器械行TKA的患者16例(19膝)为对照组(常规TKA组)。3D打印TKA组中，男性5例，女性11例；年龄57～79岁，平均年龄(66.71±7.59)岁。其中，3例患者Ⅰ期行双膝TKA，2例患者Ⅱ期行双膝TKA；所有患者均为初次TKA；术前均无手术禁忌证。常规TKA组中，男性4例，女性12例；年龄56～78岁，平均年龄(65.89±6.58)岁。其中，2例患者Ⅰ期行双膝TKA，2例患者Ⅱ期行双膝TKA；所有患者均为初次TKA；术前均无手术禁忌证。两组患者年龄及性别比较，差异均无统计学意义(P>0.05)。所有患者在行TKA前均知情同意并签署手术知情同意书。

1.2手术准备患者入院后常规行膝关节正侧位X线影像、髌骨轴位X线影像、站立位双下肢全长正位X线影像(髋关节至踝关节)、膝关节CT等检查。CT检查扫描参数：以膝关节为中心，从髋关节至踝关节，扫描层厚为0.625 mm。将CT扫描数据导入计算机，应用计算机CT三维重建软件将CT数据进行三维重建，并测定股骨外旋角、外翻角及胫骨平台后倾角，据此预估术中股骨及胫骨所需假体型号，确定术中股骨及胫骨的截骨量及截骨角度。所有患者术前常规行心电图、胸X线、心脏彩超、下肢动静脉血管彩超及血生化、凝血功能、术前免疫等检查，以排除手术禁忌证。

1.3手术方法

两组患者手术均由同一医师及医疗小组完成。所有患者均采用膝关节正中切口髌骨内侧入路，均不做髌骨置换。术中所有患者均关节腔灌注氨甲环酸3 g以充分止血，防止术后失血过多。

1.3.13D打印TKA组全麻后，患者取仰卧位，患肢缚气囊止血带。使用碘伏、酒精进行术区皮肤消毒，铺无菌手术单，敷皮肤保护膜。患肢驱血后，气囊止血带充气，作膝关节正中切口，长约15 cm，逐层切开皮肤、皮下、浅筋膜，沿髌骨内侧缘切开关节囊，将髌骨向外侧翻开，屈曲膝关节显露关节内结构。切除内外侧残留半月板、前后交叉韧带及关节边缘骨赘。刮除股骨髁负重区软骨，应用股骨侧3D打印个性化截骨模具作股骨髁截骨，无须打开髓腔进行股骨髓腔定位。屈膝位显露胫骨平台，刮除软骨后应用胫骨侧3D打印个性化截骨模具作胫骨截骨。安装膝关节试模，评估并平衡伸膝、屈膝间隙，并适当做软组织松解。大量生理盐水脉冲冲洗术区，于截骨表面及假体内侧分别涂抹骨水泥，选择合适的胫骨基座、胫骨垫片及股骨髁假体，快速安装各假体，骨水泥固化后清除多余骨水泥，咬除髌骨边缘骨赘，修整髌骨关节面，髌周去神经处理。再次脉冲冲洗术区，于关节腔内留置负压引流管，逐层连续缝合至皮肤。无菌敷料包扎。术毕。典型病例见图1。

1.3.2常规TKA组常规TKA手术显露过程与3D打印TKA组相同，术中使用常规截骨器械进行股骨及胫骨截骨，行股骨侧截骨过程中需打开髓腔。

1.4术后处理两组患者术后12 h常规使用利伐沙班10 mg/d抗凝，预防下肢深静脉血栓形成。预防性使用抗生素至术后48 h。术后48 h拔除引流管。术后48 h，常规拍摄患膝关节正侧位X线影像，并鼓励患者早期下地活动。术后1周拍摄双下肢站立位力线X线影像。

1.5疗效评价记录两组患者术前及术后12 d膝关节活动度及患侧下肢力线角度(股骨与胫骨机械轴的夹角)。采用HSS评分评价膝关节功能的恢复情况，记录患者术前及术后12 d的美国特种外科医院(hospital for special surgery，HSS)膝关节评分。下肢力线角度测量方法：髋关节中点到膝关节踝关节中点连线的夹角。

图1患者女性，62岁，右膝关节骨性关节炎，应用3D打印个性化截骨模具行人工全膝关节置换术(a.术前3D模具设计图；b.3D个性化截骨模具；c.术中3D打印个性化截骨模具的安装；d.该患者术前术后X线影像，可见假体角度及位置良好，下肢力线恢复满意)

2　结果

2.1一般情况两组患者手术过程顺利，术后观察至12 d。两组患者术中、术后均未出现并发症。术中、术后均未予输血治疗。常规于术后48 h拔除引流管。术后12 d视切口愈合情况拆除缝线。

2.2两组患者术后疗效及并发症两组患者术前比较，膝关节活动度、HSS膝关节评分及下肢力线角度比较，差异均无统计学意义(P>0.05)。两组术后12 d比较，膝关节活动度、HSS膝关节评分及下肢力线角度比较，差异均无统计学意义(P>0.05)。两组患者手术前、后组内比较，膝关节活动度、膝HSS评分及下肢力线角度差异有统计学意义(P<0.05)。两组患者均未出现术中和术后并发症。见表1～3。

表1　3D打印TKA组与常规TKA组膝关节活动度比较，角度/°)

表2　3D打印TKA组与常规TKA组手术HSS膝关节评分比较，评分/分)

表3　3D打印TKA组与常规TKA组手术前后下肢力线比较，角度/°)

3　讨论

TKA是治疗多种膝关节疾病终末期的有效方法。重建下肢力线是TKA最为重要的评价指标之一，然而，下肢力线恢复的关键在于术中精确的截骨。临床上使用的常规膝关节手术器械多为以西方人膝关节解剖特点设计，与国人膝关节解剖特点有所差异，导致术中截骨精确程度较差，造成术后力线恢复不满意[5-7]。此外，当患者存在骨骼发育畸形、骨折畸形愈合及骨折内固定术后等情况时，传统TKA截骨器械进行股骨髓内定位时，髓内定位杆无法顺利插入，或者即使可以顺利插入股骨髓腔，其定位的准确性也明显降低，甚至无参考价值，只能依靠术前X线影像及术者个人经验来决定截骨量的多少，这样可能导致术后下肢力线恢复不佳。有研究报道，即使在正常解剖的膝关节进行精确髓内定位时，并且由经验丰富的手术医师操作，股骨与胫骨对线误差超过3°的发生率也至少达到10%[8]，而进行髓内定位时，需要打开髓腔插入髓内定位杆，会增加脂肪栓塞和感染的风险[9-13]。

生物力学研究表明，股骨和胫骨假体内外翻>4°可加速聚乙烯衬垫的磨损速度，缩短膝关节的使用时间[14]。近年来，兴起的3D打印技术广泛应用于骨科临床，其中3D打印个性化截骨模具在TKA中的应用前景广泛。3D打印个性化截骨模具辅助行TKA，通过计算机软件测量并确定下肢力线，使术中截骨准确性大大提高，对关节畸形或者股骨发育异常的患者也具有重要意义。采集患者的CT影像数据是3D打印个性化截骨模具的重要环节，而关节软骨在X线影像和CT影像中并不显影，任何软组织都有可能影响3D打印个性化辅助切模定位的准确性。因此，应用基于CT三维重建模型制作的3D打印个性化辅助切模在术中进行股骨和胫骨定位时，必须充分刮除切模与骨性接触部位的软组织及软骨，才能充分发挥3D打印个性化辅助切模的稳定性与定位的精确性[15]。此外，进行截骨时，必须注意将辅助切模与骨性接触部位固定牢靠，以保证精确的截骨操作。

本研究中，两组患者术前比较，膝关节活动度、HSS膝关节评分及下肢力线角度均无明显差异。两组患者术后12 d比较，膝关节活动度、HSS膝关节评分及下肢力线角度均无明显差异。两组患者手术前、后组内比较，膝关节活动度、HSS膝关节评分及下肢力线角度差异有统计学意义(P<0.05)，下肢力线恢复较为满意，说明应用3D打印个性化截骨模具辅助行TKA可以获得满意的疗效。目前，3D打印个性化辅助切模在TKA中的应用已较为普及。虽然本研究证实，与常规TKA比较，3D打印个性化辅助切模对改善膝关节功能和恢复下肢力线无明显统计学差异，但已有许多研究报道其在TKA中，可缩短手术时间及减少出血量的优势[15]。

本研究仍存在不足之处，其一，纳入研究的患者较少，两组患者均不足20例；其二，本研究随访时间较短，应用3D打印个性化辅助切模行TKA的长期疗效尚不能肯定。因此，本研究结果的可靠性还需要大样本的长期随访对照研究来进一步证实。

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3D printing individualized osteotomy mold in total knee arthroplasty

SUN Bao-fei,ZHANG Jing-dong,LIU Xin-wei,HUA Zheng-zhe,WANG Yu,LIU Ming,WANG Ning,HAN Wen-feng,HOU Ming-xiao

(Department of Orthopedics,The General Hospital of Shenyang Military Command,Shenyang 110016,China)

ObjectiveTo explore the curative effect of 3D printing individualized osteotomy mold in total knee arthroplasty(TKA).MethodsA retrospective study was performed on 16 patients(20 knees)from April 2014 to June 2016.Patients that were treated with TKA using 3D printing individualized osteotomy mold were divided into the experimental group(3D printing TKA group),the other 16 patients(19 knees)that were treated with conventional TKA were randomly divided into the control group(conventional TKA group).The HSS score,range of motion(ROM),lower limb mechanical alignment and incidence of complication 12 days after operation were recorded.ResultsAfter 12 days,the postoperative ROM of knee in the 3D printing TKA group was(104.3°±15.5°)and that in the conventional TKA group was(103.5°±12.5°),there was no significant difference between the two groups(P>0.05).HSS scores in 3D printing TKA group and in conventional TKA group were(88.5±5.7)and(89.4±4.8),respectively,there was no significant difference between the two groups(P>0.05).Mechanical alignment in the 3D printing TKA group was(2.9°±1.1°)and that in conventional TKA group was(3.0°±0.9°),there was no statistical significance(P>0.05).There was no obvious intraoperative and postoperative complication in the two groups.ConclusionThere is no obvious difference between TKA with 3D printing individualized osteotomy mold and conventional TKA in HSS score,mechanical alignment and ROM of knee.

3D printing;Total knee arthroplasty;Lower limb mechanical alignment

辽宁省科学技术计划项目面上项目(2015020446)

孙保飞(1988-)，男，河北衡水人，医师，硕士

韩文锋，E-mail：hanwenfeng@medmail.com.cn；

侯明晓，E-mail：houmingxiao188@163.com

2095-5561(2016)05-0273-05

R687.4

A

∶10.16048/j.issn.2095-5561.2016.05.05

2016-09-13