3D打印截骨模块辅助下全膝关节置换术中与术前虚拟截骨的精确度比较

陈国仙 李国山 林宗锦 陈宣煌 翁 振 许国松 曾清东 陈伟义 林卫挺

(莆田市第一医院关节外科，福建 莆田 351100)

全膝关节置换术(TKA)是治疗某些终末期膝关节疾病的有效方法〔1，2〕，能够解除膝关节疼痛，恢复膝关节生理力线，恢复膝关节正常的功能。决定TKA术后疗效主要包括：术后下肢力线恢复、假体安装的位置、病人的选择等[3，4]，而影响假体位置和术后肢体力线主要取决于术中的截骨和软组织平衡，所以TKA术中截骨操作的精确度最终可影响假体的使用寿命和TKA术后的疗效。目前临床上常用的传统截骨工具是依据基于欧美人体解剖学特点而设计研发的，与国人膝关节解剖的匹配度有差异。国内临床医师根据经验在术中选用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，从而影响TKA术后的疗效。目前3D打印技术已应用于骨科临床，主要涉及实物模型的制作、手术辅助材料的打印、内植物的打印等〔5～8〕。在国内3D打印技术运用于TKA术中的研究较少，关于3D打印截骨模块在TKA中指导截骨是否准确的研究目前没有报道。本实验通过术中截骨厚度的测量与术前计算机测量结果进行比较分析，对3D打印截骨模块辅助下TKA截骨的精确度进行评价。

1 资料与方法

1.1一般临床资料 选择莆田市第一医院2015年3～8月经膝关节正侧位X线片证实为原发病变明确的晚期膝关节骨关节炎或类风湿关节炎患者。纳入标准：①经保守治疗无效，拟行单侧膝关节置换的骨关节炎或类风湿关节炎患者；②双下肢静脉彩超均未见异常；③所有患者签署知情同意书，并获得医院伦理委员会批准。排除标准为：①TKA手术禁忌证；②膝关节翻修术者；③凝血功能异常；④严重肝肾功能不全。本研究共纳入20 例，其中男 8 例，女 12 例，年龄65～83(平均72.5)岁，病程3～20年。术前诊断:骨关节炎13例，类风湿性膝关节炎7例；膝关节内翻15例，膝关节外翻5例，术前美国特种外科医院(HSS)膝关节评分为(48.8±2.1)分。

1.2术前准备 常规行心电图、肺功能、下肢深静脉彩色超声检查及血生化、凝血功能检查， 了解患者重要脏器功能及有无手术禁忌证。术前常规行下肢全长正侧位X线、双下肢CT扫描检查。将扫描的Dicom格式数据导入Mimics.14软件(Materialise公司，比利时)，对下肢进行三维重建，将重建的下肢骨骼模型以STL格式保存，然后在2D视图下测定胫骨平台后倾角、股骨外旋角及外翻，确定术中使用的胫骨及股骨假体型号，并测量术中股骨远端和胫骨近端截骨量，设计胫骨和股骨侧截骨模块，最后利用Replicator-2 3D打印机(Maker Bot公司，美国)，采用聚乳酸打印材料，打印股骨和胫骨截骨模块。术前进行低温等离子消毒。

1.3手术过程 所有患者手术由同一医生主刀完成。全身麻醉，取膝关节前正中切口，由髌骨内缘进入，骨显露膝关节，切除增生的滑膜组织、前后交叉韧带及半月板，松解软组织，咬除胫骨近端和股骨的骨赘及关节软骨，将3D打印截骨模块紧密贴合胫骨近端和股骨远端骨皮质，用标准锯片(1.2 mm厚)完成胫骨、股骨关节面的截骨。由同一位不知道计算机测量结果的骨科医生，用游标卡尺测量股骨远端、胫骨平台最高点和胫骨平台最低点截骨厚度，将人工测量的截骨片厚度加上在切骨中丢失的骨的厚度作为术中最终测量的厚度。放置试模，复位膝关节观察膝关节屈伸活动度良好、屈伸间隙平衡后取出试模，脉冲式枪冲洗膝关节，安装膝关节假体及垫片，放置负压引流管，逐层缝合。

1.4术后处理及疗效评价 术后常规使用低分子肝素钙预防血栓，抗生素预防感染，非甾体药物使用镇痛处理，术后48 h拔除引流管，术后即行下肢功能锻炼，术后3 d拍片复查观察下肢力线恢复。下肢力线测量是髋关节中点到膝关节中点的连线与膝关节中点到踝关节中点的连线的夹角即是机械胫股角(MFT)。采用HSS膝评分评价膝关节功能恢复情况，记录术后3个月的HSS膝评分。

1.5统计学方法 采用 SPSS17.0 软件进行t检验。

2 结 果

2.1预后 本实验所有患者手术顺利，手术时间为(70.5±3.6)min。所有患者术后获得3个月随访，其中1例合并糖尿病者切口延迟愈合，经过对症处理3 w后全愈合，其余患者术后无切口感染、深静脉血栓、皮肤大面积瘀斑等并发症。

2.23D打印截骨模块辅助下TKA术后疗效 术后3个月随访，膝关节活动良好，其HSS膝关节评分增至(88.6±2.8)分，与术前HSS膝关节评分(48.8±2.1)分对比差异显著(t=-22.36，P=0.00)。3D打印截骨模块辅助下TKA术前下肢线MFT〔(8.4±2.6)°〕与术后下肢力线MFT对比同样具有显著差异〔(2.2±1.3)°,t=7.56，P=0.00〕。

2.33D打印截骨模块下TKA术中各部位截骨厚度测量与术前计算机测量对比分析 股骨远端截骨厚度术前计算值为(9.28±0.52)mm，术中测量值为(9.15±0.62)mm；胫骨平台最高点截骨厚度术前计算值为(10.18±0.49)mm，术中测量值为(10.25±0.45)mm；胫骨平台最低点截骨厚度术前计算值为(3.48±0.07)mm，术中测量值为(3.22±0.09)mm，三组术中及术前计算机截骨厚度测量均无统计学差异(t=1.32，P=0.53；t=-0.78,P=0.49和t=1.68，P=0.68)。3D打印截骨模块能够较精确指导TKA中截骨。

3 讨 论

TKA手术最主要的目的就是获得理想的下肢力线〔9,10〕，从而使得安装假体的负载分布得到优化，防止负载出现偏移，利于假体获得长期的生存率。有研究报道〔11〕手术失败率增高、假体压力增加和术后功能得分低等都与术后下肢的力线和假体的位置不良有关。还有研究〔12〕发现临床上对于传统机械定位系统，即是由经验丰富的医生操作，下肢力线对线误差超过3°的发生率也至少为10%。有研究表明任何与机械轴的成角都会影响假体的使用寿命,理想的假体位置是胫骨、股骨端的假体分别垂直于各自的机械轴〔13〕。生物力学试验〔14〕证明股骨和胫骨假体对线内外翻大于4°可明显加速聚乙烯衬垫磨损，从而引起假体松动、关节不稳，甚至早期失败，术后还可以产生疼痛、活动受限，影响患者术后的满意率。很多研究〔15～20〕显示计算机辅助导航法在全膝关节置换中的应用较传统方法明显提高了下肢力线和假体旋转轴线的准确性,但其受到计算机导航设备费用昂贵，术中操作技术学习曲线长，术中所需手术时间较常规手术时间要长半小时至1 h，可能会增加感染机会等因素的限制，在基层医院不容易开展和推广。3D 打印技术作为一种新发展的技术，该技术包括逆向工程技术和快速成型技术。目前3D 打印技术已在工业制造领域、生物医疗领域等得到发展迅速，并取得了一定的成效。近年来3D打印技术已逐渐应用于骨科领域，国内已有较多研究〔21〕显示3D导航模板技术成功应用于脊柱内固定领域,使得复杂脊柱手术简单化、精准化。3D打印技术也应用于骨盆肿瘤领域的研究报道〔22〕，在打印的骨盆模型上切除半骨盆，然后设计个性化人工半骨盆假体，取得了满意临床效果。3D打印技术还应用于骨折领域的研究报道〔23〕，指导复杂骨折，并取得较好的临床效益。国内近期同样运用该技术于髋关节置换及髋关节翻修领域的研究报道〔24，25〕，使关节置换中假体安放位置的准确性、假体型号的选择、术前骨缺损的评估等技术难题得到解决。对于国内3D打印技术应用于膝关节领域研究报道较少，本实验通过术中截骨厚度的测量与术前计算机测量结果进行比较分析，对3D打印截骨模块辅助下TKA截骨的精确度进行评价。决定TKA术后疗效主要包括：术后下肢力线恢复、假体安装的位置，当术中能够准确进行按照术前计算机设计的截骨量进行精准截骨，使用假体安装位置良好，为恢复术后良好的下肢力线做必要准备。本实验研究结果说明3D打印截骨模块可以更精确指导TKA术中的截骨，能更精确指导术中假体放置位置,从而得到更精确的下肢力线，促进TKA术后膝关节功能更好的恢复。