3D打印截骨导板在人工全膝关节置换术中的临床应用研究

安贵峰 王明月

【摘要】 目的 探讨3D 打印截骨导板在人工全膝关节置换（TKA）术中的临床效果和安全性。方法 40例经膝关节正侧位X线及CT诊断膝关节明确原发病变的单侧晚期膝关节骨关节炎或类风湿关节炎患者， 按计算机随机分组法分为3D打印组和传统手术组， 各20例。3D打印组接受3D 截骨导板TKA术治疗， 传统手术组接受传统TKA术治疗。比较两组患者冠状面股骨组件角（FFC）、冠状面胫骨组件角（FTC）、矢状面胫骨组件角（LTC）的角偏差值， 手术时间， 术中失血量， 术前及术后3个月膝关节协会评分（KSS评分）、冠状面髋-膝-踝角（HKA）。结果 传统手术组手术时间（122.5±5.3）min长于3D打印组的（103.6±4.6）min， 术中失血量（588.7±35.3）ml多于3D打印组的（423.2±41.5）ml， 差异均有统计学意义（P<0.05）。两组术后X线测量FFC、FTC、LTC角偏差比较差异无统计学意义（P>0.05）。术后3个月， 两组KSS评分均高于术前， HKA角大于术前， 差异均有统计学意义（P<0.05）;术后3个月， 3D 打印组KSS评分略高于传统手术组， HKA角略大于传统手术组， 但差异无统计学意义（P>0.05）。结论 3D打印截骨导板技术应用于TKA术中， 能够缩短手术时间、一定程度上控制术中失血量， 并改善患者膝关节置换术后功能， 为患者提供更加精确化、个体化的治疗， 值得进一步推广和应用。

【关键词】 3D打印;截骨导板;膝关节置换术

DOI：10.14163/j.cnki.11-5547/r.2020.17.041

本研究选取2017年9月～2019年3月本院收治的 40例经膝关节正侧位X线及CT诊断膝关节明确原发病变的单侧晚期膝关节骨关节炎或类风湿关节炎患者为研究对象， 探讨3D 打印截骨导板技术在TKA术中的临床效果和安全性。现报告如下。

1 资料与方法

1. 1 一般资料 选取2017 年9月 ～2019年3月经膝关节正侧位X线及CT诊断、膝关节明确原发病变的单侧晚期膝关节骨关节炎或类风湿关节炎患者为研究对象， 采用计算机随机分组法将其分为3D打印组和传统手术组， 每组 20 例。3D打印组患者年龄58～76岁， 平均年龄（67.6±3.3）岁;术前KSS评分（46.52±2.54）分;术前HKA角（171.23±5.34）°。传统手术组患者年龄58～75岁， 平均年龄（67.4±4.6）岁;术前膝关节KSS评分（47.25±1.85）分;术前HKA角（170.54±4.62）°。两组患者年龄、KSS评分、HKA角等一般资料比较差异无统计学意义（P>0.05）， 具有可比性。

1. 2 纳入及排除标准

1. 2. 1 纳入标准 经系统保守治疗无效， 拟行单侧膝关节置换者[1]。

1. 2. 2 排除标准 ①术前拟行3D 打印截骨导板方法， 术中临时改行常规膝关节置换者;②拟行膝关节翻修术者;③凝血功能异常者;④合并严重心肺功能不全、高龄及不能耐受外科手术者[2]。

1. 3 膝关节置换模拟手术及截骨导板的设计制作 术前获取 CT及磁共振成像（MRI）数据并构建膝关节模型， 扫描范围为双侧股骨头至踝关节下肢全长， CT三维重建获得的双下肢骨骼模型， 匹配膝关节MRI软骨厚度， 获得匹配膝关节软骨的膝关节三维模型。进行计算机膝关节模拟手术， 其中以胫骨平台外侧正常软骨为定位点进行胫骨平台垂直截骨， 截骨厚度设定为9 mm， 后倾3°。股骨参考股骨机械轴设定5°外旋截骨， 股骨入髓点为股骨解剖轴投影点， 确定股骨旋转轴为股骨内外上髁连线， 行股骨远端截骨， 截骨厚度10 mm， 并根据远端截骨面设计后髁截骨厚度[3]。同时设计截骨槽导板， 计算机导入设计截骨块， 设计截骨槽及截骨导板， 参考股骨前方皮质及胫骨结节中内1/3， 胫骨平台外侧关节面为定位点， 根据设定术前定位旋转及截骨厚度， 得到股骨及胫骨截骨导板[4]。并将文件载入到快速成型宝葫芦软件中。通过专业级 3D三维打印机， 利用聚乳酸（PLA）材料， 通过熔融沉积制造技术逐层加工打印膝关节截骨导板。

1. 4 手术方法 两组患者手术由同一组医生完成， 放置试模、复位膝关节满意后取出试模。

1. 4. 1 3D打印组 接受3D 截骨导板TKA术治疗。麻醉后患者取仰卧位， 行膝关节前正中切口， 由髌骨内缘切开， 轻度外翻髌骨暴露关节面;切除增生的滑膜组织、前十字韧带及残留半月板， 松解软组织， 去除股骨髁骨赘;屈膝90°， 去除胫骨增生骨赘， 无需髓内定位， 将术前设计胫骨截骨导板按术前设计定位点精确放置于胫骨近端， 定位针固定后按截骨导板行胫骨近端截骨。继续将股骨导板贴附于股骨髁参考股骨前方皮质， 比较股骨截骨导板与内外上髁髁关系后， 依次行股骨远端、后髁、髁间截骨[5]。测试膝关节屈伸间隙平衡后， 软组织松解;安装膝关节假体试模， 测试膝关节稳定性及松紧度， 髌骨轨迹等， 测试满意后适当修整髌骨关节面并去神經化， 使用脉冲式枪冲洗膝关节。止血带加压骨面干燥后适当预涂骨水泥， 安装膝关节假体及垫片， 测量下肢力线良好， 放置负压引流管， 逐层缝合， 手术结束。

1. 4. 2 传统手术组 接受传统TKA术治疗。麻醉后患者取仰卧位， 常规消毒， 患肢缚止血带备用， 行患肢膝关节前正中切口， 手术暴露过程与 3D组基本相同， 术中使用导板器械进行截骨并判断假体型号大小， 股骨截骨行髓内定位， 定位点位于后交叉韧带止点上方1 cm， 股骨外翻截骨与股骨机械轴5°外旋截骨， 使用股骨假体型号测量器根据股骨后髁测量股骨假体型号大小， 胫骨截骨行髓外定位， 根据胫骨髓外定位导杆远端定位于内外踝连线中点内侧5 mm， 纵轴平行于胫骨长轴， 适当3°后倾， 根据胫骨平台外侧关节面行9 mm截骨。测试膝关节屈伸间隙， 保证屈伸间隙平衡后， 进一步行软组织松解[6]。安装膝关节假体试模， 复位膝关节进一步测试膝关节稳定性及松紧度， 测试满意后使用脉冲式枪彻底冲洗膝关节， 安装膝关节假体及垫片。脉冲式冲洗枪冲洗术区后， 术区放置负压引流， 逐层缝合， 术毕。

1. 4. 3 术后处理 术后常规使用抗生素预防感染， 使用低分子肝素皮下注射及双下肢足底泵气压治疗， 药物及物理方法预防下肢静脉血栓形成。术后根据术区引流量于术后24～48 h拔除引流管。术后第2 天开始于床上行持续被动活动（CPM）机功能锻炼， 术后第5天于助行器辅助下进行功能锻炼。

1. 5 观察指标 比较两组患者FFC角偏差、FTC角偏差、LTC 角偏差、手术时间、术中失血量， 术前及术后3个月KSS 评分、HKA角。

1. 6 统计学方法 采用SPSS20.0统计学软件对数据进行统计分析。计量资料以均数±标准差（ x-±s）表示， 采用t检验。P<0.05为差异具有统计学意义。

2 结果

2. 1 两组患者手术时间、术中失血量、FFC角偏差、FTC角偏差、LTC 角偏差值比较 传统手术组手术时间（122.5±5.3）min长于3D打印组的（103.6±4.6）min， 术中失血量（588.7±35.3）ml多于3D打印組的（423.2±41.5）ml， 差异均有统计学意义（P<0.05）。两组术后X线测量FFC 、FTC、 LTC 角偏差比较差异无统计学意义（P>0.05）。见表1。

2. 2 两组患者手术前后KSS 评分及HKA角比较 术前， 两组KSS评分及HKA角比较差异无统计学意义（P>0.05）;术后3个月， 两组KSS评分均高于术前， HKA角大于术前， 差异均有统计学意义（P<0.05）;术后3个月， 3D 打印组KSS评分略高于传统手术组， HKA角略大于传统手术组， 但差异无统计学意义（P>0.05）。见表2。

3 讨论

随着3D打印技术和骨组织工程技术的发展， 有研究将颅骨进行三维打印、先天性心脏病儿童进行心脏三维打印、颈椎人工椎体植入等[3]。随着人口老龄化， 骨性关节炎的发病率逐渐增加， KPA术常作为晚期关节炎的治疗手段。常规KPA术在屈伸间隙平衡、胫骨后倾定位、膝关节假体型号选择、股骨及胫骨旋转， 髌骨轨迹等方面常出现问题。若合并膝关节严重畸形， 则常给骨科医生增加手术难度并影响患者的康复， 给膝关节置换术后的预后、患者症状的改善、假体使用寿命及生存率等方面带来不利后果。

3D打印技术是通过采集数字化信息， 将PLA等高分子材料通过熔融沉积制造技术打印出目标模型， 清晰展现患者疾病骨骼模型， 如复杂骨折与畸形可直观进行术前计划或模拟手术[7， 8]。3D打印所获得数字化模型超越了影像学所提供的二维图像。3D打印截骨导板应用于膝关节置换术前计算机模拟手术， 确定下肢力线恢复及改善情况， 改善了手术中预后， 增加手术成功率和精确性， 无需开髓， 减少了创伤。3D打印截骨导板应用于膝关节置换手术中降低了手术的风险。3D打印简化了手术程序， 手术工具明显减少， 降低了手术操作失误率。

综上所述， 3D打印模型直观、简单、精确， 可直观观察膝解剖形态及畸形和骨缺损情况， 缩短手术时间， 减少术中出血量， 加速患者术后康复， 使手术更加精确， 减少手术创伤， 有利于患者的早期康复， 值得进一步推广和应用。

参考文献

[1] Classen L， Plass C， Daniilidis K， et al. Two stage revision total knee arthroplasty in eases of periprosthetic joint infection：an analysis of 50 cases. Open Orthop J， 2015， 27（9）：49-56.

[2] Xu NF， Wei F， LIU XG， et al. Reconstruction of the Upper Cervical Spine Using a Personalized 3D-Printed Vertebral Body in an Adolescent With Ewing Sarcoma. Spine， 2016， 41（1）：50-54.

[3] Xiao JR， Huang WD， Yang XH， et al. En Bloc Resection of Primary Malignant Bone Tumor in the Cervical Spine Based on 3-Dimensional Printing Technology. Orthop Surg， 2016， 8（2）：171.

[4] 吴东迎， 袁峰， 吴继彬， 等. 3D打印截骨导板在人工全膝关节置换术中的应用. 中华骨科杂志， 2015， 35（9）：921-926.

[5] 鲁学良， 熊明月， 刘振辉， 等. 3D打印截骨导板在人工全膝关节置换术中的应用研究. 中国临床实用医学， 2018， 9（3）：57-59.

[6] 茹江英， 时代， 徐饶， 等. 应用个体定制三维打印截骨导板辅助行人工全膝关节置换术. 中华关节外科杂志（电子版）， 2017， 11（5）：484-490.

[7] 高明宏， 郑传禧， 刘安庆， 等. 截骨导板在关节外畸形人工膝关节置换术中的应用. 中华解剖与临床杂志， 2019， 24（3）：273-278.

[8] 宋泽， 周章武， 汪千根. 3D打印个性化截骨导板辅助全膝关节置换术治疗膝骨关节炎合并关节外畸形. 世界最新医学信息文摘， 2019， 19（20）：26-27， 30.

[收稿日期：2019-11-11]