3D打印技术在复杂膝关节置换术中物理模型互换的应用

石磊

（泉州职业技术大学，福建 泉州 362200）

随着高新科技的高速发展，社会产生了巨大的变化，和传统的医学相比，现代医学中应用了大量的现代化医学理论和高新科技科学技术。其中3D打印技术在膝关节置换手术中的应用，可以1∶1精准地制作出和病人完全一样的膝关节。从而使膝关节置换手术匹配度更高，大大降低手术后病人的不适感和不良反应，大大提升膝关节置换手术病人术后的生活质量，给膝关节置换手术带来了更加精准的定制化医疗解决方案。

1 研究对象以及方法

1.1 研究对象

为了说明3D打印技术在膝关节置换手术中的应用价值，2014-12—2016-12从某大型医院初次进行人工膝关节置换手术的患者中随机选取了30例为对照组，然后从使用3D打印技术置换膝关节手术的患者中选取30例作为实验组[1-3]。

为了对比分析3D打印技术在膝关节置换手术中应用的好处，两组一共60例患者的手术是由同一手术团队在同一手术环境中进行的，手术过程中会排除一切其他不同的干扰。本次实验验证了3D打印技术在膝关节置换手术中的应用，采用SPSS20.0统计软件对实验数据进行统计和分析。计量数据以均数±标准差（±s）表示，组间对比采用成组设计资料t检验，组内对比采用配对设计资料t检验，检验水准α=0.05。

1.2 研究方法

根据物理模型数据逆向还原个体符合的手术截骨切模，将即将手术的截骨切模的STL文件复制到三维打印机中，采用切片软件，对打印结构再次进行尺寸和外观矫正确认，通过快速成型打印出聚酰胺截骨切模实物。

患者保持仰卧位姿势，全身麻醉后在膝关节前正中处切开皮肤，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。在胫骨近端置入打印的胫骨近端切模，接触面保证贴合良好，随后沿切模进行截骨，截骨角度及截骨量根据术前计算机计算结果决定，无需打开髓腔；准确安装放置试模及髁间截骨后，在胫骨近端打孔，用脉冲水枪灌注生理盐水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。

为了说明两组实验对象采用不同方式进行膝关节置换手术后的效果以及术前术后的生活质量变化，特地选取了两组实验患者膝关节置换手术前后的疼痛表现以及膝关节KSS得分情况进行对比。通过调查发现，无论是常规的膝关节置换手术还是使用3D技术进行的膝关节置换手术，都可以明显改善患者的膝关节功能。对两组患者术后一个月的恢复情况进行膝关节KSS评分，发现膝关节KSS评分均高于手术之前。

1.3 两组手术时间和手术出血量比较

这两种方式的膝关节置换手术还有一个非常重要的影响因素就是手术的时间长度，手术时间越长患者的痛苦感以及感染的风险就越大，因此膝关节手术最好可以控制在一定的时间内，而通过对比两组患者的手术时间可以发现实验组（3D打印组）患者手术时间明显较短，并且两组患者的差异性具有统计学意义（P＜0.05）。两种方式的膝关节置换手术中的出血量与术后的引流量总和有所不同，使用3D打印技术的膝关节置换手术，手术时间较短，因此出血量明显少于常规膝关节置换术。两组数据的差异性具有统计学意义（P＜0.05）[4-5]。具体情况比较如表1中所示。

表1 两组手术时间以及出血量情况比较

1.4 两组患者手术前后膝关节活动度比较

术前两组患者膝关节活动范围比较差异无统计学意义（P＞0.05）。术后两周，两组患者膝关节活动范围均显著提高（P＜0.05），但两组间比较差异无统计学意义（P＞0.05）。两组患者手术前后膝关节活动度比较如表2所示[6]。

表2 两组患者手术前后膝关节活动度比较

1.5 两组患者术后三个月恢复情况对比

手术三个月后两组患者的膝关节功能都有较大改善。其中，经过3D打印技术的膝关节置换手术治疗的患者要比经过常规方式的膝关节置换手术治疗的患者的总体恢复情况好。使用t方式检验两组膝关节功能的相关性，两者数据无统计学意义（t=1.432，P＞0.05）。两组患者拆线后，切口愈合良好，并且经过膝关节功能恢复训练后，膝关节功能恢复较好，两组患者膝关节功能恢复并无明显差异，差异无统计学意义。两组患者术后三个月恢复情况比较如表3所示。

表3 两组患者术后三个月恢复情况比较

2 结论

采用保守方式治疗严重膝关节炎的效果较差，采用膝关节置换手术是一种较好的治疗验证膝关节炎的方式。使用3D打印技术进行膝关节置换手术，可以在手术前为患者1∶1定制膝关节。3D打印技术根据患者Dicom影像学信息，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，在复杂的膝关节手术过程中，术前将患者患处部分的数据进行三维重建，建立物理模型和实现数模转换，使手术更加精准，完全匹配患者的患处部位，降低因为手术带来的不适感和后遗症。应用3D打印技术术前可确定植入物的类型、大小和位置，有利于为术者制定个体化的手术方案，大大降低手术时长，减少手术中和手术后的出血总量，降低了患者因手术带来的疼痛感，缩短了患者的恢复时间，因此3D打印技术在膝关节置换手术中的应用临床效果良好。

3 总结

这些年，随着中国经济的快速发展，3D打印在医疗骨科方面的应用给医生治疗骨科疾病带来了新的思路和有效的解决方案。本研究结果显示，应用3D打印技术辅助膝关节手术的时间明显短于对照组，手术出血量也显著少于对照组，而术后两周膝关节活动度及KSS膝关节功能评分与对照组比较差异均无统计学意义，且未见明显膝内病发症。表明3D打印技术辅助复杂膝关节置换术后疗效好，为病人量身制作膝关节结构，不仅降低了手术的风险，提高了膝关节的匹配度，还大大减少了膝关节手术的费用，这正体现了科技服务于人类的思想，有很大推广价值。由于3D打印技术为一个新生事物未能被普及，本研究纳入样本量较少，且未进行长期效果观察，因此本研究结果的可靠性还有待对大样本进行长期对照、研究来验证。